[19F] Bildgebung der Entzündungs-reaktion nach akutem Herzinfarkt im Schweinemodell

Der akute Herzinfarkt (AMI) stellt seit Jahrzehnten eine der Haupttodesursachen in den westlichen Industrienationen dar. Das oberste Ziel aller heutzutage angewandten Therapieoptionen ist die Wiederherstellung des unterbrochenen Koronarblutflusses, wobei es zu einem unerwünschten Nebeneffekt kommen kann, dem Auftreten des sogenannten Reperfusionsschadens (RPS) mit reaktiver Hyperämie nach Beendigung der vaskulären Stenose. Paradoxerweise kann der auftretende RPS die positiven Effekte der Reperfusion (Erhaltung der myokardialen Vitalität) reduzieren. Zur Verhinderung des Absterbens von Myokardzellen und Minimierung des RPS stellt daher die kathetergestützte Reperfusion über eine perkutane koronare Intervention („percutaneus coronary intervention“, PCI) das Ziel der modernen AMI Therapie dar. Auch wenn die Langzeitprognose bei den meisten mittels PCI behandelten Patienten gut ist, kann bei Subgruppen von Patienten ein nachteiliges „remodelling“ des linken Ventrikels beobachtet werden, welches ein akutes oder chronisches Herzversagen zur Folge haben kann. Dabei beeinflusst die Infarktgröße in entscheidendem Maß den „remodelling“ Prozess. Größere Infarkte gehen in der Regel mit einer schlechteren linksventrikulären Ejektionsfraktion (LVEF) sowie einem negativen „remodelling“ einher. Darüber hinaus kann sich nach einem AMI - trotz normaler LVEF Werte - im weiteren Krankheitsverlauf ebenfalls ein negatives „remodelling“ entwickeln.
Neben der Infarktgröße spielt die sich an den AMI anschließende myokardiale Entzündungsreaktion eine entscheidende Rolle für die Qualität des „remodelling“. Die Anzahl im Blut zirkulierender Entzündungszellen ist dabei entscheidend für die Prognose des Patienten. Experimentelle Daten aus der Maus deuten darauf hin, dass eine nicht adäquat gesteuerte Entzündungsreaktionen nach AMI dazu führen kann, dass das sich anschließende „remodelling“ des linken Ventrikels nachteilig beeinflusst wird. Die kardial ablaufende Entzündung als Reaktion des Organismus auf die eingetretene Noxe (AMI) erweist sich als sehr komplex und bietet zahlreiche Reaktionsschritte, an denen Störungen eines regulierten Ablaufs der Entzündungsanwort auftreten können und diese z.B. übersteigern bzw. verlängern. Aus diesem Grund wäre es von herausragender Bedeutung, eine Bildgebungsmethode für das erkrankte humane Herz zu entwickeln, mit der die sich an den AMI anschließende Entzündungsreaktion positionsgetreu und semiquantitativ abgebildet werden kann. Es könnte die Grundlage dafür geschaffen werden, bei überschießenden Entzündungsreaktionen therapeutisch regulierend einzugreifen.
Gerade das Herz betreffend, stellt das (Mini-)Schwein einen idealen Modellorganismus zur Etablierung neuer diagnostischer Methoden für den Menschen dar. Das vorrangige Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war es daher zu überprüfen, ob die in einer Vorstudie unter ex vivo Bedingungen am explantierten Herz von Minischweinen schon etablierte [19F] Entzündungsbildgebung auch dazu in der Lage ist, die sich an einen AMI anschließende Entzündungsreaktion unter in vivo Bedingungen abzubilden. Die Bildgebungsmethode beruht auf der intravenösen (i.v.) Verabreichung emulgierter Perfluorocarbone (PFCs). Diese werden im Blut vorzugsweise von zirkulierenden Monozyten / Makrophagen phagozytiert. Liegt eine Entzündungsreaktion im Körper vor, so transmigrieren die mit [19F] beladenen Entzündungszellen in die betroffene Gewebestruktur und das Fluorsignal kann mittels [19F] „cardiac magnetic resonance“ (CMR) Tomographie nachgewiesen werden, wie schon im Mausmodell von Arbeitsgruppen nachgewiesen.
