Anja Frank

• Myokardiale Ischämien und Myokardinfarkte (MI) stellen die wichtigsten Risikofaktoren für kardiale Morbidität und Mortalität in der perioperativen Phase dar. Der Begriff der Präkonditionierung beschreibt einen Prozess, bei dem ein vorangehender Trigger eine Veränderung des zellulären Phänotyps induziert, so dass die Toleranz dieser Zelle gegenüber ischämischen Phasen erhöht wird. Als Trigger können dabei kurzzeitige Ischämien (Ischämisch induzierte Präkonditionierung, IPC) oder pharmakologische Substanzen, z.B. volatile Anästhetika wieMyokardiale Ischämien und Myokardinfarkte (MI) stellen die wichtigsten Risikofaktoren für kardiale Morbidität und Mortalität in der perioperativen Phase dar. Der Begriff der Präkonditionierung beschreibt einen Prozess, bei dem ein vorangehender Trigger eine Veränderung des zellulären Phänotyps induziert, so dass die Toleranz dieser Zelle gegenüber ischämischen Phasen erhöht wird. Als Trigger können dabei kurzzeitige Ischämien (Ischämisch induzierte Präkonditionierung, IPC) oder pharmakologische Substanzen, z.B. volatile Anästhetika wie Sevofluran, Isofluran, Desfluran (Anästhetika induzierte Präkonditionierung, APC), dienen. Nach einem akuten MI ist die frühe Reperfusion des Myokards die wichtigste Maßnahme, um die Größe des entstehenden Infarktes zu limitieren. Die Reperfusion kann dabei eine weitere Schädigung des reperfundierten Gewebes verursachen, den sog. Ischämie/Reperfusionsschaden (I/R-Schaden). Es konnte nachgewiesen werden, dass eine kardioprotektive Wirkung, Abschwächung des I/R-Schadens und Reduzierung der Infarktgröße nicht nur durch den Mechanismus der IPC und erreicht werden kann, sondern auch durch repetitive kurze Ischämien, die erst in der Phase der Reperfusion im Anschluss an eine länger dauernde Ischämie des Myokards erfolgen (Ischämisch induzierte Postkonditionierung, IPost). Die Infarktgrößenreduktion war dabei mit derjenigen, die durch die IPC erreicht werden kann, vergleichbar. Auch volatile Anästhetika weisen eine bedeutende protektive Wirkung gegen I/R-Schäden auf, wenn sie in der frühen Phase der Reperfusion verabreicht werden (Anästhetika induzierte Postkonditionierung, APost). Für die IPC, die APC, die IPost und die APost konnte bereits in klinischen Studien nachgewiesen werden, dass sie kardioprotektiv wirken. IPC, IPost, APC, APost laufen über ähnliche Signaltransduktionswege ab. Kardiale β1- und β2 –adrenerge Rezeptoren (β1-AR und β2-AR) spielen eine entscheidende Rolle bei der Vermittlung der kardioprotektiven Wirkung über die IPC und die APC. Die Funktion des β-AR Signaltransduktionsweges für die APost ist nicht bekannt. Die Verhinderung einer intrazellulären Ca2+-Akkumulation gilt als ein weiteres entscheidendes Ziel der volatilen Anästhetika in der Prävention der Folgen des I/R-Schadens. Die Anhäufung von Ca2+ sowie die gestörte Ca2+-Homöostase im Zytosol in der Phase der Ischämie und der Reperfusion ist eine wesentliche Ursache für kontraktile Dysfunktion und Apoptose der Kardiomyozyten nach Ischämie/Reperfusion. Die Ca2+/Calmodulin-dependent proteinkinase II (CaMKII), die Teil des β1-AR Signalweges ist, trägt zur Aufrechterhaltung der intrazellulären Ca2+-Homöostase bei. In einer Studie unserer Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass die CaMKII auch eine Funktion in der APC hat. Ziel der experimentellen Arbeit war es, Erkenntnis über die bisher nicht untersuchte Funktion des β-AR Signaltransduktionsweges sowie über die Bedeutung der intrazellulären Komponenten dieses Signalweges, der Proteinkinase A (PKA) und der CaMKII, für die Desfluran-induzierte Postkonditionierung zu erlangen. White New Zealand Kaninchen wurden in einem etablierten in vivo-Modell einer Myokardischämie und anschließenden dreistündigen Reperfusion ausgesetzt. Die Rolle des β-AR Signalweges wurde durch spezifische pharmakologische Blockade der β1-AR und β2-AR sowie der PKA und der CaMKII charakterisiert. Die resultierende Herzinfarktgröße wurde in Abhängigkeit von der jeweiligen pharmakologischen Intervention und der Dauer der Blockade β1-AR ermittelt. In der molekularbiologischen Auswertung wurde mittels Western-Immunoblotting die Proteinexpression der CaMKII sowie die Proteinexpression und Phosphorylierung von Phospholamban (PLB) und der antiapoptotischen Proteinkinase B (PKB)/Akt bestimmt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Blockade β1-AR und β2-AR oder die Blockade der CaMKII, die Desfluran-induzierte Postkonditionierung aufhebt. Somit haben wie in der APC die kardialen β1-AR und β2–AR auch eine Funktion bei der APost. Auch durch langanhaltende Blockade der β1-AR über die gesamte Dauer der Reperfusion oder durch Blockade der PKA konnte eine kardioprotektive Wirkung erreicht werden. Die Optimierung der Ca2+-Homöostase durch Erhalt der Ca2+- regulierenden Proteine CaMKII und PLB könnte eine bedeutende Rolle für die durch volatile Anästhetika induzierte Kardioprotektion spielen. Desfluran könnte über β2-AR und PKB/Akt antiapoptotische Signale und eine Abschwächung des I/R-Schadens initiieren. Mit den Ergebnissen konnte nachgewiesen werden, dass Desfluran im Rahmen der APost kardioprotektiv wirkt. Im Gegensatz zur Präkonditionierung bietet die Postkonditionierung die Möglichkeit einer zeitnah zu einem myokardialen Ereignis stehenden klinischen Anwendung. Die APost könnte somit eine Therapieoption bei der Behandlung von Patienten mit myokardialen Ischämien und Infarktereignis sein.…
