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6 Diskussion

Die Störung der intestinalen Mikrozirkulation wird als ein kardinaler Mechanismus für die Entwicklung des Multiorganversagens im Rahmen von Systemischen Inflammationssyndrom (SIRS) und Sepsis angesehen.

Daher war es Ziel der vorliegenden Arbeit, den Einfluss verschiedener, potentiell protektiver Substanzen auf die intestinale Mikrozirkulation und die systemische Mediatorfreisetzung im Tiermodell zu evaluieren.

Im Studienkonzept wurden zwei therapeutische Optionen verfolgt. Zum einen wurde eine Behandlung mit antioxidativen Substanzen und zum anderen die Gabe von vasoaktiven Medikamenten bei verschieden starker Endotoxinbelastung untersucht.

Im folgenden werden die einzelnen Ergebnisse der Arbeit im Zusammenhang der beiden Teilstudien und im Literaturvergleich diskutiert.

6.1 Hämodynamik

6.1.1 Hämodynamische Veränderungen bei experimenteller Endotoxinämie

Obwohl gemäß den Definitionen von SIRS, Sepsis und septischem Schock [33] hämodynamische Veränderungen pathognomonisch für den Krankheitsverlauf sind, stellen wissenschaftliche Untersuchungen von Mikrozirkulationsprozessen besondere Anforderungen an das hämodynamische Profil eines Studiendesigns. Für die Evaluation Endotoxin-spezifischer Veränderungen in der Endstrombahn sollte eine klare Abgrenzung zum Einfluss makrohämodynamischer Veränderungen (systemische Hypotension) auf die Mikrozirkulation möglich sein [9; 205].

Eine Bewertung von Vorgängen in der mikrozirkulatorischen Endstrombahn, wie z.B. der Leukozytenadhärenz, ist abhängig vom arteriellen Mitteldruck. Der MAP beeinflusst die Blutflussgeschwindigkeit. Die Blutflussgeschwindigkeit determiniert nach der Newtonschen Formel die Scherkräfte, welche maßgeblich die Leukozytenadhärenz modulieren [87; 208].

In verschiedenen Studiendesigns wird die hämodynamische Insuffizienz durch [Seite 110↓]zusätzliche Maßnahmen (z.B. Hämorrhagie, Herzbeuteltamponade) verstärkt, um bestimmte klinische Situationen zu modellieren und therapeutische Prinzipien zu validieren [327; 328].

Da in unseren Untersuchungen Endotoxin-spezifische Veränderungen der intestinalen Mikrozirkulation im Vordergrund standen, wählten wir ein Studiendesign, in dem durch eine limitierte Endotoxin-Dosierung und adäquate Volumensubstitution ein normotensiver Zustand der Versuchstiere aufrechterhalten werden konnte. Die notwendige Volumensubstitutionsrate wurde in Vorversuchen ermittelt. Zielparameter dabei waren Blutdruck- und Hämatokritstabilität.

Der Ausgangswert des arteriellen Mitteldrucks der Versuchstiere lag bei 110 mmHg. Im vierstündigen Versuchsablauf wurde ein durchschnittlicher MAP von 100 mmHg gemessen.

Die intravenöse Infusion von 5 mg/kg KG Lipopolysaccharid führte zu einem kurzzeitigen Blutdruckabfall innerhalb der ersten halben Stunde. Der arterielle Mitteldruck lag in dieser Phase nicht unter 80 mmHg. Bereits nach einer Stunde unterschied sich der MAP in der LPS-Gruppe nicht mehr signifikant von der Kontrollgruppe und dem Ausgangswert. Insbesondere zum Zeitpunkt der Intravitalmikroskopie unterschieden sich die Versuchstiere bezüglich der Makrohämodynamik nicht.

Die gleiche Aussage kann für die Versuchsreihen mit Gabe von 20 mg/kg KG LPS getroffen werden. Die Blutdruckwerte nach Endotoxin-Exposition lagen gering unter denen der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS. Nach einer Stunde Beobachtungszeit ließen sich statistisch keine signifikanten Unterschiede zur Kontrollgruppe nachweisen.

Das Herzfrequenzverhalten war bei allen Tieren, die mit Endotoxin belastet wurden, gleichartig durch eine Tachykardie gekennzeichnet. Nach einer Stunde Endotoxinämie stieg die Herzfrequenz von initial 350 Schlägen pro Minute auf Werte um 400 Schläge pro Minute an. Im weiteren Verlauf blieb die Herzfrequenz auf erhöhtem Niveau. Die Herzfrequenz in der Kontrollgruppe war dagegen während des gesamten Beobachtungszeitraumes stabil.

Die bei der Applikation von Bakterienprodukten typischen makrohämo-dynamischen Veränderungen sind von der Art des Toxins, der Dosis, der Applikationsform, der gewählten Tierspezies und von der Interaktion mit anderen kreislaufwirksamen Substanzen abhängig. Sie umfassen eine transiente oder persistierende Hypotonie und Tachykardie [91; 235]. Bei [Seite 111↓]mangelnder Volumensubstitution werden diese Veränderungen verstärkt [138; 235].

Die Art des Toxins wird bei i.v.-Infusionsmodellen (im Gegensatz z.B. zum Zökalligatur- und Punktionsmodell) durch den Untersucher ausgewählt. Somit können Studien miteinander vergleichbar angelegt werden. Zwischen einzelnen Chargen desselben Serotyps Endotoxin können jedoch Wirkunterschiede auftreten [62]. Trotz gleichartigen Endotoxin-Typs müssen Dosisangaben daher vorsichtig bewertet werden. Wir verwendeten für alle Versuche dieselbe Charge Endotoxin (Lipopolysaccharid von E. coli, Serotyp O55:B5). Wir wählten den Serotyp nach umfangreichen Recherchen in der Literatur aus [40; 164; 201; 230; 265; 298; 321; 327]. Ein weiterer, häufig verwendeter Serotyp des E. coli-Endotoxins ist O111:B4 [88; 123; 207; 246; 284]. Wichtigste „Nichtendotoxin-Toxine“ sind das α-Toxin von Staphylococcus aureus (Hämolysin; Porenbildner), das Exotoxin A von Pseudomonas aeruginosa (ADP-ribosylierendes Toxin) und die Staphylokokkoken-Enterotoxine A-E (sogenannte Superantigene; [39; 109; 264].

Bei LPS-Dosen in der von uns verwendeten Größenordnung ist ein transienter Blutdruckabfall charakteristisch [14; 205; 238; 321]. Regelmäßig persistiert in den mitteldosierten LPS-Modellen aber die Erhöhung der Herzfrequenz nach LPS-Applikation, was auch in unserem Versuchsmodell zu beobachten war [14; 321]. Nur bei LPS-Dosen < 1 mg/kg KG kann eine Tachykardie ausbleiben [254].

Xu et al. beschrieben in einem - unserer Versuchsanordnung sehr ähnlichen - Endotoxin-Modell (Tierspezies Ratte, 5 mg/kg KG Endotoxin von E. coli O55:B5) einen unveränderten MAP bei Anstieg der Herzfrequenz [321]. In diesem Versuchsmodell registrierten die Autoren eine Stunde nach Induktion der Endotoxinämie ein erhöhtes Herzminutenvolumen. Somit konnten sie zeigen, dass ein hyperdynames Modell der Endotoxinämie vorlag. Auf Grund der starken Ähnlichkeit unseres Modells und des von Xu et al. kann auch bei unserem Modell ein hyperdynames Kreislaufverhalten angenommen werden.

Für die hämodynamische Situation bei Endotoxinämie im Tierexperiment ist die Art der Endotoxinapplikation entscheidend. Appliziert man bei der Ratte höhere Dosen Endotoxin (bis 40 mg/kg KG) in Bolusform, kommt es in der Regel zu einer hypodynamen Kreislaufsituation [42; 168]. Bei geringeren Bolusdosen findet man initial eine hyperdyname Situation, die erst später (> 4 h) in eine hypodyname Phase umschlägt [254]. Auch die kontinuierliche Endotoxin-Applikation löst eine hyperdyname Kreislaufsituation aus [80; [Seite 112↓]144]. Wir wählten eine LPS-Kurzinfusion um einerseits die Nachteile der Bolusinjektion zu vermeiden und andererseits eine zeitlich definierte Schädigung zu setzen.

Die Veränderungen von Herzfrequenz und mittlerem arteriellen Blutdruck dienen in vielen Studien, die LPS verwenden, als Effektivitätskriterium der Endotoxinämie. Insbesondere die toxische LPS-Wirksamkeit kann anhand dieser beiden Parameter beurteilt werden. Eine Kontrolle des Wirkungseintritts kann schon kurze Zeit nach Applikation des Endotoxins anhand des temporären Blutdruckabfalls vorgenommen werden [141; 255]. Andererseits kann der modulierende Effekt von Pharmaka auf die septische Hämodynamik validiert werden.

Die notwendige Dosis für die Erzielung hämodynamischer Veränderungen hängt von der gewählten Tierspezies ab. So sind Ratten um den Faktor 100-1000 resistenter gegenüber Endotoxin als Primaten, Hunde, Katzen, Schweine und Kaninchen [78; 234; 316]. Der Mensch reagiert extrem sensibel auf geringe Dosen von Endotoxin. Suffredini et al. konnten an Freiwilligen mit einer Dosis von 4 ng/kg KG Endotoxin (O113) eine Tachykardie, Hypotonie und eine hyperdyname Kreislaufsituation auslösen [287]. Auch Revhaug et al. fanden Sepsis-typische Veränderungen in diesem Dosisbereich beim Menschen [242].

Die Pathogenese der septischen Kreislaufinsuffizienz ist multifaktoriell und - obwohl es bereits verschiedene therapeutische Ansätze gibt - noch nicht in allen Einzelheiten aufgeklärt. Man unterscheidet die septische Kardiomyopathie von Veränderungen im Sinne einer komplexen Vaskulopathie.

Verschiedene Sepsismediatoren besitzen kardiodepressive Eigenschaften. So werden u.a. Endotoxine, Exotoxine, Tumornekrosefaktor-α, Interleukin 1, Stickoxid und reaktive Sauerstoffverbindungen in Verbindung mit der akuten septischen Kardiomyopathie gebracht [264]. Die resultierende Pumpfunktionseinschränkung gilt als pathogenetisch bedeutsamste Komponente dieser spezifischen Form der Herzinsuffizienz.

Zu Beginn des septischen Geschehens findet man häufig eine normotensive, hyperdyname Kreislaufsituation mit erniedrigten peripheren Widerständen [31]. Hier wird der grundlegende Unterschied zum kardiogenen Schock deutlich. Die schwere Sepsis und der septische Schock sind durch eine behandlungspflichtige Hypotension bei meist hyperdynamer Kreislauflage charakterisiert [35]. Bei weiterer Progredienz oder foudroyanten Verläufen kann eine hypodyname Kreislaufsituation auftreten [264].

Die Veränderungen in der Mikrozirkulation sind durch eine pathologische Vasodilatation in Kombination mit Gebieten einer inadäquaten Vasokonstriktion [Seite 113↓]gekennzeichnet. Vasodilatatorisch wirkende Sepsismediatoren sind z.B. Tumornekrosefaktor-α, Interleukin 1, Histamin, Stickstoffmonoxid und Prostaglandin I2[128; 223]. Vasokonstriktorisch wirken u.a. Noradrenalin, Vasopressin, Endotheline, Leukotriene und Thromboxan A2[37; 79; 93]. Hinzu kommt eine gestörte Ansprechbarkeit adrenerger Rezeptoren und eine autonome Dysfunktion. Endresultat der Maldistribution in der Mikrozirkulation ist die Minderperfusion und Dysfunktion mulitpler Organe.

6.1.2 Einfluss der untersuchten Substanzen

Der Einfluss der untersuchten Substanzen auf die Hämodynamik in unserem Versuchsmodell ist vor dem Hintergrund des für die Intravitalmikroskopie angestrebten Erhalts normotensiver Kreislaufverhältnisse auch in den unbehandelten LPS-Gruppen zu bewerten.

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden antioxidative Substanzen evaluiert. Im Gegensatz zu den primär vasoaktiven Substanzen aus Teil 2 der Studie war ein direkter Effekt auf die Hämodynamik nicht zu erwarten. Im Rahmen der Beeinflussung des Gesamtbildes bei Endotoxinämie, d.h. der Reduktion mediatorbedingter Veränderungen, konnte jedoch mit indirekten hämodynamischen Effekten gerechnet werden.

In der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS wurde der initiale, geringe MAP-Abfall durch die eingesetzten Therapeutika nicht signifikant beeinflusst, wenn auch bei Lazaroid-Behandlung die höchsten Blutdruckwerte gemessen wurden. Im weiteren Verlauf fanden wir keine Unterschiede zwischen den Behandlungs- und Kontrollgruppen. Ebenso unbeeinflusst war die Tachykardie nach Endotoxin-Applikation. Bei Applikation von 20 mg/kg KG LPS sahen wir hingegen eine signifikante Abschwächung der initialen MAP‑Reduktion durch die Gabe von Oxypurinol bzw. des Aminosteroids U-74389G. Möglicherweise demaskierte sich der kreislaufprotektive Effekt der Antioxidantien erst durch den stärkeren MAP-Rückgang bei Belastung mit 20 mg/kg KG LPS. Auffällig in dieser Versuchsreihe war die Akzentuierung der Tachykardie durch U-74389G.

In vergleichbaren Endotoxin-Studien konnte mit Antioxidantien wie SOD, Allopurinol, reduziertem Glutathion und α-Tokopherol kein Einfluss auf die MAP-[Seite 114↓]Erniedrigung und die erhöhte Herzfrequenz genommen werden [8; 201; 314]. Die Kombination von α-Tokopherol und BW 755c (Inhibitor des Cyclooxygenase- und Lipoxygenaseweges) war jedoch in der Lage, den Blutdruckabfall zu verzögern [201]. Zhang et al. demonstrierten an endotoxämischen Hunden eine positive Wirkung des 21-Aminosteroids Tirilazad-Mesylat auf den MAP und andere hämodynamische Parameter wie Herzindex und pulmonalen Gefäßwiderstand. Neben einer vergleichsweise hohen Endotoxin-Dosis wurden zusätzlich alle Tiere splenektomiert (Verhinderung einer Hypotonie-induzierten Autotransfusion) und erhielten intraperikardiale Injektionen von physiologischer Kochsalzlösung (zusätzliche Belastung der Herzfunktion durch Herzbeuteltamponade). Dadurch besitzt das von diesen Autoren verwendete Endotoxin-Modell möglicherweise eine höhere Sensitivität und war deshalb in der Lage, einen günstigen Effekt des 21-Aminosteroids auf den MAP nachzuweisen [327]. Der Erfolg dieser Therapie stützt die These der Mediatorrolle reaktiver Sauerstoffspezies im Rahmen der akuten septischen Kardiomyopathie und Vaskulopathie.

Im zweiten Teil der Untersuchung setzten wir das stabile Prostacyclinanalogon Iloprost und das synthetische Katecholamin Dopexamin ein. Beide Substanzen können eine Vasodilatation hervorrufen. Die Dosis wurde daher im unteren therapeutischen Bereich gewählt (2 ng/kg/min Iloprost; 0,5 µg/kg/min Dopexamin), um eine zusätzliche Hypotension zu vermeiden.

So beobachteten wir nach Gabe von 5 mg/kg KG LPS keine Verstärkung des Blutdruckabfalls, sondern sogar eine signifikante Kreislaufprotektion. Der mittlere arterielle Blutdruck in beiden Behandlungsgruppen lag signifikant über dem MAP der unbehandelten LPS-Gruppe. Auch die Tachykardie konnte reduziert werden. Dies ist besonders für Dopexamin überraschend, da die Tachykardie eine häufige Nebenwirkung beim Einsatz des Medikaments in der Klinik darstellt.

Bei Gabe von 20 mg/kg KG LPS war der protektive Effekt während des initialen Blutdruckabfalls nicht aufrechtzuerhalten. Es bestand kein signifikanter Unterschied zur LPS-Gruppe. Im weiteren Verlauf unterschieden sich - wie angestrebt - die Behandlungsgruppen und die unbehandelte LPS-Gruppe weder im MAP noch in der Herzfrequenz signifikant voneinander.

Smith et al. [270] untersuchten den Einfluss von Iloprost auf hämodynamische und metabolische Veränderungen bei experimenteller Endotoxinämie. Analog zu unseren Ergebnissen fand die Arbeitsgruppe keine negative Beeinflussung des MAP-Verlaufes über [Seite 115↓]einen Beobachtungszeitraum von drei Stunden.

