Computertomographisch gestützte Makro- und Mikromorphometrie von Blutgefäßen des Göttingen Minipigs®: Ein Beitrag zum Refinement biomedizinischer Forschungsansätze

Abstract

In Deutschland stellt das Schwein das am häufigsten in der biomedizinischen Forschung verwendete Großtiermodell dar. Minipigs sind dabei aufgrund ihres einfachen Handlings, ihrer geringen Wachstumsrate und insbesondere wegen ihrer humanäquivalenten kardiovaskulären Eigenschaften zu einem wichtigen Tiermodell in der Herzkreislaufforschung geworden. Trotz der zunehmenden Verbreitung des Tiermodells Minipig sind derzeit insbesondere für die in Europa am häufigsten eingesetzte Zuchtlinie „Göttingen Minipig®“ keine systema-tischen Daten zum Blutgefäßsystem verfügbar. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, in einem grundlagenorientierten makro- und mikromorphometrischen Ansatz die wichtigsten arteriellen und venösen Blutgefäße dieses Tiermodells als Beitrag für ein Versuchsrefinement gemäß den 3 R-Prinzipien nach Russel und Burch (1959) zu charakterisieren. Die Untersuchung der vaskulären Strukturen bei diesem Tiermodell erfolgte anhand von kontrastmittelgestützten (iodhaltig, nicht ionisch) computertomographischen Ganzkörperaufnahmen (64-Zeilen-Spiral- Scanner) an insgesamt 18 Göttinger Miniatursauen unter Allgemeinanästhesie im Alter von 12, 17 und 21 Monaten. Um den Einfluss einer unterschiedlichen Lagepositionierung der Tiere auf die Blutgefäße beurteilen zu können, wurden die Tiere sowohl in der Bauch- als auch in der Rückenlage computertomographisch erfasst. Mithilfe entsprechender Software wurden der Innendurchmesser und die Länge der wichtigsten, klinisch relevanten Arterien und Venen des Hals-, Körperstamm- und proximalen Gliedmaßenbereichs untersucht. Es wurden zur Validierung der CT-Untersuchungen 3 Tiere einer topographischen Präparation zugeführt und dafür einer Salzfixierung unterzogen. Es erfolgten zusätzlich exemplarisch histologische Untersuchungen ausgewählter Blutgefäße mit Vermessung der einzelnen Wandschichten. Die Auswertung des Blutgefäßsystems im Zeitverlauf hatte ergeben, dass zwischen dem 12. und 17. Lebensmonat vorrangig herznahe Arterien und Venen sowie die V. portae eine um 19 % signifikante (p<0,05) Zunahme des Innendurchmessers aufwiesen. Der Arcus aortae zeigte zudem eine signifikante Längenzunahme um 25 % innerhalb dieses Zeitraumes. Eine besondere Entwicklung wies die V. jugularis externa auf, bei welcher vom 12. zum 17. Lebensmonat eine signifikante Verjüngung des Innendurchmessers von 10,8±0,3 mm auf 9,1±0,4 mm festgestellt werden konnte. Zwischen dem 17. und 21. Lebensmonat dahingegen wiesen alle untersuchten Blutgefäße keine signifikanten Unterschiede auf und hatten somit in ihrer Länge und in ihrem Innendurchmesser einen ausgereiften und stabilen Zustand erreicht, obwohl die Tiere in diesem Zeitraum um 23 % an Körpermasse zunahmen. In der Gegenüberstellung der Bauch- und Rückenlage konnte eine um 22 % signifikante Verjüngung der Innendurchmesser der venösen Halsblutgefäße (Vv. jugulares externa und