Bitte benutzen Sie diese Referenz, um auf diese Ressource zu verweisen: doi:10.22028/D291-26906
Titel: Der Einfluss von Simvastatin sowie verschiedenen Phosphodiesterase-Inhibitoren auf die Mikrozirkulation kritisch perfundierter muskulokutaner Lappenplastiken am atherosklerotischen Mausmodel.
Verfasser: Schröder, Tanja Lieselotte
Sprache: Deutsch
Erscheinungsjahr: 2017
Erscheinungsort: Homburg/Saar
SWD-Schlagwörter: Simvastatin
Phosphodiesterasehemmer
Mikrozirkulation
Arteriosklerose
DDC-Sachgruppe: 610 Medizin, Gesundheit
Dokumentart : Dissertation
Kurzfassung: Hintergrund: In der plastischen und rekonstruktiven Chirurgie ist die Defektdeckung mit Lappenplastiken ein häufig angewendetes Verfahren. Hierbei stellt die ischämiebedingte Mikrozirkulationsstörung mit nachfolgender Nekrose, vor allem des distalen Lappenanteils, nach wie vor ein ernstzunehmendes Problem dar, welches letztendlich zum partiellen oder totalen Lappenverlust führen kann. Neben der Sauerstoffminderversorgung spielen auch ischämieinduzierte Entzündung und endotheliale Dysfunktion eine entscheidende Rolle. Insbesondere Patienten mit Atherosklerose weisen Perfusionsstörungen auf, welche die Ischämie weiter fördern können. Das Ziel dieser Studie war es zu untersuchen, welchen Einfluss eine medikamentöse Präkonditionierung auf die Mikrozirkulation und Nekroseentstehung in randomisiert perfundierten Lappenplastiken am atherosklerotischen Mausmodell hat. Als erste Substanz diente der Lipidsenker Simvastatin, welcher viele pleiotrope Effekte, wie die Verbesserung der endothelialen Dysfunktion und Plaquestabilisierung sowie eine anti-oxidative und anti-inflammatorische Wirkung, besitzt. Des Weiteren wurden vier verschiedene Phosphodiesterase-Inhibitoren – Theophyllin, Cilostazol, Rolipram und Sildenafil – eingesetzt. Durch die Beeinflussung von „second messenger“-Systemen werden zahlreiche zelluläre Effekte erzielt, unter anderem die Freisetzung von vasoaktiven Substanzen, Immunmodulation, Hemmung der Thrombozytenaggregation und verminderte Ausschüttung von Entzündungsmediatoren. Dies sind alles Wirkungen, die sowohl bei der Atherogenese als auch bei der Perfusion von kritisch ischämischen Lappenplastiken eine große Rolle spielen. Material und Methoden: An Apolipoprotein E-defizienten Mäusen wurde ein randomisiert durchbluteter Haut-Muskellappen (15x11mm) gehoben und in einer chronischen Rückenhautkammer fixiert. An den Tagen 1, 3, 5, 7 und 10 nach Lappenhebung erfolgte die Analyse der Mikrozirkulation mittels repetitiver intravitaler Fluoreszenzmikroskopie. Durch Injektion von FITC-Dextran 150.000 vor jeder Intravitalmikroskopie bzw. topischer Auftragung von Bisbenzimid im Rahmen der Operation konnten die Ausdehnung der Gewebenekrose, funktionelle Kapillardichte, Durchmesser, Fließgeschwindigkeit und Blutfluss in Arteriolen, Venulen und Kapillaren sowie der apoptotische Zelltod jeweils im proximalen, zentralen und distalen Lappenanteil dargestellt werden. Die Auswertung der Daten erfolgte anschließend offline mit dem computergestützten Analysesystem CapImage®. Die Präkonditionierung mit Simvastatin und den Phosphodiesterase-Inhibitoren erfolgte erstmals 24 Stunden vor der Lappenhebung sowie an den folgenden vier Tagen; NaCl- behandelte Tiere dienten als Kontrollgruppe. Zusätzlich wurden am Versuchsende die Gesamtcholesterin- sowie Triglycerid-Konzentrationen im Serum der Apolipoprotein E-defizienten Mäuse bestimmt und mit denen der Wildtyp-Mäuse verglichen. Ergebnisse: Die Gesamtcholesterinkonzentration der Apolipoprotein E-defizienten Mäuse waren im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen signifikant um den Faktor 20 bis 25 erhöht (p<0,001). Zwischen Kontrollgruppen und Behandlungsgruppen Apolipoprotein E-defizienter Mäuse gab es keine signifikanten Unterschiede in den Gesamtcholesterinkonzentrationen. Bei den Triglyceriden waren die Unterschiede deutlich geringer ausgeprägt. Lediglich bei den mit Theophyllin vorbehandelten ApoE-/--Mäusen fanden sich signifikant erhöhte Triglycerid-Werte gegenüber den mit Simvastatin- und NaCl-behandelten ApoE-/--Mäusen (p<0,05) sowie gegenüber den Wildtyp-Mäusen (p<0,001). Im ersten Versuchsabschnitt mit Simvastatin und dem unspezifischen Phosphodiesterase-Inhibitor Theophyllin zeigte sich nach Lappenhebung in der NaCl-behandelten Kontrollgruppe ein zunehmender Ausfall der kapillaren Perfusion mit Beeinträchtigung der Mikrozirkulation in allen Lappenanteilen. Schlussendlich führte dies zu einer Lappennekrose von 61±9%. Bei Simvastatin-behandelten Tieren fand sich insgesamt ein verbessertes Lappenüberleben (47±8%; Tag 10). Dies war jedoch nicht signifikant verschieden von dem der Kontrollgruppe. Eine konstante Verbesserung der Mikrozirkulation oder aber der Reduktion der Anzahl apoptotischer Zellen konnte nicht erreicht werden. Die mit Theophyllin präkonditionierten Tiere zeigten im proximalen und zentralen Lappenanteil bereits initial nach Lappenhebung eine im Vergleich zur Kontrollgruppe höhere Kapillardichte, welche über den gesamten Versuchszeitraum aufrechterhalten werden konnte (proximal 101±34 vs. 24±10cm/cm²; zentral 127±20 vs. 24±19cm/cm²; Tag 10, p<0,05). Entsprechend war auch die Mikrozirkulation deutlich und anhaltend verbessert. Dies resultierte schlussendlich in einer signifikant reduzierten Lappennekrose über den gesamten Beobachtungszeitraum von 10 Tagen (21±3%; Tag 10; p<0,05). Im zweiten Versuchsteil mit spezifischer Hemmung der Phosphodiesterasen 3 (Cilostazol), 4 (Rolipram) und 5 (Sildenafil) wurde bei den Kontrolltieren – analog zu Versuchsabschnitt eins – ein zunehmender Ausfall der nutritiven Perfusion sowie eine unzureichende Mikrozirkulation in allen Anteilen des „random pattern flap“ beobachtet. Dieses Perfusionsversagen verursachte letztendlich eine Lappennekrose von 65±6%. Bei Cilostazol-behandelten Mäusen fand sich die stärkste Beeinträchtigung der Mikrozirkulation. Im zentralen und distalen Lappenanteil war ab Tag 7 die Perfusion sowohl in Arteriolen, aber auch in Venulen und Kapillaren komplett ausgefallen. Dementsprechend betrug die Nekrose schlussendlich 76±6% der Gesamtgewebefläche. Durch die Behandlung mit Rolipram konnte die arterioläre und venuläre Fließgeschwindigkeit im zentralen Anteil des Lappen verbessert werden, die funktionelle Kapillardichte war jedoch über den gesamten Beobachtungszeitraum beeinträchtigt. Nichtsdestotrotz lag die nekrotische Gewebefläche an Tag 10 bei 43±12%. Die mit Sildenafil präkonditionierten Tiere wiesen im proximalen und zentralen Anteil des Lappens gegenüber der Kontroll- sowie der Cilostazol-Gruppe erhöhte arterioläre und venuläre Fließgeschwindigkeiten und Blutflüsse auf. Auch die nutritive Perfusion war in diesen Lappenanteilen verbessert. Es entwickelte sich über den Versuchszeitraum eine Lappennekrose von 41±9%, welche ab dem dritten Beobachtungstag gegenüber den mit Cilostazol behandelten Tieren signifikant geringer ausgeprägt war (p<0,05). Schlussfolgerung: Die vorliegende Studie zeigt, dass eine medikamentöse Präkonditionierung das Ausmaß der Lappennekrose von „random pattern flaps“ im atherosklerotischen Mausmodell vermindern kann. Allerdings vermag Simvastatin trotz seiner vielen pleiotropen Effekte keine signifikante Verbesserung des Lappenüberlebens herbeizuführen. Die spezifische Inhibition der Phosphodiesterase 3 führte gar zu einer