Manasia et al. [189] zeigten in einem Endotoxin-Modell am Schwein, dass bei fehlendem Einfluss auf den systemischen Blutdruck und das Herzzeitvolumen die Iloprost-Behandlung in der Lage war, den intestinalen Blutfluss zu steigern.

Dopexamin besitzt im Vergleich zum Dopamin eine 60fach stärkere Wirkung am β2-Rezeptor und ein Drittel der Wirksamkeit am DA1-Rezeptor [44]. Der prinzipielle Unterschied zum Dopamin ist die fehlende Aktion am α1- und α2-Rezeptor. Damit dominiert die vasodilatierende Wirkung bei gering ausgeprägter positiv inotroper Wirkung (β1). Das hämodynamische Profil prädestiniert die Substanz für den Einsatz in der Herzinsuffizienz. Aber auch im Kontext der Sepsis erscheint die Anwendung indiziert.

Bei Patienten im septische Schock steigerte Dopexamin in einer Dosis von 1‑6 µg/kg/min signifikant das Herzzeitvolumen. Der mittlere arterielle Druck änderte sich nicht signifikant. Der systemische Widerstand sank dagegen ab [264].

Schmidt et al. [258] setzten Dopexamin in höherer Dosierung (2,5 µg/kg/min) bei experimenteller Endotoxinämie im Rattenmodell ein und beschrieben stabile Kreislaufverhältnisse. Sie konnten eine signifikant verbesserte Mikrozirkulation am Darm nachweisen.

6.2 Laborparameter

6.2.1 Blutgasanalyse

Der Respirationstrakt unterliegt - ebenso wie das Kreislaufsystem - vielfältigen Beeinträchtigungen bei Endotoxinämie und Sepsis. Die akute respiratorische Insuffizienz ist die häufigste Komponente des Multiorganversagens [264].

Als frühes klinisches Zeichen hat die Tachypnoe bzw. Hypokapnie Eingang in die Sepsisdefinition gefunden [35]. In der Folge treten Störungen der Sauerstoffaufnahme mit Hypoxämie auf; die Totraumventilation ist erhöht, die Compliance der Lunge erniedrigt und die Atemarbeit steigt erheblich an.

Für das akute Lungenversagen wird eine inflammatorische Reaktion des [Seite 116↓]Lungengewebes im Zusammenhang mit körpereigenen Entzündungszellen und ihren Mediatoren verantwortlich gemacht [292]. Dabei ist es sekundär, ob die Entzündungsquelle pulmonal oder extrapulmonal (systemisch) lokalisiert ist.

Zudem ist die Lunge als regulativer Bestandteil im Säure-Basen-Haushalt des Körpers bei Endotoxinämie und Sepsis stark beansprucht. Infolge der häufig auftretenden metabolischen Azidose kommt es zu der oben beschriebenen Hyperventilation im Sinne eines respiratorischen Kompensationsmechanismus.

In unseren Experimenten beobachteten wir bei allen mit Endotoxin belasteten Tieren eine deutliche Tendenz zur Hypokapnie über den Versuchzeitraum. Nach Applikation von 5 mg/kg KG LPS waren die Veränderungen noch moderat. Lediglich unter Oxypurinoltherapie fanden wir nach vier Stunden signifikant gegenüber den Ausgangswerten erniedrigte pCO2-Werte.

Allerdings stellten wir auch in der Kontrollgruppe eine Hypokapnieentwicklung zu diesem Zeitpunkt fest, so dass die Endotoxingabe nicht als alleinige Ursache für die Hypokapnie zu sehen ist. Bei Gabe der höheren Endotoxindosis (20 mg/kg KG LPS) wurden jedoch bereits nach zwei Stunden signifikant niedrigere pCO2-Werte als in der Kontrollgruppe gemessen. Die Gabe der Testsubstanzen hatte keinen Einfluss auf die Hypokapnie.

Die pH-Werte waren in beiden Versuchsreihen bei allen Gruppen stabil. Offensichtlich gelang es den Versuchstieren mit der respiratorischen Kompensation eine systemische pH-Wertverschiebung bei zu erwartender metabolischer Azidose nach Endotoxingabe (siehe Laktatergebnisse) abzuwenden.

Oxygenierungsstörungen sahen wir in unserem experimentellen Modell nicht. Wir beobachteten im Gegenteil einen leichten, jedoch signifikanten Anstieg der pO2-Werte über den Versuchszeitraum, der lediglich in der unbehandelten LPS-Gruppe fehlte.

Den pO2-Anstieg sehen wir im Zusammenhang mit einer möglichen initialen Oxygenierungsstörung durch die Narkoseeinleitung mittels Etherrausch. Die initialen pO2-Werte lagen mit 10-12 kPa (75-90 mmHg) im unteren Normbereich. Nach vier Stunden befanden sich die Werte mit ca. 14 kPa (105 mmHg) im oberen Normbereich.

Der fehlende pO2-Anstieg in der unbehandelten LPS-Gruppe muss danach als [Seite 117↓]beginnende Störung der Lungenfunktion angesehen werden. Vice versa erscheint durch die Gabe der Testsubstanzen eine Protektion der Lungenfunktion erreicht worden zu sein, z.B. durch eine Reduktion der intrapulmonalen Leukozytenadhärenz. Bei den antioxidativen Substanzen bewirkte Oxypurinol im Vergleich zum Lazaroid U-74389G einen größeren Effekt auf die Oxygenierung (in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS als einzige Gruppe bereits nach zwei Stunden signifikante Verbesserung gegenüber dem Ausgangswert; höchster pO2-Wert nach vier Stunden). Von den beiden untersuchten vasoaktiven Substanzen schnitt Dopexamin besser ab (in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS nach vier Stunden im Gegensatz zur Ilopostgruppe signifikant höherer pO2 als LPS-Gruppe).

Bei Belastung mit 20 mg/kg KG LPS war der protektive Effekt der vasoaktiven Substanzen nur nach zwei Stunden signifikant. Bei Behandlung mit den Antioxidantien entwickelte sich die Signifikanz zum Zeitpunkt 4 h.

Die Ergebnisse der Blutgasanalysen entsprechen den Angaben vergleichbarer Studien mit spontanatmenden [254; 260] bzw. beatmeten [41; 205] Ratten bei Endotoxinämie. Eine Beatmungspflichtigkeit ergab sich in unserem Versuchsmodell nicht. Zur Sicherstellung freier Atemwege wurden die Tiere jedoch tracheotomiert und bei Bedarf abgesaugt.

6.2.2 Laktat

Erhöhte Laktatspiegel werden häufig bei Endotoxinämie und Sepsis gemessen. Hierbei wird eine Hyperlaktatämie (2-5 mmol/l) von einer Laktatazidose (>5mmol/l) unterschieden. In klinischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass hohe Laktatspiegel mit einer erhöhten Mortalität korrelieren [51; 305]. Die Laktatazidose hat als fakultatives Symptom Eingang in die Definition der schweren Sepsis und des septischen Schocks gefunden [35].

Wir fanden bei den Versuchstieren, die Endotoxin erhalten hatten, bereits nach zwei Stunden einen signifikanten Anstieg der Laktatkonzentration im Blut. Nach vier Stunden waren in der unbehandelten LPS-Gruppe bei Gabe von 5 mg/kg KG LPS Laktatwerte um 3,5 mmol/l erreicht. Bei Applikation von 20 mg/kg KG LPS wurden Werte um 4,5 mmol/l gemessen. Dies entspricht nach den obengenannten Kriterien einer Hyperlaktatämie.


[Seite 118↓]

In einer Studie vonHargrove et al. wurden bei Belastung mit 1 mg/kg KG LPS (E. coli O26:B6) nach vier Stunden Laktatkonzentrationen von durchschnittlich 3,5 mmol/l gemessen [120]. Van Lambalgen et al. sahen bei Applikation von 20 mg/kg KG LPS (E. coli O127:B7) einen Laktatanstieg auf 4,4 ± 0,3 mmol/l [301].

Im ersten Teil der Studie fanden wir unter Lazaroid-Therapie in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS eine signifikante Reduktion des Laktatanstiegs. Nach zwei Stunden Endotoxinämie war der Laktatwert noch unverändert. Nach vier Stunden lag der Wert signifikant unter denen der unbehandelten und der mit Oxypurinol behandelten LPS-Gruppe. Zhang et al. konnten in einem felinen Modell durch den Einsatz eines Aminosteroids ebenso den Endotoxin-induzierten Laktatanstieg verhindern [327].

In der Versuchsreihe mit 20 mg/kg KG LPS und in beiden Versuchsreihen des zweiten Teils der Arbeit (vasoaktive Substanzen) konnten wir keinen Effekt auf die Hyperlaktatämie nachweisen.

In der Literatur werden die Effekte von Iloprost bzw. Dopexamin auf den Laktatspiegel ähnlich beschrieben. Trotz teilweise signifikanter Verbesserung der Durchblutung verschiedener Organe wird die Hyperlaktatämie meist nicht beeinflusst [250; 290].

Quellen der Laktatproduktion bei Endotoxinämie und Sepsis sind im wesentlichen Darm, Muskulatur und Haut [302]. Weitere Laktatproduzenten sind Herz, Lunge und Erythrozyten. Somit kann eine Hyperlaktatämie oder Laktatazidose keinem Organ primär zugeordnet werden, es sei denn, spezifische Prozesse (z.B. Darm-Infarkt) sind bekannt.

Laktat fällt ausschließlich im Glukosestoffwechsel an. Glukose wird zunächst –sowohl unter anaeroben als auch aeroben Bedingungen – bis zum Pyruvat abgebaut. Die Energiebilanz beträgt bis hierher 2 mol ATP. Unter aeroben Bedingungen wird das Pyruvat mittels der Pyruvatdehydrogenase abgebaut und tritt über die Zwischenstufe Acetyl-CoA in den Citratzyklus ein. Dort erfolgt der Abbau bis zum CO2, wobei dann summarisch 38 mol ATP pro mol Glukose gewonnen wurden. Unter aneroben Bedingungen wird das für den Glukoseabbau benötigte oxidierte NAD durch die Reaktion von Pyruvat zu Laktat (Laktatdehydrogenase) gewonnen. Auch bei stimulierter anaerober Glykolyse bleibt das Verhältnis Laktat/Pyruvat zunächst konstant (10:1). Es entseht zwar vermehrt Laktat, jedoch noch keine Azidose. Erst bei verstärktem ATP-Abbau infolge einer Hypoxie im Gewebe [Seite 119↓]entstehen Wasserstoffionen, die das Reaktionsgleichgewicht verschieben und zu einer weiteren Laktatbildung führen. Der dann veränderte Laktat/Pyruvat-Quotient kann die nichthypoxische Hyperlaktatämie von der hypoxischen Laktatazidose unterscheiden. Zusätzlich akkumuliert beim ATP-Abbau AMP, das die Glykolyse nochmals stimuliert (Pasteur-Effekt) und eine weitere Laktatproduktion auslöst.

Die Perfusionsstörung multipler Organe bei Endotoxinämie, die zur Hypoxie im Gewebe führt, ist nicht die einzige Ursache für erhöhte Laktatwerte. Endotoxin selbst kann durch eine Stimulation der Glukose-Transporter-Protein-Synthese die Glykolyse stimulieren und durch die Hemmung der Pyruvatdehydrogenase den Laktatweg forcieren [57; 120; 304]. Jones et al. fanden bei endotoxämischen Ratten eine verminderte Aktivität der Pyruvat-Kinase, Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) und Pyruvat-Carboxylase verbunden mit einer um 50% verminderten Glukoneogenese. Sie postulierten, dass in der Endotoxin-induzierten Hemmung der PEPCK die Ursache einer verminderten Glukoneogenese verbunden mit einem Laktatanstieg gesehen werden kann [145]. Eine gestörte Leber- bzw. Nierenfunktion (Hauptorgane der Laktatverstoffwechselung) kann per se zu einer Laktatakkumulation führen [160]. Endogene oder exogene Katecholamine können direkt (Stimulation der Glykolyse) oder indirekt (Reperfusion hypoxischer Gewebe nach Kreislaufstabilisierung – „Laktat-washout“) eine Laktatfreisetzung verursachen [23]. Die Beurteilung erhöhter Laktatwerte ist somit komplex und nicht auf die Feststellung einer minderperfusionsbedingten Hypoxie im Gewebe zu reduzieren.

6.2.3 Leukozyten

Definitionsgemäß zählt eine Leukopenie (< 4 GPt/l) oder Leukozytose (> 12 GPt/l) zu den Markern einer Sepsis [35]. Bei experimentellen Modellen mit Endotoxin-Applikation kommt es in der Regel initial zu einer ausgeprägten Leukopenie [8; 14; 110; 209; 221; 272]. Sie gilt als Indikator für die Sepsis-Induktion [254]. Dem initialen Leukozytensturz kann sich infolge der verzögerten Freisetzung aus dem Knochenmark bei längerer Beobachtungszeit eine reaktive Leukozytose anschließen. Als Ursache für das Verschwinden der Leukozyten aus dem peripheren Blut gilt die endotoxininduzierte Leukozytenadhärenz in der Endstrombahn verschiedenster Organe verbunden mit Änderungen in der Mikrohämodynamik [Seite 120↓][166; 288].

In der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS fanden wir nach zwei Stunden Endotoxinämie Leukozytenzahlen um 1,5 GPt/l im peripheren Blut. Die Gabe des Lazaroids U-74389G bzw. Iloprost konnte im Gegensatz zur Oxypurinol- bzw. Dopexamintherapie den initialen Leukozytenrückgang vermindern. Nach vier Stunden Endotoxinämie lagen die Werte aller Gruppen um 2 GPt/l. Die Kontrollgruppe zeigte stabile Leukozytenzahlen.

Bei Applikation von 20 mg/kg KG LPS sank die Leukozytenzahl zum Zeitpunkt 4 h bis auf 1 GPt/l ab. Keine der untersuchten Substanzen hatte einen Einfluss auf die peripheren Leukozytenzahlen bei dieser Endotoxindosis.

6.3 Intravitalmikroskopie

Anhand der hämodynamischen und laborchemischen Veränderungen konnte gezeigt werden, dass das etablierte Versuchsmodell charakteristische klinische Konstellationen bei Sepsis widerspiegelt. Es ergaben sich erste Hinweise für Effekte der untersuchten Substanzen bei Endotoxinämie. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Untersuchung des Einflusses der ausgewählten antioxidativen bzw. vasoaktiven Substanzen auf die intestinale Mikrozirkulation als zentralem Protagonisten in der Entwicklung des septischen Multiorganversagens.

Die Intravitalmikroskopie bietet herausragende Möglichkeiten für die Beurteilung der Mikrozirkulation in vivo[315]. Statische Methoden wie Laborparameter oder histologische Schnitte können nur Momentaufnahmen der mikrohämodynamischen Situation wiedergeben. Die Intravitalmikroskopie erlaubt es, dynamische Prozesse in der Endstrombahn, wie die Leukozyten-Endothel-Interaktion und die Kapillarperfusion, zu beurteilen [203].

6.3.1 Leukozytenadhärenz

Der Vorgang der Leukozytenadhärenz bei Endotoxinämie ist ein mehrstufiger Prozess (Einzelmechanismen auf zellulärer Ebene siehe Einleitung, Kapitel 2.1.2.3). Am Anfang steht [Seite 121↓]die verstärkte Margination der Leukozyten aus der Blutstrommitte. In der Folge kommt es zum temporären Adhärieren der Leukozyten am Endothel der Gefäßwand, dem sogenannten Leukozytenrolling [184; 186]. Der nächste Schritt ist die feste Adhärenz der Leukozyten am Endothel, das Leukozytensticking [105]. Die aktivierten Leukozyten setzen eine Reihe von Mediatoren frei (z.B. Sauerstoffradikale, Elastase, Kollagenase, Myeloperoxidase), die das Endothel angreifen, die Gefäßpermeabilität erhöhen und weitere Kaskadensysteme aktivieren können [121; 236; 309]. Mit der Emigration der Leukozyten aus den Blutgefäßen nimmt die Gewebeschädigung ihren Fortgang [122]. Ein Durchbrechen dieses Szenarios im Sinne einer Verminderung der Leukozytenadhärenz am Endothel stellt somit einen therapeutischen Ansatz bei Endotoxinämie bzw. Sepsis dar. Die intestinale Schädigung durch aktivierte Leukozyten und mögliche Folgereaktionen, wie die Translokation von Bakterien und Toxinen aus dem Darmlumen in die Zirkulation, könnten so vermindert werden.

