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Die Wirkung von Na+/H+-Austauscher-Inhibitoren auf die Infarktgröße nach Ischämie/Reperfusion am Schweineherzen

Effect of Na+/H+ exchanger-inhibition on infarct size in ischemic, reperfused porcine hearts

Brühl, Marie-Luise von


Originalveröffentlichung: (2002) Wettenberg : VVB Laufersweiler 2003
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Freie Schlagwörter (Deutsch): Ischämie , Infarkt , Ischämische Präkonditionierung , IP , Natrium-Ischämie , Infarkt , Ischämische Präkonditionierung , IP , Natrium-Protonen-Austaus
Freie Schlagwörter (Englisch): ischemia , ischemic preconditioning , IP , sodium-hydrogen-excischemia , ischemic preconditioning , IP , sodium-hydrogen-exchanger , NHE , p38-MAPK
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 der JLU Giessen
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 3-89687-623-6
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.12.2002
Erstellungsjahr: 2002
Publikationsdatum: 25.06.2003
Kurzfassung auf Deutsch: Ziel dieser Arbeit war es am Schweinemodell in vivo die kardioprotektive Wirkung
der Inhibition der myokardialen Natrium-Protonen-Austauscher (NHE1) mit den
neuen pharmakologischen Blockern BIIB513 und BIIB722 sowie den dazugehörigen
Wirkungsmechanismus zu untersuchen und mit der ischämischen Präkonditionierung
zu vergleichen. Hierzu wurden die NHE1-Inhibitoren sowohl systemisch
als auch über feine Nadeln lokal-intramyokardial verabreicht und eine 60 oder 90
minütige Ischämie induziert, indem der Ramus interventricularis paraconalis der
linken absteigenden Koronararterie (LAD) reversibel okkludiert wurde. Es folgte
jeweils eine 60 minütige Reperfusion. Bei der Kontrollgruppe zeigte sich nach 60
minütiger Ischämie eine Infarktgröße (IS) von 61,1%. Die systemische
Verabreichung von BIIB513 reduzierte diese auf 43,1% (1,5mg/kg). Bei
systemischer BIIB722-Applikation verringerte sie sich auf 41,4% (1,5mg/kg) und
40,0% (3mg/kg) (p < 0,05). Die NHE1-Blockade zeigte auch bei intramyokardialer
Applikation eine lokal-anti-nekrotische Wirksamkeit, indem das Myokard im
Infusionsgebiet der Nadeln vor der Infarktentstehung geschützt blieb. Im Vergleich
mit der NHE1-Inhibition zeigte die ischämische Präkonditionierung eine etwa
gleich starke Infarktgröße-reduzierende Effizienz. Das Präkonditionierungsprotokoll
von jeweils zwei Zyklen einer 10 minütigen Ischämie und 10 minütiger
Reperfusion reduzierte die Infarktgröße auf 31%. Außerdem wurde gezeigt, daß bei
einer Verlängerung der Ischämiedauer auf 90 Minuten die NHE1-Inhibierung keine
Infarktgröße-verringernde Wirkung mehr hatte.

Im weiteren Verlauf der Studie wurde, im Hinblick auf den Vergleich der beiden
Wirkungsmechanismen der NHE1-Inhibierung und der ischämischen
Präkonditionierung, die Rolle der ATP-abhängigen Kaliumkanäle (KATP-Kanäle)
und der p38-MAPK bei der NHE1-Inhibierung untersucht. Diesbezüglich findet sich
in der Literatur, daß innerhalb der Signaltransduktionskette der ischämischen
Präkonditionierung eine Aktivierung der KATP-Kanäle und eine Inhibierung der
p38-MAPK stattfindet 131,266,274.

