Klinik für Anästhesiologie und Intensivmedizin

Eine Ursache des postoperativen kognitiven Defizits und anderer neurologischer Auffälligkeiten wird in zerebralen I/R Schäden vermutet, welche während der Anästhesie oder in Zusammenhang mit einer chirurgischen Intervention stattfinden können. Wir wählten das Auge, welches in seiner Funktion partiell mit dem Gehirn vergleichbar ist, um I/R Schäden zu analysieren und zu unterbinden. Der I/R Schaden des Auges z.B. im Rahmen der okulären Gefäßverschlüsse und der diabetischen Retinopathie geht mit einer Verminderung der Sehfähigkeit infolge eines endgültigen Verlustes von Neuronen in der Retina einher. Neuronalen Zellen der Retina reagieren besonders sensibel auf Störungen der okulären Homöostase; eine Regeneration ist nahezu ausgeschlossen. Unsere Arbeitsgruppe hat nachgewiesen, dass die präkonditionierende Inhalation von Kohlenmonoxid (CO) protektive Effekte in einer I/R geschädigte Retina vermittelt. Sieben Tage nach Ischämie sank der retinale Ganglienzell (RGZ)-Schaden um 52% in der CO-präkonditionierten Gruppe im Vergleich zu Raumluft Kontrollen. Die CO-Inhalation nach dem I/R-Schaden zeigte ähnliche Effekte auf das Zellüberleben, und dies auch noch, wenn zwischen Reperfusion und Postkonditionierung eine Latenz von bis zu 3h liegt. In Vorarbeiten zeigten wir, dass sowohl die retinale Inflammation, als auch die Caspase-3 Aktivität durch die Inhalation von CO inhibiert werden. Im Gegensatz dazu wurden signifikant höhere Konzentrationen inflammatorischer Proteine in der Versuchsgruppe ohne CO-Inhalation gemessen, sowie eine massive retinale Infiltration von Gliazellen. Der genaue molekularbiologische Signaltransduktionsweg ist bisher unklar. Es wird vermutet, dass die CO abhängige Protektion u.a. durch eine Aktivierung der löslichen Guanylylcyclase (sGC) und der mitogen aktivierten Proteinkinasen (MAPK) vermittelt wird, sowie durch eine Antagonisierung der lokalen Neuroinflammation. Neben der Möglichkeit einer Inhalation von CO werden für CO releasing molecules (CO-RM) auch protektive Eigenschaften beschrieben. Neue CO-RM - wie ALF-186 - sind zudem wasserlöslich und zeigen eine günstigere Pharmakokinetik. Die Vorteile sowohl einer topischen (intravitrealen) als auch einer systemischen Applikation von ALF186 in einem postkonditionierenden, retinalen Schadensmodell sowie deren neuroprotektive Eigenschaften sind bis dato noch nicht untersucht. Basierend auf diesen Daten planen wir, folgende Hypothesen zu untersuchen:Hypothese 1: Die systemische Applikation von ALF186 führt zu einer Verminderung des neuronalen Zelluntergangs und der Inflammation im retinalen I/R Postkonditionierungsmodell der Ratte. Hypothese 2: Die neuroprotektive Wirkung von ALF186 wird über die MAPK, die sGC sowie über die Suppression der Neuroinflammation in der Netzhaut vermittelt.Hypothese 3: Die topische Anwendung von ALF186 (intravitreal) führt zu einer Verminderung des neuronalen Zelluntergangs und der Inflammation im retinalen I/R Postkonditionierungsmodell der Ratte.

