Refine
Has Fulltext
- yes (4)
Is part of the Bibliography
- yes (4)
Document Type
- Doctoral Thesis (4)
Keywords
- Pulswellengeschwindigkeit (4) (remove)
Institute
Kardiovaskuläre Erkrankungen führen in Deutschland die Todesursachenstatistik an. Es gibt anerkannte Risikofaktoren, die veränderlich (Bluthochdruck, Diabetes, Übergewicht, Hyperlipidämie etc.) oder nicht veränderlich (Geschlecht, Alter, genetische Disposition) sein können. Bei langfristig erhöhten Risikofaktoren lässt sich eine Schädigung des Gefäßsystems feststellen, die sich u.a. durch eine zunehmende Versteifung der elastischen Gefäße ausdrückt.
Der Begriff „Arterielle Gefäßsteifigkeit“ umschreibt strukturelle und funktionelle Eigenschaften des arteriellen Gefäßsystems, die u.a. den pulsatilen aortalen Blutdruckes dämpfen und einen gleichmäßigeren peripheren Blutfluss ermöglichen („Windkesselfunktion“). Neben der physiologischen Alterung gibt es eine Reihe pathologischer Prozesse, die zu einer vorschnellen arteriellen Gefäßsteifigkeit führen: Hypertonus, Diabetes mellitus, Hyperlipidämie, Rauchen, verschiedenste Genpolymorphismen etc. Dort zeigen sich auch die Parameter der Gefäßsteifigkeit pathologisch verändert und ermöglichen auch prognostische Aussagen für kardiovaskuläre Erkrankungen bis hin zu allgemeinen Mortalität in verschiedensten Kollektiven.
Bedeutsamer Parameter der Arteriellen Gefäßsteifigkeit ist die Pulswellen-geschwindigkeit (PWV; in m/s). Diese beschreibt die Geschwindigkeit, mit der sich die Pulswelle entlang des Gefäßsystems ausbreitet. Diese Druckwelle besteht aus der initialen Welle (P1), die an Stellen mit Impedanzänderung (v.a. Übergang von elastischen Arterien zu denen vom muskulären Typ) reflektiert wird. Somit entsteht in der Druckkurve ein späterer zweiter Gipfel (P2) durch die sich überlagernde reflektierte Pulswelle. Es lassen sich in der Druckkurve folgende Augmentationsparameter bestimmen: Die Druckdifferenz zwischen P1 und P2 wird Augmentationsdruck (AP; in mmHg) genannt. Den Anteil von AP an der Blutdruckamplitude bezeichnet man als Augmentationsindex (AIx; in %).
Bekannt ist, dass sich die zentral-aortalen Blutdrücke (zentral systolischer Blutdruck CSBP; in mmHg), z.T. erheblich von den brachial gemessenen Blutdrücken (u.a. peripher systolischer Blutdruck PSBP; in mmHg) unterscheiden. Es ist jedoch der zentral-aortale Blutdruck, der z.B. die Nachlast des Herzen bestimmt. Der Begriff Pulsdruckamplifikation (PP Amp; in %) umschreibt das Verhältnis von peripheren Pulsdruck zu zentralem Pulsdruck (CPP; in mmHg).
Wir verwendeten zur nicht-invasiven Messung der Parameter der Arteriellen Gefäßsteifigkeit und zentralen Blutdrücke den Arteriograph (Tensiomed, Budapest, Ungarn). Die Messungen erfolgten oszillometrisch mittels einer Oberarm-Manschette. Aus der graphischen Auswertung der Druckkurve wurden die Parameter der arteriellen Gefäßsteifigkeit ermittelt. So wurde die PWV aus der Laufzeit der reflektierten Welle berechnet. Auch die übrigen Parameter der Augmentation (AIx, AP) und die zentral-aortalen Blutdrücke (CSBP, CPP, PP Amp) wurden graphisch bestimmt.
