Mikromorphologische und -morphometrische Untersuchungen zum Gefäßsystem des Göttingen® Minipig als Beitrag zum Refinement biomedizinischer Studien im Sinne des 3R-Konzeptes nach Russel und Burch

Abstract

Seit einigen Jahren hat in Deutschland das Schwein als Großtiermodell in der biomedizini-schen Forschung immer mehr an Bedeutung gewonnen. Aufgrund großer physiologischer und morphologischer Ähnlichkeiten bezüglich des Blutgefäßsystems von Schwein und Mensch hat sich das Schwein v.a. in der kardiovaskulären Forschung etabliert. Durch die Züchtung des Göttingen® Minipigs (GM) in den sechziger Jahren steht ein Modelltier mit geringem Adultgewicht von 35-40 kg für die biomedizinische Forschung zur Verfügung. Da nur wenige systematische Untersuchungen zur Mikromorphologie des Blutgefäßsystems des GM vorliegen, soll die vorliegende Studie den Altersverlauf von präadult zu adult charak-terisieren sowie einen Vergleich zu konventionellen Schweinerassen ähnlicher Gewichts-klassen erstellen. Diese Daten können für die Versuchsplanung, v.a. bei biomedizinischen Langzeitstudien, verwendet werden und somit einen Beitrag zum Refinement (nach Russel und Burch) leisten. Die Auswahl der 23 untersuchten Tiere erfolgte im Sinne der „3R? nach Russel und Burch (1959). Diese Minimalanzahl an Tieren stammte aus anderen Forschungsprojekten und teils wurde das für die Ausbildung der Studenten verwendete Material für die Probengewinnung genutzt. Zur Erfassung der mikroskopisch qualitativen und quantitativen Daten des Blutgefäßsystems der GM wurden klinisch relevante Arterien (n= 22) und Venen (n= 13) von fünf präadulten GM (17-18 Monate, Masse: 27,6 ± 2,5 kg) und drei adulten GM (40 ± 2 Monate, Masse: 42 ± 1,7 kg) histologisch untersucht. Zum Vergleich wurden die Halsgefäße sowie die A. und V. femoralis an sechs präadulten Schweinen (2 Monate, Masse: 10,3 ± 2,6 kg) und sieben 3 Monate alten Tieren der Deutschen Landrasse (DL) (Masse: 39,0 ± 2,5 kg) untersucht. Bei den präadulten GM konnten Duplikaturen von Blutgefäßen überwiegend im Bereich der Schultergliedmaßengefäße identifiziert werden. Die Einteilung der Arterien der GM erfolgte in elastische und muskuläre Typen sowie in Mischtypen. Zu den Kriterien gehörten die Dicke der Tunica intima, die Existenz einer inne-ren elastischen Membran, der Anteil an Kollagen, elastischen Fasern und glatten Muskelzel-len in der Tunica media und das Adventitia/Media-Verhältnis. Zu den Aa. elastotypicae (37 % elastische Fasern, 35 % glatte Muskelzellen) gehörten die Abschnitte der Aorta im Thorax. Zu den Aa. myotypicae (max. 25 % elastische Fasern, mindestens 45% glatte Muskelzellen) zählten die Gliedmaßengefäße. Die Arterien der Aa. mixtotypicae befanden sich zwischen den anderen beiden Typen, wie beispielsweise die Aorta abdominalis und A. subclavia. Als Besonderheit war die Heterogenität der A. carotis communis zu sehen. Diese stellte sich bei den GM und den älteren Schweinen der DL (3 Mo) als A. myotypica und bei den zwei Mona-te alten DL Schweinen als A. mixtotypica dar. Bei den DL-Schweinen besteht eine positive Korrelation der glatten Muskulatur und EZM zur Körpermasse bei der A. carotis communis. Bei den präadulten (18 Mo) und adulten (40 Mo) GM besteht in der Tunica media der Aorta ein gleichbleibendes Verhältnis der kollagenen und elastischen Fasern in der EZM von je-weils 30 % Flächenanteil. Die Lumenreduktion der Aorta im proximo-distalen Verlauf belief sich bei den GM auf 40% (präadult) bis 60% (adult). Innerhalb der GM gab es zwischen den beiden Altersgruppen präadult (17/18 Monate) und adult (40 Monate) trotz deutlicher Massezunahme von 32 % der Tiere keine signifikanten Veränderungen bei der Betrachtung der Innendurchmesser und der Dicke der Tunica intima der untersuchten Arterien und Venen. Dagegen konnte ein deutliches Wachstum von bis zu 30% bei der Dicke der Tunica media festgestellt werden. Dagegen gab es bei den DL zwi-schen den Altersgruppen stets ein masseabhängiges Wachstum der Blutgefäße. Die Venen der GM und der DL-Schweine können aufgrund typischer Merkmale in elastische und muskuläre Venen eingeteilt werden. Da sich die Tunica media der V. jugularis interna von der V. jugularis externa der GM qualitativ sowie quantitativ signifikant unterscheidet, kann diese im Hinblick auf die Tunica media nicht als Kontrollgefäß der V. jugularis externa in Tierversuchen verwendet werden. Dieses Ergebnis muss beim Refinement gemäß der 3Rs in der Tierversuchsplanung berücksichtigt werden. Grundsätzlich zeigen die Daten, dass es in der juvenilen Phase zu großen Schwankungen im Bau der Blutgefäße der großen, relativ schnell wachsenden Landrasseschweinen inner- halb kürzester Zeit kommen kann und sie deshalb für Langzeitstudien weniger gut geeignet oder sogar unzweckmäßig sind. Daher stellt das Göttingen® Minipig für Langzeitstudien am Blutgefäßsystem das Tiermodell der Wahl dar.