Auch unter physiologischen Bedingungen - am intakten Gewebe - wird ein spontanes Leukozytenrolling beobachtet. Der Anteil rollender Leukozyten kann bis 45 % der Gesamtleukozyten betragen („rolling pool“ [9; 37; 199]). Das Ausmaß hängt von der Art des untersuchten Gewebes ab. Der Vorgang wird als Bereitschaft der Leukozyten für eine jederzeitige Aktivierung im Rahmen der Immunabwehr interpretiert [139]. Dauerhaft adhärente Leukozyten werden unter Normalbedingungen (Wachheit, Stressfreiheit, Abwesenheit von Pathogenen oder Testsubstanzen) in der Regel nicht beobachtet [199].

Janssen et al. untersuchten den Einfluss verschiedener Anästhetika auf das spontane Leukozytenrollen. Sie empfahlen für Untersuchungen der Mikrozirkulation das Pentobarbital, da es z.B. im Gegensatz zum Fentanyl keine Auswirkungen auf die Leukozyten-Endothel-Interaktion hat [140]. Schmidt et al. berichteten für das Ketamin von einer Verringerung der Leukozytenadhärenz bei Endotoxinämie [255]. Wir setzten für unsere Untersuchungen Pentobarbital ein.

Aussagen zum spontanen Leukozytenrollen lassen sich im engeren Sinne nur an noninvasiv zugänglichen Geweben (Nagelbett, Haut, Auge) zuverlässig treffen, da jedes operative Trauma eine Leukozytenaktivierung bewirken kann.

Unter unseren Versuchsbedingungen wurde auch in der Kontrollgruppe ein deutliches Rollen der Leukozyten verzeichnet. Ein verstärktes spontanes Leukozytenrolling kann allein durch die Gewebeauslagerung bedingt werden, wie Fiebig et al. am Mesenterium zeigten [76]. Diese Autoren beobachteten an Mesenterialvenen bereits fünf Minuten nach [Seite 122↓]Auslagerung des Gewebes eine signifikante Zunahme des spontanen Leukozytenrollens. Dieses Phänomen war auch nach 30 Minuten nachweisbar. Da unsere mikroskopischen Untersuchungen ca. 15 Minuten nach Auslagerung begonnen wurden, interpretieren wir die hohe Anzahl rollender Leukozyten der Kontrollgruppe im Sinne der von diesen Autoren beschriebenen Veränderungen.

Massberg und Boros[37; 195] geben den normalen Anteil rollender Leukozyten an der Gesamtzahl der freifließenden Leukozyten in der intestinalen Submukosa bei Intravitalmikroskopie mit bis zu 10 % in den größeren V1-Venolen und bis 25 % in den kleineren V3-Venolen an. Sie begannen die Untersuchungen nach einer 20-minütigen Stabilisierungsperiode.

Eine differente Methode zur Beschreibung lokaler Leukozytenadhärenz ist das Aufstellen des Quotienten zwischen systemischer und regionaler Leukozytenzahl. Dieser Quotient beträgt im Mesenterium nach Auslagerung 1:6. Nach 45 Minuten Auslagerung wird am Mesenterium eine 100fach höhere Konzentration von polymorphonukleären Zellen gemessen als in der systemischen Zirkulation [322].

Andere Gruppen beschreiben das Leukozytenrollen mit dem Parameter Roller-Flow (Anzahl rollender Leukozyten/Zeiteinheit). Gaboury et al. [90] registrierten bei Normaltieren in einem Intravitalmikroskopie-Modell am Mesenterium einen Roller-Flow von 20 Zellen/min. Bei etwa gleichen Ausgangswerten fand Ley nach 40 Minuten einen Maximalwert von 80 Zellen/min im Mesenterium [185]. In der Folge ging der Roller-Flow in dieser Studie wieder zurück. Am Darm fanden Scalia et al. [249] Baseline-Werte von 15-20 rollenden Leukozyten pro Minute. Wir fanden in der Submukosa unserer Kontrolltiere durchschnittlich 50 rollende Leukozyten pro Minute (Untersuchungszeitraum 20 min).

In den unbehandelten Endotoxin-Gruppen fanden wir eine signifikant niedrigere Anzahl rollender Leukozyten pro Zeiteinheit als in der Kontrollgruppe ohne Endotoxin. Ein vermindertes Leukozytenrollen erscheint unter Berücksichtigung des sequentiellen Ablaufs der Leukozytenaktivierung und der Zunahme der Anzahl fest adhärenter Leukozyten als paradox.

Erklärt werden kann dieser Effekt zum einen durch eine überproportionale Ausprägung der festen Leukozytenadhärenz in der Mikrozirkulation. Durch die LPS-Gabe adhärieren die Leukozyten in einem solchen Ausmaß fest am Endothel, dass kaum noch rollende Leukozyten beobachtet werden können. Diese Interpretation wird durch den Befund der LPS-induzierten Reduktion der Leukozytenzahl im peripheren Blut unserer Versuchstiere [Seite 123↓]gestützt. Ähnliche Beobachtungen wurden auch von anderen Autoren kurz nach LPS-Applikation beschrieben. So konnten Baatz et al. [9] zwei Stunden nach LPS-Applikation eine Verminderung des Leukozytenrolling in Gefäßen der Uvea um bis zu 30 %, begleitet von einem Abfall der Leukozytenzahl im peripheren Blutbild, feststellen. Baatz wie auch Traber et al. [296] konnten zeigen, dass es bei längerer Beobachtungszeit (ca. 6 h nach Applikation des LPS) zu einem Wiederanstieg der Leukozytenzahl im peripheren Blutbild kommt. Dieser zeitliche Ablauf ist durch die verzögerte Freisetzung aus dem Knochenmark in Verbindung mit einer weiteren Entwicklung des Entzündungsgeschehens erklärbar. So sah Baatz vier bis sechs Stunden nach LPS-Applikation ein zunehmendes Leukozyten-Rolling bei konstant erhöhter fester Leukozytenadhärenz. Der Anstieg der Anzahl rollender Leukozyten war somit nicht durch ein Ablösen schon adhärenter Leukozyten, sondern durch ein Nachliefern von Leukozyten verursacht [9]. Auch Traber konnte im Schafmodell acht bis zehn Stunden nach LPS-Bolusapplikation einen Wiederanstieg der Leukozytenzahl im peripheren Blutbild beobachten. Weiterhin konnte er zeigen, dass dieser Wiederanstieg der Leukozytenzahl vor allem durch Granulozyten verursacht war. Die Nachlieferung der Leukozyten scheint deshalb vordergründig durch eine aktivierte Granulopoese verursacht zu sein [296]. Die Leukopenie persistierte in unserer Studie bis zum Versuchsende. Eine Erholung der Leukozytenzahl über den Versuchsverlauf wurde möglicherweise deshalb nicht beobachtet, weil wir eine kürzere Versuchszeit wählten und in unserem Modell eine höhere LPS-Dosis als bei den o.g. Autoren verwendet wurde.

Zum anderen kann in Abhängigkeit vom Leukokrit in der Mikrozirkulation auch eine verminderte absolute Anzahl rollender Leukozyten pro Zeiteinheit rechnerisch durchaus einer relativen Zunahme der Anzahl der rollenden Leukozyten entsprechen. Desweiteren kann z.B. bei einer venolären Vasokonstriktion eine absolut verminderte Anzahl rollender Leukozyten pro Zeiteinheit und Gefäßsegment trotzdem mit einer relativ erhöhten Anzahl rollender Leukozyten pro mm2 Endothel korrelieren. Wir konnten jedoch keine signifikante Reduktion der venolären Gefäßdurchmesser nach LPS-Applikation in unserem Versuchsmodell beobachten.

Die Anzahl fest adhärenter Leukozyten in unserer unbeeinflussten Kontrollgruppe war vergleichbar mit Literaturangaben [100; 195]. Nach Gabe von 5 mg/kg KG LPS vervierfachte sich die Anzahl fest adhärenter Leukozyten in den V1- und V3-Venolen. Fukumura et al. [88] beschrieben nach Gabe von 2 mg/kg KG Endotoxin (E. coli O111:B4) in den V1-Venolen eine Zunahme des Leukozytenstickings um den Faktor 8 und in den V3-[Seite 124↓]Venolen um den Faktor 17. Wir sahen nach Gabe von 20 mg/kg KG LPS eine Versechsfachung der Anzahl stickender Leukozyten in den V1-Venolen und eine Verfünffachung in den V3-Venolen.

Die vermehrte Leukozytenadhärenz war nicht auf makrohämodynamische Veränderungen zurückzuführen, da es keine signifikanten Unterschiede im mittleren arteriellen Blutdruck zwischen den Kontroll- und Versuchsgruppen zum Mikroskopiezeitpunkt gab.

6.3.1.1 Einfluss antioxidativer Substanzen

Die Gabe von Oxypurinol beeinflusste die LPS-induzierten Veränderungen des Leukozytenrollings nicht. Die Anzahl der fest adhärenten Leukozyten (Sticker) wurde aber in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS in den V1-Venolen und in der Versuchsreihe mit 20 mg/kg KG LPS in den V1- und V3-Venolen signifikant vermindert. Es bestand jedoch noch ein signifikanter Unterschied im Vergleich zur unbehandelten Kontrollgruppe.

Das Lazaroid U-74389G beeinflusste die LPS-abhängige Leukozyten-Endothel-Interaktion in stärkerem Ausmaß als das Oxypurinol. In der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS verhinderte die Lazaroid-Therapie die in der unbehandelten LPS-Gruppe beobachteten Veränderungen im Roller-Flow. Erst bei erhöhter Endotoxin-Belastung war der Effekt nicht mehr nachweisbar. Die feste Leukozytenadhärenz wurde ähnlich wie bei Oxypurinolgabe in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS in den V1-Venolen und in der Versuchsreihe mit 20 mg/kg KG LPS in den V1- und V3-Venolen signifikant vermindert. Die Werte lagen in der Versuchsreihe mit erhöhter Endotoxin-Belastung jedoch signifikant unter denen der mit Oxypurinol behandelten Tiere.

Wie von anderen Arbeitsgruppen [88] beschrieben [100; 195], fanden wir eine stärkere Leukozytenadhärenz in den Venolen mit kleinerem Durchmesser (V3) als in den Venolen mit größerem Durchmesser (V1).

Dieser Unterschied kann durch eine unterschiedliche Scherrate in diesen Gefäßpopulationen hervorgerufen werden. Die Scherrate wird in Newtonschen Flüssigkeiten nach der Formel γ = 8(Vm / D) (Vm = Geschwindigkeit in Strommitte; D = Durchmesser) bestimmt. Miura et al. konnten in Venolen 1. Grades des Dünndarms eine 2,7fach höhere [Seite 125↓]Geschwindigkeit als in V3-Venolen messen [206]. Der Durchmesser der Gefäße unterscheidet sich in unseren Messungen jedoch nur um den Faktor 2. Dies lässt in den größeren Venolen eine höhere Scherrate als in den Venolen 3 Grades erwarten.

Der Blutstrom erfüllt jedoch kaum die Bedingungen einer Newtonschen Flüssigkeit. Zusätzliche Einflüsse, wie z.B. Hämatokrit, Strömungseigenschaften, Vasomotion und Wechselwirkungen zwischen Blutbestandteilen und Gefäßendothel sind zu berücksichtigen. Somit kann beispielsweise eine erhöhte Expression von endothelialen Adhäsionsmolekülen in den V3-Venolen eine verstärkte Leukozytenadhärenz verursachen.

Die verminderte feste Adhärenz der Leukozyten in den V1-Venolen kann auch die bevorzugte Wirkung der antioxidativen Substanzen in den V1-Venolen in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS erklären. Da in den V1-Venolen die Ablösung der Leukozyten durch die erhöhten Scherkräfte oder andere Faktoren a priori erleichtert wird, werden die Effekte der Testsubstanzen hier eher zum Tragen kommen.

Reaktive Sauerstoffspezies, die bei Endotoxinämie und Sepsis in verstärktem Umfang anfallen (siehe Einleitung, Kapitel 2.1.2.2) sind maßgeblich an der Ausprägung der Leukozyten-Endothel-Interaktion beteiligt [163; 212]. Sie spielen eine Rolle bei der Induktion des für das Leukozytenrollen wichtigen P-Selectins auf Endothelzellen [227] und bei der Expression von Integrinen (entscheidend für das Leukozytensticking) auf Granulozyten [295]. Zusammenhänge mit der Bildung von PAF, eines starken Induktors der Leukozytenadhärenz, sind beschrieben [163; 183]. Eine antioxidative Therapie erscheint also als sinnvoller Ansatz zur Reduktion der Leukozytenadhärenz.

Für die unterschiedliche Effektivität der beiden eingesetzten antioxidativen Substanzen können verschiedene Erklärungen herangezogen werden. Vom Wirkprinzip her bestehen deutliche Unterschiede.

Lazaroide (21-Aminosteroide) sind strukturell Abkömmlinge des Methylprednisolons und hemmen effektiv die radikalische Lipidperoxidation [116]. Sie fangen insbesondere Lipidperoxyl- und Phenoxylradikale ab. In Ischämie-Reperfusions-Modellen verhinderte die Aminosteroid-Applikation eine Akkumulation von Neutrophilen und schützte die Endothelstruktur [73; 265]. Das Lazaroid Tirilazad mesylate (U-74006F) hemmte die Leukozytenadhärenz an Interleukin 1-stimulierten Endothelzellen [216]. Am Mesenterium konnte eine Reduktion der Leukozytenadhärenz und eine Verminderung der Gefäßpermeabilität bei Endotoxinämie unter Lazaroid-Therapie gezeigt werden [256]. Den Lazaroiden werden membranstabilisierende Eigenschaften zugeschrieben [327]. Es ist [Seite 126↓]denkbar, dass eine membranstabilisierende Wirkung Konformationsänderungen der Leukozyten behindert, die nötig sind, damit die von ihnen exprimierten Integrine Adhäsivität erlangen [184; 277].

Die Applikation von Oxypurinol konnte aus galenischen Gründen nur intraperitoneal erfolgen. Die Resorption ist bei Endotoxinämie schwer abzuschätzen. Ein Dosisvergleich mit dem Lazaroid erscheint a priori nicht durchführbar. Oxypurinol wirkt in der von uns verwendeten Dosierung nicht nur als spezifischer Inhibitor der Xanthinoxidase, sondern auch als direkter Radikalfänger [210]. Die Xanthinoxidase gilt neben der leukozytären NADPH-Oxidase bei Endotoxinämie und Sepsis als Hauptbildner reaktiver Sauerstoffradikale. Eine Beteiligung Xanthinoxidase-generierter Radikale bei der Induktion der Leukozyten-Endothel-Interaktion in Mesenterialvenen konnte durch die Infusion von Hypoxanthin kombiniert mit Xanthinoxidase an Ratten gezeigt werden [91]. Eigene Untersuchungen zeigten protektive Effekte von Oxypurinol bei Darm- und Extremitäten-Ischämie und –Reperfusion [175; 176; 188]. In einem anderen Ischämie-Reperfusions-Modell war Allopurinol in der Lage, die Leukozytenextravasation und Leukozytenadhärenz zu hemmen [104]. Bisher konnte jedoch nicht gezeigt werden, dass Allopurinol oder Oxypurinol wirkungsvoll die Endotoxin-induzierte Leukozytenadhärenz im Intestinum inhibieren können.

6.3.1.2 Einfluss vasoaktiver Substanzen

Bezüglich der Anzahl rollender Leukozyten pro Zeiteinheit fanden wir in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS geringe, jedoch signifikante Effekte durch die Gabe von Dopexamin im Vergleich zu den unbehandelten bzw. mit Iloprost therapierten Endotoxin-Gruppen. In der Versuchsreihe mit 20 mg/kg KG LPS sahen wir eine signifikante Reduktion der Anzahl fest adhärenter Leukozyten durch beide vasoaktive Substanzen. Beide Testsubstanzen erreichten jedoch nicht die Effektivität des Lazaroids U-74389G. Das Leukozytenrollen wurde in beiden Versuchsreihen (5 / 20 mg/kg KG LPS) weder durch Iloprost- noch durch Dopexamin-Therapie beeinflusst.