Pulmonale Dysfunktionen nach Operationen unter Zuhilfenahme des kardiopulmonalen Bypass (CPB) sind häufig, wobei Verläufe mit Lungenversagen selten sind (<2%), dann aber mit einer hohen Mortalität einhergehen. Die pathophysiologischen und molekularen Mechanismen der CPB- assoziierten Lungenschädigung sind allerdings nur unzureichend bekannt. Ursächlich für die Lungenschädigung sind neben den CPB-bedingten Faktoren wie dem Blutkontakt mit der Fremdoberfläche, Ischämie/Reperfusion (I/R)-Phänomenen, Transfusionen oder Hypothermie auch Faktoren wie die Anästhesie, Sternotomie und Pleuraeröffnung zu nennen. Durch die erhebliche Fremdoberfläche kann der kardiopulmonale Bypass aber auch direkt zu Lungenschäden führen. Unsere Arbeitsgruppe konnte in einem von der DFG geförderten Projekt (DFG SCHL 604/2-1) zeigen, dass sowohl eine Normalisierung der Lungenperfusion, als auch eine pulmonale Prä- und Postkonditionierung mit inhalativem Kohlenmonoxid (CO), die durch den kardiopulmonalen Bypass induzierte Lungenschädigung und funktionelle Beeinträchtigung extrathorakaler Organe im Schwein reduzieren kann. Wir konnten darüber hinaus zeigen, dass für die durch Kohlenmonoxid vermittelte Reduktion der Inflammation und des Lungenschadens eine Induktion der Hitzeschockantwort als Mechanismus in Frage kommt. Eine Kombination von präkonditionierend eingesetztem inhaliertem Kohlenmonoxid und aktiver Lungenperfusion konnte den pulmonalen Schaden zusätzlich verringern. Aufgrund der mit der Applikation und der potentiell toxischen Wirkung von Kohlenmonoxid beim Menschen verbundenen Risiken muss weiter nach alternativen Strategien gesucht werden (z.B. Schwefelwasserstoff, H2S), die die Lungenschädigung nach kardiochirurgischen Eingriffen mit CPB minimieren. Hypothese 1: Die präkonditionierende Inhalation von H2S vor einem CPB vermindert die CPB-induzierte Inflammation und Apoptose in der Lunge, der Niere und der Leber. Ziel 1: Charaktersierung der H2S-vermittelten Veränderungen der Protein-, RNA- und Transkriptionsfaktor-Expression bzgl. der Inflammation, des Zellschadens und der Apoptose. Hypothese 2: Die spezifischen Effekte von H2S lassen sich auch durch eine Applikation des Gases im Sinne einer Postkonditionierung und als gasförmige Beimischung in den Oxygenator des extrakorporalen Kreislaufsystems während des CPB erreichen. Ziel 2: Charaktersierung der H2S-vermittelten Veränderungen der Protein-, RNA- und Transkriptionsfaktor-Expression bzgl. der Inflammation, des Zellschadens und der Apoptose. Hypothese 3: Der Mechanismus der H2S-vermittelten Protektion beruht auf einer Induktion der ´Mitogen activated´-Proteinkinase „extracellular-regulated kinase-1/2“ (ERK) und der Expression des 90-kDa-Hitzeschockproteins (HSP-90). Ziel 3: Blockade der Expression von ERK und HSP-90 in vivo und Aufzeigen der H2S-vermittelten Protektion in diesem Kontext.

Erkrankungen der thorakalen Hauptschlagader werden mit konventionellen Operationen oder kathetergestützten Methoden behandelt. Beim prothetischen Ersatz der thorakalen Hauptschlagader, aber auch bei der Versorgung mit einem Stent, nimmt der Durchblutungsdruck der Rückenmarkarterien ab. So kann eine Querschnittslähmung entstehen, wenn nicht rechtzeitig ein ausreichender Kollateralfluss etabliert werden kann. Die Inzidenz einer Paraplegie liegt je nach Ausdehnung und Komplexität der Hauptschlagadererkrankung sowie abhängig vom chirurgischen Verfahren zwischen zwei und zwanzig Prozent. Neuere Verfahren zur Versorgung von Aortenbogenaneurysmen gehen mit relativ hohen Paraplegieraten einher. Eine detaillierte Charakterisierung der intraspinalen Kollateralkreisläufe ist Voraussetzung für die Entwicklung zukünftiger Verfahren zur präoperativen individuellen Risikoeinschätzung einer Paraplegie. In einem Großtiermodell sollen daher die physiologischen Grundlagen des spinalen Kollateralflusses, speziell der Kollateralgefäße im Spinalkanal, untersucht werden. Zunächst soll in einer vergleichenden Studie die prinzipielle Bedeutsamkeit der intraspinalen Arkaden für eine schnelle Erholung des spinalen Perfusionsdrucks gezeigt werden. Sowohl eine Gruppe von Tieren mit intakter intraspinaler Kollateralisierung, sowie eine Gruppe von Tieren mit unterbrochener intraspinaler Kollateralisierung unterlaufen hierfür eine simulierte Aortenoperation. Besonders die Bedeutung der anterioren radikulomedullären Arterien soll zudem untersucht werden. Es soll geklärt werden welche Anzahl dieser Arterien und welcher maximale Abstand zweier dieser Arterien benötigt wird, um eine Operation an der thorakalen Aorta sicher durchführen zu können. So soll die Grundlage für eine präoperative klinische Risikostratifizierung geschaffen werden, die heute noch nicht möglich ist.

