Der Einfluss von Stickstoffmonoxid (NO) auf die Wandschubspannung im kapillären Gefäßnetzwerk des Skelettmuskels: eine intravitalmikroskopische Studie am Mausmodell

Abstract

Die Wandschubspannung ist ein zentraler Faktor der mikrovaskulären Hämodynamik. Ihre tangentiale Wirkung auf die Endothelzellen gewährleistet und etabliert die Aufrechterhaltung eines physiologischen Gleichgewichtes der Perfusion in vielen Geweben, so auch im Skelettmuskel. Wie die mikrovaskuläre Hämodynamik in dem jeweiligen Gewebe sich in einer Feedback-Reaktion adaptiert, ist jedoch weitgehend unbekannt. Allerdings scheint das Signalmolekül (NO), hergestellt durch NO-Synthasen (NOS) dabei eine wichtige Rolle einzunehmen. Im Skelettmuskel wird NO sowohl durch die im Endothelium verankerte eNOS als auch durch die sarkolemmal lokalisierte nNOS bereitgestellt. Das Ziel in der vorliegenden Arbeit war es in vivo den Einfluss der eNOS und nNOS auf die Etablierung der Wandschubspannung in Kapillaren zu analysieren. Die Umsetzung dieser Fragestellung konnte nach Ausarbeitung und Etablierung eines intravitalmikroskopischen Verfahrens erfolgen. Auf diese Art konnte das mikrovaskuläre Kapillarsystem im Musculus extensor digitorum longus (EDL) der Maus durch kontinuierliches Videomonitoring dargestellt und offline analysiert werden. Im Rahmen der Auswertung erfolgte durch Bestimmung der Geschwindigkeit der Erythrozytenströmung und des Kapillardurchmessers eine Berechnung der apparenten Wandschubspannung in den Kapillaren. Diese Untersuchungen wurden an drei Mausstämmen (C57/B16-, nNOS- und eNOS-Knockout-Mäuse) sowohl im unbehandelten (basal) als auch nach Behandlung mit Prazosin (über 36 Stunden als Zusatz im Trinkwasser) durchgeführt. Alle Versuchstiere der Kontrollgruppe ohne Prazosinbehandlung wiesen während der intravitalmikroskopischen Untersuchung einen nahezu konstanten mittleren arteriellen Blutdruck von 90 – 110 mmHg auf. Der Vergleich zu den Versuchsgruppen nach Prazosinbehandlung präsentierte dagegen eine deutliche Erniedrigung des mittleren arteriellen Blutdruckes auf 80 – 100 mmHg. In beiden Gruppen mit und ohne Prazosinbehandlung lag der durchschnittliche Kapillardurchmesser zwischen 6,0 +/- 0,5 μm. Es zeigen sich keine signifikanten Unterschiede im Vergleich der einzelnen Gruppen. Auffallend war die Veränderung der Erythrozytenflussgeschwindigkeiten in den einzelnen Versuchsgruppen. So hatten die nNOS-defizienten Mäuse mit 90 μm/sec im Vergleich zu den eNOS-defizienten Mäusen mit 80 μm/sec und den C57/Bl6-Mäuse mit 70 μm/sec die höchsten Werte. Eine signifikante Änderung im Sinne einer Geschwindigkeitssteigerung um das 2- bis 3-fache in den Kapillaren war nach der Behandlung mit Prazosin nachweisbar. Es ließen sich Messwerte zwischen 200 - 300 μm/sec bei den eNOS- und nNOS-defizienten sowie den C57/B16-Mäusen ableiten. Die hieraus berechnete Wandschubspannung zeigte analog in allen drei Mausgruppen nach Prazosinbehandlung eine signifikante Erhöhung der Wandschubspannung. Die Werte für die Wandschubspannung lagen ohne Behandlung zwischen 2 – 4 dyne/cm². Nach Prazosinbehandlung (high flow) steigerte sich die Wandschubspannung auf Werte zwischen 11 – 14 dyne/cm². Weder unter Basalbedingungen noch unter high flow Bedingungen nach Prazosinbehandlung führte die genetische Ablation von nNOS und eNOS zu einer veränderten Wandschubspannung. Diese Daten lassen vermuten, dass NO nicht bei der Erhöhung der Wandschubspannung nach arterieller Vasodilatation beteiligt ist.

The wall shear stress is a central factor in microvascular hemodynamics. Its tangential effect on the endothelial cells allows perfusion in many tissues, including the skeletal muscles, to be kept physiologically balanced. The way in which the microvascular hemodynamics is adapted to the respective tissues in a feedback reaction is largely unknown. However, the signal molecule (NO), made by NO synthases (NOS) appears to play an important role. NO is present in the skeletal muscles both as eNOS embedded in the endothelium and as nNOS found in the sarcolemma. The aim of this study was to analyse the effect of eNOS and nNOS on the establishment of the wall shear stress in capillaries in vivo. The research question was investigated by developing and using an intravital microscopic process. In this way, the microvascular capillary system in the extensor digitorum longus (EDL) muscle of the mouse could be shown with continuous video monitoring and analysed offline. In terms of evaluation, a calculation of the apparent wall shear stress in the capillaries was made by determining the speed of the erythrocyte flow and the capillary diameter. These investigations were carried out on three strains of mouse (C57/B16, nNOS and eNOS knockout mice), both untreated (control) and after treatment with Prazosin (added to the drinking water over a period of 36 hours). All test animals in the control group not being treated with Prazosin showed a virtually constant central arterial blood pressure of 90 – 110 mmHg during the intravital microscopic tests. In comparison, the test group following treatment with Prazosin showed a significant decrease in the central arterial blood pressure to 80 – 100 mmHg. In both groups with and without treatment with Prazosin, the average capillary diameter was 6.0 +/- 0.5 µm. There were no significant differences within the individual groups. The change in the erythrocyte speeds within the individual test groups was notable. The nNOS-48 deficient mice showed highest speeds of 90 µm/sec as compared with the eNOS-deficient mice with speeds of 80 µm/sec and the C57/B16 mice with speeds of 70 µm/sec. A significant increase in speed of 2 to 3 times could be seen in the capillaries after treatment with Prazosin. Measurement values between 200 - 300 µm/sec could be identified for the eNOS, nNOS-deficient and the C57/B16 mice. The wall shear stress calculated from this showed a significant increase in wall shear stress after treatment with Prazosin for all three groups of mice. The values for the wall shear stress were between 2 – 4 dyne/cm2 for mice which had not been treated with Prazosin. After treatment with Prazosin (high flow) the wall shear stress increased to between 11 – 14 dyne/cm2. Genetic ablation of nNOS and eNOS did not lead to a change in the wall shear stress in either the control group or under high flow conditions after treatment with Prazosin. The assumption can therefore be made that NO is not involved in the increase in wall shear stress following arterial vasodilation.