Untersuchungen über den Einfluss eines Kalzium-Antagonisten, eines NADPH-Oxidase-Inhibitors und verschiedener Inhibitoren der mitochondrialen Atmungskette auf die akute und protrahierte Phase der hypoxisch pulmonalen Vasokonstriktion am Modell der isolierten Kaninchenlunge

Abstract

Die hypoxisch pulmonale Vasokonstriktion (HPV) beschreibt einen essentiellen Mechanismus, der es der Lunge erlaubt, den lokalen Blutfluss der lokalen Ventilation anzupassen. Dies geschieht durch gezielte Vasokonstriktion und somit Drosselung der Perfusion in den schlecht ventilierten Bereichen. Störungen der HPV finden sich u. a. bei Pneumonie, dem akuten Lungenversagen und Leberversagen und führen zu schweren Hypoxämien. Weiterhin ist bekannt, dass chronisch alveoläre Hypoxie zu chronisch pulmonaler Hypertonie führt. Seit der Beschreibung durch von Euler und Liljestrand im Jahr 1946 war die HPV Gegenstand intensiver Forschung. Dennoch sind die ihr zu Grunde liegende Regulationsvorgänge nicht vollständig geklärt. Fraglich ist z.B., welche Zellen und Zellstrukturen an den Regulationsprozessen der HPV beteiligt sind und welche als biochemische Sauerstoffsensoren fungieren. Diskutiert werden hier u.a. NAD(P)H-Oxidasen, Mitochondrien und Ionenkanäle. Mehrere Untersuchungen konnten zeigen, dass die unter Hypoxie in den Lungengefäßen stattfindende Vasokonstriktion einen biphasischen Verlauf aufweist. Bei der ersten oder akuten Phase kommt es mit Beginn der Hypoxie zu einem schnellen Anstieg des Gefässwiderstandes, der nach etwa 5 Minuten sein Maximum erreicht und sich anschließend wieder partiell verringert. In der zweiten, protrahierten Phase, ca. 20 Minuten nach Beginn der Hypoxie, steigt der Gefäßwiderstand erneut und kontinuierlich an. In der hier vorliegenden Arbeit sollte der Einfluss verschiedener Inhibitoren auf diese beiden Phasen der HPV untersucht werden, um festzustellen, ob diese gleichen oder unterschiedlichen Regulationsmechanismen unterliegen. Untersucht wurden:

Verapamil, ein Kalzium Antagonist AEBSF (Pefabloc), ein NADH-Oxidase-Inhibitor Inhibitoren der mitochondrialen Atmungskette (angegeben jeweils mit Ansatzort der Hemmung): Rotenon (Komplex I) MPP+ (Komplex I) 3-NPA (Komplex II) Antimycin A (Komplex III) Cyanid (Komplex IV) In Versuchen mit repetitiven 10-minütigen Hypoxien, die die akute Phase repräsentieren, wurde für jede Substanz ein Applikationsschema ermittelt, bei dem repetitive, akute Hypoxiereaktionen gleich stark gehemmt wurden. Danach wurden Versuchsreihen mit Lungen durchgeführt, die bei gleichem Applikationsschema einer protrahierten, 120-minütigen Hypoxie ausgesetzt wurden, wobei sich die Auswirkungen auf die protrahierte Phase der HPV beobachten ließen. Kontrollreihen wurden sowohl mit durchgehend normoxisch beatmeten Lungen, als auch mit Lungen, die mit dem gleichen Hypoxie-Intervallen beatmet wurden, denen aber nur die für die Substanzen verwendeten Lösungsmittel entsprechend den Applikationsschemata zugesetzt wurden, durchgeführt.Es zeigte sich, dass Verapamil und 3-NPA beiden Phasen der HPV etwa gleich stark hemmten. AEBSF wirkte auf die akute Phase stärker inhibitorisch als auf die protrahierte. Rotenon und MPP+ und Cyanid dagegen inhibierten die protrahierte Phase stärker. Insbesondere die Applikation von Cyanid hatte eine vollständige Suppression der protrahierten Phase der HPV zur Folge. Somit konnte gezeigt werden, dass der akuten und protrahierten Phase der HPV (partiell) unterschiedliche Regulationsmechanismen zu Grunde liegen. Potentiell sind NADH-Oxidasen stark an der Regulation der akuten Phase beteiligt, wo hingegen Mitochondrien, und hier insbesondere Komplex IV, eine stärkere Rolle für die Regulation der protrahierten HPV spielen.

Hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV) is an essential mechanism of the lung, which adapts local blood flow to local alveolar ventilation. This is achieved by local vasoconstriction and thereby restricted perfusation in poorly ventilated areas. Disturbance in HPV, as it occurs in pneumonia, the adult respiratory distress syndrome and liver failure may result in severe hypoxemia. Further on, generalized chronic alveolar hypoxia is known to induce chronic pulmonary hypertension. HPV was first described by von Euler and Liljestrand in 1946 and has hence been a subject of intensive investigations. However, the underlying mechanisms are yet poorly understood. It is still uncertain which cells and cell-structures are involved in HPV and which ones act as a biochemical oxygen sensor. Among other things, NAD(P)H-oxidases, mitochondria and ion-channels are under discussion for it. Recent studies showed that HPV is biphasic. Typically, hypoxia provokes an initial rapid vasoconstriction with a maximum approximately 5 minutes after the onset of hypoxia, followed by a partial relaxation. Secondary, a more or less pronounced sustained vasoconstriction occurs.In this present study, the influence of several inhibitors on both phases of HPV was observed to find out, whether acute and sustained HPV are differently regulated. Following substances have been used:

Verapamil, a calcium-antagonist AEBSF (Pefabloc), an inhibitor of NADH-oxidase inhibitors of the mitochondriale electron transport chain (given with their localisation of investigation): rotenone (complex I) MPP+ (complex I) 3-NPA (complex II) antimycine a (complex III) cyanide (complex IV)In a protocol with repetitive 10-minute hypoxia, representing the first phase of HPV, a pattern of application for each substance was ascertained, by which a series of following, repetitive HPV-reactions were depressed to a similar degree.Afterwards, employing the same pattern of application, lungs were challenged with 120-minute hypoxia. In doing so, influence on the second phase could be observed. Controls were performed by using only normoxic ventilated lungs and lungs with an identical ventilation-scheme but only application of the used solvents.Verapamil and 3-NPA decreased acute and sustained phase of HPV by an identical degree. AEBSF inhibited the acute phase more than the sustained one. Rotenone, MPP+ and cyanide on the other hand had a more prominent influence on the sustained phase. Especially cyanide totally suppressed the sustained vasoconstriction under prolonged hypoxia. Consequently, it could be shown that first and second phase of the HPV are regulated differently. NADH-oxidase is investigated in the regulation of the acute phase, whereas mitochondria, especially complex IV, are strongly involved in the regulation of the sustained phase of HPV.