In einem in vitro-Ansatz konnten Riva et al. [244] eine Inhibition der Neutrophilen-Adhärenz an endothelialen Monolayers durch Iloprost zeigen. An humanem Endothel beschrieben Nicolini et al. [219] eine Verminderung der Leukozytenadhärenz bei Iloprost-Applikation. Vorhergehende Arbeiten mit Prostacyclin hatten schon eine Beeinflussung der [Seite 127↓]Leukozytenadhärenz bei inflammatorischen Prozessen nachweisen können [98; 146]. Zu unseren Untersuchungen vergleichbare, intravitalmikroskopische Studien mit Endotoxin als Trigger der Leukozyten-Endothel-Interaktion sind in der Literatur nicht beschrieben. Die Ergebnisse entsprechen jedoch den zitierten Effekten auf die Leukozytenadhärenz. Ein wesentlicher Mechanismus für den Effekt von Prostacyclin bzw. Iloprost scheint die rezeptorvermittelte Aktivierung der Adenylatcyclase zu sein, da ein erhöhter intrazellulärer cAMP-Spiegel die Neutrophilenadhäsivität vermindert [49]. Da Prostacyclin die leukozytäre Superoxidproduktion vermindert, kommen auch die für die antioxidativen Substanzen diskutierten Mechanismen in Frage [74]. Ebenso wird die PAF-induzierte Leukozytenadhärenz beeinflusst. Mentz et al. [204] untersuchten diesen Zusammenhang und fanden inhibitorische Effekte von Iloprost.

Für Dopexamin konnte am Mesenterium eine Reduktion der Leukozytenadhärenz bei Endotoxinämie nachgewiesen werden [259]. Analoge Untersuchungen an der Darmwand existieren nicht. Es gibt aber weitere Hinweise für antiinflammatorische Eigenschaften des Dopexamins. Berendes et al. [22] fanden bei Patienten nach Bypassoperationen unter Dopexamin-Therapie niedrigere Plasmaspiegel von Interleukin 6, Serumamyloid A und C-reaktivem Protein. Die antiinflammatorischen Eigenschaften von Dopexamin und anderen ß-Mimetika werden über G-Protein-abhängige Prozesse vermittelt [294]. Das G-Protein stimuliert die Adenylatcyclase und die Proteinkinase A. Mannan et al. [190] berichteten von einer Reduktion der LPS-induzierten, cAMP-abhängigen P-Selectin-Expression an isolierten humanen Neutrophilen durch Dopexamin. Die Proteinkinase A ist an der Regulation der Synthese antiinflamatorischer Mediatoren - wie Interleukin 10 - beteiligt. Schmidt registrierte bei Dopexamininfusion eine verminderte Harnsäureproduktion nach Endotoxinbelastung und stellte damit einen Zusammenhang mit einer Reduktion der Radikalbildung aus dem Xanthinoxidaseweg her [254]. Dieser antioxidative Effekt kann zur Verminderung der Leukozytenadhärenz beitragen.

Bei der Applikation von vasoaktiven Substanzen scheint in diesem Zusammenhang auch der primäre Effekt der Perfusionsverbesserung von Bedeutung zu sein. Es ist bekannt, dass die Leukozytenadhärenz von den wirkenden Scherkräften abhängig ist. Bei Restoration normaler Flussverhältnisse kommt es zu einer Zunahme der Scherkräfte, die eine Leukozytenadhäsion erschweren [105].


[Seite 128↓]

6.3.2  Funktionelle Kapillardichte

Es existieren in der Literatur z.T. widersprüchliche Untersuchungen zur Kapillarperfusion in der Darmwand bei Endotoxinämie. Die Hypothese einer Endotoxin-induzierten Minderperfusion - insbesondere der Mukosa - wird u.a. durch die Arbeit von Theuer et al. [291] gestützt, die bei einer normotensiven Bakteriämie eine 30%ige Vasokonstriktion in intestinalen A1- und A3-Arteriolen aufdeckten. Die Mukosaperfusion ging dabei um ca. 40% (Messung mittels Laser-Doppler-Flowmetrie) zurück. Drazenovic et al. [69] hatten bereits mittels Carbon-Injektionstechnik eine verminderte funktionelle Kapillardichte nach Endotoxingabe zeigen können. Schmidt et al. [257] bestätigten intravitalmikroskopisch die villöse Minderperfusion bei Endotoxinämie (35 % Reduktion des villösen Blutflusses). Farquhar et al. [75] fanden vergößerte interkapilläre Areale als Ausdruck einer verminderten Kapillardichte in einem CLP-Modell an der Ratte.

Nevière et al. [218] konnten dies in einem Pseudomonas-Sepsis-Modell nicht bestätigen und postulierten daher, dass eine verminderte Kapillardichte in der Mukosa keine conditio sine qua nonfür eine mukosale Perfusions- und Permeabilitätsstörung sei. Auch VanderMeer et al. sahen keine mukosale Hypoperfusion bei Endotoxinämie im Tierexperiment (Laser-Doppler-Flowmetrie), obgleich eine intramukosale Azidose messbar war [303].

Revelly et al. [241] wiesen mit der Mikrosphärentechnik im Endotoxinschock am Schwein nach, dass es bei Endotoxinämie zu einer Umverteilung der Durchblutung in der Darmwand zugunsten der Mukosa und zum Nachteil der Muskularis kommt. (Die normale Verteilung der intestinalen Blutmenge ist nach Untersuchungen von Gore und Bohlen 30% in der Muskularis und 70% mukosal [103].) Der Gesamtfluss zum Darm blieb in dieser Studie konstant. Die mukosale Hyperperfusion korrelierte invers mit dem Mukosa-pH.Nöldge et al. [220] beobachteten bei kontinuierlicher LPS-Infusion beim Schwein einen Abfall des mukosalen pO2 und des Mukosa-pH, wogegen sich jedoch die serosalen pO2-Werte nicht signifikant gegenüber den Ausgangswerten veränderten.

Die Erkennung von Veränderungen in der Kapillarperfusion der Darmwand bei Endotoxinämie ist offensichtlich abhängig vom gewählten Versuchsmodell und der benutzten Methodik. Die Hypothese, dass eine mukosale Perfusionsverminderung von pathogenetischer Relevanz für die Entwicklung einer intestinalen Hyperpermeabilität ist, wird durch tierexperimentelle Studien untermauert. Es konnte gezeigt werden, dass eine gestörte [Seite 129↓]Darmpermeabilität vor allem in minderperfundierten Darmabschnitten auftritt [217; 321].

Störungen der Mikrozirkulation scheinen aber nicht allein für die gestörte intestinale Permeabilität verantwortlich zu sein. So konnten Fink et al. bei einer mechanischen Verminderung der mesenterialen Perfusion auf Werte, wie sie bei der Endotoxinämie beobachtet werden, noch keine Störung der intestinalen Permeabilität beobachten [77]. Da eine Endotoxin-induzierte, mukosale Azidose sogar ohne Nachweis einer intestinalen Ischämie gezeigt werden konnte, ist die These einer Störung der intestinalen Permeabilität durch eine alleinige, mukosale Hypoperfusion nicht zu halten [303]. Das Zusammenspiel verschiedener pathogener Faktoren scheint schließlich eine Endotoxin-induzierte Schädigung der Darmbarriere zu bewirken.

In der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS fanden wir trotz signifikant reduzierter Werte des intestinalen mikrovaskulären Blutflusses, gemessen mit der Laser-Doppler-Flowmetrie, keine Veränderungen in der funktionellen Kapillardichte der Mukosa und der Muskularisschichten. Damit bestätigten sich die o.g. Beobachtungen von Nevière et al. [218].

Nach Gabe von 20 mg/kg KG LPS fanden wir bei unveränderter FCD der Mukosa eine signifikant reduzierte FCD in der longitudinalen und zirkulären Muskularis. Dies könnte der von Revelly et al. beschriebenen Umverteilung der Darmwanddurchblutung bei Endotoxinämie zuzuschreiben sein [241].

Möglicherweise geht dem manifesten Kapillarperfusionsausfall zunächst eine mit der von uns eingesetzten Methode nicht nachweisbare Verlangsamung der Blutströmung voraus [257].

6.3.2.1 Einfluss antioxidativer Substanzen

Die bei Gabe von 5 mg/kg KG LPS unveränderte funktionelle Kapillardichte der Mukosa und Muskularis wurde auch durch die Applikation des Lazaroids U-74389G bzw. Oxypurinol nicht beeinflusst.

In der Versuchsreihe mit 20 mg/kg KG LPS konnte durch die Therapie mit Oxypurinol die funktionelle Kapillardichte sowohl in der longitudinalen als auch in der zirkulären Muskularisschicht signifikant verbessert werden.


[Seite 130↓]

Im Gegensatz zu unseren Ergebnissen registrierten Krysztopik et al. [161] eine Verbesserung der intestinalen Perfusion durch die Gabe des Lazaroids U-74389G. Intravitalmikroskopisch sahen sie eine Reduktion der Vasokonstriktion in den A1- und A3-Arteriolen. Dies war mit einer Verbesserung des Blutflusses um 21% assoziiert.

Nach Endotoxin-Injektion konnte tierexperimentell und am Menschen eine Freisetzung von Noradrenalin und Endothelin nachgewiesen werden [147; 243]. Diese beiden Substanzen sind starke endogene Vasokonstriktoren, die zu einer intestinalen Minderperfusion führen können [135; 228]. Die Applikation des antioxidativen Coenzym Q10 führte zu einer signifikanten Reduktion der endogenen Adrenalin- und Noradrenalinfreisetzung in einem tierexperimentellen Modell des septischen Schocks [180].

Eine Verbesserung der Kapillarperfusion in der Darmwand bei Endotoxinämie konnte jedoch nicht für alle bisher untersuchten Antioxidantien gefunden werden. So fanden Arvidsson et al. [8] bei Einsatz von SOD/Katalase keine Verbesserung der Mukosaperfusion (Mikrosphärentechnik).

Als Ursache für die Verbesserung der Kapillarperfusion durch Antioxidantien wird vor allem die Reduktion der Freisetzung vasokonstriktiver Mediatoren (z.B. Leukotriene, Thromboxan, Noradrenalin) im Rahmen der Beeinflussung des inflammatorischen Gesamtgeschehens gesehen (siehe Kapitel 6.4 und 6.6).

Relevant scheint auch das Gleichgewicht der beiden Mediatorkomplexe ROS und NO zu sein. Entzieht man diesem System die vasokonstriktorisch wirksamen ROS, kann es zum Überwiegen der Vasodilatation durch NO kommen und vice versa[19; 162].

6.3.2.2 Einfluss vasoaktiver Substanzen

In der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS fiel bei Iloprost-Gabe im Vergleich zu den anderen Endotoxin-Gruppen eine signifikant erhöhte FCD in der Mukosa auf. Gleichzeitig war die FCD in der zirkulären Muskularisschicht erniedrigt.

In der Versuchsreihe mit 20 mg/kg KG LPS war dieses Phänomen reproduzierbar. Zusätzlich fanden wir in der longitudinalen Muskularis erniedrigte FCD-Werte. Allerdings waren bei Applikation von 20 mg/kg KG LPS auch in der unbehandelten LPS-Gruppe die Muskularis-FCD-Werte erniedrigt.

Obwohl die genannten Veränderungen gering ausgeprägt waren, bestand doch eine [Seite 131↓]statistische Signifikanz. Offensichtlich liegt hier eine Verstärkung der bei Endotoxinämie beschriebenen Umverteilung des Blutflusses von der Muskularis in die Mukosa im Sinne eines Steal-Syndroms vor [241].

Dieser Effekt ist bei der Anwendung von ß-Mimetika, wie Dopexamin, beschrieben [267], für Iloprost jedoch bisher nicht bekannt.

Manasia et al. [189] stellten ebenfalls unter Iloprost-Infusion bei endotoxininduzierter intestinaler Hypoperfusion eine Verbesserung des mesenterialen Blutflusses (+ 34 %; gemessen in der A. mesenterica superior) fest. Zwar konnten sie nicht zwischen einzelnen Darmwandschichten unterscheiden, dennoch zeigten sie mittels Tonometrie eine Verringerung der intramukosalen Azidose. Einen analogen Effekt wiesen Radermacheret al. [239] bei septischen Patienten nach. Unter Prostacyclin-Infusion kam es zum pHi-Anstieg.

In Anbetracht der bei intramukosaler Azidose und/oder mukosaler Hypoperfusion zu befürchtenden intestinalen Permeabilitätsstörungen [247; 303] muss der Summeneffekt der Iloprost-Gabe trotz des Umverteilungsphänomens als protektiv bewertet werden.

Obwohl bei Iloprost-Gabe aufgrund der Reduktion des peripheren Widerstands teilweise ein erhöhtes Herzzeitvolumen gemessen wird, scheint dies nicht allein für die perfusionsverbessernde Wirkung verantwortlich zu sein. Vielmehr wird die Stabilisierung des Thromboxan-Prostacyclin-Gleichgewichts in der Mikrozirkulation und die Beeinflussung sekundärer Mediatoren als entscheidend diskutiert [25; 189].

Die Dopexamin-Applikation führte zu keinen Veränderungen der funktionellen Kapillardichte in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS.

Nach Infusion von 20 mg/kg KG LPS konstatierten wir ein im Vergleich zur Iloprost-Behandlung divergentes Bild. Wir fanden eine signifikante Verbesserung der in den anderen Endotoxin-Gruppen deutlich reduzierten FCD in beiden Muskularis-Schichten. In der longitudinalen Muskularis konnten nahezu die Werte der Kontrollgruppe eingestellt werden.

In Vorgriff auf die Ergebnisdiskussion der Laser-Doppler-Flowmetrie sei in diesem Zusammenhang auf die signifikante Steigerung des intestinalen mikrovaskulären Blutflusses durch Dopexamin in der vorliegenden Arbeit hingewiesen.

Wir bewerten die Veränderungen als eine im Vergleich zu Iloprost-Gabe stärkere Zunahme der intestinalen Perfusion. Ein Steal-Phänomen innerhalb der Darmwand blieb daher aus.

Schmidt et al. [258] demonstrierten intravitalmikroskopisch eine signifikante [Seite 132↓]Verbesserung der villösen Mikrozirkulation (Arteriolendurchmesser, Blutfluss) bei Gabe von 2,5 µg/kg/min Dopexamin während Endotoxinämie im Rattenmodell. Analog zu unseren Ergebnissen der Bestimmung der funktionellen Kapillardichte konnte die Dopexamin-Behandlung zur Kontrollgruppe identische Verhältnisse herstellen. In einem anderen Modell berichteten Steinberg et al. [283] von einer signifikanten Verbesserung des Blutflusses in den A1-Arteriolen bei Dopexamininfusion.

In Analogie zu den Feststellungen bei Gabe von Iloprost müssen zur Diskussion der beobachteten Veränderungen neben den für Dopexamin gut dokumentierten Wirkungen auf das Herzzeitvolumen [17; 18; 85; 92; 133] weitere Faktoren zur Erklärung des benefiziellen Effektes auf die intestinale Mikrozirkulation herangezogen werden.

Die vorhandenen intravitalmikroskopischen Untersuchungen zeigen, dass Dopexamin spezifische Wirkungen in der intestinalen Endstrombahn ausübt. Die Grundlage ist die selektive Bindung an die DA1- und ß2-Rezeptoren (siehe Kapitel 2.3.2.1). Entsprechende Versuche mit selektiver Rezeptorblockade konnten dies bestätigen [271].

Auf die antiinflammatorischen Eigenschaften von Dopexamin wurde bereits im Kapitel 6.3.1.2 eingegangen. Die durch die Beeinflussung des gesamten inflammatorischen Geschehens bedingten Veränderungen in der Mikrozirkulation tragen zu den Effekten in Bezug auf die Kapillarperfusion wahrscheinlich ebenfalls bei.

6.4 Tumornekrosefaktor-α

Der Tumornekrosefaktor-α gilt als initialer Mediator im septischen Geschehen (siehe Kapitel 2.1.2.1). Bei experimenteller Endotoxinämie ist er innerhalb weniger Minuten messbar. Je nach Endotoxin-Dosis werden bereits nach ein bis zwei Stunden rückläufige TNF-α-Spiegel registriert [14; 29; 265]. Das nur kurzzeitige Auftreten von TNF-α in der Zirkulation führt dazu, dass im klinischen Ablauf TNF-α-Peaks oftmals nicht erfasst werden und der Parameter daher ungeeignet für ein Monitoring erscheint [264]. Für experimentelle Belange ist TNF-α jedoch ein idealer Indikator für die Sepsisinduktion und den Effekt einer antiinflammatorischen Therapie.

