Experimentelle Transplantation

Die Herztransplantation hat als Therapie der fortgeschrittenen Herzinsuffizienz beachtliche Erfolge erzielt. Die 1-Jahres-Überlebensrate ist seit der Einführung des Immunsuppressionsschemas mit Cyclosporin A, Azathioprin und Corticosteroiden auf 75-80% angestiegen. Die jährliche Sterberate ist jedoch mit 4% gleich geblieben. Ursache für die Verschlechterung des Transplantatverhaltens im Langzeitverlauf ist die Ausbildung der Transplantatvaskulopathie. Antigen-abhängige und antigen-unabhängige Faktoren werden ätiologisch hierfür verantwortlich gemacht. Zu den antigen-abhängigen Faktoren zählt die akute Rejektion, zu den antigen-unabhängigen Faktoren wird der Ischämie-Reperfusion-Schaden, arterielle Hypertonie, Fettstoffwechselstörung sowie spenderassoziierte Risikofaktoren wie z.B. der Hirntod des Spenders gezählt.

Die Arbeitsgruppe "experimentelle Transplantation" in der Klinik und Poliklinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie beschäftigte sich im besonderen mit Untersuchungen über den Einfluß des Spenderrisikofaktors "Hirntod" auf die akute und chronische Abstoßung nach Herztransplantation sowie mit der Entwicklung eines neuartigen heterotopen Herztransplantationsmodells.

I. Einfluß des Hirntodes auf die akute und chronische Abstoßung nach Herztransplantation

A. Entwicklung eines Hirntodmodells der Ratte

Es wurde ein neuartiges Hirntodmodell der Ratte entwickelt, in dem über einen Verlauf von 6 Stunden ein normotensiver Blutdruck aufrechterhalten werden konnte. Der sonst übliche Abfall des Blutdrucks nach Hirntod und die dadurch bedingte längerdauernde Ischämie des Herzens im Spender, die ansonsten die Effekte des Hirntodes überlagern würde, konnte vermieden werden. Die Ratten wurden mit einem intraarteriellen Katheter zur kontinuierlichen Blutdrucküberwachung instrumentiert und über eine Tracheotomie mechanisch beatmet.

B. Einfluß des Hirntodes auf die akute Abstoßung von Rattenherzen

Sechs Stunden nach Auslösung des Hirntodes wurden die Herzen von hirntoten Spendern in unbehandelte Empfänger transplantiert. Als Vergleichsgruppe dienten Herzen von normalen, anästhesierten Ratten. Als experimentelles Transplantationsmodell diente die heterotope Herztransplantation in der Ratte. Die Aorta ascendens des Spenderherzens wurde hierbei an die Aorta abdominalis des Empfängers, die Pulmonalarterie des Spenderherzens an die Vena cava inferior des Empfängers anastomosiert. Die Herzen von hirntoten Ratten wurden signifikant früher abgestoßen (9.3 Tage) als die Herzen der Kontrolltiere (11.3 Tage, p<0.05). Zur Untersuchung der zugrundeliegenden Ursachen wurden Herztransplantate von hirntoten und Kontrollspendern zu verschiedenen Zeitpunkten nach Transplantation untersucht. Herzen von hirntoten Spendern zeigten dichtere Zellinfiltrate und eine ausgeprägtere Hochregulation der Expression verschiedener proinflammatorischer Zytokine (TNF-alpha, IL-1beta, MCP-1) sowie von Adhäsionsmolekülen (ICAM-1, VCAM-1) im Vergleich zu Herzen von Kontrolltieren. Der Hirntod führte zu einer immunologischen Aktivierung des Spenderherzens und dadurch zu einer beschleunigten Abstoßungsreaktion durch den Empfänger.

C. Einfluß des Hirntodes auf die chronische Abstoßung von Rattenherzen

Herzen von hirntoten Spendern wurden 6 Stunden nach Auslösung des Hirntodes in Empfänger transplantiert, die mit Cyclosporin immunsupprimiert wurden. Als Kontrolle dienten Herzen von anästhesierten, normalen Ratten. Im Langzeitverlauf bis zu 120 Tagen nach Transplantation wurde in Herzen von hirntoten Spendern ein im Vergleich zu Herzen von Kontrolltieren intensiveres Zellinfiltrat und ein unterschiedliches Profil von Zytokinen/Chemokinen nachgewiesen. Der Hirntod bewirkte eine qualitative Modulation der Immunantwort des immunsupprimierten Empfängers. Dies könnte bedeuten, daß der Hirntod ein verändertes Transplantatverhalten im Langzeitverlauf nach Transplantation bewirkt.

