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URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2002/726/


Die protektive Wirkung von Cyclosporin A während der Ischämie und der Reperfusion Untersuchungen am global ischämischen Hundeherzen

Pool, Lieven


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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Max-Planck-Institut für Physiologische und Klinische Forschung,W.G.Kerckhoff-Institut, Abteilung für Experimentelle Kardiologie, Bad Nauheim,eingereicht über das Institut für Veterinär-Anatomie, Histologie und Embryologie
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.01.2002
Erstellungsjahr: 2002
Publikationsdatum: 04.03.2002
Kurzfassung auf Deutsch: Ziel dieser Arbeit war es die protektive Wirkung,sowie die dazugehörigen Wirkungsmechanismen von Cyclosporin A (CsA)an einem
Langzeitischämie-Modell beim Hund zu untersuchen.Hierzu wurden zwölf Spenderherzen während einer 18stündigen globalen Ischämie
unter hypothermen Bedingungen mit 'University of Wisconsin '(UW)-Lösung perfundiert und anschließend 6 Stunden von einem
Empfängertier reperfundiert.Dabei wurden sechs Herzen mit CsA (10 -5 mol/l) behandelt,während die unbehandelten Organe als Kontrolle
dienten.Die vor (A) und nach (B)der Ischämie sowie nach zwei (C)bzw.sechs (D)Stunden Reperfusion entnommenen Biopsien wurden
anschließend histologisch untersucht.


Außerdem wurden im Verlauf der Reperfusionsphase stündlich Funktionsparameter bestimmt,deren Auswertung die protektive Wirkung
von CsA zeigte. Während sich die kontraktile Funktion in der behandelten Gruppe vollständig erholte,erreichte die endsystolische
Elastizität der unbehandelten Herzen nur 50% der Kontrollwerte.


Im zweiten Teil der Studie sollten die möglichen Ursachen für die protektiven Effekte von CsA erforscht werden,wobei sich folgende
Resultate ergaben:


Im Elektronenmikrokop zeigten die meisten Präparate nach der 18stündigen Ischämie eine reversible Schädigung.Allerdings war der
Schädigungsgrad in den mit CsA perfundierten Herzen weitaus geringer.


Weiterhin wurde in keinem der Präparate elektronenmikroskopische Anzeichen nekrotischer Zellen gefunden.Dafür spricht auch die
fehlende Markierung nach der Complement C9 Färbung.


Im Gegensatz dazu stieg der mittels TUNEL-Methode bestimmte Anteil an apoptotischen Zellen zum Ende der Reperfusion signifikant auf
5,9%in der unbehandelten Gruppe.Diese Apoptoserate wurde durch die Gabe von CsA um mehr als 50%auf 2,4%gesenkt.Im weiteren
Verlauf wurden die Ergebnisse der TUNEL-Methode durch die Resultate der Lamin B1-Färbung bestätigt.Während die Reduktion von
Lamin B1-positiven Kernen in der D-Biopsie der CsA-freien Gruppe 93%betrug,fiel der Anteil in der CsA-Gruppe auf 97%.Die gleiche
Tendenz ergab sich aus der Lamin A-Färbung,wobei der Anteil an negativen Kernen nach 6stündiger Reperfusion bei 27%(ohne
CsA)bzw.5%(mit CsA)lag.


Um die genauen Mechanismen der Protektion zu erforschen,wurden verschiedene Proteine mittels der Western Blot-Technik
ausgewertet.Dabei ergab insbesondere die quantitative Auswertung des mitochondrialen Cytochrom C-Gehaltes zum Ende der Ischämie
einen signifikanten Unterschied.Während das partikuläre Cyto- chrom C in den mit CsA perfundierten Herzen nur auf 73%der
Ausgangsmenge fiel,verringerte sich der Gehalt ohne CsA auf 48%.Dagegen reduzierte sich derGehalt an Bax-Protein erst nach 6
Stunden Reperfusion auf 65%(ohne CsA)bzw. 71%(mit CsA).Gleiches galt für das Bcl-2-Protein,wobei die Gesamtmenge nach der
Ischämie leicht anstieg,bevor der Gehalt zum Ende der Reperfusion auf 70% ohne und 81%mit CsA abfiel.


Entsprechend verringerte sich die Gesamtmenge an Calcineurin nach 6stündiger Reperfusion auf 64%(ohne CsA)bzw.72%(mit CsA)der
Ausgangsmenge. Allerdings führte die Perfusion der Herzen mit CsA zu einer vollständigen Hemmung der Calcineurinaktivität während der
Ischämie und der Reperfusion, während die Enzymaktivität ohne die Behandlung mit CsA erst nach 6 Stunden Reperfusion auf 70%der
Ausgangsaktivität fiel.


In Bezug auf alpha-Aktinin und Aktin konnten im Western Blot keine Mengen- unterschiede zwischen den einzelnen Zeitpunkten festgestellt
werden.Hingegen zeigte die immunhistochemische alpha-Aktinin-Markierung in den C-und D- Biopsien beider Gruppen offensichtliche
Veränderungen,die sich als Areale mit aufgelöster und diffuser Querstreifung darstellten.


Zusammenfassend bestätigen die Ergebnisse eine deutliche protektive Wirkung von CsA,die in Kombination mit Hypothermie und
UW-Lösung zu einer drastischen Verbesserung der funktionellen und strukturellen Erholung nach Langzeitischämie und Reperfusion führt.


Dabei verringert CsA einerseits die in der CsA-freien Gruppe auftretenden ischämischen Beschädigungen,andererseits reduziert CsA
signifikant die im Verlauf der Ischämie eingeleitete Apoptose.