Die Arbeit umfasst Daten aus drei Kollektiven mit insgesamt 2.082 Probanden (68% Männer, mittleres Alter 54 Jahre). Zusätzlich wurden Daten zur kardiovaskulären Anamnese, Medikation und Tabakkonsum erhoben. Nach Ausschluss von Patienten mit bestehender kardiovaskulärer Erkrankung oder Risikofaktoren (KHK, Arterielle Hypertonie, Diabetes mellitus, Raucher, Hypercholesterinämie, bestehende kardiovaskuläre Medikation) gingen die Daten von 1.208 Probanden in die Ermittlung des alters- und geschlechtsspezifischen Verteilungsmusters der Gefäßsteifigkeitsparameter ein.
Zentrale Blutdrücke
Der zentrale systolische Blutdruck (CSBP) zeigte eine kontinuierliche altersabhängige Steigung, deutlicher ausgeprägt bei Frauen. Der CSBP lag in allen Altersklassen unter den jeweiligen peripheren systolischen Werten, es kam im Alter jedoch zu einer Angleichung. Ein signifikanter Geschlechtsunterschied fand sich nur in jüngeren Altersgruppen. Die Pulsdruckamplifikation (PP Amp) zeigte ebenso eine signifikante Altersabhängigkeit sowie Geschlechtsunterschiede in allen Altersgruppen.
Pulswellengeschwindigkeit
Nicht alle Ergebnisse unserer PWV-Messungen zeigten sich normalverteilt. Dies betraf v.a. Frauen ab dem 30. Lebensjahr, Männer ab dem 60. Lebensjahr sowie hohe PWV-Werte von 13-14 m/s. Zum Ausschluss dieser PWV-Werte außerhalb der Normalverteilung prüften wir verschiedene Qualitätskriterien. Wir entschieden uns für Anwendung eines Quotienten aus PWV-SD und PWV ≤ 10%. Somit verblieben für die alters- und geschlechtsspezifische Verteilung der PWV die Messwerte von 649 Personen (77% Männer). Es zeigte sich eine Assoziation mit dem Alter, bei Männer stärker (r²=0,198) als bei Frauen (r²= 0,178). Frauen wiesen in fast allen Altersgruppen höhere Messwerte auf als Männer. Vorher durch die Kriterien ausgeschlossene Probanden zeigten signifikant höhere PWV-Werte als kardiovaskulär Gesunde. In einer schrittweisen Regressionsanalyse blieben Alter, arterieller Mitteldruck, Geschlecht, Jugulum-Symphysen-Abstand sowie Gewicht als unabhängige Determinanten der PWV erhalten. Der oben erwähnte Geschlechtsunterschied stand im Kontrast zu bisherigen Veröffentlichungen, in denen aber andere Messmethoden verwendet wurden. Insgesamt war bei uns auch die Altersabhängigkeit geringer ausgeprägt als in vorherigen Publikationen. Da es bisher keine Veröffentlichung von oszillometrisch gemessenen Referenzwerten bei kardiovaskulär gesunden Erwachsenen gibt, war ein direkter Vergleich nicht möglich. Vergleiche mit anderen nicht-invasiven Messmethoden offenbarten jedoch Abweichungen gerade im höheren Alter sowie bei Frauen. Eine Erklärung ist die Schwierigkeit der graphischen Analyse, gerade dann, wenn die reflektierte Welle frühzeitig am Messort eintrifft. Mehrere Autoren äußerten zudem Bedenken, dass der Reflexionsort altersabhängig variiere. Somit sei eine Messung an nur einem Standort nicht für eine zuverlässige Messung geeignet.
