Die Etablierung der humanen Elektrophysiologischen Untersuchung (EPU) an Ratte und Maus mit dem Nachweis einer sicheren Anwendung am dTGR-Modell

Abstract

Kardiovaskuläre Erkrankungen stellen die Haupttodesursache in den hoch entwickelten Industrienationen dar. Etwa 44 % aller Todesfälle in Deutschland sind auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen zurückzuführen. Wesentliche Ursache für die nach wie vor hohe Sterblichkeit ist der plötzliche Herztod, bedingt durch Herzrhythmusstörungen. Die elektrophysiologische Untersuchung (EPU) kann in der Evaluation zahlreicher Herzrhythmusstörungen hilfreich sein. So können komplexe Herzrhythmusstörungen lokalisiert und ihr Entstehungsort oder der Verlauf der Erregung spezifisch analysiert werden. Auch die Form, Anzahl und Auslösbarkeit von Arrhythmien durch die programmierte elektrische Stimulation oder durch medikamentöse Provokation (z.B. durch Katecholamine) bildet eine wichtige Grundlage in der Erforschung von Herzkreislauferkrankungen. Die EPU dient ebenfalls der Risikoabschätzung maligner Arrhythmien bei Patienten mit angeborenen Herzfehlern. Dabei besteht das Prinzip jeder EPU aus zwei grundlegenden Techniken: 1. Signalaufnahme aus und 2. elektrische Stimulation in lokalisierten Arealen des Herzens. Es werden die jeweiligen Stationen der Stromleitung am Herzen, beispielsweise Sinusknoten, AV-Knoten und verschiedene Stellen in der Herzkammer getestet. Beim Auftreten der jeweiligen Herzrhythmusstörung werden Art und Mechanismus der Störung erfasst. Außerdem wird untersucht, wie sich die Herzrhythmusstörung unterbinden lässt. Ziel der Etablierung der humanen EPU im Versuchstierbereich (Versuchsteil 1) war die Erforschung bestimmter Pathomechanismen durch Messung physiologischer Parameter des Reizbildungs- und Reizleitungssystems, um die EPU auch in der Herz-Kreislaufforschung mit kleinen Versuchstieren anwenden zu können, wo sie nicht nur zur Erforschung und Aufdeckung von Pathomechanismen am Herzen eingesetzt werden kann, sondern auch bei der Wahl der adäquaten Therapie durch Untersuchung und Nachweis von anti- bzw. proarrhythmischen Effekten hilfreich sein kann. Es konnte gezeigt werden, dass die humane EPU in leicht modifizierter Form auf Maus und Ratte übertragbar und eine sichere Anwendung möglich ist. Somit kann das Reizbildungs- und Reizleitungssystem nun auch unter Einfluss bzw. fehlendem Einfluss bestimmter Zellen, Gene oder Substanzen untersucht werden und dabei der Klärung pathophysiologischer Entstehungsmechanismen klinischer Herzrhythmusstörungen dienen sowie bei der Aufklärung von Wirkmechanismen neuer Antiarrhythmika und Überprüfung von deren Wirksamkeit hilfreich sein. Ziel des zweiten Versuchsteil war die Anwendung der im Versuchsteil 1 etablierten intrakardialen EPU am hypertrophen, für Renin und Angiotensinogen doppelt transgenen Rattenherz (dTGR) mit dem Zweck, die Arrhythmieanfälligkeit eines hypertrophen Myokards sicher darzustellen und eventuelle positive Effekte des Renin-Inhibitors Aliskiren bzw. kardioprotektive Einflüsse der Omega-3-Fettsäuren (Ω3-polyunsaturated fatty acids; Ω3-PUFA) Eicosapentaensäure und Docosahexaensäure zu zeigen. Mit Hilfe der EPU konnte in vivo gezeigt werden, dass Ω3-PUFA und Aliskiren die Induzierbarkeit von Herzrhythmusstörungen deutlich senken. In verschiedenen Versuchstiergruppen (Wildtyp Sparague Dawley als Kontrolle, unbehandelte dTGR, dTGR mit Aliskiren und dTGR mit Ω3-PUFA) wurden von jedem Tier die elektrophysiologischen Daten erhoben und die Induzierbarkeit von Arrhythmien getestet. Unbehandelte dTGRs entwickelten aufgrund einer Überexpression von Renin und Angiotensinogen in den ersten Lebenswochen eine Herzhypertrophie. Im Oberflächen-EKG zeigte sich bei diesen Tieren ein verlängerter QRS- und QTpeak-Intervall und eine verbreiterte T-Welle. Diese elektrokardiographischen Veränderungen waren weder bei der dTGR Gruppe mit Ω3-PUFA noch bei der dTGR Gruppe mit Aliskiren zu beobachten. Die als Finalversuch durchgeführte EPU zeigte eine bei 17 % liegende und somit stark reduzierte Auslösbarkeit von Arrhythmien in beiden behandelten dTGR-Gruppen, gegenüber einer bei 75 % liegenden Auslösbarkeit in der unbehandelten dTGR-Gruppe. In der Kontrollgruppe lag die Auslösbarkeit von Arrhythmien bei 0 %. Auch unterschieden sich die Gruppen in Art und Anzahl der auszulösenden Arrhythmien. Die unbehandelte dTGR-Gruppe zeigte eine erhöhte Induzierbarkeit von malignen Arrhythmien wie ventrikuläre Tachykardien und Kammerflimmern, während in den mit Ω3-PUFA oder Aliskiren behandelten dTGR-Gruppen nur benigne Arrhythmien wie Vorhofflimmern und vereinzelt ventrikuläre Extrasystolen auslösbar waren. Es konnte somit mit Hilfe der humanen EPU der kardioprotektive Effekt von Ω3-PUFA hinsichtlich der Induzierbarkeit von Herzrhythmusstörungen aufgezeigt werden. Mit der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die humane EPU auf den Labortierbereich übertragbar ist und als Methode zur Evaluation elektrophysiologischer Eigenschaften des Herzens sowie brady- und tachykarder Herzrhythmusstörungen einsetzbar ist.