In unserem Versuchsmodell fanden wir nach Gabe von 5 mg/kg KG LPS TNF-α-Spitzenspiegel zum Zeitpunkt 2 h. Die 4 h-Werte waren zwar noch signifikant gegenüber der Kontrollgruppe erhöht, jedoch bereits deutlich rückläufig. In der Versuchsreihe mit 20 mg/kg [Seite 133↓]KG LPS wurden 50 % niedrigere TNF-α-Werte zum Zeitpunkt 2 h gemessen. Wir vermuteten ein frühzeitigeres Freisetzungsmaximum durch die höhere Endotoxinbelastung und untersuchten daher im Teil 2 der Studie auch den Zeitpunkt 1 h nach Endotoxinämie-Induktion. Es fand sich zu diesem Zeitpunkt ein Maximum in der Höhe des 2 h-Wertes der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS. Die 4 h-Werte waren in beiden Versuchsreihen vergleichbar.

Das Ausmaß der TNF-α-Freisetzung nach Endotoxinstimulation (100facher Anstieg) ist mit den Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen vergleichbar [11; 141; 230]. Boillot et al. [29] fanden nach Endotoxingabe (50 mg/kg KG LPS) zum Zeitpunkt 1 h Spitzenwerte von 3000 pg/ml in einem immunradiometrischen Assay.

In der Kontrollgruppe wurden über den gesamten Beobachtungszeitraum lediglich TNF-α-Werte um 50 pg/ml beobachtet. Ähnliche Werte werden bei gesunden menschlichen Versuchspersonen beschrieben [233]. Dies belegt, dass die benutzte invasive Methodik (Katheter in A. carotis und V. jugularis, Tracheotomie, Laparotomie) keinen wesentlichen Einfluss auf diesen Parameter (z.B. im Sinne einer starken, operativ induzierten Inflammationsreaktion) hatte. Die Sensibilität des Parameters für die Endotoxinämie konnte bestätigt werden.

Wir setzten als eine der ersten Gruppen einen rattenspezifischen ELISA ein [172] und konnten damit die Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen reproduzieren, denen der speziesspezifische Kit noch nicht zur Verfügung stand [14; 265].

TNF-α wird von Monozyten, Makrophagen, T-Zellen, Neutrophilen und NK-Zellen nach Stimulation durch LPS und Interleukin 1 gebildet. Die Synthese wird durch eine Vielzahl von Stimuli, wie Inteferon-γ, Interleukin 2, GM-CSF, unterstützt, durch Interleukin 6, TGF-ß, PGE2 u.a. inhibiert. TNF-α reagiert über spezifische Rezeptoren, die mit Ausnahme z.B. von Erythrozyten auf den meisten somatischen Zellen vorkommen. Lösliche Rezeptoren und andere TNF-α-bindende Proteine regeln die Aktivität dieses Zytokins. TNF-α induziert u.a. die Aktivierung von nukleärem Faktor (NF-) κb. In Endothelzellen und Leukozyten kommt es dadurch z.B. zur Expression weiterer Zytokine, insbesondere auch von Adhäsionsmolekülen. Dies führt zur verstärkten Leukozytenadhärenz am Endothel (siehe Kapitel 2.1.2.3).

Das frühzeitige Auftreten von TNF-α in der Sepsiskaskade hat zu verschiedenen therapeutischen Versuchen geführt, durch eine Blockade TNF-α-abhängiger Prozesse den Krankheitsverlauf zu beeinflussen. Kortikosteroide, Katecholamine und [Seite 134↓]Phosphodiesteraseinhibitoren können die TNF-α-Freisetzung hemmen [326]. Der Phosphodiesteraseinhibitor Pentoxifyllin erniedrigte z.B. in einer Studie an kardiochirurgischen Patienten die Inzidenz des Multiorganversagens [129]. Es wurden mono- bzw. polyklonale Antikörper gegen TNF-α entwickelt und in klinischen Studien evaluiert [1; 67; 82]. Bisher zeigten die Studien keine Senkung der Mortalität. In Subpopulationen von Studienpatienten ließen sich jedoch post hoc benefizielle Effekte finden. Eine passive Immunisierung gegen TNF-α konnte tierexperimentell letale Effekte von Endotoxin und Viren bei Mäusen abschwächen [136]. Weitere Studien untersuchten die Wirksamkeit von Fusionsproteinen. Dabei wurden lösliche monomere oder dimere TNF-α-Rezeptormoleküle mit der Scharnierregion der schweren Ketten von Maus-IgG1, humanem IgG1 oder IgG3 verbunden. Ein anderer Ansatz ist der Einsatz von „single-chain antibody fragment“ gegen den TNF-Rezeptor. Antisense-Oligonukleotide können auf mRNA-Ebene die TNF-α-Bildung inhibieren [264].

Durch Gabe hoher Dosen TNF-α können wiederum viele der Befunde und Symptome des septischen Schocks, wie Hypotension und Neutropenie, experimentell erzeugt werden [130; 296]. Insgesamt erscheint die Reduktion der TNF-α-Freisetzung als ein erfolgversprechender Ansatz bei Endotoxinämie und Sepsis.

6.4.1 Einfluss antioxidativer Substanzen

In der Versuchsreihe mit einer Endotoxinbelastung von 5 mg/kg KG LPS sahen wir nach Applikation des 21-Aminosteroids U-74389G eine Reduktion der maximalen TNF-α-Freisetzung zum Zeitpunkt 2 h um 60 %. Die Gabe von Oxypurinol verminderte den TNF-α-Peak um 54 %. Zum Zeitpunkt 4 h wiesen die U-74389G-behandelten Tiere um 57 % reduzierte TNF-α-Werte auf. Bei Behandlung mit Oxypurinol fanden wir zu diesem Zeitpunkt um 16 % niedrigere Werte als in der unbehandelten LPS-Gruppe.

Zu den möglichen Wirkmechanismen der benutzten Antioxidantien, die zu der Verminderung der TNF-α-Freisetzung führten, gibt es in der Literatur verschiedene Hypothesen. Semrad et al. [265] konnten in vivo mit einem 21-Aminosteroid (U74006F) bei Kälbern die TNF-α-Bildung inhibieren und den Eicosanoidstoffwechsel beeinflussen. Die [Seite 135↓]Autoren postulieren eine Lipocortin-vermittelte Wirkung der 21-Aminosteroide auf Proteintranskriptions- und Posttranslationsebene. Als Lipocortine wird ein Spektrum entzündunghemmender Proteine zusammengefasst, die Glukokortikoid-induziert gebildet werden. Zu diesen Lipocortinen gehören z.B. Membranproteine, die die Phospholipase A2 hemmen. Gegen diese Hypothese spricht, dass glukokortikoidartige Wirkungen der 21-Aminosteroide im Allgemeinen verneint werden und eine Wirkung über die Synthese von Lipocortinen zuviel Zeit in Anspruch nehmen würde, um den raschen Effekt auf die TNF-α-Freisetzung zu erklären [43; 115; 116; 327].

Da auch Oxypurinol den TNF-α-Anstieg nach Endotoxinbelastung signifikant verringerte, müssen andere Mechanismen für die Wirkung der antioxidativen Substanzen existieren. Eine wesentliche Rolle scheint die Aktivierung des nukleären Faktors (NF-)κB durch Sauerstoffradikale zu spielen. In vitro konnte durch die Applikation von H2O2 die NF-κB-Aktivierung stimuliert werden [262]. NF-κB ist ein positiv auf die TNF-α-Transkription wirkender zytoplasmatischer Faktor [214]. Unter Ruhebedingungen liegt er im Zytoplasma gebunden an den Inhibitor I-κB vor. ROS und andere Stimulantien führen zu einer Phosphorylierung von I-κB und zu einer Freisetzung von NF-κB, welches in den Zellkern transloziert wird und dort die TNF-α-Transkription auslöst. Daher erscheint es möglich, dass durch die Applikation von Antioxidantien die TNF-α-Aktivierung primär inhibiert bzw. die fortgesetzte TNF-α-Freisetzung im Rahmen der protrahierten ROS-Generierung bei Endotoxinämie gehemmt wird [307].

Der fehlende Effekt der antioxidativen Substanzen in der Versuchsreihe mit höherer Endotoxinbelastung (20 mg/kg KG LPS) kann mit einer möglicherweise zu geringen Dosierung der Substanzen im Zusammenhang stehen. Andererseits kann dieses Ergebnis dadurch verursacht worden sein, dass bei hoher Endotoxinbelastung andere Stimuli (s.o.) in stärkerem Maße die TNF-α-Produktion beeinflussen. Ebenso muss der bereits diskutierte Umstand eines eventuell früheren TNF-α-Peaks in Betracht gezogen werden, so dass ein Effekt der Antioxidantien in dieser Versuchsreihe nicht in Erscheinung trat.


[Seite 136↓]

6.4.2  Einfluss vasoaktiver Substanzen

Durch die Gabe von Iloprost bzw. Dopexamin konnten wir eine gleichartige Reduktion der TNF-α-Freisetzung erzielen, wie bei der Behandlung mit den antioxidativen Substanzen. In der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS erreichten wir mit der Iloprost-Gabe eine Reduktion des TNF-α-Peaks um 57 % und bei Applikation von Dopexamin eine Reduktion um 61 % zum Zeitpunkt 2 h. Nach vier Stunden betrug die Reduktion noch 43 % (Iloprost) bzw. 49 % (Dopexamin) im Vergleich zur unbehandelten LPS-Gruppe.

Unter erhöhter Endotoxinbelastung (20 mg/kg KG LPS) registrierten wir eine Verminderung der maximal gemessenen TNF-α-Konzentration (Zeitpunkt 1 h) um 36 % bei den mit Iloprost behandelten Tieren und um 47 % in der LPS-Dopexamin-Gruppe. Zum Zeitpunkt 2 h fanden wir noch eine Reduktion der TNF-α-Konzentration um 18 % in der LPS-Ilopost-Gruppe und um 30 % in der LPS-Dopexamin-Gruppe.

Für die Wirksamkeit von Iloprost könnten teilweise Mechanismen auf der Basis antioxidativer Effekte eine Rolle gespielt haben. Fantone et al. [74] beschrieben eine Reduktion der Superoxidanionengeneration polymorphkerniger Leukozyten durch Prostacyclinapplikation. Somit könnte eine verminderte Aktivierung von NF-κB (s.o.) zu einer Verminderung der TNF-α-Produktion geführt haben.D´Acquisto et al. [58] konnten auch einen direkten hemmenden Effekt von Iloprost auf die NF-κB-Aktivierung an J774-Makrophagen nachweisen. Als Ursache postulierten sie eine Verhinderung der proteolytischen Degradation von I-κB-α und der Translokation von NF-κB in den Zellkern. Die Effekte sollen cAMP-abhängig sein.

Jörres et al. [142] konnten ebenfalls einen direkten Effekt von Iloprost auf die TNF-α-Produktion Endotoxin-stimulierter humaner Monozyten zeigen. Die Autoren benutzten eine Iloprost-Dosis, die der klinischen Applikation von 1 ng/kg/min entsprach. Sie fanden eine Beeinflussung der TNF-α-Synthese sowohl auf Transkriptionsebene (Reduktion um 40-50%) als auch auf Translationsebene. Die TNF-α-Sekretion wurde um 20 % reduziert. Dieser Mechanismus wird wahrscheinlich über die Aktivierung der Adenylatcyclase vermittelt. Dies wird indirekt durch die Versuche mit Phosphodiesterasehemmern bestätigt, die über eine cAMP-Erhöhung die TNF-α-Produktion inhibieren können [326].

In einem Enzephalomyelitismodell beschrieben Jung et al. [149] eine Reduktion der TNF-α-Produktion von Makrophagen durch Iloprost-Therapie. Lo et al. [187] untersuchten den Prostacyclin-Effekt auf Makrophagen näher und deckten einen Zusammenhang mit der [Seite 137↓]Inhibition Mitogen-aktivierter Protein-Kinasen (MAPK) auf. Auch cAMP-unabhängige Mechanismen, wie die Aktivierung Ca2+-aktivierter K+-Kanäle, scheinen bei der Vermittlung der Prostacyclinwirkungen eine Rolle zu spielen [53]. Einen Einfluss von Prostaglandinen auf die TNF-α-Freisetzung fanden u.a. auch Grundmann et al. [111], Kunkel et al. [165] und Knudsen et al. [157].

Der ß-Agonist Dopexamin übt seine zelluläre Wirkung über cAMP als „second messenger“ aus. Damit erklärt sich die Dopexaminwirkung auf die TNF-α-Aktivierung ähnlich, wie die cAMP-abhängigen Iloprostwirkungen [157]. Eine intrazelluläre cAMP-Erhöhung führt zu einer Aktivierung der Proteinkinase A. Dies führt zur Phosphorylierung weiterer Enzyme, die maßgeblich an der Regulation der Zytokinproduktion beteiligt sind. Die Aktivierung der Proteinkinase A bewirkt auch eine Hemmung der MAPK (s.o.) und der Phospholipase C [294].

Erkens et al. [71] zeigten an der isolierten Rattenleber eine Reduktion der Endotoxin-induzierten TNF-α-Freisetzung, welche durch die Gabe eines ß-Blockers zu antagonisieren war.

Für Dopexamin konnte auch die Inhibition der Synthese anderer inflammatorischer Mediatoren gezeigt werden. So reduziert Dopexamin die LPS-induzierte P-Selectin-Expression von Neutrophilen [190].

6.5 Malondialdehyd

Wie in der Einleitung bereits ausgeführt, ist die Endotoxinämie durch eine massive Generation von reaktiven Sauerstoffspezies gekennzeichnet (Kapitel 2.1.2.2). Als wesentliche Quellen für die ROS-Entstehung [158; 308] gelten die Leukozyten (NADPH-Oxidase), der Xanthinoxidase-Stoffwechsel, das mitochondriale Elektronentransportsystem, die Arachidonsäurekaskade und Autoxidationsreaktionen. Unter physiologischen Bedingungen werden die ROS durch körpereigene enzymatische oder nichtenzymatische Antioxidantien entgiftet. Infolge ihrer unterschiedlichen Wasser- und Lipidlöslichkeit ist die Wirkung auf bestimmte Kompartimente ausgerichtet (Membranen, Zytoplasma, Extrazellulärraum). Ist die Kapazität der körpereigenen Schutzsysteme – wie z.B. bei Endotoxinämie – erschöpft, kommt es zur Schädigung von Lipiden, Proteinen, Nukleinsäuren und anderen biochemischen Strukturen durch die reaktiven Sauerstoffspezies [332].

Die Lipidperoxidation von Biomembranen ist eine der wesentlichsten Folgen der [Seite 138↓]Wirkung reaktiver Sauerstoffspezies. Die Zerstörung der Membranlipide geht mit der Bildung von Lipidhydroperoxiden einher. Malondialdehyd ist ein Zerfallsprodukt mehrfach ungesättigter peroxidierter Fettsäuren. Da die direkte Messung von ROS aufgrund ihrer kurzen Halbwertszeit methodisch sehr problematisch ist, benutzten wir als Marker für das Ausmaß der Lipidperoxidbildung während der Endotoxinämie das Malondialdehyd.

Die MDA-Bestimmung wird im Schrifttum sehr häufig zur Quantifizierung der radikalischen Belastung eingesetzt. Dessen ungeachtet bietet die Methode einige Besonderheiten, die zu einer intensiven Diskussion dieses Parameters in der Literatur geführt haben. MDA wird laborchemisch im Test auf Thiobarbitursäure-reaktive Substanzen (TBARS = thiobarbituric acid reactive substances) mit nachfolgender HPLC bestimmt (siehe Kapitel 4.3.5). Der erste Analyseschritt, die Reaktion mit 2-Thiobarbitursäure unter Erhitzen auf 90°-100°C, ist unspezifisch für MDA und erfasst auch andere Lipidperoxidationsprodukte. Erst durch die Auftrennung des chromogenen Reaktionsgemisches mittels HPLC kann der MDA-Anteil bestimmt werden [317]. Es ist zu beachten, dass durch die Reaktionsbedingungen (hohe Temperatur, niedriger pH) artefiziell eine weitere Lipidperoxidation auftreten kann. Desweiteren muss berücksichtigt werden, dass MDA in biologischen Matrizes über sogenannte Schiff´sche Basen gebunden vorliegt, d.h. dass es erst durch die Reaktionsbedingungen freigesetzt wird. Außerdem gibt es Interferenzen mit dem Lipidstatus und MDA-Eliminationsvorgängen (MDA wird innerhalb weniger Minuten enzymatisch abgebaut).

Es wird jedoch reproduzierbar eine Korrelation zwischen dem Ausmaß der durch Sauerstoffradikale ausgelösten Lipidperoxidation und dem Nachweis der MDA-Konzentration im Gewebe oder Blut, z.B. bei Ischämie-Reperfusions-Prozessen oder Endotoxinämie, gefunden. Wir haben diesen Marker daher in unsere Studie aufgenommen, um die antioxidative Wirksamkeit der von uns verwendeten Pharmaka im intestinalen Stromgebiet zu überprüfen.

