Untersuchung der protektiven Wirkung von Minocyclin und einem pulsatilen Blutfluss auf die Lunge unter Einfluss einer Herz-Lungen-Maschine im Ferkelmodell

Abstract

Kinder mit angeborenen Herzfehlern benötigen häufig chirurgische Korrekturen dieser komplexen Fehlbildungen. Um eine Herzoperation mit hoher Qualität durchführen zu können, gehört zum heutigen Standard die Nutzung einer Herz- Lungen-Maschine (HLM). Dabei übernimmt die HLM die Atemfunktion der Lunge und die Pumpfunktion des Herzens. Es ist bekannt, dass durch die Anwendung der HLM Ischämie- und Reperfusionsschäden entstehen können. Da die Lunge während der HLM kaum durchblutet wird, können Ödeme, Entzündungen und Atelektasen entstehen, welche ein respiratorisches Versagen zur Folge haben können. Aufgrund dieser Begleitschäden ist es von großem Interesse, protektive Maßnahmen zum Erhalt der Lungenfunktion zu entwickeln. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit folgenden Fragestellungen nachgegangen: 1.) Welchen Einfluss hat die HLM auf das Lungengewebe? 2.) Können HLM-induzierte Lungenschäden durch die Gabe von Minocyclin reduziert werden? 3.) Können HLM-induzierte Lungenschäden durch eine HLM mit pulsatilem Blutfluss minimiert werden? Zur Klärung dieser Fragestellung wurde durch GERDOM (2014), DHEIN et al. (2015) und SALAMEH et al. (2015a,b) bei 4-Wochen alten Angler-Sattel-Schweinen (8-15kg) der Effekt von Minocyclin und eines pulsatilen Blutflusses unter Einsatz der HLM getestet. Hierfür wurden die Tiere in fünf Versuchsgruppen eingeteilt: Kontrolle, Kontrolle+Minocylin, HLM, HLM+Minocyclin, Pulsatile- HLM. Die Gruppen, die Minocyclin erhielten, bekamen 4mg/kg Minocyclin vor und 2 mg/kg Minocylin nach HLM. Der pulsatile Blutfluss wurde mit 70% Pulsation und 100 Schlägen/Minute gefahren. Nach Versuchsende wurden die Tiere euthanasiert und Lungenbiopsien wurden entnommen. Diese wurden in der hier vorliegenden Arbeit histologisch (Hämatoxylin-Eosin-Färbung) und immunhistochemisch (Apoptose- induzierender Faktor (AIF), Hypoxie-induzierter Faktor (HIF), Poly (ADP) Ribose (PAR), Tumornekrosefaktor alpha (TNFα), Nitrotyrosin und Cleaved Caspase 3) untersucht. Außerdem wurde der ATP-Gehalt des Lungengewebes errechnet. Die HLM führte am Lungengewebe zu oxidativem Stress, welcher mit Apoptosen und Entzündungen einherging. Durch Minocyclin wurden die hypoxischen Bedingungen, die PAR-Stimulation, der ATP-Verbrauch und die Entzündungsreaktion abmildert. Die Pulsation beeinflusste den ATP- Verbrauch, die Nitrotyrosin, PAR und TNFα-Expression. Somit wurde gezeigt, dass der pulsatile Blutfluss und Minocyclin in der Lage waren, Schäden abzumildern, die den Zellkern betrafen. Faktoren, die aus dem Mitochondrium stammten (Cleaved Caspase 3, AIF) wurden nicht beeinflusst. Dies könnte an der höheren Empfindlichkeit der mitochondrialen DNA liegen, was in folgenden Studien untersucht werden müsste. Die Ergebnisse dieser Arbeit eröffnen in der kardialen Kinderchirurgie neue Perspektiven im Hinblick auf die Unterstützung der Lungenfunktion während einer HLM-Operation.

Children with congenital heart diseases often need corrective surgery. It is necessary to use a cardiopulmonary bypass (CPB) to guarantee a high standard surgery. The CPB replaces the respiratory function of the lung and the pump function of the heart. Although the application of CPB has become indispensable, negative side effects such as ischemia reperfusion injuries can appear. The lung is not perfused with blood and not ventilated during CPB. Due to this missing perfusion edema, inflammation and atelectasis can appear and can lead to pulmonary dysfunction or acute respiratory distress syndrome. Based on this issue, there is a huge interest in lung protective strategies. Therefore the aim of this study was to evaluate possible lung injuries after CPB and to assess whether different flow modalities (pulsatile vs. non- pulsatile flow) or application of the antibiotic minocycline might be of advantage. To answer this question GERDOM (2014), DHEIN et al. (2015) and SALAMEH et al. (2015a,b) investigated the effect of minocycline and pulsatile blood flow during CPB in 4 weeks old angler-saddle-pigs (8-15kg). Therefore they analyzed five experimental groups of piglets: control group, control group + minocycline, CPB (non-pulsatile flow), CPB (pulsatile flow), CPB + minocycline. The groups of minocycline received 4mg/kg minocycline before CPB and 2mg/ kg minocycline after CPB. The pulsatile blood flow was 70% pulsation and 100 beats per minute. The piglets were euthanized after surgery and lung biopsies were taken. Within this study the lung biopsies were analyzed histologically (hematoxylin eosin staining) and by immunohistochemistry for apoptosis inducing factor (AIF), hypoxia induced factor (HIF-1), poly (ADP) ribose (PAR), tumor necrosis factor alpha (TNFα), nitrotyrosine and cleaved caspase 3. Additionally, the ATP concentration in lung tissue was calculated from provided data material. The results showed that CPB induced oxidative stress, apoptosis and inflammation. Minocycline decreased HIF-1α, PAR, ATP depletion and inflammation. Pulsatile blood flow influenced the ATP depletion and the expression of nitrotyrosine, PAR and TNFα. This demonstrated that the pulsatile blood flow and minocycline were able to reduce cellular damage. Factors, which were located in mitochondria (Cleaved Caspase 3, AIF) were not affected. This might be due to the sensitivity of the mitochondrial DNA. These facts could be interesting for future experiments. The results of this work opened up new vistas for the pediatric cardiac surgery with regard to supporting lung function during CPB, as minocycline as well as the pulsatile blood flow demonstrated lung protective properties.