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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-27317
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2006/2731/


Einsatz vasoaktiver Substanzen im Modell der Ölsäure-induzierten akuten Lungenschädigung am Kaninchen

Vasoactive substances in the oleic acid model of acute lung injury in rabbits

Weidenbach, Andreas


Originalveröffentlichung: (2005) Wettenberg : VVB Laufersweiler 2005
pdf-Format: Dokument 1.pdf (6.030 KB)

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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Pharmakologie und Toxikologie, Fachbereich Veterinärmedizin und Medizinisches Zentrum für Innere Medizin, Medizinische Klinik II
Fachgebiet: Veterinärmedizin
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Zeitschrift, Serie: Edition scientifique
ISBN / ISSN: 3-89687-435-7
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.07.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 28.02.2006
Kurzfassung auf Deutsch: Obwohl das Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) bereits 1967 beschrieben wurde und seitdem eine Vielzahl von Therapieansätzen entwickelt wurden, stellt das akute Lungenversagen mit einer Letalität von bis zu 60% noch immer ein persistierendes intensiv-medizinisches Problem dar. Die pathophysiologischen Merkmale des ARDS sind eine, aufgrund eines erhöhten intrapulmonalen Rechts-Links-Shunts therapieresistente Hypoxämie, ein Permeabilitätslungenödem, eine verminderte pulmonale Compliance und die pulmonalarterielle Hypertonie (PH).


Da eine Hypoxie bzw. inflammatorisch vermittelte Vasokonstriktion als Ursache der ARDS-assoziierten PH diskutiert wird, und die Höhe der PH mit der Schwere der Lungenschädigung korreliert ist, sowie sich negativ auf die Prognose auswirkt, besteht ein Ansatzpunkt der ARDS-Therapie, neben verschiedenen Beatmungsstrategien, in einer pulmonalen Vasodilatation.
Das Ölsäuremodell, welches ursprünglich als Modell für das Fettemboliesyndrom verwendet wurde, weist, obwohl es sich um keinen ätiologischen Ansatz zur Simulation des akuten Lungenversagens handelt, eine große Anzahl von pathologischen und physiologischen Ähnlichkeiten mit dem ARDS auf.


Im Rahmen dieser Arbeit wurde in einem ersten Schritt durch die intravenöse Injektion von Ölsäure (OA) ein stabiles und reproduzierbares Lungenschädigungsmodell etabliert. In einem zweiten Schritt wurde der Einfluss von Vasodilatoren auf die OA-induzierte Lungenschädigung untersucht werden. Da die Weiterentwicklung des Konzeptes der selektiven pulmonalen Vasodilatation im Vordergrund stand, wurde die Wirkung von Substanzen untersucht, die den NO-cGMP-Signalweg beeinflussen. Daher wurden Versuche mit inhalativem Stickstoffmonoxid (iNO), dem Phosphodiesterase-Inhibitor Sildenafil, dem Guanylatzyklase-Aktivator Bay-58-2667 und dem Guanylatzyklase-Stimulator Bay 41-2272 in unterschiedlichen Konzentrationen durchgeführt. Zusätzlich wurde iNO und jeweils einer der anderen, intravenös verabreichten Vasodilatoren miteinander kombiniert.


Durch die zentralvenöse Injektion von 0,1 ml/kg OA, wurde innerhalb eines Versuchszeitraums von 120min eine stabile Lungenschädigung erzielt, die durch eine gering- bis mittelgradige pulmonale Hypertonie, massive Hypoxämie, Hyperkapnie und Azidose gekennzeichnet war. Zudem konnte durch die OA vermittelte Perfusionsstörung eine deutliche Zunahme der Nass- zu Trockengewicht-Verhältnisse der Lungen und eine Verminderung der Lungen-Compliance induziert werden. Der intrapulmonale Shunt stieg massiv an.