Pigs belong to the advanced mammals most frequently used in biomedical studies done in laboratories in Europe. They have become increasingly popular in cardiovascular research, because anatomical and physiological characteristics of the porcine cardiovascular system show a closer similarity to human ones than those of dogs, cats or rodents. Due to their body size the use of traditional pig breeds (e.g. German landrace, DL) as laboratory animals is limited. By breeding the Göttingen® Minipigs (GM) in the sixties, an animal model with low adult weight (35-40 kg) was created for research. However, there is only sparse systematic data on specific morphometric characteristics of the porcine vasculature available allowing biomedical study refinement according to the 3R-concept of Russel and Burch (1958). The aim of this study was to examine clinical important arteries and veins during ageing and compare the data to conventional pig breeds with simi-lar weight. These findings should be used for planning experiments, espacially for biomedical long-term studies, to make a contribution to the refinement (by Russel and Burch). The selection of the 23 animals examined was made to comply with regulations according to the "3R", which were comprised by Russell and Burch (1959). The small number of animals used came from other research projects and samples were partly collected from material used for student training, as well. Microscopic qualitative and quantitative data of the vascular system were collected of rele-vant arteries (n = 22) and veins (n = 13) of five präadult GM (17-18 months, mass: 27.6 ± 2.5 kg) and three adult GM (40 ± 2 months, mass: 42 ± 1.7 kg). For comparison, the carotid artery and the femoral artery and vein of six präadult pigs (mass: 10.3 ± 2.6 kg, 2 months) and of seven 3 month old pigs (mass: 39.0 ± 2,5 kg) of the German Landrace (GL) were studied. Duplications of some vessels were detected mainly in the region of GM‘s foreleg. The classification of the arteries of GM was made in elastic and muscular types and in mixed types. The histological features included thickness of the tunica intima, the existence of an internal elastic membrane, the amount of collagen, elastic fibers and smooth muscle cells in the tunica media and the adventitia/media ratio. The thoracic aorta represented the elastic artery type (37% elastic fibers, 35% smooth muscle cells) whereas limb vessels belonged to the muscular type of arteries (max. 25% elastic fibers, at least 45% smooth muscle cells). The arteries of the Aa. mixtotypicae such as the abdominal aorta and subclavian artery were in between these two types. The common carotid artery represents in the GM and the older pigs of GL (3 Mo) an A. myotypica and in the two-month-old pigs of GL an A. mixtotypica. The amount of SMC and ECM of common carotid artery and femoral artery correlated to body mass in GL. Furthermore a constant ratio of collagen (30 %) and elastic fibers (30 %) in the ECM of präadult (18 Mo) and adult (40 Mo) GM was found in the tunica media of the aorta. The reduction of the diameter of the aorta in the proximo-distal orientation amounted in the GM 40% (präadult) to 60% (adult). On consideration of the inner diameter and the thickness of the tunica intima of the examined arteries and veins there were no significant changes between the two age groups präadult (17/18 months) and adult GM (40 months) despite a significant increase in mass of 32%. In contrast, a significant growth of up to 30% in the thickness of the tunica media was found. There was always a mass-related blood vessel growth in the DL between the ages. The veins of the GM and GL-pigs can be classified into muscular and elastic types like the arteries due to typical characteristics. As the tunica media of the internal jugular vein and external jugular vein of the GM differ qualitatively and quantitatively significant, this can not be used as a control vessel of the external jugular vein in animal testing in view of the tunica media. This result should consider the Refinement of the 3Rs in animal experimental design. Basically, the data show that there may be large variations in the structure of blood vessels of large, relatively fast growing Landrace pigs within a very short time in the juvenile phase and they are therefore less suitable for long-term studies or even impractical. Therefore, the Göttingen® minipig is for long-term studies on the vascular system the animal model of choice.