Augmentationsparameter
Bei AP und aortalem AIx zeigte sich bei uns ein altersabhängiger Anstieg: Bei beiden Werten war der Verlauf bei Frauen im jüngeren Alter steiler, ab dem 50. Lebensjahr fanden sich nur noch geringfügig steigende Werte. Bei den Männern hingegen gab es eine durchgängige Steigung bis in hohe Alter. Frauen zeigten in jedem Alter bei beiden Parametern durchgehend höhere Werte. Signifikant beeinflussend waren Alter, Körpergröße, Herzfrequenz, arterieller Mitteldruck sowie das Geschlecht. Dies ist konstant zu vorigen Publikationen, lediglich der konstante Anstieg bei Männern bei uns steht im Gegensatz zu vorbeschriebenen logarithmischen Verläufen.
Risikoscores
Zur individuellen kardiovaskulären Risikoabschätzung wurden verschiedene Score-Systeme entwickelt. Durch nicht-pharmakologische und pharmakologische Maßnahmen wird insbesondere bei Patienten mit hohem Risiko versucht, die Manifestation kardiovaskulärer Erkrankungen zu verhindern.
Risikoscores (Framingham Risk Score, ESC Score, Reynolds Risk Score, Procam Risikoscore) wurden bei insgesamt 1434 Probanden (78% Männer, mittleres Alter 51 Jahre) ermittelt, bestehend aus einem breiten Spektrum von Gesunden und Kranken. Frauen wiesen in der Regel eine höhere Assoziation zu Parametern der Arteriellen Gefäßsteifigkeit auf als Männer. Bei allen Variablen der zentralen Drücke bzw. Gefäßsteifigkeitsparametern gab es signifikante Unterschiede zwischen sogenannten Hochrisiko-Gruppen und Patienten mit niedrigem Risiko. Zentrale Drücke zeigten im Vergleich zu peripheren Korrelaten eine wesentliche höhere Assoziation. Somit kamen wir zu ähnlichen Ergebnissen wie andere Arbeitsgruppen. Wir konnten dies zusätzlich für den Reynolds Risk Score und den Procam Risikoscore zeigen, zu denen bisher keine Ergebnisse publiziert sind.
Weitere Risikofaktoren
Wir untersuchten zudem die Abhängigkeit zwischen weiteren Risikofaktoren (GFR, Homozystein und hsCRP) und arterieller Gefäßsteifigkeit. Bei den Männern zeigten alle eine moderate Korrelation zu Parametern der Arteriellen Gefäßsteifigkeit. Bei Frauen war dies bei GFR und Homozystein der Fall, jedoch zeigte sich hsCRP lediglich mit CPP und CSBP signifikant assoziiert.
Fazit
Durch die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigt sich, dass auch durch oszillometrische Messungen die Parameter der Arteriellen Gefäßsteifigkeiten ermittelt werden können. Es wurden starke Assoziationen zu etablierten Risikoscores und Surrogat-Parametern nachgewiesen. Trotz in der Literatur verbliebenen Zweifel am Messprinzip scheint durch oszillometrisch gemessene Gefäßsteifigkeitsparameter ein erhöhtes kardiovaskuläres Risiko feststellbar. Es zeigten sich jedoch Grenzen der graphischen Auswertung, eine qualitative Überprüfung ist daher bei allen Messungen unerlässlich.
Die NO/cGMP-vermittelte Signalkaskade ist im vaskulären System entscheidend an der Regulation des Blutdrucks beteiligt. Innerhalb der Kaskade nimmt die NO-sensitive Guanylyl-Cyclase (NO-GC) eine Schlüsselfunktion als wichtigster Rezeptor für das Signalmolekül Stickstoffmonoxids (NO) ein. NO wird endogen von verschiedenen Isoformen der NO Synthase produziert. Die Bindung von NO an die NO GC führt zur Produktion des sekundären Botenstoffs cyclisches Guanosinmonophosphat (cGMP). Dieser Botenstoff aktiviert verschiedene Effektor-Moleküle und bewirkt letztlich eine Relaxation der glatten Muskulatur. Ein weiterer sekundärer Botenstoff, das Signalmolekül cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP), ist ebenfalls an der Regulation des Tonus der glatten Muskulatur und dadurch an der Blutdruckregulation beteiligt. Unterschiedliche Phosphodiesterasen (PDE) bauen die sekundären Botenstoffe ab und beenden dadurch die Signalkaskaden. Die PDE3 spielt hierbei eine besondere Rolle, da sie eine gemischte Substratspezifität besitzt. Um den Einfluss der NO-GC auf das kardiovaskuläre System zu untersuchen, wurden NO-GC Knockout(KO)-Mäuse mit globaler (GCKO) oder Glattmuskel-spezifischer (SMC-GCKO) Deletion der NO-GC generiert.