Beide Effekte werden maßgeblich durch die CsA-bedingte Hemmung der Ca 2+ - abhängigen mitochondrialen 'permeability transition
'-Pore verursacht.Dadurch verhindert CsA die Schwellung der Mitochondrien und die Freisetzung des Apoptoseinduktors Cytochrom
C.Außerdem blockiert CsA die pro-apoptotische Wirkung von Calcineurin durch die vollständige Enzymdeaktivierung.


Als CsA-unabhängig erwiesen sich die Proteine der Bcl-2-Familie.In beiden Versuchsgruppen änderte sich das Konzentrationsverhältnis
zwischen den pro-und anti-apoptotischen Mitgliedern der Familie zugunsten des anti-apoptotischen Bcl –2 ‘s.Hieraus resultiert vermutlich
die geringe Apoptoserate trotz der 18stündigen Ischämie.


Insgesamt deuten die Ergebnisse auf eine herausragende Rolle von CsA bei der Entwicklung neuer kardioplegischer Lösungen für die
Herzaufbewahrung bei humanen Transplantationen hin,wobei neben der Vergrößerung des Donorpools vor allem die schnellere Erholung
des Organs von Bedeutung wäre.


Inwiefern andere Mechanismen (z.B.IAP oder NO)an der Verbesserung der Ischämietoleranz beteiligt sind,muss in zukünftigen Versuchen
untersucht werden.
Kurzfassung auf Englisch: Cyclosporine A,an immunosuppressive cyclic undecapeptide initially isolated from Tolypocladium inflatum gams ,has been widely used for
the treatment of allograft rejection.


The aim of the study was to determine a possible protective role against ischemia and to clarify the working mechanisms of cyclosporine A
(CsA)in a canine cardiac long-term ischemia model.Therefore twelve dog hearts were perfused with 'University of Wisconsin '-solution
during18 hours of hypothermic global ischemia. In six hearts,CsA was added to the cardioplegic solution and the others were used as
control.After 18 hours,the hearts were transplanted into the recipient dogs to reestablish blood perfusion.During the following six hours four
biopsies were taken: before transplantation (A),at the end of preservation (B),after two hours (C),and after six hours of reperfusion.


Furthermore,the end-systolic elastance was calculated during the reperfusion period to measure functional recovery with the addition of
CsA.The function recovered to 55%in the CsA-free group,whereas recovery increased to 100%in CsA-treated hearts.


To further elucidate the cause for these protective effects histomorphological investigations were performed with the following results:


The degree of ischemic damage was determined by electron microscopy.Although most of the hearts showed reversible injury,the degree
of damage was elevated in the group without CsA.


Electronmicroscopic evidence for necrosis was not observed.This correlates with the absence of positive complement C9 labeling in all
biopsies.


In contrast to necrosis,6%of the total number of myocytes in the untreated group were apoptotic (TUNEL-positive)after 6 hours of
reperfusion.This rate significantly decreased to 2,4%when CsA was added to the cardioplegic solution. These findings were confirmed by
Lamin B1-staining where a loss of 7%of Lamin B1 positive nuclei was detected in the D-biopsie of non treated hearts in comparison to
3%in the treated group.Corresponding results were found concerning the number of Lamin A negative nuclei.Their number increased to
27%(without CsA) and to only 5%(with CsA)at the end of the reperfusion period.


To elucidate the working mechanisms of the substance in detail,Western Blot analysis of different proteins was performed.In particular,the
quantitative evaluations of mitochondrial cytochrome c showed in a significant difference between both groups.After 18 hours of
ischemia,the amount of cytochrome c wasreduced to 48%in CsA-free dogs in comparison to 73%in dogs treated with CsA.In contrast,the
total amount of Bax showed no significant changes until the end of the reperfusion period.At this time point,the amount of protein was
reduced to 65% (without CsA)and 71%(with CsA),respectively.The same decrease after 6 hours of reperfusion was valid for Calcineurin
and Bcl-2,whereby the total quantity of Bcl-2 moderately increased during ischemia before reaching 70%without and 81%with the addition
of CsA at the end of reperfusion.Calcineurin decreased from 100%to 64%in the CsA free-group and to 72%in CsA perfused hearts.


Another important finding is the fact,that calcineurin activity was completely blocked during ischemia and reperfusion in the CsA-treated
group.In comparison, the activity decreased to 70%at the end of the experiment in untreated hearts.


To study a damaging effect of ischemia/reperfusion on structural proteins Western blot-analysis and histomorphology for alpha-actinin and
actin were carried out.No differences were found between the total amount of protein at the four time points but fluorescent labeling of
alpha-actinin showed areas with diffuse alpha-actinin labeling in the majority of C-and D-biopsies.


In conclusion,these results demonstrate protective effects of CsA in combination with hypothermia and UW-solution which lead to a drastic
increase in functional and structural recovery after longterm ischemia and reperfusion.


Moreover,the addition of CsA diminished on the one hand the degree of ischemic damage as well as significantly reduced the rate of
apoptotic cells.


Both mechanisms were caused by stabilization of the mitochondrial permeability transition pore through CsA thereby preventing the
mitochondrial swelling and the release of the apoptotic inducer cytochrome c.Furthermore,the CsA-induced blockade of calcineurin activity
inhibits the pro-apoptotic effects of calcineurin.


The present results prove that the principal working mechanisms of the Bcl-2- family are independent of CsA.In both groups,the ratio
between the pro-apoptotic and anti-apoptotic-members of this family changed towards the anti-apoptotic Bcl –2.This might be the reason
for the occurrence of a small number of apoptotic cells after 18 hours of global ischemia.


In summary this data indicates a potential role for CsA in cardioplegic solutions used in transplantation of human hearts.Consequently,the
addition of CsA could expand the donorpool and improve the functional recovery after heart trans- plantations.