Cardiovascular disease is the most common cause of death in the high developed industrial states. About 44 % of all cases of death in Germany can be put down to cardiovascular disease. Crucial cause for the still high mortality is sudden death caused by cardiac arrhythmia. The electrophysiological study can be useful in evaluating many cardiac arrhythmias. Complex cardiac arrhythmias can be localised and their origin and the progression of excitation can be analysed specifically. The type, number and inducibility of arrhythmias due to the programmed electrical stimulation or due to medical provocation (e.g. because of catecholamine) forms an important basis in the research of cardiac arrhythmias, too. The electrophysiological study also serves the risk evaluation of malignant arrhythmias of patients with congenital heart disease. The principle of every electrophysiological study is based on two fundamental techniques: 1. excitation admission from and 2. electrical stimulation in localised areas of the heart. The respective stages of conduction of the heart (e.g. sinus node, atrioventricular node and the various areas in the ventricle) are tested. At manifestation of a particular cardiac arrhythmia type and mechanism of the arrhythmia are collected. Additionally it is examined, how the cardiac arrhythmia can be stopped. Aim of establishing the human electrophysiological study in the laboratory animal sector (part 1 of the experiment) has been the research of certain pathomechanisms by measuring physiological parameters of the conduction system of the heart to also apply the electrophysiological study in cardiac research with small laboratory animals where it can not only be used to investigate and discover pathomechanisms at the heart but can also be useful for choosing the adequate treatment after examining and detecting anti- or pro-arrhythmic effects. It has been shown that the human electrophysiological study in a mildly modified version can be applied to mouse and rat and a reliable application is possible. Therefore the conduction system of the heart can now also be examined under the influence or under the missing influence of certain cells, genes or substances, which can serve the clarification of pathophysiological mechanisms in the development of clinical cardiac arrhythmias as well as be useful in clarifying the mode of action of new anti-arrhythmia agents and in examining their effectiveness. The aim of the second part of the experiment was the application of the intracardial electrophysiological study, as established in part 1 of the experiment, to the hypertrophic, for renin and angiotensin double transgenic heart of the rat (dTGR) with the purpose to describe the proneness of a hypertrophic myocardium to arrhythmia for certain and to show possible positive effects of the renin inhibitor aliskiren or cardioprotective influences of the omega-3 fatty acids (Ω3-polyunsaturated fatty acids; Ω3-PUFA) eicosapentaenoic acid and docosahexaenoic acid. With the help of the electrophysiological study it could be shown in vivo that Ω3-PUFA and aliskiren reduce the inducibility of cardiac arrhythmia significantly. In different groups of laboratory animals (wild type Sparague Dawley as controll group, untreated dTGR, dTGR with aliskiren and dTGR with Ω3-PUFA) the electrophysiological data was collected and the inducibility of arrhythmias was tested for every animal. Untreated dTGRs develop a cardiac hypertrophy during their first weeks of life because of an overexpression of renin and angiotensin. Surface ECG of those animals showed a prolonged QRS- and QTpeak- interval and a widened T wave. These electrocardiographic changes were neither seen in the dTGR group with Ω3-PUFA nor in the dTGR group with aliskiren. The electrophysiological study showed a greatly reduced inducibility of arrhythmias of 17 % in both treated dTGR groups compared to an inducibility of 75 % in the untreated dTGR group. In the control group the inducibility of arrhythmias was 0 %. The groups also showed differences is type and number of inducable arrhythmias. The untreated dTGR group showed an increased inducibility of malignant arrhythmias such as tachycardia and ventricular fibrillation, whereas in the dTGR groups treated with Ω3-PUFA or aliskiren only benigne arrhythmias such as atrial fibrillation and occasionally ventricular extrasystoles could be induced. Thus, with the help of the human electrophysiological study the cardioprotective effect of Ω3-PUFA regarding the inducibility of cardiac arrhythmias could be demonstrated. It could be shown that the human electrophysiological study can be applied to the laboratory animal sector and is applicable as method to evaluate electrophysiological characteristics of the heart as well as brady- and tachycardic arrhythmias.