Um das Zusammenspiel von cAMP und cGMP näher zu beleuchten, wurde im ersten Teil dieser Arbeit die PDE3 genauer untersucht. Im Gefäßsystem wird lediglich die PDE3A und nicht die PDE3B exprimiert. Die Aorten von GCKO- und SMC-GCKO-Tieren reagieren sensitiver auf PDE3A-Blockade als die Kontroll-Tiere. Auch die akute Blockade der NO-GC führt zu diesem Sensitivitätseffekt. Die PDE3A ist in Folge der NO-GC-Deletion sowohl in ihrer Expression, als auch ihrer Aktivität um die Hälfte reduziert. Dies dient vermutlich kompensatorisch dazu, das cAMP-Signal weitgehend zu erhalten und so eine cAMP-induzierte Relaxation der Gefäße zu gewährleisten. Ohne Rückkopplung zwischen den beiden Signalwegen käme es vermutlich zu weiteren negativen Konsequenzen für das Herz-Kreislaufsystem. Diese Daten weisen auf eine direkte Regulation der PDE3 in glatten Muskelzellen durch die NO/cGMP-Signalkaskade und einen PDE3-vermittelten cAMP/cGMP-Crosstalk hin. Der genaue Mechanismus dieser Expressionsregulation ist noch unklar. Denkbar wäre eine cGMP-vermittelte Transkriptionsregulation oder eine Modulation der Translation der PDE3A.
Der Verlust der NO-GC führt in GCKO- und SMC-GCKO-Mäusen zu einem erhöhten systolischen Blutdruck von ~30 mmHg. Bei der Entwicklung der arteriellen Hypertonie könnte eine erhöhte Aortensteifigkeit beteiligt sein, die im zweiten Teil dieser Arbeit näher untersucht wurde. In GCKO-Mäusen ist die aortale Steifigkeit und daraus resultierend die Pulswellengeschwindigkeit (PWV) deutlich erhöht. Die Steigerung der PWV wird in den GCKO-Tieren zusätzlich durch den verminderten Aorten-Durchmesser bedingt. Außerdem weisen die Aorten dieser Tiere eine veränderte Wandstruktur auf, die zu einer Verminderung der aortalen Windkesselfunktion führt. Diese Veränderungen könnten die Blutdruckerhöhung in GCKO-Mäusen erklären. In SMC-GCKO-Tieren tritt keine dieser Gefäß-Modifikationen auf. Eine Aortensteifigkeit als mögliche Ursache für den erhöhten systolischen Blutdruck in den SMC-GCKO-Tieren kann somit ausgeschlossen werden. Zur Aufklärung müssen weitere Versuche zum Aufbau der Gefäßwände und zur Bestimmung des peripheren Widerstands gemacht werden. Auch der Einfluss anderer Zelltypen, wie z.B. Perizyten oder Fibroblasten, auf die Blutdruckregulation sollte untersucht werden.
Atherosklerose ist ein wichtiger Faktor bezüglich der Pathogenese kardiovaskulärer Erkrankungen, indem sie Einfluss auf die strukturellen und funktionellen Eigenschaften der Gefäße nimmt. Wegen dieser Bedeutung ist es wichtig, diese Erkrankung und deren Zusammenhänge genau zu erforschen.
