Die Bedeutung von Cyclooxygenasehemmern und Angiogenesefaktoren beim Ductusverschluss Frühgeborener

Abstract

Das Ziel moderner perinataler Intensivmedizin ist die Verbesserung des Überlebens von kleinsten Frühgeborenen bei gleichzeitiger Vermeidung einer Behinderung in dieser Hochrisikopopulation. Daher ist es entscheidend Faktoren zu identifizieren, die das Langzeitergebnis dieser Kinder beeinflussen. In diesem Zusammenhang ist der potentielle Beitrag eines hsPDA und dessen Therapie für ein beeinträchtigtes Langzeitergebnis von Interesse. Die Einzigartigkeit der foetalen Struktur des DA wurde bereits in der Medizin des Altertums von Galen beschrieben. Dennoch dauert die Erforschung der am postnatalen Ductusverschluss beteiligten komplexen molekularen Mechanismen bis heute an. Die Kenntnis der genauen Abläufe der physiologischen Reifeprozesse bis hin zum Ductusverschluss ist jedoch notwendig, um verbesserte Therapiestrategien eines hsPDA zu entwickeln. Motivation der vorgelegten kumulativen Arbeit war es daher, den Erkenntnisgewinn zu verschiedenen Teilaspekten des Ductusverschlusses Frühgeborener anhand von experimentellen und klinischen Untersuchungen zu steigern. Es ist bekannt, dass die programmierte proliferative Degeneration des DA bereits während der Fetalzeit beginnt, großen entwicklungsabhängigen Schwankungen unterliegt und nicht streng mit dem rechnerischen Reifealter korreliert. Daher kann ein verzögerter Spontanverschluss des DA oder ein als therapiebedüftig eingestufter PDA, der in ca. 50% der sehr untergewichtigen Frühgeborenen auftritt, nur zum Teil durch Unreife erklärt werden. Die wesentliche Voraussetzung für den endgültigen Ductusverschluss scheint vielmehr das ungestörte Zusammenspiel zweier grundlegender Prozesse zu sein: des funktionellen Ductusverschlusses durch Kontraktion und der proliferativen Gefäßobliteration. Die zuvor nur im Tiermodell beschriebene reifeabhängige differentielle Expression einiger Schlüsselfaktoren des Ductusverschlusses hat sich anhand der hier vorgelegten Untersuchungen auch am humanen Ductusgewebe bestätigen lassen. Die Veränderungen des Expressionsprofils von COX-1, EP4 Rezeptor sowie den VEGF Rezeptoren sind eher vom morphologischen Reifegrad des DA als vom rechnerischen Reifealter abhängig. Die Interaktion der untersuchten Schlüsselfaktoren miteinander sowie mit anderen vermeintlich am Ductusverschluss beteiligten Faktoren muss in weiterführenden Studien aufgeklärt werden. Der klinische Teil der Arbeiten hat sich unterschiedlichen diagnostischen und therapeutischen Fragestellungen gewidmet, die maßgeblich durch das Fehlen von Daten zur Pharmakokinetik, zum Nebenwirkungsprofil und Langzeitergebnis der Ibuprofentherapie motiviert wurden. Unsere prospektiven klinischen Studien haben gezeigt, dass neben bestimmten echokardiographischen Parametern auch der Biomarker BNP zur Steuerung der Ductustherapie bei Frühgeborenen geeignet ist. Insbesondere bei der weiteren Therapieplanung nach einem ersten erfolglosen COX Hemmer Zyklus, d.h. der Entscheidung zwischen einem zweiten medikamentösen Therapieversuch oder der chirurgischen Intervention könnten sich diese Parameter zukünftig als hilfreich erweisen. Anhand der in vitro Untersuchungen am neuronalen Zellkulturmodell haben wir den apoptotischen Schädigungsmechanismus hoher Ibuprofendosen näher charakterisiert. Die Auswertung klinischer Daten hat eine Erhöhung der Serumkonzentration des Gesamtbilirubins unter Ibuprofentherapie ergeben und somit die potentielle Nebenwirkung dieses Medikamentes auf den Bilirubinstoffwechsel in vivo verdeutlicht. Die genaue Analyse der Komplikationen der medikamentösen und chirurgischen Ductusintervention am eigenen Patientenkollektiv sehr untergewichtiger Frühgeborener über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren hat zu einem Paradigmenwechsel im Therapiealgorithmus eines PDA an unserer Klinik geführt. Folglich wird bei extrem frühgeborenen Kindern eine chirurgische Ductusligatur nicht mehr als primäre Therapieoption durchgeführt, sondern nur bei beatmeten Kindern nach erfolgloser medikamentöser Ductusintervention. Die Untersuchung der Langzeitentwicklung des eigenen Patientenkollektivs hat hinsichtlich der beiden verwendeten COX Hemmer keine Unterschiede im korrigierten Alter von zwei Jahren ergeben. Eine negative Auswirkung der chirurgischen Ductusligatur auf das Langzeitergebnis konnte jedoch nicht vollständig ausgeräumt werden. Zusammenfassend haben die in dieser kumulativen Habilitationsschrift aufgeführten Arbeiten verschiedene Aspekte des Ductusverschlusses Frühgeborener in unterschiedlichen experimentellen und klinischen Modellen beleuchtet. Darüber hinaus haben diese Veröffentlichungen weiterführende Fragestellungen aufgezeigt, die es zukünftig zu bearbeiten gilt. Dies wird dazu beitragen, die Gründe für ein Versagen des Ductusverschluss bei einigen dieser sehr unreifen Frühgeborenen besser zu verstehen und die bisherigen Therapiestrategien entsprechend zu modifizieren. In der übergeordneten Zielsetzung, die langfristige Überlebensqualität sehr unreifer Frühgeborener zu verbessern, könnte sich die optimierte Therapie eines hsPDA somit als ein möglicher Baustein erweisen, Langzeitprobleme Frühgeborener zu senken. Um dies sicher herauszufinden, sollte in allen zukünftigen klinischen Studien eine nicht therapierte Kontrollgruppe eingeschlossen werden und die Langzeitentwicklung der Frühgeborenen evaluiert werden.

