Universität zu Köln

Chobanova, Vasilena (2023). Untersuchungen zum Einfluss von DNase I auf die Gefäßfunktion und Inflammation in einem Ratten-EKZ-Modell mit tiefer Hypothermie. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die Verwendung einer extrakorporalen Zirkulation (EKZ) im Rahmen von herzchirurgischen Operationen ermöglicht eine Mehrzahl dieser Eingriffe. Die Herz-Lungen-Maschine (HLM) stellt eine dafür etablierte Methode dar. Trotzdem ist die EKZ eine große Herausforderung für den menschlichen Körper. Das chirurgische Trauma, die Aktivierung des Gerinnungssystems, der Ischämie/Reperfusionsschaden (I/R-Schaden) sowie die Endotoxinämie führen zu einer massiven systemischen inflammatorischen Immunabwehrreaktion (Systemic Inflammatory Response Syndrom, SIRS), was häufig Organ- und Gewebsschaden, insbesondere auch Endothelschaden verursacht und hohe postoperative Morbidität- und Mortalitätsrate zu Folge hat. Im Rahmen des SIRS nach EKZ kommt es zu einem Konzentrationsanstieg von zellfreier DNA (cfDNA), einschließlich Neutrophil Extracellular Traps (NETs) sowie von proinflammatorischen Zytokinen. Die NETs bestehen aus einem Chromatingerüst und haben die primäre Aufgabe Pathogene im Blut einzufangen und zu eliminieren. Eine Überproduktion von NETs führt durch NETs-assoziierte Bestandteile wie Histone und Myeloperoxidase zu Gewebsschaden, insbesondere auch zu Endothelschaden. Das körpereigene Enzym Desoxyribonuclease I (DNase I) degradiert cfDNA/NETs. DNase I zeigte in mehreren Studien eine Reduktion des I/R-Schadens sowie der Inflammation. In dieser Doktorarbeit wurde die Auswirkung von exogener DNase I auf die Plasmakonzentration von cfDNA/NETs, auf die inflammatorische Reaktion sowie auf den Endothelschaden im Rahmen der EKZ anhand eines Ratten-EKZ-Modells mit Deep Hypothermic Cardiac Arrest (DHCA) untersucht. Die Versuchstiere wurden an eine EKZ für Kleintiere angeschlossen, in drei Gruppen unterteilt und erhielten jeweils eine, zwei oder keine intravenöse DNase I Gabe. Durch tiefe Hypothermie wurde ein Herzstillstand verursacht, es erfolgte nach bestimmter Ischämiezeit und Wiedererwärmung eine Reperfusion der Tiere. Am Ende des Versuches wurden die Aorten der Tiere entnommen und die Vasoreaktivität ex vivo untersucht. Die Verabreichung von DNase I führte zu einer signifikanten Reduktion der Plasmakonzentration der cfDNA/NETs, des proinflammatorischen Zytokins IL-6 sowie des Endothelschadenmarkers lösliches intrazelluläres Adhäsionsmolekül 1 (sICAM-1). Zusätzlich konnte bei den mit DNase I behandelten Aorten eine signifikant verbesserte Vasoreaktivität gemessen werden. Dabei zeigte sich eine positive Korrelation zwischen den cfDNA/NETs-Mengen im Plasma und der Vasorelaxation. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass cfDNA/NETs, welche im Rahmen der pathophysiologischen Entzündungskaskade bei EKZ-Eingriffen vermehrt freigesetzt werden, zu einer Hochregulation der Zytokinproduktion führen und eine Endothelschädigung und somit verschlechterte Gefäßreaktion verursachen. 9 Die i.v. Gabe von DNase I verbessert signifikant die Gefäßfunktion, mindert die Entzündung und stellt somit eine mögliche Therapieoption bei Eingriffen mit EKZ dar.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language The cardiopulmonary bypass (CPB) has played an important role over the centuries in the history of cardiac surgery, making a big part of the surgical procedures today possible. The life-support-machine is one of the most established methods as an example for CPB. However, the surgical trauma, the activation of the coagulation system, the ischaemia/reperfusion (I/R) injury as well as the endotoxemia during CPB lead to a massive activation of the body defence mechanisms, resulting in a systemic inflammatory response syndrome (SIRS). SIRS is related to many complications including organ and tissue damage, especially endothelial damage, ongoing with increased postoperative morbidity and mortality. During CPB the concentrations of cell-free DNA, including Neutrophil Extracellular Traps (cfDNA/NETs) as well as of inflammatory cytokines in plasma strongly increase. The main defence task of NETs is to capture pathogens in their chromatin backbone and to eliminate them. However, there is a growing body of evidence, that an uncontrolled overproduction of NETs is associated with organ and tissue damage and especially endothelial damage via NETs components like histones and myeloperoxidase. The endogenous enzyme DNase I can degrade cfDNA/NETs. Many experimental studies showed that DNase I also reduces the I/R injury as well as the inflammatory response. The focus of this work was to study the effect of exogenously applied DNase I on the cfDNA/NETs plasma concentration as well as on inflammation and the endothelial damage during CPB, based on a rat CPB model with Deep Hypothermic Cardiac Arrest (DHCA). Animals were divided into three groups and received one, two or none i.v. DNase I doses during a CPB procedure. They were connected to a custom-made life-support-machine for small animals. Then, cardiac arrest was induced through deep hypothermia. After a predefined time, during which the bodies were exposed to ischaemia, the animals were rewarmed, followed by reperfusion. Finally, animals were euthanized, the aortas were removed and their vasoreactivity was studied ex vivo. DNase I significantly reduced the levels of cfDNA/NETs, of the proinflammatory cytokine IL-6 and the endothelial damage marker soluble intracellular adhesion molecule 1 (sICAM-1). Additionally, the aortas from animals, which received DNase I, showed a significantly improved endothelial-dependent vasoreactivity. Positive correlation between cfDNA/NETs levels and vasoreactivity was also observed. In summary, cfDNA/NETs, which are released during CPB as part of the inflammatory cascade, induce increased production of proinflammatory cytokines, endothelial damage and impairment of vascular function. Application of DNase I during CPB significantly improves vasoreactivity and limits inflammation, thus representing a potential therapeutic option for surgical interventions with CPB. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Chobanova, Vasilena vasilenachobanova@ymail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-701127
Date:	21 March 2023
Language:	German
Faculty:	Faculty of Medicine
Divisions:	Faculty of Medicine > Chirurgie > Klinik und Poliklinik für Herz- und Thoraxchirurgie
Subjects:	Life sciences Medical sciences Medicine
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Herz-Lungen-Maschine,HLM,extrakorporale Zirkulation,EKZ, cfDNA, cell-free DNA, Inflammation, IL-6, tiefe Hypothermie, Rattenmodell, endothelabhängige Gefäßfunktion, DNase I, Desoxyribonuclease I, SIRS, NETs, Ischämie/Reperfusionsschaden, I/R-Schaden German cardiopulmonary bypass, CPB, rat model, deep hypothermic cardiac arrest, DHCA, endotheldependant vascular function, inflammation, cfDNA, cell free DNA, DNase I, neutrophil extracellular traps, NETs, I/R injury English
Date of oral exam:	21 March 2023
Referee:	Name Academic Title Paunel-Görgülü, Adnana Professorin Dr. rer. nat. Höpke, Katja Privatdozentin Dr. med.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/70112