In der Kontrollgruppe fanden wir einen niedrigen basalen MDA-Gehalt im Darmgewebe, der im weiteren Versuchablauf gering rückläufig war. Wir führen die initial höheren Werte auf das operative Trauma zurück.

In der unbehandelten LPS-Gruppe (Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS) kam es dagegen zu einem signifikanten Anstieg der MDA-Gewebekonzentration nach Induktion der Endotoxinämie (Zeitpunkt 2 h; + 116 %), vereinbar mit dem Vorliegen eines oxidativen Stresses. Die vermehrte ROS-Generation korreliert mit den erhobenen Befunden einer [Seite 139↓]vermehrten Leukozytenadhärenz im Intestinum und einer extensiven systemischen Zytokinfreisetzung. Zum Zeitpunkt 4 h waren die MDA-Werte rückläufig, jedoch noch signifikant gegenüber der Kontrollgruppe erhöht.

In der Versuchsreihe mit 20 mg/kg KG LPS beobachteten wir ebenfalls einen signifikanten Anstieg der MDA-Gewebekonzentration in der unbehandelten LPS-Gruppe. Der Anstieg fiel mit 40 % jedoch geringer aus, als in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS. Da in beiden Versuchsreihen – ähnlich der TNF-α-Kinetik – am Ende des Beobachtungszeitraums rückläufige Werte gemessen wurden, lässt sich auch bei diesem Parameter unter erhöhter Endotoxinbelastung ein vorgezogener Peak vermuten. Engmaschigere Untersuchungen sind erforderlich, um diese Hypothese zu unterstützen. Als weitere Erklärung kommt eine veränderte Konstellation der ROS-generierenden Prozesse bei erhöhter Endotoxinbelastung in Frage. So ist vorstellbar, dass lokale Reperfusionsprozesse, die mit einer erhöhten ROS-Produktion einhergehen (Xanthinoxidase-Weg), aufgrund der stärkeren Kreislaufbeeinträchtigung in geringerem Umfang stattfinden. Für diese Hypothese spricht die verminderte funktionelle Kapillardichte in der Muskularis bei erhöhter Endotoxinbelastung.

Yoshikawa et al. [323] bestätigten in ihren Untersuchungen, dass es im Intestinum unter Endotoxinämie zu einer erhöhten Lipidperoxidationsrate kommt. Sie fanden einen Anstieg der TBARS-Konzentration auf 183 % nach Gabe von 100 mg/kg KG LPS im Rattenmodell. In Magen (153 %), Leber (123 %) und Lunge (115 %) war die Lipidperoxidation geringer ausgeprägt. Nur in der Aorta (460 %) wurden höhere Werte gemessen. Kunimoto et al. [164] registrierten in der Ratten-Leber nach Gabe von 4 mg/kg KG LPS einen Anstieg der Lipidperoxidkonzentration auf das Doppelte des Ausgangswertes.

In der Versuchsreihe mit einer LPS-Belastung von 5 mg/kg KG konnte durch den Einsatz des Lazaroids U-74389G bzw. Oxypurinol die MDA-Generierung im Intestinum wirksam unterdrückt werden. Damit zeigte sich die antioxidative Wirksamkeit der beiden verwendeten Substanzen. Weil Oxypurinol in Konzentrationen eingesetzt wurde, in denen es neben seiner Wirkung auf den Xanthinoxidase-Stoffwechsel auch unspezifisch antioxidativ wirkt [210], kann über die Hauptradikalquelle nur gemutmaßt werden. Da aber die Leukozytenaktiverung (gemessen an der Adhärenz am Endothel) signifikant durch beide Substanzen vermindert wurde, kommt die leukozytäre NADPH-Oxidase als Hauptradikalquelle in Frage. Dafür spricht auch die unveränderte funktionelle Kapillardichte bei niedriger Endotoxinbelastung, was Ischämie-Reperfusionsprozesse mit Xanthinoxidase-[Seite 140↓]induzierter ROS-Produktion zweitrangig erscheinen lässt.

Bei erhöhter Endotoxinbelastung (20 mg/kg KG LPS) war der Effekt der eingesetzten Antioxidantien auf die intestinale MDA-Freisetzung geringer ausgeprägt. Zum Zeitpunkt 2 h waren die MDA-Werte in der Tendenz ansteigend, wenn auch noch nicht signifikant erhöht im Vergleich zur Kontrollgruppe. Dies ist beachtenswert, da die MDA-Generation zu diesem Zeitpunkt im Vergleich zur Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS ohnehin schwächer ausgeprägt war. Dadurch wird die These unterstützt, dass zu einem früheren Zeitpunkt eine höhere ROS-Produktion stattgefunden hat. Somit waren die Antioxidantien möglicherweise schon „verbraucht“. Nach vier Stunden wurden dann MDA-Werte wie in der unbehandelten LPS-Gruppe erreicht.

Die Relevanz einer antioxidativen Therapie im Sepsis-Geschehenbelegen mehrere experimentelle Arbeiten, die Verbesserungen der Überlebensrate bei den so behandelten Tieren sahen. So zeigten z.B. Kunimoto et al. [164] in der oben zitierten Studie (4 mg/kg KG LPS) ein erhöhtes Überleben nach Therapie mit SOD bzw. SOD+Katalase. McKechnie et al. [201] fanden nach Gabe von 10 mg/kg KG LPS an der Ratte überlebensverlängernde Effekte von Vitamin E und Phenylbutylnitron. Hamburger et al. [117] konnten ein verbessertes Survival nach Gabe von 25 mg/kg KG LPS durch Phenylbutylnitron erreichen (Rattenmodell). In einem CLP-Modell zeigten Powell et al. [235] eine Steigerung der Überlebensrate bei Gabe von U-74006F bzw. U-78517F. Vitamin E verlängerte das Überleben nur, wenn es vor Induktion der Sepsis appliziert wurde.

Dass auch beim Menschen antioxidative Parameter einen prognostischen Wert bei Sepsis besitzen, beschrieben z.B. Warner et al. [313]. SOD- und Katalase-Aktivitäten unterschieden sich signifikant zwischen Patienten, die eine Sepsis überlebten und Nicht-Überlebenden. Allerdings wiesen die Nicht-Überlebenden höhere Werte der protektiven Enzyme auf. Borrelli et al. [38] fanden dagegen signifikant erniedrigte Vitamin-C-Spiegel bei Patienten, die ein Multiorganversagen entwickelten im Gegensatz zu kritisch kranken Patienten, die kein Multiorganversagen entwickelten. Goode et al. [101] bestätigten dies für Vitamin A und Vitamin E. Alle zitierten Studien wiesen relativ kleine Fallzahlen auf, so dass die Gültigkeit der Aussagen erst noch an größeren Kollektiven überprüft werden muss. Es ist jedoch denkbar, dass - wie bei anderen Sepsismarkern - ein phasenabhängiges Bild existiert. So könnten anfänglich höhere Werte antioxidativer Parameter einen Hinweis auf die Schwere des primären Insults geben. In einer späteren Phase korrelieren möglicherweise niedrigere [Seite 141↓]Werte im Sinne einer Anergie mit einer schlechteren Prognose.

Eine überschießende ROS-Bildung erscheint in jedem Falle als nachteilig für den Organismus. Daher wurden klinische Studien mit Antioxidantien, z.B. Vitamin E, Selen, SOD bzw. N-Acetylcystein, initiiert. Spies et al. [275] untersuchten den Effekt von N-Acetylcystein auf verschiedene Parameter der Gewebeoxygenierung im septischen Schock. Es stellte sich eine Subgruppe von Patienten (Responder) heraus, in der die untersuchten Parameter sowie das Überleben signifikant verbessert werden konnten. Gärtner et al. [89] setzten Natrium-Selenit bei septischen Patienten ein und erzielten bei Patienten mit einem APACHE-Score > 20 eine Reduktion der Mortalität von 70 auf 30 %. Wir konnten in klinischen Studien ebenfalls protektive Effekte auf verschiedene Organfunktionsparameter unter Selensubstitution beobachten [173; 178].

6.6 Intestinaler mikrovaskulärer Blutfluss

Die zur Messung des intestinalen mikrovaskulären Blutflusses eingesetzte Laser-Doppler-Flowmetrie (LDF) benutzt monochromatisches Licht, das durch eine Halbleiter-Laser-Diode emittiert wird (Methodenübersicht siehe [311]). Das Laserlicht im sichtbaren oder nahen infraroten Bereich gelangt mittels optischer Koppler über eine Fiberoptiksonde ins Gewebe. Das in das Gewebe einstrahlende Licht unterliegt der Brechung, Beugung und Reflexion an Grenzstrukturen. Es trifft unter verschiedenen Winkeln auf kleinere und größere Blutgefäße. Die Reflexion erfolgt sowohl an unbewegten (Interstitium, Endothel) als auch bewegten Strukturen (hauptsächlich Erythrozyten). Bei der Reflexion an bewegten Strukturen kommt es infolge der Lageänderung des reflektierenden Objekts zum Detektor zu einer Frequenzverschiebung des monochromatischen Lichts. Dieser Effekt bei Licht- und Schallwellen wurde von dem Physiker Christian Doppler (1803-1853) erstmals beschrieben und nach ihm benannt. Das Ausmaß der Frequenzverschiebung ist abhängig von der Geschwindigkeit der sich bewegenden Teilchen. Eine Bewegung von 1 mm/s bewirkt eine Frequenzverschiebung von 4 kHz [27]. Das reflektierte Licht kann in der selben Fiberoptik zu einem Photodetektor zurückgeleitet werden.

Der resultierende Photostrom beinhaltet eine AC- und eine DC-Komponente. Die AC-Komponente ist abhängig von der Geschwindigkeit der sich bewegenden Teilchen und damit vom Blutfluss. Die DC-Komponente, d.h. die Intensität des reflektierten Lichts, korreliert mit [Seite 142↓]der Teilchendichte im Messvolumen und deren Absorptions- und Reflexionsverhalten. Zwischen beiden Komponenten bestehen enge Wechselwirkungen. Das benutzte Messgerät gibt die Parameter concentration (mittlere Konzentration der sich bewegenden Teilchen im Messvolumen) und speed (mittlere Geschwindigkeit der sich bewegenden Teilchen im Messvolumen) aus. Das Produkt aus concentration und speed wird vom Messgerät als flux angegeben und von uns als intestinaler mikrovaskulärer Blutfluss (IMBF) bezeichnet.

Der flux ist eine relative, richtungslose Messgröße für den mikrovaskulären Blutfluss und wird in Volt oder arbiträren Einheiten angegeben. Das zugrunde liegende Messvolumen ist abhängig von der Geometrie der Sondenspitze. Unterschiedliche Sonden ermöglichen den Einsatz an speziellen Geweben und die Erfassung verschiedener Volumina. Durch die Spezifikationen der von uns benutzten Lasersonde erfassten wir den Summenblutfluss der gesamten Darmwand der Versuchstiere. Es waren relative, jedoch kontinuierliche Aufzeichnungen möglich. Am Intestinum konnte eine akkurate Korrelation der Laser-Doppler-Flowmetrie zur Perfusionsmessung mit der CLGH (Clearance of locally generated hydrogen, [68]) und anderen Methoden [266] gezeigt werden. Die unmittelbare Applikation der Lasersonde an der „region of interest“ und die geringe Eindringtiefe begrenzten bisher die Einsatzfähigkeit der LDF auf Gebiete, die oberflächlich lokalisiert oder nach entsprechender Präparation zugänglich waren. Durch neue Sonden in Nadelform ist heute auch eine invasive Messung in tieferliegenden Schichten möglich [167].

Die LDF eignet sich zur Erfassung von relativen Veränderungen des mikrozirkulatorischen Blutflusses, soweit jene durch Änderungen der Geschwindigkeit der sich bewegenden Teilchen hervorgerufen werden (Parameter speed). Eine Veränderung der intravasalen (Parameter concentration) aber auch der interstitiellen Teilchenkonzentration (Ödem) bewirkt eine unkalkulierbare Fluxänderung. Lineare mathematische Beziehungen für diese Interferenzen existieren nicht. Die LDF kann in diesem Fall zur Messung des mikrovaskulären Blutflusses nur eingeschränkt angewandt werden.

In Vorversuchen mit dem gewählten Studiendesign wurde die intravasale Teilchenkonzentration (Hämatokrit) konstant vorgefunden. Histologisch wurde kein signifikantes Darmwandödem gesehen. Daher müssen die Veränderungen des IMBF direkt durch Veränderungen des Parameters speed zustande gekommen sein. Dies wurde in Parallelversuchen überprüft und bestätigt. Damit sind die Blutflussänderungen Veränderungen der Blutflussgeschwindigkeit zuzuordnen.

Durch die dauerhafte Befestigung der Fiberoptik am Gewebe wurde vermieden, Verfälschungen der Messwerte durch eine Erfassung von Blutgefäßen verschiedener Größe [Seite 143↓]im Messvolumen zu erhalten.

In der Kontrollgruppe fanden wir über den Beobachtungszeitraum einen Trend zu einer Erniedrigung des IMBF. Dies wäre mit dem Trauma durch die operative Präparation (Laparotomie, Sondenanlage) zu erklären. Die Veränderungen waren jedoch nicht signifikant im Vergleich zum Ausgangswert.

Nach Endotoxinbelastung kam es dosisabhängig zu einer signifikanten Reduktion des IMBF. Bei Gabe von 20 mg/kg KG LPS ging der IMBF bis auf 41 % des Ausgangswertes zurück (Zeitpunkt 4 h).

Theuer et al. [291] fanden bei normotensiver Bakteriämie mit der gleichen Methode einen Rückgang des Mukosablutflusses um 40 %. Als Ursache gaben sie eine 30-prozentige Reduktion des Durchmessers der intestinalen A1- und A3-Arteriolen an. Intravitalmikroskopisch konnten Schmidt et al. [257] nach Gabe von 15 mg/kg KG LPS eine Reduktion des villösen Blutflusses um 35 % nachweisen (15 % Reduktion des Villusarteriolendurchmessers). Steeb et al. [282] registrierten bei experimenteller E. coli-Sepsis eine 75-prozentige Reduktion des Blutflusses in prämukosalen A1-Arteriolen. Berücksichtigt man die normale Verteilung der Durchblutung in der Darmwand von 70 % in der Mukosa und 30 % in der Muskularis [103], so stellen die von uns gemessenen Werte den entsprechenden Durchschnittswert des Blutflusses in der gesamten Darmwand bei Endotoxinämie dar.

Mittels der Mikrosphärentechnik konnten Xu et al. [321] zeigen, dass diese Veränderungen für den distalen Dünndarm und den proximalen Dickdarm der Ratte bei experimenteller Endotoxinämie typisch sind, Magen und Duodenum jedoch weniger betroffen sind. In der gleichen Studie fanden sie, dass die Flussreduktion insbesondere durch eine Minderperfusion der Mukosa zu erklären war.

Bereits zitiert wurde die Studie von Revelly et al. [241], die eine Umverteilung des Blutflusses bei Endotoxinämie von der Muskularis in die Mukosa beschrieb. Trotzdem kann es aufgrund metabolischer Störungen und Shuntbildung in der Mikrozirkulation (s.u.) zu Mukosaalterationen kommen [303].

Der Gesamtblutfluss in den Darm kann in bestimmten Sepsismodellen (CLP-Modell) sogar zunehmen [193]. Für die tierexperimentelle Endotoxinämie ist jedoch – zumindestens in der Frühphase - eine intestinale Vasokonstriktion und Flussreduktion kennzeichnend. Dies führt zu den auch klinisch beobachteten Störungen, wie der mukosalen Hypoxie und Azidose [125; 300].


[Seite 144↓]

Das besonders hohe Risiko der mukosalen Hypoxie resultiert aus der speziellen Mikroanatomie der Villi intestinales. Durch die räumliche Nähe zu- und abführender Gefäße in den Darmzotten (Sauerstoffgegenstromprinzip) kommt es in der Villusspitzenregion bei einer Blutflussreduktion besonders rasch zu einem Sauerstoffmangel. Histologisch spiegelt sich das in einem Zottenödem mit nachfolgender Zottenspitzennekrose und Freilegung der Basalmembran wider. Somit geht die natürliche Barriere gegenüber intestinalen Bakterien und deren Toxinen verloren. Dieses als bakterielle Translokation bezeichnete Phänomen bildete die Basis für das Konzept des Darms als Motor des Multiorganversagens [52]. Eine minderperfusionsbedingte intestinale Hyperpermeabilität stellt danach einen pathogenetisch bedeutsamen Faktor in der Sepsis dar.