weiteren Verstärkung des Mikrozirkulationsschadens und der Lappennekrose. Die spezifische Hemmung der Phosphodiesterasen 4 und 5 konnte die Nekroseentstehung reduzieren, was den Einsatz unter klinischen Bedingungen erfolgversprechend scheinen lässt. Durch Theophyllin-Gabe konnten Mikrozirkulation und nutritive Perfusion anhaltend verbessert und somit die Nekroseentwicklung signifikant vermindert werden. Eine Präkonditionierung mit Theophyllin stellt somit einen möglichen nicht invasiven und kostengünstigen Ansatz dar, dem ischämiebedingten Lappenverlust bei Patienten mit manifester Atherosklerose im klinischen Alltag vorzubeugen.
Background: In plastic and reconstructive surgery the coverage of defects with flaps is an established and wildly used method. Hereby, insufficient perfusion followed by necrosis, especially of distal flap areas, still represents a major problem, which may lead to partial or complete flap loss. In addition to an insufficient blood supply, inflammation and endothelial dysfunction play a crucial role in flap failure. This is of particular interest in patients with atherosclerosis, where the restriction of blood flow can promote ischemia and tissue injury. The aim of the present study was therefore to investigate in an atherosclerotic mouse model the effect of pharmacological preconditioning on the microcirculation and tissue necrosis in random pattern flaps. The first substance used was the lipid-lowering drug simvastatin, which has many pleiotropic activities, such as the improvement of endothelial dysfunction and plaque stabilization as well as the counteraction of oxidants and inflammatory mediators. Furthermore, four different phosphodiesterase inhibitors – theophylline, cilostazol, rolipram and sildenafil – were used. By influencing second messenger systems, numerous cellular effects can be achieved, including the release of vasoactive substances, immunomodulation, inhibition of platelet aggregation and reduction of inflammatory mediator release. All reported effects play a major role in both atherogenesis and the perfusion of critically ischemic flaps. Methods: A random pattern musculocutaneous flap (15x11mm) was elevated in apolipoprotein E-deficient mice and fixed into a dorsal skinfold chamber. Repetitive intravital fluorescence microscopy was performed at day 1, 3, 5, 7 and 10 after flap elevation in order to analyze the microcirculation. By injection of FITC-dextran 150.000 before each intravital microscopy or topical application of bisbenzimide during the operation, the area of tissue necrosis, functional capillary density, diameter and blood flow in arterioles, venules, and capillaries, as well as apoptotic cell death could be analyzed in the proximal, central and distal area of the flap. All parameters were analyzed offline, using the computer-assisted analysis system CapImage®. Simvastatin and the phosphodiesterase inhibitors were first administered 24 hours before flap elevation and on the following four days; animals receiving saline treatment served as controls. Furthermore serum total cholesterol- and triglyceride-concentrations of apolipoprotein E-deficient mouse were quantified on day 10 and compared to that of wild type mice. Results: Serum total cholesterol levels were 20 to 25fold higher in apolipoprotein E-deficient mice compared to wild type mice (p<0,001). Between any group of treated and untreated Apo E-deficient mice there were no significant differences in cholesterol concentrations. The differences in triglyceride concentrations were found less pronounced. Solely Theophylline-treated ApoE-/--mice showed significant higher triglyceride levels compared to that of