Obwohl inhaliertes Stickstoffmonoxid als selektiv pulmonaler Vasodilator, der durch eine Aktivierung der löslichen Guanylatzyklase (sGC) zu erhöhten intrazellulären cGMP-Spiegeln und damit zu einer Vasorelaxation führt, therapeutisch eingesetzt wird, wird sein Einsatz bei ARDS-Patienten, insbesondere wegen einer Reihe von negativen Effekten, wie der rebound-PH, kontrovers diskutiert. Zudem führte eine Vielzahl von Studien zur Wirkung von iNO auf eine experimentell induzierte Lungenschädigung zu widersprüchlichen Ergebnissen. In der vorliegenden Arbeit konnte kein positiver Effekt von iNO in den Konzentrationen von zwei und zwanzig ppm auf die OA-induzierte Lungenschädigung abgeleitet werden.


Auch die Gabe des PDE5-Inhibitors Sildenafil, dessen Zulassung als Therapeutikum zur Behandlung der PH bereits beantragt wurde, beeinflusste die durch die Injektion von Ölsäure ausgelöste Lungenschädigung nicht positiv. Die gemeinsame Gabe von iNO und Sildenafil führte über eine Erhöhung des intrapulmonalen Shunts sogar zu einer Verschlechterung der OA-vermittelten Gasaustauschstörung.


Die Infusion von Bay 58-2667, einem NO- und Häm-unabhängigen Aktivator der löslichen Guanylatzyklase führte ebenfalls zu keiner Verbesserung der OA-induzierten Lungenschädigung. In den Versuchen mit der höchsten Konzentration wurde jedoch eine massive systemische Vasodilatation beobachtet, die mit einer deutlichen Verschlechterung der arteriellen Oxygenierung assoziiert war. Durch die zusätzliche Gabe von iNO wurde die Wirkung von Bay 58-2667 nicht beeinflusst.


In den Versuchen mit dem NO-unabhängigen aber Häm-abhängigen sGC-Stimulator Bay 41-2272 wurde ein leichter pulmonal vasodilativer Effekt und eine deutliche Reduktion der Nass- zu Trockengewicht-Verhältnisse der Lungen beobachtet. Diese wirkte sich aber nicht positiv auf die OA-induzierte Gasaustauschstörung aus. Allerdings führte die gemeinsame Gabe von Bay 41-2272 und iNO zu einer deutlich selektiven pulmonalen Vasodilatation, die durch eine Reduktion des intrapulmonalen Shunts mit einer maßgeblichen Verbesserung der OA-induzierten Gasaustauschstörung einherging.


Somit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die pharmakologische Beeinflussung des NO-cGMP-Signaltransduktionswegs durch die synergistische Aktivierung der sGC durch iNO und Bay 41-2272, und die damit verbundene Senkung des pulmonalarteriellen Drucks und intrapulmonalen Shunts, einen potentiellen Ansatz zur Verbesserung einer OA-induzierten Lungenschädigung und möglicherweise auch zur Behandlung des ARDS darstellt. Aus den Versuchen mit Bay 58-2667 lässt sich folgern, dass sich diese Substanz, insbesondere aufgrund ihres Potentials, auch oxidierte sGC-Moleküle zu aktivieren, möglicherweise als systemischer Vasodilator eingesetzt werden kann. Dies ist insbesondere für Krankheiten relevant, die mit einer reduzierten cGMP-Produktion und der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies assoziiert sind. Somit stehen mit diesen beiden Substanzen zwei völlig neue Therapeutika zur Verfügung, die aufgrund des bekannten und hoch spezifischen Wirkmechanismus eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten bieten.


Die Ergebnisse der Versuche mit iNO und Sildenafil entsprachen nicht den Erwartungen. Gleichwohl lässt sich aus diesen Versuchen ableiten, dass der Einsatz von iNO im OA-Modell weiterhin kontrovers diskutiert werden muss und der klinische Einsatz nicht ohne kritische Abwägung erfolgen darf. Ähnliches gilt auch für den Einsatz von Sildenafil und der Kombination von iNO mit Sildenafil bei parenchymatösen Lungenerkrankungen.