The goal of modern perinatal intensive care medicine is to increase the survival rate of extremely premature infants and concomitantly avoid long term sequalae in this high risk population. Therefore it is essential to identify factors which influence long term outcome of these infants. In this context the potential contribution of a hemodynamically significant patent ductus arteriosus (PDA) and its therapy to a compromised long term result is of interest. The uniqueness of the fetal structure of the ductus arteriosus (DA) has already been described in ancient medicine by Galen. Despite research on the complex molecular mechanisms enrolled during postnatal closure of the DA continues until today. Knowledge concerning the exact sequence of the physiologic maturation processes leading to occlusion is mandatory in order to optimize current treatment strategies of a hemodynamically significant PDA. Therefore, the herein presented cumulative work was motivated by the acquisition of further scientific knowledge concerning the different aspects of PDA closure in preterm infants using experimental and clinical studies. It is well known, that programmed proliferative degeneration of the DA already starts during fetal life, underlies great developmental variability and does not stricktly correlate with calculated age of maturation. Thus, delayed spontaneous closure of the DA or a PDA warrating treatment, as seen in approximately 50% of extremely premature infants, is only partially explained by immaturity. The main requirements for a definite closure of the duct rather seem to be the undisturbed interaction of the following two vital processes: first the functional DA closure by contraction and then the subsequent proliferative obliteration of the vessel. Maturity dependant differential expression of the key factors for DA closure, which have previously only been described in animal models, were confirmed to be also present in human ductal tissue by this work. The changes of the expression profiles of COX-1, EP4 receptor and the VEGF receptors correlate more to the morphologic maturity status of the DA than to the calculated maturity stage. Still, the interaction of the tested key factors with each other as well as with other putative factors contributing to ductal closure has to be clarified by further studies. The performed clinical works dealed with different diagnostic and therapeutic questions which were highly motivated by missing pharmacokinetic data, lacking data on side-effects of the medical intervention for PDA and non-existing long-term results after ibuprofen therapy. Our prospective clinical studies have shown that the biomarker BNP is a valid tool besides distinct echokardiographic parameters for steering PDA therapy in preterms. Particularly for planning the further therapeutic strategy after failure of the first COX-inhibitor cycle, e.g. the individual decision between a second pharmacological PDA intervention or a surgical ligation, this parameter could proove to be helpful in the future. By means of in vitro experiments in a neuronal cell culture model we further characterized the apoptotic degradation mechanism of high ibuprofen concentrations. Our evaluation of clinical data has shown an increase of the total bilirubin serum concentration during ibuprofen therapy. This illustrates a potential side-effect of ibuprofen on the bilirubin metabolism in vivo. The exact analysis of complications atributed to pharmacological and surgical PDA intervention in our patient cohort of extremely preterm infants over a period of more than ten years lead to a paradigm change of the algorithm for PDA therapy at our clinic. Consequently, surgical PDA ligation is not a primary therapeutic option for extremely premature infants and restricted to ventilated infants after failed pharmacological PDA intervention. Investigation of long-term neurodevelopmental outcome at a corrected age of two years revealed no differences between the two COX-inhibitors indomethacin and ibuprofen in our patient cohort. However, an opposite effect of the surgical PDA closure on the long-term neurodevelopmental outcome could not fully be ruled out. In summary, the herein presented cumulative work has illucidated different aspects of DA closure in extremely premature infants by using various experimental and clinical models. Furthermore, the included publications have lead to continuous questions that should be worked out in the future. This will contribute to a better understanding of a failed PDA closure in some of the extremely premature infants and to a concomitant modification of the current therapeutic strategies. In view of the superior purpose to improve long-term outcome of extremely premature infants, an optimized therapy for a hemodynamically significant PDA might be one piece of the puzzle for fewer long-term sequela of preterm infants. In order to get reliable results, future clinical studies should include a non-treated control group and evaluation of long-term outcome should be performed.