Experimentelle Untersuchungen zur Mikrozirkulation isoliert perfundierter Rattenherzen unter Einfluß bakterieller Exotoxine

Abstract

Die Klinik der Sepsis ist mit einer Herzinsuffizienz assoziiert, die als septische Kardiomyopathie bezeichnet wird. Im einzelnen bestehtdiese trotz erhöhten Herzminutenvolumens vorliegende Insuffizienz des Herzens in einer Dilatation beider Ventrikel und Hypokinesien desMyokards. Funktionell folgen daraus verminderte biventrikuläre Auswurffraktionen, eine erhöhte Compliance und letztendlich dieUnfähigkeit des Herzens, durch Anstieg des Herzminutenvolumens den erheblichen systemischen Blutdruckabfall des septischen Patientenadäquat zu kompensieren. In vielen Fällen trägt diese Erkrankung deshalb zum therapierefraktären kardiovaskulären Kollaps bei, der in ca.50% der Fälle zum Tode des Patienten führt. In diesem Zusammenhang ist die Bedeutung bakterieller Pathogenitätsfaktoren schon früherkannt worden, doch standen Untersuchungen mit lebenden Keimen, besonders aber mit Endotoxinen immer im Mittelpunkt derForschung. Inwieweit bakterielle Exotoxine beteiligt sein können, ist vergleichsweise unbekannt. Staphylococcus aureus und Escherichiacoli stellen nicht nur die häufigsten Erreger septischer Krankheitsbilder dar, sondern sind als Bildner von Exotoxinen bekannt, welchemaßgebliche Bedeutung für die Virulenz der entsprechenden Bakterienstämme haben. Die extraintestinal bedeutsamsten Exotoxine,a-Toxin von Staphylococcus aureus und Escherichia coli Hämolysin, gelten als Prototypen porenbildender Hämolysine. Ihrepathophysiologische Bedeutung in der Sepsis ist in Zellkulturen, isolierten Organen und Ganztiermodellen nachgewiesen worden. DieAktivierung betroffener Zellen durch sublytische Dosen scheint dabei das charakteristische pathophysiologische Konzept dieserPorenbildner zu sein. Untersuchungen an Lungen, Darm und Herz ergaben Hinweise auf die Beteiligung des Arachidonsäurestoffwechselsmit Freisetzung vasoaktiver Eicosanoide. Die Induktion von Mikrozirkulationsstörungen durch diese Mediatoren konnte bisher in Lunge undDarm, nicht aber für das Herz eindeutig nachgewiesen werden. Deshalb wurde in der vorliegenden Arbeit mittels gefärbter Mikrosphärendie regionale Perfusion verschiedener Myokardareale isoliert und zellfrei perfundierter Rattenherzen unter Einwirkung der genanntenToxine bestimmt. Diese Messungen können Veränderungen der regionalen Perfusionsintensität in kleinen Gewebemengen quantifizieren.Gleichzeitig wurden Parameter der Herzfunktion erfaßt. Es sollten dabei Pathomechanismen beider Exotoxine und mögliche Unterschiedegenauer herausgearbeitet werden. Die Applikation beider Toxine in die coronare Strombahn bewirkte eine erhebliche coronareGefäßwiderstandserhöhung und Abnahme der Kontraktilität des Herzens. Die Untersuchungen der Mikrozirkulation ergaben toxininduzierteVerteilungsstörungen der Perfusion zwischen endokardialen und epikardialen Myokardschichten der freien linken Ventrikelwand.Interessanterweise erzeugte ECH eine Minderperfusion endokardial gelegener, a-Toxin eine Minderperfusion epikardial gelegenerMyokardareale. Dies deutet auf die Beteiligung unterschiedlicher Mediatorsysteme hin. Bestätigt wurde dies durch den Einsatz jeweilseines Cyclooxygenase- und eines Lipoxygenaseinhibitors. Im Falle des a-Toxins konnte durch die Blockierung der Cyclooxygenase diecoronare Vasokonstriktion, die Kontraktilitätsabnahme und die Perfusionsumverteilung signifikant verringert werden, was die Rolle vonTxA2 als vasoaktives Agens nahelegt. Bei ECH zeigte die Blockierung der Lipoxygenase eine entsprechende Wirkung. Hier deuten dieErgebnisse auf die Beteiligung der Leukotriensynthese hin. Zudem scheinen die genannten Eicosanoide nicht nur für die Störung dermyokardialen Mikrozirkulation im Sinne einer Verteilungsstörung verantwortlich zu sein, sondern führen erstaunlicherweise über diesePerfusionsinhomogenitäten offensichtlich auch zur Abnahme der Herzleistung. Diese Entdeckung relativiert die vielbeachtete Rollekardiodepressiv wirkender Zytokine in der septischen Kardiomyopathie. Sie bestätigt nicht nur die pathogenetische Relevanz bakteriellerExotoxine bei der Entstehung der Sepsis, sondern verifiziert den Verdacht, daß die in anderen Organen schon charakterisiertenMikrozirkulationsstörungen auch im Herz durch Freisetzung vasoaktiver Lokalmediatoren zur septischen Organschädigung beitragen.