Die Mechanismen, die zur Entwicklung der Endotoxin-induzierten intestinalen Hypoperfusion führen, wurden bereits bei der Diskussion der allgemeinen hämodynamischen Veränderungen (Kapitel 6.1) skizziert. Obwohl die klinische Sepsis – besonders initial - durch ein generelles Überwiegen der Vasodilatation mit konsekutiver Hypotension gekennzeichnet ist, scheint am Darm eine (inadäquate) Vasokonstriktion vorzuherrschen. Die Ursachen sind sowohl auf systemischer (u.a. regulatorischer) als auch lokaler Ebene (z.B. vasokonstriktorische Mediatoren) zu suchen. So ist im Rahmen der Kreislaufzentralisation im (septischen) Schock eine Sympathikus-vermittelte Vasokonstriktion im Splanchnikusgebiet typisch, wenn auch auf Dauer deletär. Systemisch zirkulierende wie lokal freigesetzte vasokonstriktorisch wirksame Mediatoren (z.B. Noradrenalin, Endothelin, Thromboxane) tragen zur intestinalen Hypoperfusion bei. Hinzu kommt die mechanische Obstruktion der Endstrombahn durch das - infolge des Kapillarlecks auftretende - Gewebeödem und die Okklusion durch intravasal einsetzende Gerinnungsprozesse, eine progrediente Leukozytenadhärenz und eine gestörte Fluidität der Erythrozyten. Auch bei scheinbar adäquater Durchblutung, d.h. ausreichend hohem Sauerstoffangebot, kann infolge der Endotoxin-induzierten Sauerstoffverwertungsstörung eine zelluläre Hypoxie auftreten. Unabhängig davon erscheint das Durchbrechen der inadäquaten Vasokonstriktion im Splanchnikusgebiet als eine conditio sine qua non zur Protektion der intestinalen Integrität.

Wir untersuchten daher den Einfluss der vasoaktiven Substanzen Iloprost und Dopexamin auf den intestinalen mikrovaskulären Blutfluss bei experimenteller Endotoxinämie. Die Applikation erfolgte kontinuierlich über den gesamten Versuchszeitraum. [Seite 145↓]Die Dosierung entsprach klinischen Empfehlungen und befand sich im unteren therapeutischen Bereich, um systemische Nebenwirkungen, wie Tachykardie und Hypotension, zu verringern.

Nach Gabe von 5 mg/kg KG LPS kam es unter Dauerinfusion von Iloprost bzw. Dopexamin zu einer Protektion des intestinalen mikrovaskulären Blutflusses. Es wurden mit der Kontrollgruppe vergleichbare Messwerte erhoben. Im Durchschnitt lagen die IMBF-Werte trotz Endotoxinämie über den Werten der Kontrollgruppe ohne LPS-Belastung. Auch in der Versuchsreihe mit erhöhter Endotoxinbelastung (20 mg/kg KG LPS) konnten die Effekte reproduziert werden. Die IMBF-Werte der beiden Verum-Gruppen lagen signifikant über denen der LPS-Gruppe. Während die mittleren IMBF-Werte in der Dopexamin-Gruppe unverändert über denen der Kontrollgruppe lagen, zeigte sich in der Iloprost-Gruppe eine nicht signifikante Tendenz zu niedrigeren Werten, so dass im direkten Vergleich bei den gewählten Dosierungen Dopexamin als effektivere Substanz erscheint.

Die Ergebnisse befinden sich in Übereinstimmung mit den Resultaten von Studien anderer Autoren, die sich anderer Untersuchungsmethoden bedienten. Manasia et al. [189] untersuchten im Schweinemodell den Einfluss von Iloprost auf die Endotoxin-induzierte intestinale Hypoperfusion mittels einer Flussmesssonde an der A. mesenterica superior. Sie beobachteten eine Zunahme des Blutflusses um 37 %. Dies war nicht mit einer Zunahme des Herzzeitvolumens erklärbar. Das Sauerstoffangebot und der pHi verbesserten sich signifikant. Hannemann et al. [119] konnten die Steigerung des Sauerstoffangebots durch Prostacyclingabe bei septischen Patienten bestätigen. Radermacher et al. [239] konnten klinisch den pHi-Anstieg reproduzieren.

Für das Dopexamin wurde, besonders im unteren Dosisbereich (0,5-3 µg/kg/min), eine spezifische Steigerung des Blutflusses im Hepatosplanchnikusgebiet postuliert. Dies wird mit dem besonderen Rezeptorprofil (ß, DA) erklärt. So fanden Amenta et al. [6] eine Zunahme des mesenterialen Blutflusses der gesunden Ratte um 23 % bei Gabe von 1 µg/kg/min Dopexamin und eine Steigerung um 38% bei 3 µg/kg/min Dopexamin. Brown et al. [45] zeigten bei gesunden Hunden eine Zunahme des mesenterialen Bluflusses um 20 % bei Applikation von 4,3 µg/kg/min Dopexamin. Biro et al. [26] bestätigten die Ergebnisse mit der Mikrosphärentechnik. Bei Endotoxinämie wies die Arbeitsgruppe um Schmidt et al. [258] nach, dass die LPS-induzierte mukosale Vasokonstriktion durch Dopexamin-Gabe (2,5 µg/kg/min) verhindert werden kann.

Wie bei der Applikation von Iloprost muss ein unspezifischer Effekt auf die [Seite 146↓]mesenteriale Durchblutung durch eine HZV-Erhöhung abgetrennt werden. Leier et al. [179] fanden bei herzinsuffizienten Patienten eine Steigerung von HZV und Hepatosplanchnikusblutfluss um bis zu 40 % bei Gabe von 0,25-1µg/kg/min Dopexamin, wobei der Effekt auf die Hepatosplanchnikusperfusion bei niedrigeren Dopexamin-Dosierungen stärker ausgeprägt war. In der gleichen Studie konnten sie aber auch zeigen, dass es bei diesem Patientengut durch Dobutamin (7,5 µg/kg/min) bzw. Dopamin (3,85 µg/kg/min) zwar ebenfalls zu einer HZV-Steigerung (+ 20 % bzw. + 10 %) kommt, der Hepatosplanchnikusblutfluss jedoch nicht gesteigert werden konnte. Maynard et al. [198] verglichen die Wirkung von 1 µg/kg/min Dopexamin und 2 µg/kg/min Dopamin bei SIRS-Patienten und sahen nur in der Dopexamin-Gruppe einen Effekt auf das Hepatosplanchnikusgebiet, gemessen an pHi, MEGX-Test und ICG-Clearance. Smithies et al. [273] interpetierten ihre Ergebnisse bei Sepsis-Patienten (anhaltender pHi-Effekt nach Dopexamin-Gabe ohne Korrelation zum Herzzeitvolumen) ebenfalls als preferentielle Wirkung auf das Hepatosplanchnikusgebiet. Temmesfeld-Wollbrück et al. [290] fanden eine deutliche Verbesserung der Mukosaoxygenierung bei nur geringer Beeinflussung des Herzzeitvolumens bei Gabe von 2 µg/kg/min Dopexamin.

Andere Gruppen konnten eine selektive Wirkung von Dopexamin auf den Hepatosplanchnikusblutfluss nicht nachweisen. Uusaro et al. [299] zeigten z.B. bei kardiochirurgischen Patienten einen Anstieg des Splanchnikusblutflusses um 43 % nach Gabe von durchschnittlich 1,1 µg/kg/min Dopexamin. Das Herzzeitvolumen stieg dabei um 49 % an. Bach et al. [10] fanden bei kardiochirurgischen Patienten vor Anschluss an die Herz-Lungen-Maschine einen HZV-abhängigen Anstieg der Hepatosplanchnikus-durchblutung (ICG-Methode). Nach der extrakorporalen Zirkulation ließ sich der Zusammenhang jedoch nicht mehr finden.

So muss zum gegenwärtigen Zeitpunkt offen bleiben, inwieweit die gefundenen Effekte von Dopexamin auf die Hepatosplanchnikusperfusion nur auf eine HZV-Steigerung zurückzuführen sind, oder ob eine selektive Durchblutungssteigerung erzielt werden kann. Im Kontext der tierexperimentellen Befunde erscheint eine selektive Wirkung wahrscheinlich. Der klinische Nachweis lässt sich ungleich schwerer führen, da die Messung der Hepatosplanchnikusperfusion in der Regel nur mit indirekten Methoden möglich ist. Dies gilt gleichermaßen für den Einsatz des stabilen Prostacyclinanalogons Iloprost.


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6.7 Powerspektralanalyse

Die Powerspektralanalyse, d.h. die Untersuchung der Frequenzanteile biologischer Signale (z. B. Herzfrequenz, Blutdruck) ist eine relativ junge Methode. Erst durch die rapide Entwicklung der Rechentechnik hat sie eine weite Verbreitung in der Medizin gefunden [224]. Dabei ist das Vorhandensein rhythmischer Oszillationen verschiedener Frequenz in biologischen Signalen bereits sehr lange bekannt. Atemabhängige Schwankungen von Herzfrequenz und Blutdruck wurden 1733 von Hales[114] und 1760 durch von Haller[310] beschrieben. 1876 beobachtete Mayer rhythmische Oszillationen im Blutdruck unterhalb der Atemfrequenz. Er führte dies auf vasomotorische Effekte zurück [197]. Später wurden die gefundenen Frequenzen als high frequency peak (HF; 0,15-0,4 Hz, entsprechend der Atemfrequenz beim Menschen), low frequency peak (LF; 0,04-0,15 Hz; Mayer-Wellen) und very low frequency-Bereich (VLF; 0-0,04 Hz) deklariert [289]. Insgesamt ist die Definition von Peakfrequenzen nicht starr zu sehen, da sich unter verschiedenen Bedingungen die charakteristische Frequenz ändern kann. Eine Speziesspezifität ist außerdem zu beachten.

Die Frequenzanteile in den biologischen Signalen können mittels zweier verschiedener mathematischer Verfahren differenziert und in einem Powerspektrum dargestellt werden. Die Fast-Fourier-Transformation (FFT) verrechnet das gesamte Signal, unabhängig davon, ob es durch diskrete Schwingungen oder durch breitbandige Anteile gebildet wird. Im Gegensatz dazu wird bei der Autoregressionsanalyse aus den Rohdaten das Spektrum im Sinne eines „best-fitting models“ erstellt. Dabei werden bestimmte Signalanteile als Rauschen identifiziert und im Spektrum unterdrückt. Daraus ergibt sich die besondere Eignung der Autoregressionsanalyse zur Untersuchung diskreter Oszillationen. Werden breitbandige Frequenzanteile vermutet, hat die FFT Vorteile. Wir wählten bei der Berechnung der Autoregressionsanalyse ein Modell höherer Ordnung. Bei höherer Ordnung gleichen sich die Spektren der Autoregressionsanalyse den Spektren der FFT an [224].

Die Zuordnung der im Powerspektrum gefundenen Frequenzanteile zu physiologischen Strukturen und Prozessen wurde in vielen Studien untersucht und ist noch immer Gegenstand der Diskussion. Bereits Mayer postulierte Einstellbewegungen der Gefäße (Vasomotion) als Basis für die niederfrequenten Frequenzanteile im Blutdruckspektrum [197]. Mittels intravitalmikroskopischer Untersuchungen konnten Colantuoni et al. [54] direkte Korrelationen zwischen dem Vasomotionsverhalten einzelner Gefäße (Arteriolen, [Seite 148↓]Venolen) und Anteilen des lokalen Blutfluss-Spektrums, gemessen mit der Laser-Doppler-Flowmetrie, herstellen. Da die Herzfrequenz maßgeblich über den Vagus und Sympathikus reguliert wird, wurden die spektralen Anteile der Herzfrequenzvariabilität zumTeil dem autonomen Nervensystem zugeschrieben.

Allgemein wird davon ausgegangen, dass die rhythmischen Schwankungen von Blutdruck, Gefäßdurchmesser (Vasomotion), Herzfrequenz (Herzfrequenzvariabilität), lokalen Blutflussparametern (z.B. LDF-Fluxmotion) u.a. physiologischen Signalen im Frequenzbereich < 1 Hz vorwiegend Regulationsprozesse des autonomen Nervensystems widerspiegeln. Aber auch andere Systeme, wie das Renin-Angiotensin-System oder das NO-System, haben Einfluss auf das Powerspektrum in diesem Frequenzbereich [150; 280].

Die mittels verschiedener Blockadeversuche nachgewiesene Korrelation der spektralen LF- und HF-Power mit dem Aktivierungszustand des autonomen Nervensystem haben zu einer weiten Verwendung des LF/HF-Quotienten als Marker der sympathovagalen Balance geführt. So kann durch eine pharmakologische oder chirurgische Sympathikusblockade der LF-Anteil des Powerspektrums signifikant reduziert werden, während der HF-Bereich weitgehend unbeeinflusst bleibt [108; 222; 224]. Eine experimentelle Sympathikus-Aktivierung führte zu einer Steigerung der LF-Power [222]. Die Gabe des Parasympathikolytikums Atropin führte zu einer deutlichen Reduktion der HF-Power [224].

Eckbergfasste die wesentlichen Kritikpunkte an der Zuordnung von LF- und HF-Bereich zu Sympathikus- und Vagus-Aktivität zusammen [70]. So wird bei hochdosierter Atropingabe auch der LF-Bereich verändert. Andererseits konnte gezeigt werden, dass die HF-Power von der Sympathikus-Aktivität mit beeinflusst wird. Stauss et al. [281] konnten in der Kohärenzanalyse keine konstante Korrelation zwischen LF-Power und Sympathikus-Aktivität finden. Trotz der genannten Einschränkungen repräsentieren LF- und HF-Power nach Goldberger den Summeneffekt verschiedener Einwirkungen auf das autonome Nervensystem [95].

Ist die Bedeutung der Frequenzanteile von Blutdruck und Herzfrequenz noch Gegenstand intensiver Diskussion, so gibt es zur Powerspektralanalyse des intestinalen mikrovaskulären Blutflusses keine vergleichbare Literatur. Insbesondere Veränderungen des IMBF-Powerspektrums unter Endotoxinämie sind bisher nicht beschrieben. Deshalb untersuchten wir in Vorstudien mittels pharmakologischer bzw. chirurgischer Blockadetechniken die RR- und IMBF-Powerspektren in unserem Versuchstiermodell.

Zunächst stellten wir fest, dass die im Blutdruck-Spektrum beschriebenen [Seite 149↓]Frequenzpeaks auch im IMBF-Spektrum aufzufinden waren. Die dominierende Frequenz im LF-Bereich lag bei 0,4 Hz und im HF-Bereich bei 1,2 - 1,4 Hz. Dies entspricht den Angaben in der Literatur für die Spezies Ratte [148]. Wir konnten zeigen, dass sich die dominierenden Frequenzen innerhalb des Beobachtungszeitraumes von vier Stunden nicht änderten. Die Gabe von 5 mg/kg KG LPS bewirkte keine Verlagerung der dominierenden Frequenzen in den ausgewerteten Frequenzbändern. Die dominierenden Frequenzen und die HF-Power waren über den Versuchszeitraum wie in der Kontrollgruppe konstant.

Wir beobachteten jedoch eine signifikante Zunahme der LF-Power nach Induktion der Endotoxinämie mit 20 mg/kg KG LPS, sowohl im Blutdruck- als auch im IMBF-Spektrum. Eine pharmakologische Blockade des Sympathikotonus mittels Clonidin verhinderte nahezu vollständig den Anstieg der LF-Power im Spektrum von Blutdruck und IMBF. Dies belegt einen maßgeblichen Einfluss des Sympathikus auf die Spektralveränderungen. Eine Reduktion der spektralen Power im LF-Bereich nach Clonidin-Applikation beschrieben auch Grichois et al. [108]. Im Gegensatz dazu stehen Ergebnisse der Arbeitsgruppe Golubinskaya et al., die weder bei Prazosin-, noch bei Atropin-Gabe eine Blockade der LF-Power im mesenterialen Blutdruckspektrum finden konnten [99].