II. Entwicklung eines physiologisch arbeitenden heterotopen Herztransplantationsmodells

Das etablierte heterotope Herztransplantationsmodell hat den Nachteil, daß das transplantierte Herz nicht volumen-belastet ist. Dadurch kommt es im Langzeitverlauf zur Atrophie der Spenderherzmuskulatur, wodurch die Untersuchungsergebnisse möglicherweise beeinflußt werden. Ziel war es, ein unkompliziertes, volumen-belastetes heterotopes Herztransplantationsmodell für den Routinegebrauch zu etablieren. In dem neu entwickelten Modell wurde die obere Hohlvene des Spenderherzens an die untere Hohlvene des Empfängers angeschlossen. Am Spenderherzen selbst wurde die Pulmonalarterie an den linken Vorhof des Spenderherzens anastomosiert. Die Aorta ascendens des Spenderherzens wurde an die Aorta abdominalis des Empfängerherzens angeschlossen. Dadurch wurde das Spenderherz über die obere Hohlvene mit Volumen beladen, das dann über den rechten Vorhof, rechten Ventrikel und Arteria pulmonalis in den linken Vorhof und Ventrikel gelangte und von dort über die Spenderaorta in die Aorta abdominalis des Empfängers ausgeworfen wurde. Hämodynamische Untersuchungen in situ sowie im explantierten, isoliert perfundierten Transplantatherzen zeigten eine wesentlich bessere systolische und diastolische Funktion der volumenbelasteten Transplantatherzen im Vergleich zu den konventionellen, nicht-volumenbelasteten Transplantatherzen. Die hämodynamischen Eigenschaften der volumenbelasteten Transplantatherzen waren denen von Nativherzen vergleichbar. Dadurch wurde ein einfach zu handhabendes Modell geschaffen, mit dem Fragen der akuten und chronischen Abstoßung am nahezu physiologisch arbeitenden, transplantierten Herzen untersucht werden können.

Drittmittelgeber:

Forschungsstipendien der Deutschen Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. M. Wilhelm, OA PD Dr. B. Asfour, OA PD Dr. C. Schmid

Veröffentlichungen:

Wilhelm, M.J., M. Kusaka, J. Pratschke, N.L. Tilney: Chronic rejection: increasing evidence for the importance of allogen-independent factors. Transplant Proc 1998 Aug;30(5):2402-6

Wilhelm, M.J., J. Pratschke, D. Paz, I.A. Laskowski, N.L. Tilney: Early inflammatory events associated with chronic allograft rejection. Curr Opin Organ Transplant 1999;4:11-15.

Wilhelm, M.J., J. Pratschke, M. Kusaka, W.W. Hancock, N.L. Tilney: Donor brain death affects tempo and intensity of acute rejection of rat cardiac allografts. Transplant Proc 1999;31:1008-1009.

Wilhelm, M.J., J. Pratschke, I.A. Laskowski, D.M. Paz, R.N. Mitchell, W.W. Hancock, N.L. Tilney: Brain death enhances injury of rat cardiac allografts by induction of multiple chemokines, chemokine receptors and proinflammatory mediators. Transplantation 1999;67(9):S574.

Asfour, B., B.J. Byrne, H.A. Baba, D. Hammel, R.H. Hruban, M. Weyand, M. Deng, H.H. Scheld: Effective DNA - virus mediated gene transfer in the rat-myocardium, via a coronary re-circulation model. Thorac Cardiovasc Surg 1999; 47(5):311-316

Asfour, B., M. Hare, T. Kohl, H. Baba, D. Kass, K. Chen, T.D.T. Tjan, D. Hammel, M. Weyand, R. Hruban, H.H. Scheld, B. Byrne: A simple new model of physiologically working heterotopic rat heart transplantation provides hemodynamic performance equivalent to that of an orthotopic heart. J Heart Lung Transplant 1999; 18: 927-936

Asfour, B., M. Wilhelm, H.A. Baba, C.L. Chen, W. Baldwin, R.H. Hruban, T. Kohl, C. Schmid, H. Rotering, H.H. Scheld, B.J. Byrne: Myocardial work-load significantly affects graft atherosclerosis in heterotopically transplanted rat heart allografts. Transplantation 1999; 67:S413