simvastatin- and saline-treated ApoE-/--mice (p<0,05), as well as to that of wild type mice (p<0,001). In the first part of this study Simvastatin and the unselective phosphodiesterase-inhibitor theophylline were analyzed. In the saline-treated control animals a distinct decrease of functional capillary density was noted in each area of the flap. This resulted in a flap necrosis of 61±9%. Animals treated with simvastatin showed a slightly improved flap survival, which, however, was not significantly different to that of saline-treated controls (47±8%; day 10). A constant improvement of microcirculatory parameters or reduction of apoptotic cell death could not be achieved. In contrast, in mice treated with theophylline we observed a significant increase of functional capillary density in the proximal and central flap areas as early as one day after flap elevation, which could be maintained during the whole observation period (proximal 101±34 vs. 24±10cm/cm²; central 127±20 vs. 24±19cm/cm²; day 10, p<0,05). Consequently, tissue necrosis was significantly reduced at all days of the observation period (21±3%; day 10; p<0,05). In the second part of the study we selectively inhibited the phosphodiesterases 3 (cilostazol), 4 (rolipram) and 5 (sildenafil). The flaps of saline-treated controls showed an increasing decline of nutritive perfusion and microcirculation in all parts of the random pattern flap. This perfusion failure resulted in a flap necrosis of 65±6%. In cilostazol-treated mice we observed the poorest microcirculation. In the central and distal flap areas there was a complete loss of perfusion in arterioles, venules and capillaries from day 7 on. As a result, tissue necrosis was 76±6% of the total flap surface. By treatment with rolipram arteriolar and venular velocity could be improved in the central part of the flap, however, functional capillary density was low. Accordingly tissue necrosis was 43±12% on day 10. The application of sildenafil caused an increased blood cell velocity and blood flow in arterioles and venules in the proximal and central part of the flap compared to controls and cilostazol-treated animals. Sildenafil further improved capillary perfusion and, finally, reduced flap necrosis to 41±9%. This was significantly lower from day 3 onwards compared to cilostazol-treated animals (p<0,05). Conclusion: The present study shows that pharmacological pretreatment can prevent tissue necrosis in random pattern musculocutaneous flaps in atherosclerotic mice. However, Simvastatin, despite many pleiotropic effects, was not able to reduce necrosis in a significant manner. Of interest, specific inhibition of phosphodiesterase 3 leads to further aggravation of microcirculatory dysfunction and flap necrosis. In contrast, inhibition of phosphodiesterases 4 and 5 could slightly improve flap survival. Thus, the use of these drugs may be promising under clinical conditions. Finally, the unspecific phosphodiesterase-inhibitor theophylline is capable to maintain nutritive perfusion and hence significantly reduces flap necrosis. Therefore, theophylline may represent a non-invasive and cost-effective pretreatment strategy to improve survival of jeopardized flaps in patients with manifest atherosclerosis.
Link zu diesem Datensatz: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-ds-269066
hdl:20.500.11880/26881
http://dx.doi.org/10.22028/D291-26906
Erstgutachter: Menger, Michael D.
Tag der mündlichen Prüfung: 28-Sep-2017
SciDok-Publikation: 22-Nov-2017
Fakultät: M - Medizinische Fakultät
Fachrichtung: M - Chirurgie
Fakultät / Institution:M - Medizinische Fakultät

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