Untersuchungen zur kardioprotektiven Wirkung von Pyruvat am isolierten Hämoperfundierten Schweineherzen unter Ischämiebedingungen

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die kardioprotektive Wirkung des glykolytischen Zwischenproduktes Pyruvat während normothermer Perfusion und einer Ischämie an isoliert hämoperfundierten Schweineherzen darzustellen. Die Untersuchungen wurden im Rahmen des BMBF-Projektes Physiologische Hämoperfusion von isolierten Organen und ihr Einsatz zum Ersatz von Tierversuchen durchgeführt. Die Herzen entstammten von insgesamt 28 Schweinen, welche auf dem Schlachthof Eberswalde und im Tier-OP der tierexperimentellen Abteilung der Charité und Campus Virchow-Klinikum gewonnen wurden. Zur Perfusion der Herzen wurde ein System benutzt, welches einen extrakorporalen Kreislauf darstellt. Über ein Dialysemodul wurde das verwendete Blut-Perfusionsgemisch oxygeniert und dialysiert, sowie über einen Wärmekreislauf konstant temperiert. Die Perfusion der Kontrollherzen (n=6) diente zur Überprüfung der Stabilität des Perfusionsaufbaus und soll die experimentelle Brauchbarkeit der Organe im Anschluß eines Tierversuches darstellen. Es erfolgte die Messung von folgenden Parametern: Herzfrequenz (HR), linker systolischer Ventrikeldruck (LVPmax), linker enddiastolischer Ventrikeldruck (LVEDP), entwickelter Druck im zeitlichen Verlauf (dP/dtmax), koronarer Perfusionsdruck (CPP) und koronarer Blutfluß (CBF). Die Bewertung erfolgte durch den Vergleich der Messwerte ausgewählter Versuchsparameter mit ihren physiologischen oder experimentell bestätigten Referenzwerten. Die Versuchsgruppe bestand aus n=10 Herzen. Vor Versuchsbeginn erfolgte eine Stabilisierung der hämodynamischen Parameter, sowie die Äquilibrierung des pH- Wertes. Ausschlaggebende Parameter für den Beginn der Versuchsphase waren das Erreichen eines physiologischen Perfusionsdruckes von 80-120 mmHg bzw. 10,64-15,96 kPa und eines hämodynamischen und rhythmologisch stabilen Perfusionsverlaufes. Gemessen wurden globale (LVP) und regionale ( IMP und Wth) mechanische Parameter. Außerdem wurden koronarer Perfusionsdruck (CPP), Herzfrequenz (HR), koronarer Blutfluß (CBF) und die regionale Herzarbeit (Wanddicken-Druck-Schleifen) erfasst. Unter der Zufuhr einer überphysiologischen Konzentration von Pyruvat (5mMol/l) unter nicht ischämischen Bedingungen konnte kein signifikanter Einfluß von Pyruvat auf die globale und regionale Herzfunktion nachgewiesen werden. Durch Unterbrechung der Blutzufuhr des RIVA der linken Koronararterie wurde eine Ischämie induziert. Die unter der Okklusion 1 gewonnenen Messdaten dienten als Referenzwerte. Während einer zweiten vergleichbaren Ischämiephase wurde eine überphysiologische Konzentration von Pyruvat (5mMol/l) dem Dialysat zugeführt. In dieser Versuchsphase konnte eine signifikante Steigerung (p=0,005) der globalen Funktionsparameter (LVPmax um 58,8 % und LVPdev um 80,1 %) nachgewiesen werden. Die Messungen der regionalen myokardialen Funktion unter dem Einfluß von Pyruvat ergaben signifikante Verbesserungen (p=0,005) des intramyokardialen Druckes (IMPsys mit 91,3 % und IMPdev mit 79,1 %) in der ischämischen Region. Die Wanddickenänderung (Wth1%) dokumentiert unter Pyruvateinfluß eine signifikante Zunahme (p=0,017) des lokalen Funktionsparameters in der ischämischen Region. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Applikation einer überphysiologischen Konzentration von Pyruvat während einer Ischämie die Kontraktilität des Myokards signifikant verbessert. Der nachgewiesene positiv inotrope Effekt lässt sich durch die gesteigerte Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum und dem Anstieg des cytosolischen Phosphorylierungspotentials erklären. Desweiteren hat Pyruvat eine höhere Affinität zum Monocarboxylat-Transporter als Laktat und fungiert somit als ein effektiver und natürlicher Inhibitor zur myokardialen Laktataufnahme. Die Ergebnisse am isoliert hämoperfundierten Schweineherzen sind zum großen Teil mit den Resultaten aus in-vivo-Experimenten in Tieren vergleichbar. Daher eignet sich das beschriebene Modell als Alternative zum Ganztierversuch und kann damit zu einer wesentlichen Reduktion von Tierversuchen beitragen.