Cardiac performance is severely depressed in sepsis and septic shock. The morphological and functional alterations are known as septiccardiomyopathy and consist of reduced left and right ventricular ejection fractions, myocardial hypokinesis and dilatation of both ventricles.The heart is not able to compensate the fall in systemic blood pressure of the septic patient, although heart rate is highly elevated. Thiscontributes to therapy resistant cardiovascular collapse which in 50% of all cases is lethal. In this context bacterial pathogenecity factorsobviously play an important part. Since early sepsis research everybody focused on viable bacteria or endotoxins, relatively little is knownabout the pathophysiological significance of bacterial exotoxins yet. Staphylococcus aureus and Escherichia coli are well known rods tocause sepsis. Some of their isolates produce bacterial exotoxins, which represent potent virulence factors. The most important exotoxinsoutside the intestinal tract, a-toxin of Staphylococcus aureus and Escherichia coli hemolysin, represent prototypes of bacterialpore-forming exotoxins. Their pathophysiological relevance in sepsis was extensively demonstrated in cell cultures, isolated organs andanimal models. The characteristic pathophysiological concept of these toxins seems to be their ability to activate target cells in sublyticdoses. Investigations in isolated lungs, intestine and hearts clearly demonstrated the significance of arachidonic acid metabolism followedby the production of vasoactive eicosanoids. The induction of microcirculatory failure by these eicosanoids has already been shown in lungand intestine models, but not clearly in hearts. Therefore, the aim of this investigation was to measure regional myocardial perfusion in theisolated, buffer perfused rat heart challenged with these toxins, using the coloured dye-extraction microsphere-technique. This technique issuitable to quantify changes in microcirculation even in little pieces of tissue. Simultaneously, parameters of heart performance weremonitored. Furthermore, the aim was to characterize pathomechanisms of both pore-forming toxins and to look for eventual differencesbetween them. The application of both toxins in the coronary vasculature resulted in a strong vasoconstriction and a loss in contractility ofthe hearts. Microcirculatory changes resulted from a maldistribution of perfusion between endocardial and epicardial layers of the leftventricular free wall. It is of interest that ECH caused a loss of perfusion in endocardial layers, while a-toxin caused a loss in epicardiallayers of the left ventricular myocardium. These findings suggest that different systems of mediators are responsible for the effects of theexotoxins used. They were confirmed with the use of a cyclooxygesase-inhibitor and a lipoxygenase-inhibitor. In the case of a-toxin it waspossible to reduce the coronary vasoconstriction, loss in contractility and loss in epicardial perfusion by blocking the cyclooxygenase, whichsuggests TxA2 as the main acting vasoconstrictory agent. In case of ECH the lipoxygenase-inhibition showed the same effects. Heretoxin-effects seem to be mediated by leukotrienes. Synthesis of eicosanoids in response to bacterial exotoxins may be responsible formicrocirculatory alterations followed by the loss in myocardial performance. These findings weaken the high status of negative inotropiccytokines in septic cardiomyopathy. They emphasize not only the importance of bacterial exotoxins in sepsis, but demonstrate thatmicrocirculatory alterations, as seen in many other organs in sepsis, contribute to organ failure even in the heart.