Ein Herz-Kreislaufstillstand mit konsekutivem Organschaden stellt nach wie vor eine große Herausforderung an die moderne Intensivmedizin dar. Trotz Wiederbelebungsmaßnahmen überleben nur 10 % der Patienten bis zur Krankenhausentlassung – oft mit schweren neurologischen Beeinträchtigungen. Extracorporeal life support (ELCS) im Rahmen einer kardiopulmonalen Reanimation überbrückt temporär die Herz-Lungen-Funktion für die cerebrale Perfusion bis ein spontaner Kreislauf wiedereintritt oder eine definitve Therapie erfolgen kann. Das Konzept der pharmakologischen Protektion stellt darüber hinaus ein vielversprechendes Konzept dar, um Zell- und Organschaden zu reduzieren. Eine aussichtsreiche Substanz in diesem Kontext ist der Gasotransmitter Kohlenstoffmonoxid (CO), welcher einen Ischämie-typischen Schaden in verschiedenen Modellen vermindern konnte. Leider ist die Anwendbarkeit dieser toxischen Substanz bisher nicht gelöst. Kohlenstoffmonoxid-freisetzende Moleküle (CORMs) beinhalten toxische Übergangsmetalle, die den klinischen Gebrauch einschränken. Kürzlich konnten wir den toxischen Effekt der CORMs dahingehend reduzieren, dass eine Verwendung von Membran-kontrollierter Freisetzung zur Protektion von transplantierten Organen ermöglicht wurde. Eine Membran, welche semi-permeable Eigenschaften für CO, aber nicht für Übergangsmetalle aufweist, separiert eine Freisetzungs- von einer Effektorkammer. In dem hier vorgestellten Projekt beschreiben wir die Modifikation hin zu einem extrakorporalen CO-Freisetzungssystem (ECCORS), um eine ECLS-basierte Reanimation zu unterstützen und die therapeutischen Effekte des CO schnell und effektiv in einem potentiell desaströsem Krankheitsbild zu nutzen. Im Modell des hypoxisch-induzierten Herz-Kreislaufstillstands im Schwein wird ein CORM-Kreislauf durch eine nur für CO permeable Membran vom extrakorporalen Blutfluss separiert. In der hier vorgestellten Studie soll die Effektivität von ECCORS für ein klinisch hoch relevantes Szenario getestet werden. Die folgenden Hypothesen werden dabei überprüft:Hypothese 1: Die CO-Freisetzung über das neue “extracorporeal CO releasing system” (ECCORS) ist genauso effektiv wie die bisherig, als Goldstandard angesehene (inhalative) CO Applikation und geht nicht mit einer Nachweisbarkeit von CORM-assoziierten toxischen Übergangsmetallen einher.Hypothese 2: Die Membran-kontrollierte Freisetzung von CO aus CORMs kann mittels ECCORS effektiv für die Applikation in eine extrakorporale Zirkulation genutzt werden. Hypothese 3: Die CO-Therapie mittels ECCORSa) schützt vor neurologische Schaden nach hypoxischem Herz-Kreislaufstillstand,b) und vermittelt ihre Effekte durch die Induktion einer Hitzeschock-Antwort und der Mitogen-aktivierten Proteinkinase. Hypothese 4: Die CO-Applikation durch ECCORS schützt vor einem systemischen, inflammatorischen Schaden durch eine extrakorporalen Zirkulation.