Mitochondriale Herzfunktion in explantierten menschlichen Herzen

Hintergrund:

Die Behandlung der Herzinsuffizienz hat sich in den letzten Jahrzehnten erheblich verbessert. Trotz dieser Verbesserung kann die Krankheit in ein Endstadium fortschreiten, sodass den Ärzten letztendlich keine andere Behandlungsoption als die Herztransplantation (HTx) bleibt. Es gibt mehrere Ätiologien, die einer Herzinsuffizienz zugrunde liegen. Kardiomyopathie ist die Hauptursache für HTx in jeder Altersgruppe, wobei die koronare Herzkrankheit die zweithäufigste Ursache bei erwachsenen Patienten ist.

Veränderungen in der mitochondrialen Funktion wurden als Schlüsselfaktoren für Herzinsuffizienz erkannt. Das Verständnis des komplexen Zusammenspiels der Mitochondrien bei der Regulation des Stoffwechsels und der zellulären Apoptose hat der Erforschung der Herzinsuffizienz neue Perspektiven eröffnet. Es ist heute bekannt, dass sich die myokardiale Mitochondriendichte ändert und ihre Funktion und Integrität während einer Herzinsuffizienz beeinträchtigt wird.

Während des Transplantationsverfahrens wird das erkrankte Herz entfernt, was eine einzigartige Gelegenheit bietet, Proben zu sammeln, die für eine gründliche mitochondriale Untersuchung geeignet sind.

Die gesammelten myokardialen Gewebeproben werden mit hochauflösender Respirometrie ausgewertet, wobei die glukosegekoppelte Atmungskapazität permeabilisierter myokardialer Fasern untersucht wird. Die Atmungskapazität in den erkrankten Fasern wird mit der Atmungskapazität in Fasern von koronaren gesunden HTx-Patienten verglichen, die 1 bis 2 Jahre vor dem Erwerb der Fasern transplantiert wurden.

Die Erkenntnisse aus dieser Untersuchung werden hoffentlich zu wichtigen Erkenntnissen über den erkrankten myokardialen Energiestoffwechsel beitragen. Dieses Wissen könnte den Weg für die Entwicklung von Behandlungen ebnen, die auf die Energiesubstratversorgung für die von den Mitochondrien produzierte Adenosintriphosphat-Erzeugung sowie auf die mitochondriale Funktion bei Herzinsuffizienz abzielen.

Hypothese:

Die bei Herzinsuffizienz beobachtete pathologische Myokardfunktion hängt mit dysfunktionalen Mitochondrien des Herzens zusammen.

Zielsetzung:

Es sollte untersucht werden, ob die kardiale Mitochondrienfunktion bei Herzinsuffizienz im Endstadium multipler Ätiologien der Mitochondrienfunktion in transplantierten Herzen ohne Anzeichen einer Abstoßung oder Vaskulopathie unterlegen ist.

Design und Endpunkt:

Die myokardiale mitochondriale Funktion, die von 24 explantierten Herzen analysiert wurde, wird mit endomyokardialen Biopsien von 20 HTx-Patienten bei geplanten Biopsien (1 oder 2 Jahre nach der Implantation) verglichen.

Endpunkte: 1) Mitochondriale Atemkapazität. 2) Funktion des mitochondrialen Komplexes, Integrität der äußeren Membran und mitochondrialer Inhalt.

Methoden:

Hochauflösende Respirometrie:

Hochauflösende Respirometrie wird verwendet, um die mitochondriale Atmungskapazität in Endomyokardbiopsien zu messen. Nach entsprechender Vorbereitung werden zwei Biopsien zur hochauflösenden Respirometrie auf einen Oxygraphen (Oxygraph-2k; Oroboros, Innsbruck, Österreich) übertragen. Die mitochondriale Atmungskapazität wird schrittweise analysiert, indem Titrationen von Substraten und Inhibitoren verwendet werden, um die glukosegekoppelte Atmung in den Fasern zu bewerten. Eine hochauflösende Respirometrie-Analyse wird innerhalb von 8 Stunden nach der Entnahme der Biopsie durchgeführt.