interna, V. cephalica, Vv. subclaviae, V. brachiocephalica) nachgewiesen werden. Die V. jugularis externa zeigte zudem eine signifikante Längenzunahme um 10 % von der Bauch- zur Rückenlage. Die Streckung des Halses und die auf die Blutgefäße einwirkenden Gewebemassen in der Rückenlage bewirkten demnach einerseits eine Streckung und damit Verjüngung des Blutgefäßinnendurchmessers der längs verlaufenden Halsvenen und andererseits eine Kompression und Verjüngung der mehr quer verlaufenden Halsvenen. Während der Untersuchungen fielen verschiedene Blutgefäßvarianten auf, die in ihrer Morphologie von der üblichen anatomischen Norm abwichen. Es stellte sich heraus, dass die beim Schwein normalerweise doppelt angelegte V. subclavia in dreifacher unilateraler (links: 11,1 %, n=2; rechts: 5,6 %, n=1) und bilateraler (5,6 %, n=1) als auch in vierfacher bilateraler (5,6 %, n=1) Erscheinung auftreten kann. Es wird vermutet, dass es sich hierbei um kleinere üblicherweise weiter distal entspringende Äste handelt, deren Abgang sich nach proximal verschob, sodass diese Äste direkt der V. brachiocephalica zuflossen. Eine doppelt angelegte V. renalis dextra konnte in 5,6 % (n=1) der Fälle dargestellt werden. Die Aa. renales dextra und sinistra nahmen zueinander unterschiedliche Konformationen ein. In 55,6 % (n=10) der Fälle entsprang die A. renalis dextra kranial der A. renalis sinistra aus der Aorta, was den Verhältnissen beim Menschen entspricht. In 33,3 % (n=6) der Fälle entsprang die A. renalis dextra kaudal der A. renalis sinistra aus der Aorta und nur in 11,1 % (n=2) der Fälle entsprangen beide Blutgefäße auf der gleichen Höhe aus der Aorta. Auch der Verlauf der A. renalis dextra zum Nierenhilus variierte. In den meisten Fällen verlief die A. renalis dextra dorsal an der V. cava caudalis (77,8 %, n=14), zum Teil aber auch ventral an der V. cava caudalis entlang (22,2 %, n=4). Des Weiteren wurden in dieser Studie venöse Inselbildungen (Fenestrationen) im Bereich der V. cava caudalis (27,8 %, n=5), der V. iliaca communis sinistra (11,1 %, n=2) und der V. linguofacialis sinistra (5,6 %, n=1) gefunden. Derartige Inselbildungen sind als Hemmungsmissbildung im Sinne einer ausgebliebenen Rückbildung embryonaler Anastomosenketten aufzufassen. Die anatomisch- morphometrische Charakterisierung des Blutgefäßsystems beim Göttingen Minipig® wurde hiermit erstmals systematisch durchgeführt. Nach den Prinzipien von Russel und Burch ist für den Einsatz des Göttingen Minipigs® in der biomedizinischen Forschung eine detaillierte Kenntnis der Blutgefäßcharakteristika erforderlich. Insbesondere die in Einzelfällen auftretenden Blutgefäßvarianten können eine Herausforderung bei der Durchführung verschiedener interventioneller oder operativer Eingriffe darstellen. Zudem sind der Reifezustand sowie der Innendurchmesser und die Länge eines Blutgefäßes beispielsweise zur Implantation von Prothesen und der Einfluss einer unterschiedlichen Positionierung des Tieres essentielle Informationen, um in der Tierversuchs-planung der Forderung nach einem Refinement gerecht zu werden.