Hierfür wurde eine simultane Blockade der KATP-Kanäle während der BIIB722
vermittelten NHE1-Inhibition erzeugt. Es wurden jeweils die pharmakologischen
KATP-Kanal-Blocker Glibenclamid und 5-Hydroxydecanoat systemisch verabreicht
und gleichzeitig BIIB722 intramyokardial infundiert. Der BIIB722-vermittelte
lokal-anti-nekrotische Myokardschutz blieb erhalten. Dies spricht dafür, daß eine
Aktivierung der KATP-Kanäle innerhalb des Schutzphänomens der NHE1-Blockade
nicht stattfindet.

Zudem wurde mittels einer Western-Blot-Analyse die phosphorylierte Form der
p38-MAPK (P-p38-MAPK) in der zytosolischen Fraktion von Gewebeproben von
Tieren bestimmt, welche nach einer Vorbehandlung mit BIIB722, zu den
Zeitpunkten eines funf-, zehn- und 15 minutigen LAD-Verschlusses aus dem
Ischamiegebiet des linken Ventrikels entnommen wurden. Bei Kontrolltieren ergab
sich ein mit zunehmenden Dauer der Ischamie ansteigender P-p38-MAPK-Gehalt,
welcher nach zehn minutiger (323,2%) und 15 minutiger Ischamie (489,1%) im
Vergleich zu praischamisch entnommenen Kontrollbiopsien des unstimulierten
Myokards (100%) signifikant war (p ? 0,05). Die Untersuchung des Phosphorylierungsstatus
der p38-MAPK bei Ischamie unter dem Einfluß der NHE1-
Inhibierung, ergab hingegen nur eine verhaltene Zunahme zu Beginn der Ischamie
und zeigte im Verlauf keinen weiteren Anstieg. Nach zehn Minuten zeigte sich der
maximale Gehalt der P-p38-MAPK bei 158,3% (p < 0,05), welcher nach 15 Minuten
wieder absank. Die P-p38-MAPK-Bande der mit BIIB722 behandelten Gruppe war
somit signifikant geringer im Vergleich zu dem Gehalt der P-p38-MAPK der
Kontrollgruppe (p < 0,05). Diese kardioprotektive p38-MAPK-Dephosphorylierung
ist somit beiden Schutzphanomenen gemeinsam. Untersuchte man die
unphosphorylierte Form der p38-MAPK, so zeigte sich anhand der gleich stark
ausgepragten Banden auf einer Hohe von 38 kDa ein gleichbleibender Gehalt der
unphosphorylierten p38-MAPK.

Die in der Literatur oftmals vertretene Hypothese, dass die ischamische
Prakonditionierung und die Na+/H+-Austauscher-Inhibition nicht auf einem
gemeinsamen Wirkmechanismus zuruckzufuhren sind, wird durch die Ergebnisse
der vorliegenden Untersuchung bestatigt: Es wurde gezeigt, dass die pharmakologische
NHE1-Inhibition KATP-Kanal-unabhangig ist, wahrend die ischamische
Prakonditionierung nachweislich eine KATP-Kanal-Aktivierung bewirkt. Die beiden
Phanomene zeigten jedoch auch vergleichbare Effekte: Erstens eine gleich starke
Infarktgröße-reduzierende Effizienz bei 60 Minuten, welche zeitlich auf eine Stunde
begrenzt und somit transient war und zweitens eine kardioprotektive
Deaktivierung der p38-MAPK. Diese Uberschneidungen sprechen fur Gemeinsamkeiten
dieser beiden Schutzmechanismen im Schweinemyokard. Interaktionen
zwischen beiden Signalketten auf einer oder mehreren Ebenen sind somit denkbar.
Kurzfassung auf Englisch: This study compared the cardioprotective efficacy of ischemic preconditioning (IP)
and myocardial sodium-hydrogen-exchanger (NHE1) inhibition and examined the
interactions between NHE1-inhibition and IP. In a porcine model of left anterior
descending artery (LAD)-occlusion, either IP, produced by two cycles of 10-minute
LAD-occlusion and 10-minute of reperfusion, or one of the the new pharmacological
inhibitors BIIB513 (1.5 mg/kg) and BIIB722 (1.5 and 3 mg/kg) were administered
before a 60-minute LAD-occlusion followed by one hour of reperfusion. BIIB722 was
also tested in pigs treated with 90-minute ischemia and one hour of reperfusion.
The infarct size (IS) was determined by TTC-staining and expressed as a
percentage of the area at risk. Althrough both IP and the NHE1-inhibition produced
comparable and significant reductions in IS in the 60-minutes occlusion model,
insignificant reduction in IS by BIIB722 was observed in the 90-minute occlusions
model. Compared with control animals (IS=61.1%), IP reduced the IS to 31%,
BIIB513 (1.5 mg/kg) to 43.1% and BIIB722 (1.5 and 3 mg/kg) to 41.4% and 40.0%.
Furthermore BIIB722 was also given via intramyocardial (50µM in NaCl/DMSO)
microinfusion-needles into the prospective area at risk before a 60-minute ischemia
followed by one hour of reperfusion. A marked myocardial protection was shown by
the presence of viable (TTC-stained) myocardium around microinfusion-needles
delivering BIIB722 that was not seen around needles with solvent.