Einige Studien konnten zeigen, dass die Pulswellengeschwindigkeit mit Gefäßwand-eigenschaften, insbesondere deren Steifigkeit, zusammenhängt. So konnte in Untersuchungen von Gotschy et al.27 eine Zunahme der lokalen Pulswellen-geschwindigkeit, als Marker für Gefäßwandsteifigkeit, in Aortenanteilen von ApoE(-/-)-Mäusen im Zeitverlauf mittels MRT gezeigt werden, ohne dass makroskopische Veränderungen in frühen Stufen atherosklerotischer Entwicklung sichtbar waren. Dies wird nun als Ausgangspunkt herangezogen, um zu erforschen, durch welche histologischen Veränderungen des Gefäßes innerhalb der Atherogenese eine frühe Zunahme der lokalen PWV erklärt werden kann.
Hierzu wird zum einen die mit der Gefäßwandsteifigkeit in Zusammenhang gebrachte Elastinfragmentierung innerhalb der elastischen Laminae der Aorta ascendens und abdominalis mittels histologischer Untersuchung quantitativ bestimmt. Die elastischen Schichten werden durch modifizierte Elastika-van-Gieson-Färbung dargestellt. Zur vergleichenden Bestimmung wird ein Quotient aus der Anzahl bei mikroskopischer Betrachtung erkennbarer Brüche der elastischen Laminae und bestimmter Gefäßwandquerschnittsfläche erstellt. Die Ausprägung der Elastinfragmentierung unterscheidet sich signifikant in den zwei höchsten Altersklassen der Test- und Kontrollmäuse in beiden untersuchten Aortenabschnitten, wobei die ApoE(-/-)-Tiere stets den höheren Wert aufweisen. Anhand der Ähnlichkeit hinsichtlich der Entwicklung der Messwerte von beschriebener lokalen PWV und der hier gezeigten Elastinfragmentierung kann vermutet werden, dass diese zu einer Erhöhung der Gefäßwandsteifigkeit beiträgt. Die gezeigten histologischen Parameter können so als Indikator für Veränderungen der Gefäßeigenschaften während der Atherogenese und als möglicher Grund einer Veränderung der Gefäßwandsteifigkeit mit konsekutiver Erhöhung der lokalen PWV angesehen werden.
Als weiterer Einflussfaktor auf die mechanischen Eigenschaften des Blutgefäßsystems wird die Entwicklung des Kollagengehaltes anteilig an der Aortenwand bestimmt. Es wurde in vielen Publikationen beschrieben, welchen großen Stellenwert Kollagenfasern für die Gefäßwandsteifigkeit haben. Auch wird das untersuchte Kollagen hinsichtlich seiner Faserdicken nochmals genauer untersucht. Die Kollagenfasern werden mittels Pikro-Sirius-Rot gefärbt und anschließend unter zirkulär polarisiertem Licht analysiert. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen keinen eindeutigen Trend hinsichtlich ihrer Entwicklung. Sie lassen sich auch nicht mit der aufgestellten Hypothese in Übereinkunft bringen, da keine zeitliche Dynamik verglichen mit der Entwicklung der anderen Parameter nachgewiesen werden kann.