The aim of the present study was to demonstrate the cardioprotective effect of the glycolytic intermediate product pyruvate during normothermic perfusion and under ischemic conditions in isolated hemoperfused pig-hearts. These experiments were made possible by a BMBF-project Physiologic Hemoperfused Organs and Their Applicability to Replace Animal Experiments . The hearts (n=28) were harvested from slaughterhouse-pigs and from pigs after an other animal experiment at the Charité-Hospital and Campus Virchow-Clinicum. The rate of successful hemoperfused hearts were about 75 %. It was used a system to perfusion the hearts which presented an extracorporal circulation. The blood-perfusion solution was oxygenated and dialyzed and constant tempered Control hearts (n=6) were necessary to proof the stability of the perfusion system and the experimental ability of hearts after an animal experiment. Measurements were made of heartrate (HR), systolic left ventricular pressure (LVPmax), enddiastolic left ventricular pressure (LVEDP), developed pressure (dP/dtmax), coronary perfusion pressure (CPP) and coronary blood-flow (CBF). Arterial blood was analysed (pO2, pCO2, pH, K+) at the beginning, after 20, 40 and 60 minutes. These hearts were perfused over 60 minutes. The valuation of measurements were compared with choosen parameters with their physiological or experimental confirmed reference values. Before the beginning of experiments hemodynamic parameters were stabilized and pH-values were calibrated. The experimental group contained n=10 hearts. Before analysis of data it was necessary to reach a physiological perfusion pressure of 80-120 mmHg (10,64-15,96 kPa) and physiological conditions with regards to hemodynamics and rhythmological stabilitiy. Measurements were made of global (LVP) and regional (IMP and Wth) mechanical parameters. Additional there were made measurements of coronary perfusion pressure (CPP), heartrate (HR), coronary bloodflow (CBF) and regional heartwork (pressure-length-loops). The application of supraphysiological concentrations of pyruvate (5 mMol/l) under non ischemic conditions during normothermic perfusion, presented no significant influence of pyruvate on global and regional functional parameters. Because of short time interruption of bloodflow by occlusion of the Ramus interventicularis paraconalis (RIVA) an ischemia was induced. Standard values derived under a first occlusion was essentiell for the assessment of changes that occurred in consequence of a second occlusion. Before a second period of ischemia there was supraphysiological concentrations of pyruvate (5 mMol/l) applicated. Addition of pyruvate resulted in significant (p=0,005) increase of global functional parameters (LVPmax by 58,8 % and LVPdev by 80,1 %). The measurements of regional myocardial function demonstrated, under influence of pyruvate, significant (p=0,005) improvements of intramyocardial pressure (IMPsys by 91,3 % and IMPdev by 79,1 %). In addition of pyruvate the wallthickness (Wth1%) showed a significantly enhancement (p=0,017) of local functional parameter in ischemic region. The results demonstrated, that application of supraphysiological concentrations of pyruvate under ischemic conditions improve contractile parameters significantly. Previous work has suggested that pyruvates positive inotropic effect acts in part through thermodynamic stimulation of the SR calcium pump due to an increase of phosphorylation potential. Besides pyruvate has the greater affinity to the monocarboxylate-transporter than lactate and resulted as an effective and natural inhibitor of the myocardial lactate uptake. The results of the isolated pig-heart are mostly comparable to conditions of in- vivo-experiments. Therefore, it has been shown that this model is suitable to replace experiments of animals and could substantial reduce laboratory animals in experimental studies.