In einer weiteren Versuchsreihe führten wir eine chirurgische Denervierung des Sympathikus im Splanchnikusgebiet durch. Danach registrierten wir eine deutliche Zunahme des intestinalen mikrovaskulären Blutflusses bei stabilen Kreislaufverhältnissen. Der intestinale Gefäßwiderstand war signifikant reduziert. Im IMBF-Spektrum war im Gegensatz zu den Clonidinversuchen wiederum ein signifikanter Anstieg der LF-Power nach Induktion der Endotoxinämie sichtbar. Auch im RR-Spektrum trat der LF-Peak wieder auf. Offensichtlich wurden makrohämodynamische Oszillationen druck-passiv auf die intestinale Mikrozirkulation übertragen. Neben der zentralen Sympathikuswirkung können andere Organsysteme, wie z.B. die renale Zirkulation, für die Genese der fortgeleiteten Oszillationen verantwortlich sein [2].

Das unterschiedliche Verhalten der LF-Power bei systemischer Inhibition des Sympathikus mit Clonidin und bei lokaler chirurgischer Sympathektomie (Durchtrennung des N. splanchnicus major) lässt sich dadurch erklären, dass im Falle von Clonidin der sympathische Einfluss auf die gesamte Zirkulation des Organismus blockiert wird, während im Falle der lokalen Sympathektomie lediglich der sympathische Einfluss auf den Gastrointestinaltrakt unterbunden wird. Systemische Einflüsse des Sympathikus können sich also nach wie vor „druck-passiv" auf die intestinale Mikrozirkulation übertragen. Dies ist nach systemischer Sympathikolyse mit Clonidin natürlich nicht möglich.


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In den Vorversuchen mit Applikation von 5 mg/kg KG LPS zeichnete sich bereits ein Trend zu einem biphasischen Verhalten der Veränderungen im LF-Bereich ab. In den Hauptversuchen bestätigte sich der Trend, erreichte in der niedrigen Endotoxindosierung jedoch keine statistische Signifikanz. Der HF-Bereich blieb in den Vorversuchen und in den Hauptversuchen konstant.

Bei Gabe von 20 mg/kg KG LPS war nach zwei Stunden Endotoxinämie sowohl im Blutdruck als auch im IMBF-Spektrum ein signifikanter Anstieg der Power im LF-Bereich zu verzeichnen. Im weiteren Verlauf kam es zu einem Rückgang der LF-Power in den Bereich der Ausgangswerte. Die HF-Power blieb wiederum konstant.

Das biphasische Verhalten der LF-Power nach Endotoxinapplikation ist aus tierexperimentellen Studien bekannt. Goldstein et al. [96] beobachteten in einem Endotoxinmodell am Kaninchen kurz nach Endotoxingabe einen drastischen Anstieg der Power im LF-Bereich des Herzfrequenzspektrums. Danach gingen die Werte signifikant in den Ausgangsbereich zurück. In den Experimenten stellte sich jedoch eine schwere Hypotension ein, so dass bei der Interpretation der Veränderungen im LF-Bereich eine Dekompensation der initialen Sympathikus-Aktivierung angenommen wurde. Da keine Veränderungen der Plasma-Katecholaminspiegel gefunden wurden, gingen die Autoren von einer direkten Reaktion des autonomen Nervensystems ohne neurohumorale Beteiligung aus. Andere Autoren sahen jedoch in der frühen, hyperdynamen Phase nach Endotoxin-Applikation auch signifikant erhöhte Katecholaminspiegel [124].

In unseren Versuchen kam es erst nach zwei Stunden Endotoxinämie zu einem Anstieg der LF-Power. Ein früherer Anstieg, unmittelbar nach Endotoxinapplikation, konnte durch die Wahl der Messzeitpunkte nicht erfasst werden. Der späte Anstieg der LF-Power in der Versuchsreihe mit der erhöhten Endotoxinbelastung korrelierte mit der zu diesem Zeitpunkt beginnenden, milden Hypotension. In nichtseptischen Settings, wie der leichten Hämorrhagie, findet man ähnliche, inverse Reaktionen von Blutdruck und LF-Power als Indikator für eine zunehmende Sympathikus-Aktivierung [297].

Von Young und Cameron wurde an der Haut septischer Patienten mit der LDF eine Zunahme der spektralen Power im LF-Frequenzband gefunden [325]. Eine Sympathikolyse konnte den LF-Anstieg nicht supprimieren. Die Autoren werteten dies als Zeichen der abgeschwächten zentralen und verstärkten peripheren Kontrolle des Hautblutflusses in der Sepsis. Der Anstieg der LF-Power in unserer Studie war jedoch von einer Abnahme des intestinalen mikrovaskulären Blutflusses gekennzeichnet, während Young und Cameron eine Zunahme der Hautperfusion bei den septischen Patienten beobachteten.


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Der Rückgang der LF-Power nach vier Stunden spricht für eine progrediente Dekompensation der vegetativen Aktivierung, wie sie in mehreren Studien an endotoxämischen Versuchstieren und septischen Patienten beschrieben wurde [94; 96; 232]. Wir werten die Abnahme der LF-Power-Werte auf das Ausgangsniveau nicht als Normalisierung des Zustandes der Versuchstiere, da der intestinale mikrovaskuläre Blutfluss in diesem Zeitraum weiter abfiel.

Als Ursachen für das progrediente Versagen des autonomen Nervensystems bei Endotoxinämie kommen verschiedene Mechanismen in Frage. Zum einen ist eine Beeinträchtigung zentraler α1-Rezeptoren nach Endotoxin-Applikation bekannt [96]. Zusätzlich kommt es durch die erhöhten endogenen Katecholaminspiegel zu einer Downregulation der ß-Rezeptoren [56]. Desweiteren werden auch Störungen des arteriellen Barorezeptorenreflexes, der wesentlich das Powerspektrum beeinflusst, bei Sepsis beschrieben [96].

Wir überprüften die Veränderungen von RR- und IMBF-Spektrum bei Endotoxinämie während der Applikation von Iloprost und Dopexamin.

In der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS waren die Spektren – wie in der unbehandelten LPS-Gruppe – nicht signifikant unterschiedlich zur Kontroll-Gruppe.

Nach Gabe von 20 mg/kg KG LPS konnte durch die Iloprost- und Dopexamin-Gabe der Anstieg der Power im LF-Bereich vermieden werden. Im Gegensatz zur unbehandelten LPS-Gruppe wiesen die Tiere der beiden Behandlungsgruppen zu diesem Zeitpunkt ein stabiles Blutdruckverhalten und einen signifikant erhöhten IMBF auf. Dies könnte zum Teil das unbeeinträchtigte Powerspektrum erklären. Im Kontext der in den Laboruntersuchungen und der Intravitalmikroskopie erhobenen Befunde war die Beeinträchtigung der Versuchstiere durch die Endotoxinämie deutlich abgeschwächt.

Für Iloprost ist ein günstiger Einfluss auf die Vasomotion bekannt. Jünger et al. [137] beobachteten die Restitution einer gestörten Vasomotion durch die Dilatation präkapillärer Arteriolen nach Iloprost-Gabe. Bihari et al. [25] fanden dies in LDF-Untersuchungen an der Haut bestätigt. Es werden auch direkte, inhibitorische Interaktionen von Iloprost mit der sympathischen Neurotransmission angenommen [106].

Unter ß-Mimetika-Therapie ist ein Anstieg der Power im LF-Bereich als Ausdruck einer Sympathikus-Aktivierung beschrieben [97]. Bass et al. [15] wiesen eine signifikante Aktivierung des Barorezeptorenreflexes bei Dopexamininfusion nach. Obwohl die durchschnittliche LF-Power in der Dopexamin-Gruppe über den Werten der Iloprost-Gruppe lag, war dies in unseren Experimenten nicht signifikant. Es überwog der [Seite 152↓]kreislaufstabilisierende Effekt (signifikante Reduktion der LF-Power gegenüber der unbehandelten LPS-Gruppe). Heinroth et al. [127] fanden keine Unterschiede in der Herzfrequenzvariabilität zwischen kritisch kranken Patienten mit niedrigem und hohem Katecholaminbedarf.

Zur Beurteilung der spektralen Veränderungen in unseren Versuchsreihen muss der Einfluss der Narkose berücksichtigt werden [72; 131; 251]. Mazerolles et al. [200] gaben für das von uns verwendete Pentobarbital eine Reduktion der Power im LF- und HF-Bereich des Blutdruck-Spektrums von 30 % an. Huang et al. [132] beobachteten unter Narkose (Thiopental, Fentanyl, Droperidol, Suxamethonium) beim Menschen einen Rückgang der LF- und HF-Power auf ca. ein Zehntel des Ausgangswerts. Der LF-/HF-Quotient blieb somit unverändert.

Ein weiterer Einflussfaktor auf das Powerspektrum ist die Körpertemperatur. So zeigten Fleisher et al. [83], dass insbesondere eine oberflächliche Abkühlung zu einer signifikanten Reduktion der Power im LF- (aber auch im VLF-) Bereich führt. Bei unseren Versuchstieren wurde die Körpertemperatur mittels einer thermostatierten Wärmematte über den gesamten Versuchszeitraum konstant gehalten, so dass dieser Einflussfaktor ausgeschlossen werden konnte.

Bereits hingewiesen wurde auf weitere Regulationssysteme, welche im LF- und HF-Bereich des Powerspektrums einwirken können. Das NO-System spielt im Rahmen von Endotoxinämie und Sepsis eine besondere Rolle. Unter Endotoxineinwirkung kommt es zur Expression der induzierbaren NO-Synthase mit Verstärkung der NO-Produktion. NO puffert die Blutdruck-Variabilität im Bereich von 0,2 – 0,6 Hz bei der Ratte [215]. Damit könnte der Power-Anstieg im LF-Bereich bei Endotoxinämie abgeschwächt werden.

6.8 Vergleichende Bewertung der Teilstudien

Da für die intravitalmikroskopische Untersuchung der Mikrozirkulation eine in allen Gruppen (inklusive Kontrollgruppe) vergleichbare Makrohämodynamik, insbesondere ein stabiler Blutdruck, angestrebt wurde, standen Kreislaufeffekte der eingesetzten Substanzen a priorinicht im Vordergrund.

Alle Tiere entwickelten nach Endotoxinapplikation eine kurzzeitige Hypotension mit rascher Erholung und eine persistierende Tachykardie. Dies kann als Effektivitätskriterium für die Endotoxinämie-Induktion gelten und wurde durch die Gabe der antioxidativen bzw. [Seite 153↓]vasoaktiven Substanzen nicht wesentlich beeinflusst. Zum Zeitpunkt der Intravitalmikroskopie waren in allen Gruppen vergleichbare Blutdruckwerte zu verzeichnen.

Bei der Analyse der Blutgasuntersuchungen fiel eine Erholung der pO2-Werte nach Narkoseeinleitung in allen Gruppen - bis auf die unbehandelten LPS-Gruppen - auf. Der protektive Effekt der eingesetzten Substanzen war besonders ausgeprägt in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS, jedoch auch signifikant in der Versuchsreihe mit 20 mg/kg KG LPS. Damit erscheint eine Reduktion Endotoxin-bedingter Lungenfunktionsstörungen sowohl durch die eingesetzten antioxidativen als auch die vasoaktiven Substanzen möglich. Die pCO2-Werte waren durch die Endotoxin-induzierte Hyperventilation in allen Gruppen leicht erniedrigt. Ein Effekt der eingesetzten Substanzen ließ sich an diesem Parameter nicht nachweisen. Der pH-Wert befand sich in allen Versuchsgruppen im Normbereich.

Die Laktatwerte stiegen im Beobachtungszeitraum in allen Gruppen mit Endotoxinämie (5 bzw. 20 mg/kg KG LPS) an. Lediglich die Behandlung mit U-743890G führte zu signifikant niedrigeren Werten in der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS. Die anderen Substanzen hatten in beiden Versuchsreihen keinen Einfluss auf die Hyperlaktatämie. In Anbetracht des stabilen pH-Wertes und der verbesserten Mirkozirkulationsparameter nach Applikation der antioxidativen bzw. vasoaktiven Substanzen erscheint eine Perfusionsstörung für die Hyperlakatämie nicht hautpsächlich verantwortlich gewesen zu sein. Endotoxin-spezifische Stoffwechselveränderungen kommen eher als Ursache in Frage.

Obwohl die Leukopenie im peripheren Blutbild durch die untersuchten Substanzen nicht beeinflusst wurde, zeigt sich jedoch in der intestinalen Mikrozirkulation eine signifikant verminderte Leukozytenadhärenz, insbesondere in den submukösen V1-Venolen. Dies erscheint im Hinblick auf die pathogenetische Rolle des Intestinums bei der Entwicklung des septischen Multiorganversagens von wesentlicher Bedeutung. Das Risiko einer Störung der intestinalen Integrität (vor allem der Mukosabarriere) durch die deletären Leukozytenwirkungen in der Mikrozirkulation und damit die Möglichkeit des Übertritts von Bakterien und Toxinen aus dem Darmlumen in die Zirkulation kann offensichtlich durch die Gabe von Antioxidantien oder vasoaktiven, perfusionssteigernden Substanzen verringert werden.

Der Effekt der antioxidativen Substanzen war dabei deutlich stärker ausgeprägt, als der von Iloprost bzw. Dopexamin. Das 21-Aminosteroid U-74389G zeigte in beiden Endotoxin-Dosierungen den stärksten Effekt auf die Leukozytenadhärenz. Wir interpretieren [Seite 154↓]den besonderen Benefit durch die Antioxidantien mit ihrer direkten Wirkung auf einen terminalen Mediator der Gewebeschädigung – die reaktiven Sauerstoffspezies. Dafür spricht auch die höhere Effektivität des Radikalfängers U-74389G im Vergleich zum Oxypurinol, das vorwiegend auf die Entstehung von Radikalen aus einem Stoffwechselweg (Xanthinoxidase) wirkt. Der positive Effekt der Perfusionssteigerung durch die vasoaktiven Substanzen, bewiesen durch die IMBF-Messungen, kann theoretisch durch einen Reperfusionsschaden limitiert worden sein.

Die Kapillarperfusion war bei niedriger Endotoxinbelastung (5 mg/kg KG LPS) kaum verändert. Erst nach Gabe von 20 mg/kg KG LPS traten signifikante Perfusionsausfälle auf, die durch Dopexamin-, aber auch Oxypurinol-Gabe abgemildert werden konnten.

Der protektive Effekt des Dopexamins korrelierte mit der Verbesserung des intestinalen mikrovaskulären Blutflusses, gemessen mit der Laser-Doppler-Flowmetrie. Hier zeigte auch das Iloprost einen positiven Effekt. Beide vasoaktiven Substanzen normalisierten das Blutdruck- und IMBF-Spektrum in der Versuchsreihe mit 20 mg/kg KG LPS.

Bezüglich der TNF-α-Freisetzung konnten wir sowohl durch die Gabe antioxidativer als auch vasoaktiver Substanzen eine signifikante Reduktion der Spitzenspiegel erzielen. In der Versuchsreihe mit 5 mg/kg KG LPS war eine durchschnittliche Verminderung des TNF-α-Peaks um 60 % zu verzeichnen. Den größten Effekt hatte Dopexamin mit 61 %. Bei höherer Endotoxin-Belastung (20 mg/kg KG LPS) war ebenfalls Dopexamin am wirksamsten.

Die verminderte TNF-α-Freisetzung in der Teilstudie 1 mit Einsatz von U-74389G bzw. Oxypurinol korrelierte mit einer verminderten MDA-Freisetzung als Parameter für eine Reduktion der radikalinduzierten Lipidperoxidation.

Die Ergebnisse beider Teilstudien zeigten, dass sowohl reaktive Sauerstoffspezies als auch eine inadäquate Perfusion in der Mikrozirkulation wesentliche pathogenetische Faktoren bei Endotoxinämie bzw. Sepsis darstellen. Zwischen beiden Pathomechanismen gibt es vielfältige Verknüpfungen. So entstehen durch wiederholte Ischämie-Reperfusions-Prozesse infolge von Endotoxinämie-assoziierten Perfusionsstörungen verstärkt Sauerstoffradikale. Andererseits wirken die Sauerstoffradikale auf den Gefäßtonus ein [158; 330; 333].

Wegen der genannten Wechselwirkungen können die Medikamenteneffekte ebenfalls nicht isoliert betrachtet werden. Bezüglich der antioxidativen Substanzen muss für die [Seite 155↓]vorgelegte Arbeit als Einschränkung gelten, dass es sich um ein Pretreatment-Design handelte und so der Effekt im Posttreatment-Modell zu überprüfen ist. Bisher vorliegende Studien mit Antioxidantien-Applikation nach LPS-Gabe konnten aber für bestimmte Substanzen (z.B. SOD, U-7400F, U-78517F) protektive Wirkungen nachweisen [235; 260; 265; 314].


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18.01.2005