In Germany, the pig model is one of the most frequently used farm animal model in biomedical research and is established for many years as animal model for cardiovascular research because of the numerous anatomical and physiological similarities between pigs and humans. Especially minipigs, due to their advantages in housing and animal care, have become increasingly popular. However, to date, only few systematic data are available about macro- and micromorphometric parameters of the vasculature of minipigs. This limits refinement of a study using minipigs according to the the 3 R-principles of Russel and Burch. The thesis is aim to fill this gap and also to characterise macro- and micromorphometric parameters (length, inner diameter, course, variants) of important arterial and venous blood vessels of the neck, the trunk and the proximal upper and lower extremities of the Göttingen Minipig® which is currently the mostly used minipig model in Europe. Using contrast en- hanced computertomography (CT), the vasculatures of 18 female Göttingen Minipigs® with an age of 12, 17 and 21 months were investigated in prone and supine position. Prior CT, anaesthesia was performed using xylazine, ketamine and azaperone. For quality assurance, the CT data were verified with data gained from three Göttingen Minipigs® after autopsy and topographical preparation. Additionally, the blood vessel wall structure and thickness were analyzed by histological methods (4 % paraformaldehyde, paraffin embedding, sectioning in the order of 5 µm in thickness, HE-staining). Except the external jugular vein, the blood vessels proximal to the heart (V. portae included) showed a significant (p<0,05) increase of the inner diameter for about 19 % as the animals aged (12 months old group vs. 17 months old group). Additionally the aortic arch showed a significant increase in length for about 25 %. The inner diameter of the external jugular vein decreased in this period of time (12 months old group: 10.8±0.3 mm vs. 17 months old group: 9.1±0.4 mm). However, despite the 23 % increase of the body weight, there was no further increase of the length or the inner diameter of the blood vessels (17 months old group 2 vs. 21 months old group 3) suggesting a stable state of maturity of the vasculature. Changing from prone to supine position resulted in a significant decrease of the inner dia-meter of the veins of the neck (external and internal jugular vein, cephalic vein, subclavian vein, brachiocephalic vein) for about 22 %. For the external jugular vein, the change from prone to supine position also caused a significant increase of the length for about 10 %. The increase of the length and decrease of the inner diameter of the blood vessels might be the result of the extension of the neck in supine position. The change in the inner diameter might also be influenced by the mass of the soft tissues (mainly fat and muscles) which surround the blood vessels. In the neck region the main blood vessels are arranged nearby the spine and the surrounding soft tissue mass is mainly located in the space between the blood vessels and the skin. Therefore in supine position this soft tissue mass can cause compression of the blood vessels in the neck. In individual animals, the gross anatomy of the vasculature varied slightly in structure and its layout. As known in pigs, the subclavian vein was bilaterally duplicated in the Göttingen Minipigs®. Additionally the subclavian vein was accompanied by one to two additional vessels parallel to the subclavian vein which also merged into the brachiocephalic vein. This phenomenon is known to be due to a proximal shift of the anastomosis of these additional veins with the continuing vessel (brachiocephalic vein). Due to the smaller calibre of the ad-ditional veins parallel to the subclavian vein, interventional approaches such as implantation of catheters or port systems via the subclavian vein can be complicated. A range of variants was also found in the renal vasculature. A medial shift of the bifurcation of the renal vein into separate veins for the caudal and cranial kidney portion was observed in one animal and it is also well known in humans. In 55.6 % (n=10) of the animals the origin of the right renal artery was found cranially to the origin of the left renal artery like it is also well known in humans and additionally in 33.3 % (n=6) caudally. In 11.1 % (n=2) of the animals the right renal artery arose from the abdominal aorta directly contralateral to the left renal artery. Furthermore, the right renal artery passed the vena cava mostly dorsally (77.8 %, n=14), again similar to humans. In almost 40 % of the animals, a segmental splitting of veins causing venous islands (fenestrations) was noted in the caudal part of the V. cava caudalis (27.8 %, n=5), the left common iliac vein (11.1 %, n=2) and in the left linguofacialic vein (5.6 %, n=1). This phenomenon is rarely described for humans and pigs. The segmental vein splitting resulted in two parallel veins with a calibre much smaller than that of the non-split vein. This decrease of the vessel calibre can complicate surgical interventions like the intravenous implantation of catheter systems via the iliac vein. The present study gained substantial knowledge about the macromorphometric characteristics of the vasculature in Göttingen Minipigs® and provides systematic data for refinement of biomedical studies using these animals according to the principles of Russel and Burch. This thesis also gives first hints that the micromorphometric structures of veins and arteries in the Göttingen Minipigs® resemble that of humans. Further studies will focus on the vasculature micromorphometry in a more systematic manner to gain statistically reliable data for study refinement.