Since IP was first described numerous factors such as the KATP-channel-activation
and the p38-MAPK-pathway have been shown to contribute to its cardioprotective
effect. Pharmacologic inhibition of the KATP-channel has been shown to block
IP 266,274. Furthermore, p38-MAPK-stimulation, which is known to be the cause for
accelerated cell death, is inhibited by IP 131. To investigate whether IP and NHE1-
Inhibition convey protection through distinct or similar mechanisms the role of
KATP-channel-activation and the p38-MAPK-pathway in NHE1-inhibition were
explored. Despite the simultaneous systemic application of either Glibenclamide, a
sarcolemmal and mitochondrial KATP-channel-blocker or 5-Hydroxydecanoate (5-
HD), a specific mitochondrial KATP-channel-blocker, the local-antinecrotic effect of
intramyocardial BIIB722-microinfusion was maintained. Apparently KATP-channelactivation
does not occur during NHE1-Inhibition.

Next the amount of dual-phosphorylated p38-MAPK (Thr180/Tyr182) was
measured by Western blot analysis during index ischemia that followed the
systemic infusion of BIIB722 or the solvent. The ventricular drill biopsies were
taken from nonischemic (control) and also from the ischemic myocardium at various
timepoints of LAD-occlusion. In the solvent-treated group there was a significant
increase of phospho-p38-MAPK during ischemia with a maximum reached at 15
minutes of occlusion (489.1%) compared with nonischemic myocardium (100%). The
BIIB722 treatment significant reduced the content of phospho-p38-MAPK of
myocardium at 10-minute of ischemia (158.3% vs. 323.2% of solvent treated group).
Thus, cardioprotective p38-MAPK-dephosphorylation, which also occured during IP,
is a common mechanism of NHE1-inhibition and IP induced cardioprotection. The
content of nonphosphorylated p38-MAPK remained unchanged in solvent- and
BIIB722 treated tissue.

The results of these study support the hypothesis that the cardioprotective effects of
IP and NHE1-inhibition do not occur via identical pathways. The cardioprotection
by pharmacological NHE1-inhibiton appears to be independent of mitochondrial
processes, while IP is at least partly mediated by mitochondrial KATP-channelactivation.
On the other hand, both IP and NHE1-inhibition provide comparable
cardioprotection against 60 minutes of myocardial ischemia and also both result in
a deactivation of the detrimental p38-MAPK-pathway. Furthermore, NHE1-
inhibition failed to protect the heart against a prolonged ischemic insult (90
minutes), like it has been reported for the IP phenomenon. Thus, while the
cardioprotective effects of IP and NHE1-inhibition in the pig myocardium are not
mediated by identical pathways, there may still be some overlapping mechanisms
or crosstalk between these pathways.