Dennoch muss angeführt werden, dass es sich bei der durchgeführten Studie um einen experimentellen Ansatz handelt. Um die Ergebnisse auf die klinische Situation übertragen zu können, müssen die gewonnen Erkenntnisse in weiteren experimentellen Studien verifiziert und erweitert werden.
Kurzfassung auf Englisch: The acute respiratory distress syndrome (ARDS), first described in 1967, remains a persis-tent problem in intensive care medicine, despite a range of therapeutic options. Patho-physiological features of ARDS include refractory hypoxia, due to increased intrapulmon-ary right to left shunting, non-cardiogenic pulmonary edema, decreased lung compliance and pulmonary hypertension (PH). Since a hypoxic respectively inflammatory mediated vasoconstriction is an underlying mechanism of ARDS-associated PH, and the magnitude of PH correlates with the severity of lung injury, as well as outcome in patients with ARDS, one candidate therapeutic approach is pulmonary vasodilatation.


The oleic acid model of acute lung injury, originally developed as a model for fat embo-lism syndrome, shares a number of pathological and physiological similarities with ARDS, the clinical manifestation of severe, acute lung injury.


The aim of this study was to establish a steady and reproducible model of acute lung injury by the intravenous injection of oleic acid (OA). Subsequently, the impact of various vasodilators on OA-induced lung injury was investigated. Because the ultimate aim of the study was the induction of selective pulmonary vasodilatation, the effect of substances which modulate the NO-cGMP-signal transduction pathway was examined. Therefore experiments were conducted with inhaled nitric oxide (iNO), the phosphodiesterase inhibitor Sildenafil, the guanylate cyclase activator Bay 58-2667, and the guanylate cyclase stimulator Bay 41-2272. In addition iNO was combined with one of the intravenously applied vasodilators.


A stable lung injury was achieved by the injection of OA at a concentration of 0.1 ml/kg via the central venous route. The injury was characterized by a low to moderate pulmonary hypertension, severe hypoxaemia, hypercapnia and acidosis. Furthermore, the OA-mediated disturbance to lung perfusion resulted in an increase in the lung wet-to-dry weight ratio and a decrease in lung compliance. Moreover the intrapulmonary shunt was massively increased.


Inhaled NO is a selective pulmonary vasodilator, which acts by activating soluble guanylate cyclase (sGC) and elevating intracellular cGMP levels that consequently mediate vasorelaxation. Although iNO is used therapeutically, its use in ARDS patients is controversial due to the negative side-effects that include rebound PH. In addition a number of studies dealing with the effect of iNO on experimentally induced acute lung injury are contradictory. In the present study, no positive effect of inhaled nitric oxide on OA-induced lung injury was observed with iNO concentrations of 2 and 20 ppm.


The administration of the PDE5 inhibitor Sildenafil, whose approval for the treatment of PH has already been proposed, also failed to positively influence the acute lung injury induced by OA. The combined administration of iNO and Sildenafil even worsened gas exchange by increasing the intrapulmonary shunt.


Similarly, Bay 58-2667, a NO- and haem-independent activator of sGC, did not demonstrate any beneficial effect after OA administration. At the highest concentrations applied, a dramatic systemic vasodilatation was observed, which was associated with a distinct deterioration of the arterial oxygenation. The additional inhalation of NO had no impact on the effect of Bay 58-2667.


In the experiments with the NO-independent but Haem-dependent sGC stimulator Bay 41-2272, a moderate pulmonary vasodilatation was observed, together with a clear reduction in wet-to-dry weight ratio. However, these effects did not influence the OA-induced deterioration in gas exchange. With the combined administration of iNO and Bay 41-2272, however, a distinct pulmonary vasodilatation was achieved, which was associated with an improved gas exchange through a reduction of intrapulmonary shunting.


Consequently, we illustrate here that the pharmacological modulation of the cGMP signal transduction pathway by the synergistic activation of sGC by iNO and Bay 41-2272, represents a potential approach for the improvement of OA induced lung injury and the treatment of ARDS. With respect to the experiments with Bay 58-2667 we conclude that this substance, by virtue of its ability to activate oxidized sGC molecules, can be employed as a systemic vasodilator. This may be of particular relevance to diseases which are associated with reduced cGMP production and the formation of reactive oxygen species. Hence these substances represent two novel agents, which offer, due to a highly specific mechanism of action, a multitude of therapeutic applications.