• Myocardial ischemia and infarction are important risc factors for perioperative cardiac morbidity and mortality. Preconditioning describes a molecular process that leads to an increased tolerance of the cell against ischemic phases. Triggers of this process are repetitive short episodes of ischemia and reperfusion (ischemic induced preconditioning, IPC) or pharmacological substances, e.g. volatile anesthetics as Sevoflurane, Isoflurane, Desflurane (anesthetic induced preconditioning, APC). Early and fast restoration of blood flow is the mostMyocardial ischemia and infarction are important risc factors for perioperative cardiac morbidity and mortality. Preconditioning describes a molecular process that leads to an increased tolerance of the cell against ischemic phases. Triggers of this process are repetitive short episodes of ischemia and reperfusion (ischemic induced preconditioning, IPC) or pharmacological substances, e.g. volatile anesthetics as Sevoflurane, Isoflurane, Desflurane (anesthetic induced preconditioning, APC). Early and fast restoration of blood flow is the most effective strategy for reducing the size of a myocardial infarct and improving clinincal outcome. But reperfusion itself can also induce injury, termed myocardial reperfusion injury. It has been described that cardioprotective effects, limiting reperfusion injury and reducing infarct size can not only be achieved by IPC but also by repetitive short episodes of ischemia and reperfusion following a prolonged period of ischemia. This phenomenon was named ischemic postconditioning, IPost. IPost is as potent in reducing infarct size as IPC. Volatile anesthetics also feature important protective effects against myocardial reperfusion injury, when they are applied in the early phase of reperfusion (anesthetic induced postconditioning, APost). The cardioprotective effects of the IPC, APC, IPost and APost have even been shown in clinical studies. The described mechanisms share similar signal transduction pathways. The cardiac β1- and β2 - adrenergic receptors (β1-AR and β2-AR) play an important role in mediating cardioprotection by IPC and APC. If the β-AR signal transdution pathway even plays a role in APost, is still not known. Prevention of an accumulation of intracellular Ca2+ is another crucial aim of volatile anesthetics protecting the heart from the damage of myocardial reperfusion injury. Ca2+ -accumulation and disturbed Ca2+ -homeostasis during the phases of ischemia and reperfusion is a major cause of contractile dysfunction and apoptosis of cardiomyocytes after ischemia/reperfusion. The Ca2+/Calmodulin-dependent proteinkinase II (CaMKII), which is part of the β1-AR signal transduction pathway, is a key enzyme in maintaining the intracellular Ca2+ -homeostasis. A study of our research group has demonstrated that the CaMKII is a mediator of cardioprotective effects in the case of APC. The aim of this study was to gain new knowledge of the importance of the β1- and β2 – adrenergic signal transduction pathway and the intracellular mediators of these pathways, the protein kinase A (PKA) and the CaMKII, for the anesthetic induced postconditioning by the volatile anesthetic Desflurane. For the experimental studies White New Zealand rabbits underwent an in vivo model of ischemia and 3 hrs of reperfusion. The β1- and β2 – adrenergic signal transduction pathway was characterized by specific pharmacological blockade of the β1-AR and β2-AR and the PKA and the CaMKII. The resulted infarct size was determined dependent on the pharmacological intervention and the duration of the β1-AR blockade, respectively. For molecular studies the protein expression of the CaMKII and the protein expression and phosphorylation of Phospholamban (PLB) and the antiapoptotic Proteinkinase B (PKB)/Akt was determined by western immunoblotting. Results show, that blockade of β1-AR and β2-AR or the blockade of the CaMKII, abolished the Desflurane induced postconditioning. So as known for the APC, cardiac β1-AR and β2-AR also play an important role in the APost. Interestingly, even longterm blockade of the β1-AR alone over the total phase of reperfusion or single blockade of the PKA leads to cardioprotection. Optimization of the Ca2+ -homeostasis by preventing Ca2+-regulating proteins as PLB and CaMKII may be a relevant impact in volatile anesthetic induced cardioprotection. Results even indicate that Desfluran may initiate antiapoptotic signals and attenuate repefusion injury by the β2-AR and the following PKB/Akt. With the results of this investigation, it was demonstrated, that Desflurane is cardioprotective in the case of APost. In contrast to preconditioning, postconditioning offers the ability of a therapeutic strategy that can be used near-term to a myocardial ischemic event. So the APost maybe a therapeutic option in the treatment of patients suffering from perioperative myocardial ischemia an infarction.…