Nach der Analyse wird das Gewebe in flüssigem Stickstoff schockgefroren und bis zur Untersuchung der Citratsynthase-Aktivität bei -80 Grad Celsius in einer Forschungsbiobank gelagert. Danach wird jegliches verbleibende Gewebe zerstört.

Elektronenmikroskopie:

Eine Probe aus jeder Biopsie, die für hochauflösende Respirometrie verwendet wird, wird für die Elektronenmikroskopie (EM) verwendet, um die mitochondriale Volumendichte (MitoVD) und Integrität zu bewerten. Muskelproben werden 24 Stunden in Glutaraldehyd fixiert und 4 x 15 Minuten mit Na-Cacodylat-Puffer gewaschen, bevor sie in Epon gegossen werden. Das mit Epon gegossene Gewebe wird bis zur EM-Analyse in einer Forschungsbiobank aufbewahrt. Ultradünne Schnitte der Epon-Blöcke (60 nm) werden in drei Tiefen geschnitten und mit Uranylacetat und Bleicitrat gefärbt. Die Bildgebung erfolgt mit einem Transmissionselektronenmikroskop EM 208 und einer Megaview III Kamera. Alle Fasern werden mit 10.000-facher Vergrößerung in zufälliger Reihenfolge fotografiert. MitoVD wird aus der mitochondrialen Teilfläche geschätzt, und in der Endanalyse werden nur unterschiedliche Fasern verwendet.

Statistiken:

Normalverteilte Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt; nicht normalverteilte Daten werden als Median und Interquartilbereich dargestellt. Kategoriale Daten werden als absolute Werte oder Prozentsätze dargestellt. Histogramme und Q-Q-Diagramme werden verwendet, um kontinuierliche Werte auf Normalität zu überprüfen. Unterschiede zwischen den Gruppen werden durch den t-Test für normalverteilte Daten und den Mann-Whitney-U-Test für nicht normalverteilte Daten bewertet. Statistische Signifikanz bei einem p-Wert von < 0,05.

Berechnung der Stichprobengröße:

Derzeit gibt es keine Test-Retest-Evaluierung der mitochondrialen Atmungsanalyse in Endomyokardbiopsien von explantierten menschlichen Herzen. Eine kürzlich an unserer Abteilung durchgeführte Studie zu Myokardbiopsien zeigte jedoch, dass eine Gesamtprobengröße von 40 menschlichen Probanden in einem 1:1-Parallelgruppendesign Unterschiede zwischen den beiden Gruppen identifizieren konnte (unveröffentlichte Daten).

Datenerhebung und -verarbeitung:

Quelldaten werden in der elektronischen Patientenakte des Patienten oder auf speziellen Arbeitsblättern erfasst.

Zur Datenerfassung wird ein zentralisiertes elektronisches Fallberichtsformular (CRF) erstellt. Die Daten werden bis zum Abschluss des Projekts gespeichert und danach an das dänische Datenarchiv übermittelt.

Perspektiven:

HTx ist die goldene Standardbehandlung für Patienten mit Herzinsuffizienz im Endstadium, aber ihre Grenzen können nicht ignoriert werden. Erstens ist der Eingriff mit einem erheblichen Risiko verbunden und ein erheblicher Prozentsatz der Patienten leidet unter akutem Transplantatversagen. Darüber hinaus haben HTx-Patienten ein höheres Risiko für schwere Infektionen und Krebs, und bis zu 50 % der HTx-Patienten leiden 10 Jahre nach der Transplantation an kardialer Allograft-Vaskulopathie, die alle in hohem Maße mit der Mortalität zusammenhängen. Daher ist eine Verschiebung der HTx wünschenswert, wenn Gesundheit und Lebensqualität auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden können. In diesem Zusammenhang scheint die mitochondriale Funktion von zentraler Bedeutung zu sein, da sich Ansätze zur Beurteilung der mitochondrialen Funktion bei Herzinsuffizienz als Wegbereiter für neue Nachsorgealgorithmen und sogar Behandlungsziele erweisen könnten.