Immunmodulation und Dosis-Wirkungsbeziehung des kardioprotektiven Adenosinanalogons 3-Deazaadenosin bei der Lipopolysaccharid induzierten septischen Kardiomyopathie

Abstract

Der progrediente Verlauf der Sepsis ist neben zahlreichen anderen Organdysfunktionen von massiven kardialen Funktionsstörungen begleitet, für deren Bezeichnung sich in den vergangenen Jahren das Krankheitsbild der septischen Kardiomyopathie etabliert hat. Pathophysiologisch zeichnet sie sich, trotz eines erhöhten Herzminutenvolumens, durch eine zunehmende Ventrikeldilatation sowie Hypokinesen des Myokards aus, die konsekutiv zu einer verminderten ventrikulären Auswurffraktion und einer erhöhten Ventrikelcompliance führen. Letztlich resultiert das Unvermögen des Herzens, den deutlich gesunkenen systemischen Blutdruck des septischen Patienten adäquat zu kompensieren. Trotz beachtlichen intensivmedizinischen Fortschritts bleibt die Letalität der schweren Sepsis und des septischen Schocks mit über 50% nach wie vor sehr hoch. Von pathogenetischer Bedeutung ist die Invasion von Erregern und deren Pathogenitätsfaktoren, wie z.B. Endotoxin (LPS) gramnegativer Bakterien, die verschiedene, eng miteinander verflochtene Signalwege aktivieren und die inflammatorische Reaktion hervorrufen. Dazu gehören u.a. die Aktivierung von Leukozyten, Endothelzellen, des Transkriptionsfaktors NF-kB sowie die Freisetzung von Zytokinen. 3-Deazaadenosin (c3ado), einem potenten Methylierungshemmer und Inhibitor des NF-kB Signalwegs, konnte in vorangegangenen Studien unserer Arbeitsgruppe am LPS-induzierten Rattenmodell eine kardioprotektive Wirkung nachgewiesen werden. Als Ziel dieser Arbeit galt es deshalb, Erkenntnisse für die Dosis-Wirkungsbeziehung von c3ado und einen möglichen Erklärungsansatz über die kardioprotektive Wirkungsweise zu finden. Unter Verwendung eines weiteren Methylierungsinhibitors (Neplanocin) ohne bislang bekannten hemmenden Einfluss auf den NF-kB Signalweg wurden in verschieden Dosierungen Messungen an zellfrei perfundierten Rattenherzen vorgenommen, immunhistochemische Färbungen ausgewertet und Blutbildanalysen erstellt.Die Perfusionsergebnisse belegen, dass die Applikation von LPS zu einer Erhöhung des koronaren Gefäßwiderstandes sowie zur Abnahme der Kontraktilität des Herzens führen. Während beide Veränderungen durch die Injektion von c3ado dosisabhängig vermindert - in der höchsten Dosierung sogar verhindert werden konnten - blieb Neplanocin ohne kardioprotektive Wirkung. Bei der immunhistochemischen Auswertung zeigte sich, dass LPS nachweislich über die zunehmende Markierung von Adhäsionsmolekülen eine Aktivierung von Endothelzellen bewirkt, die Migration von aktivierten Leukozyten beeinflusst und damit neben morphologischen Gewebeveränderungen zu Mikrozirkulationsstörungen des Herzens im fulminanten Sepsisgeschehen beiträgt. Mit steigender c3ado-Dosierung nahm das Ausmaß der immunhistochemisch verifizierbaren pathologischen Veränderungen ab, während Neplanocin erneut keinen kardioprotektiven Effekt entfaltete. Auch bei der Blutbildanalyse blieb Neplanocin ohne kardioprotektive Wirkung. c3ado hingegen vermag der LPS-induzierten Thrombozytopenie und neutrophilen Granulozytose mit Linksverschiebung entgegenzuwirken. Die Untersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass c3ado dosisabhängig kardioprotektiven Einfluss auf die Manifestation der LPS induzierten Kardiomyopathie nimmt. Dabei entfaltet c3ado in der höchsten Dosierung den größten Therapieeffekt, während Neplanocin sich ohne protektive Wirkung erwies. Die Untersuchungsergebnisse lassen vermuten, dass sich das kardioprotektive Potential von c3ado nicht auf eine methylierungs-abhängige Eigenschaft, sondern womöglich auf eine Interaktion mit dem NF-kB Signalweg zurückführen lässt. Alongside numerous other organ dysfunctions sepsis is accompanied by massive cardiac impairment a clinical picture that has been described in recent years by the medical term septic cardiomyopathy . Pathophysiological septic cardiomyopathy can be characterized despite increased cardiac output by a progressive ventricular dilatation and myocardial hypokinesis, both leading to decreased ventricular ejection fraction and increased ventricular compliance. Ultimately, this leads to the heart s incapacity to compensate the fall in systemic blood pressure seen in sepsis. Although remarkable improvement in intensive care medicine has been achieved, the rate of lethality caused by severe sepsis and septic shock still remains very high at over 50%. With regard to its pathogenesis, the invasion of bacteria and consequently their pathogenic factors, e.g. endotoxin (LPS) of gramnegative bacteria, seem to be of significant implication by eliciting the activation of different closely interlinked signal pathways, which may then induce the inflammatory reaction. In particular, the activation of leucocytes, endothelial cells, and transcription factor NF-kB amongst others and the release of cytokines play an important role.In recent studies carried out in our laboratory we could demonstrate that 3-deazaadenosin (c3ado), a potent methylation inhibitor and inhibitor of the NF-kB signal pathway, was able to trigger a cardio-protective effect. In this context the objective of this study was to gain new findings about the dose-effect relationship of c3ado and a possible explanation for its mode of action. Using a further methylation inhibitor, neplanocin, without known influence on NF-kB signal pathway and used in variable doses, measurements were made on isolated cell-free perfused rat hearts. In addition immunhistochemical staining and blood analyses were performed.The results of the perfusion demonstrated that the application of LPS caused an increase in coronary vascular resistance and a decrease in the contractility of the heart. Both effects could be reduced in relation to the c3ado dose given prior to perfusion and even prevented when the maximum dose was injected. In contrast, neplanocin did not show any cardio-protective effect. Immunhistochemical examination of the heart revealed an activation of endothelial cells shown by a significant increase of marked adhesion molecules after LPS treatment. Furthermore, it could be demonstrated that LPS treatment caused morphological tissue- and microcirculatory changes in the cardiovascular system by influencing the migration of activated leucocytes. By increasing the dose of c3ado these histological verified alterations could be minimised, in contrary to Neplanocin, which again did not display any cardio-protective effect. Similarly, while blood analysis failed to show any positive effect caused by neplanocin c3ado alleviated LPS-induced thrombocytopenia and neutrophilia with associated left shift.While reflecting the examinations of this study it becomes evident that c3ado, depending on the given dose, prevents (maximum dose) or reduces LPS-induced myocardial depression. Treatment with neplaoncin remains ineffective. The results give rise to the supposition that the cardio-protective potential of c3ado may not be the result of a methylation reaction, but can be affiliated to an interaction with the NF-kB signal pathway.