Zu diesem Zweck wurde ein „closed-chest“ Infarktprotokoll im Schweinemodell etabliert, welches dazu in der Lage war, ausreichend große Infarkte für die [19F] Bildgebung zu generieren; die humane Situation sollte dabei bestmöglich nachgestellt werden. Dabei wurden adulte Münchner Minischweine mit humanähnlichen anatomischen und physiologischen Charakteristika (das Herz betreffend) für diese Studie gewählt. Zur Infarktinduktion wurde die „left anterior descending“ (LAD) Koronararterie in Narkose für 90 min mit Hilfe eines Ballonkatheters okkludiert. Drei Tage nach Induktion des AMI wurde den Tieren die PFC verabreicht und an Tag 08 wurde die [19F] CMR Untersuchung durchgeführt. Die für diese Arbeit verwendeten PFCs wurden mit Hilfe eines Mikrofluidizers als Nanoemulsion hergestellt, bei durchnittlicher Partikelgröße von ca. 200 nm und langer Haltbarkeit. Mit Hilfe eines ex vivo Phagozytose Assays wurde die Aufnahme der hergestellten PFCs durch porcine Leukozyten in vitro überprüft. Dabei erwiesen sich CD14 immunpositive Monozyten als potenteste Zellgruppe hinsichtlich der zellulären Aufnahme der Nanopartikel. Insgesamt wurde die Infusion der PFCs von den Minischweinen gut toleriert und nur in 23% der Fälle konnten milde Nebenwirkungen (Erbrechen, Kopfschmerzen, Juckreiz) im Anschluss an die Infusion registriert werden. Dabei ließ sich nicht differenzieren, ob die Nebenwirkungen auf die Infusion der PFCs oder die Schmerzmitteltherapie zurückzuführen waren.
Eine gelungene Infarktinduktion (in Narkose) wurde über das Auftreten typischer ST-Hebungen im EKG sowie über die kontrastmittelbasierte fluoroskopische Kontrolle des Verschlusses der LAD über den Zeitraum von 90 min kontrolliert. Die modellbedingte, vorrangig durch Kammerflimmern (KF) hervorgerufene Mortalitätsrate lag bei 55%, wobei sich ein geschlechtsspezifischer Unterschied zeigte: männliche Tiere wiesen eine höhere Mortalitätsrate (83%) auf als weibliche Tiere (45%). Von den Tieren mit angewandter Defibrillation konnte lediglich bei 21% der Sinusrhythmus dauerhaft wiederhergestellt werden. Die abschließende CMR Untersuchung konnte an 13 Tieren durchgeführt werden. Ein [19F]-Signal ausreichender Qualität war nur bei sieben Tieren in vivo detektierbar, und aufgrund sogenannter „ghosting“- Effekten waren fünf vollständige in vivo [19F] CMR Datensätze auswertbar.
Ergebnisse: In der konventionellen CMR Bildgebung war über verlängerte T2 Zeiten ein lokales Ödem im (antero)septalen Bereich des linken Ventrikels bei allen Tieren nachweisbar. Über die in der Humanmedizin routinemäßig eingesetzte „late gadolinium enhancement“ (LGE) Bildgebung ließ sich eine durchschnittliche Infarktgröße von 23,81% des linken Ventrikels bestimmen. Der an Tag 04 ermittelte Troponin-I Gehalt im Blutplasma korrelierte mit der Anzahl LGE -positiver Segmente und kann somit als prognostischer Wert für die durch CMR detektierte Infarktgröße genutzt werden. Sowohl mikrovaskuläre Obstruktionen (MVOs) als auch intramyokardiale Hämorrhagien (IMHs) waren in der CMR Bildgebung nachweisbar. Eine Auswertung der mittels CMR erhobenen Funktionsparameter ergab Funktionseinschränkungen der Tiere für die kardialen Parametern EDV, ESV; EF, MyoGLS, EndoGLS sowie SV. Die [19F] CMR Bildgebung zeigte ein fleckiges Verteilungsmuster, Bereiche mit [19F]-Signalen überschnitten sich dabei mit Bereichen mit LGE, waren aber nicht deckungsgleich. Die CMR und [19F] CMR Befunde konnten durch die histologischen Befunde untermauert werden; so ließen sich auch durch klassische histologische Färbungen (H.E., Gömöri) MVOs und IMH nachweisen. Die Einwanderung von Entzündungszellen stellte sich auf histologischer Ebene fleckig dar und spiegelte das fleckige Muster des [19F]-Signalw wider. Die immunhistologische Markierung HLA-DR exprimierender Zellen bestätigte, dass ein detektiertes Fluorsignal in direktem Zusammenhang mit dem Auftreten von eingewanderten aktivierten Makrophagen stand.
Das Schweinemodell war somit einerseits in der Lage, die humane Situation nach AMI abzubilden und eignet sich andererseits für die Entzündungsbildgebung mittels [19F] CMR. Während des Versuchs waren die Tiere maximal einer mäßigen Belastung aus-gesetzt. Kein Versuch musste auf Grund im Vorfeld definierter humaner Abbruchkritieren vorzeitig beendet werden. Fazit: Die [19F] Entzündungsbildgebung ist dazu in der Lage, die sich an den AMI anschließende sterile Entzündungsreaktion in einem relevanten Großtiermodell unter in vivo Bedingungen zu detektieren.