Um den beschriebenen entzündlichen Charakter der Atherogenese ebenso zu berücksichtigen, wird das Einwanderungsverhalten von Makrophagen in die Gefäßwand betrachtet. Es wird die relative Fläche der durch Makrophagen besiedelten Gefäßwandanteile bestimmt und als Indikator einer Entzündungsreaktion angesehen, welche direkt oder indirekt Einfluss auf Gefäßwandeigenschaften haben könnte. Mittels eines Antikörpers gegen das makrophagenspezifische Protein CD68 und Kombination mit anti-antikörpervermittelt bindenden fluoreszierenden Substanzen, werden Makrophagen in einem Fluoreszenzmikroskop sichtbar gemacht und die besiedelte Fläche softwaregestützt bestimmt. Dabei kommt die vorliegende Untersuchung zu dem Ergebnis, dass sich die Makrophagenbesiedelung in beiden betrachteten Aortenabschnitten deutlich im Zeitverlauf bei den ApoE(-/-)-Tieren erhöht. Der relative Gefäßwandanteil der von Makrophagen besiedelten Flächen erreicht seinen höchsten Wert innerhalb der Aorta ascendens bei 18 Wochen alten ApoE(-/-)-Tieren; in der Aorta abdominalis bei 30 Wochen alten. Die absolute CD68-Fläche in beiden Aortenabschnitten steigt bis zum Versuchsende hin an, wobei der stärkste Anstieg in der Zeit von sechs zu 18 Wochen geschieht. Dagegen zeigt die Kontrollgruppe eine sehr geringe Zunahme dieser beiden Messgrößen, wobei diese stets auf einem sehr niedrigen Niveau bleiben und keineswegs mit der Entwicklung der Testtiere zu vergleichen sind. Besonders zu beachten ist, das bereits in der jüngsten Altersstufe von sechs Wochen ein höheres Maß an Makrophagenbesiedelung bei Aortenanteilen der ApoE(-/-)-Tiere zu verzeichnen ist, als bei den entsprechenden Kontrollen. Auf Grund dieser Beobachtung, lässt sich ein möglicher Zusammenhang mit der schon früh ansteigenden Gefäßsteifigkeit vor sichtbarer Plaqueentwicklung herstellen.
Bei der Klärung der zentralen Fragestellung dieser Arbeit nach einem histomorphologischen Korrelat für die frühzeitige Erhöhung der lokalen PWV zeigt sich folgendes Ergebnis: Insgesamt können die gemessenen histologischen Charakteristika, vor allem die Entwicklung der Elastinfragmentierung innerhalb der Gefäßwand und der Grad der Makrophagenbesiedelung, frühe Indikatoren für Veränderungen morphologischer und funktioneller Gefäßwandspezifikationen sein. Sie kommen daher als denkbare Ursache für den Anstieg der lokalen Pulswellengeschwindigkeit in Betracht, besonders da die zuvor erwähnten histologischen Parameter zeitlich wie diese einen ähnlichen Verlauf hinsichtlich ihrer Entwicklung zeigen.
Die Atherogenese und deren zahlreiche Einflussfaktoren bleiben weiterhin Forschungs-gegenstand und es gilt mehr denn je mögliche Mechanismen aufzudecken, um eine Gefäßwandschädigung frühzeitig und effektiv verhindern zu können. Hiervon würde ein Großteil der Bevölkerung profitieren, da die Atherosklerose durch ihre Folgeerkrankungen nach wie vor, nicht nur in Deutschland, die Todesursachenstatistik anführt.
Background Transgenic mouse models are increasingly used to study the pathophysiology of human cardiovascular diseases. The aortic pulse wave velocity (PWV) is an indirect measure for vascular stiffness and a marker for cardiovascular risk. Results This work presents three MR-methods that allow the determination of the PWV in the descending murine aorta by analyzing blood flow waveforms, arterial distension waveforms, and a method that uses the combination of flow and distension waveforms. Systolic flow pulses were recorded with a temporal resolution of 1 ms applying phase velocity encoding. In a first step, the MR methods were validated by pressure waveform measurements on pulsatile elastic vessel phantoms. In a second step, the MR methods were applied to measure PWVs in a group of five eight-month-old apolipoprotein E deficient (ApoE(-/-)) mice and an age matched group of four C57Bl/6J mice. The ApoE(-/-) group had a higher mean PWV than the C57Bl/6J group. Depending on the measurement technique, the differences were or were not statistically significant. Conclusions The findings of this study demonstrate that high field MRI is applicable to non-invasively determine and distinguish PWVs in the arterial system of healthy and diseased groups of mice.