Strukturelle Veränderungen der Mikrozirkulation bei experimenteller Urämie - Quantifizierung, Typisierung, Konsequenzen: In-vivo Untersuchungen am M. cremaster bei Mäusen mit chronischer Niereninsuffizienz

Abstract

Das Krankheitsbild der chronischen Niereninsuffizienz geht mit strukturellen und funk-tionellen Veränderungen der Mikrozirkulation einher. Urämie-assoziierte mikrovaskuläre Dysfunktionen wurden bereits in klinischen Studien sowie in Tiermodellen jeweils in Stromgebieten wie dem der Niere, dem Myokard, der Haut oder der Skelettmuskulatur nachgewiesen. Die Niereninsuffizienz-induzierte Dysfunktion der Mikrozirkulation wird zunehmend in einen ursächlichen Zusammenhang mit pathologischen Veränderungen der großen Gefäße, insbesondere des kardiovaskulären Systems gebracht. Speziell bei niereninsuffizienten Kindern und Jugendlichen ist das Langzeitüberleben mit kardiovaskulären Risiken assoziiert. Um die Wechselwirkungen der Makro- und Mikroangiopathien besser zu verstehen und langfristig therapeutisch beeinflussen zu können, müssen die Mechanismen der Urämie-induzierten mikrovaskulären Dysfunktion noch besser durchdrungen werden. Ziel der vorliegenden Dissertation war deshalb die Untersuchung struktureller Veränderungen der Mikrozirkulation im Skelettmuskel (hier M. cremaster) bei Mäusen mit experimentell induzierter chronischer Niereninsuffizienz. Neu im Vergleich zu bisherigen Studien ist die Analyse der Mikrogefäße in vivo per Intravitalmikroskopie unter Einschluss funktionell hämodynamischer Parameter sowie der Berechnung der Sauerstoffaufnahme. Bei 26 Mäusen vom Typ Balb/c wurde in zwei Tiermodellen (Adenin-Futterbeimengung sowie 5/6 Nephrektomie) experimentell eine chronische Niereninsuffizienz induziert. Die Mikrogefäße dünnten bei den Tieren im Adenin-Urämiemodell durchschnittlich um 36% bzw. 51% (mild und stark urämisch) und bei den Tieren im Nephrektomie-Urämiemodell (hier ausschließlich mild urämisch) um 36% aus. Das Ausmaß der Rarefizierung korrelierte mit dem Grad der Urämie. Mit Zunahme des Serum-Harnstoffs um je 100 mg/dL verringerte sich die Gefäßdichte der Mikrozirkulation bei den Tieren im Adenin-Urämiemodell durchschnittlich um 14,2% und bei den Tieren im Nephrektomie-Urämiemodell um 15,7%. Die Rarefizierung erfolgte dabei nicht als homogene Gefäßausdünnung, sondern nach einem fokalen, Mottenfraß-ähnlichen Muster. Avaskuläre Areale im Muskelgewebe dehnten sich weiträumig aus. Zusammenhängende Gefäßsysteme wurden abgebaut. Andere Gewebsregionen wurden von der Rarefizierung scheinbar verschont. Einher-gehend mit der Ausdehnung der avaskulären Bereiche vergrößerten sich die Diffusionsdistanzen des Sauerstofftransports. Durch die Rarefizierung wurde die Sauerstoffaufnahme vom konvektiven Bluttransport-system in das Gewebe beeinträchtigt. In einem Modell wurde eine reduzierte Sauerstoffaufnahme von 25% bei mild urämischen Tieren und 63% bei stark urämischen Tieren berechnet. Treiber der Beeinträchtigung waren die im rarefizierten Muskelgewebe partiell verlangsamte Blutströmungsgeschwindigkeit, ein verminderter Hämatokrit sowie eine verminderte arteriovenöse Sauerstoffdifferenz. Obwohl tierexperimentelle Daten nur mit Vorsicht auf die klinische Situation zu übertragen sind, sprechen die vorliegenden Daten dafür, dass die mikrovaskuläre Rarefizierung bei Patienten mit CKD von prognostischer Bedeutung ist. Klinischen Methoden zur Beurteilung der Mikrozirkulation bei CKD könnten in Zukunft größere Bedeutung erlangen − einerseits als Indikator für kardiovaskuläre Schäden, andererseits als Ausgangspunkt für klinische Studien zur Anwendung Angiogenese-fördernder Therapeutika.

Chronic kidney disease (CKD) is associated with structural and functional alterations of the microvasculature. To date, uremia-induced microvascular alterations have been demon-strated in various clinical trials, and animal models in e.g. myocardial, renal and skeletal muscle tissues. In addition, the CKD-associated microvascular dysfunction is increasingly suspected to trigger pathological alterations of the macrovasculature, notably of the cardi-ovascular system. This is particularly an issue for the long-term survival rate of children and young adults with chronic kidney disease. To better understand the interdependencies between macrovascular and microvascular pathologies, and their impact on CKD and associated complications, the mechanisms of the microvascular pathological alterations under uremic conditions need to be further ex-plored. Hence, the intention of this thesis paper was the analysis of the rarefication of the cremaster muscle microvasculature of mice suffering from experimentally induced CKD, and the impairment of oxygen uptake in the uremic muscle tissue. The innovative contri-bution of this approach compared to previous studies is an in vivo examination by intravital microscopy. Experimental uremia was induced in two well established murine models of CKD, adenine feeding, and subtotal nephrectomy (n=26 mice in total). Rarefaction of the microvascular density in the range of 51% for severely uremic mice and 36% for mildly uremic mice could be observed. The degree of rarefaction correlated significantly with the degree of CKD i.e. the serum urea level. Per incremental increase of serum urea by 100 mg/dL, the microvas-cular density decreased by 14.2% for the adenine-fed mice, and by 15.7% for the nephrec-tomized mice, respectively. The process of rarefaction did not follow a regular homogeneous pattern. In contrary, it seemed to develop as a focal, desertification-like dispersion of non-vascularized areas. Such focal areas arose through extinction of entire coherent microvessel systems while other adjacent neighboring tissue areas seemed unaffected by rarefaction. The extension of non-vascularized areas resulted in an increase of the oxygen diffusion distance. Moreover, microvascular rarefaction impairs oxygen uptake from the convective oxygen transport system i.e. the microcirculation to the tissue. Modelling revealed a reduction of oxygen uptake of 25% for mildly uremic mice, and 63% for severely uremic mice. Main drivers of the oxygen uptake impairment were the slower blood flow velocity that was ob-served in parts of the microcirculation, a lower hematocrit, and a smaller difference in ar-teriovenous oxygen saturation. These insights define microvascular rarefaction and dysfunction as important therapeutic targets for future interventional studies in CKD patients.