DNA-Chip-Technologie als Screeningmethode zur Evaluierung der Hämokompatibilität von Fremdoberflächen

Diplomarbeit von Jan Hoffmann

Einleitung:

In den letzten Jahrzehnten wird den sogenannten „neuen“ Krankheiten der Industrieländer, wie Adipositas, Hypertonie und Herzinsuffizienz, eine immer größere Bedeutung beigemessen, da trotz der besseren und schnelleren medizinischen Versorgung die Zahl an erkrankten Patienten kontinuierlich steigt. Neben Übergewicht und Bewegungsmangel werden hauptsächlich folgende Risikofaktoren als Ursachen für eine mögliche Schwächung des Herzens diskutiert: falsche Ernährung, verbunden mit erhöhtem Stress, Alkohol- und Nikotingenuss, bzw. einer genetischen Prädisposition. Die zunächst unbemerkt auftretende Verschlechterung der Herzdurchblutung durch partielle Verengung der Koronargefäße manifestiert sich primär durch eine Steigerung des Blutdrucks. Die daraus resultierende Leistungsminderung ist die Folge der zusätzlich immer stärker werdenden Rigidität und der verstärkt auftretenden Verengung der Koronargefäße, die bei vollkommenem Verschluss in einem Herzinfarkt münden.

Die Behandlung der koronaren Herzkrankheit erfolgt entweder medikamentös, über eine Ballondilatation oder durch einen chirurgischen Eingriff. Mittels der Ballondilatation werden die verengten Gefäße geweitet und zusätzlich über die Implantation von Koronarendoprothesen stabilisiert. Bei anhaltenden Beschwerden ist die Bypass-Operation eine weitergehende Möglichkeit die stabile Funktionalität des Herzen wiederherzustellen.

Über eine Herzlungenmaschine wird es dem Arzt ermöglicht an stillgelegten Herzen zu operieren, wobei das Blut über ein Schlauchsystem aus dem Körper geleitet, oxygeniert und anschließend mit einer gewissen Intensität wieder in den Körper zurückgepumpt wird.

Bei dieser extrakorporalen Zirkulation tritt im Körper eine generelle Entzündungsreaktion auf und es werden hämostaseologische Abwehrmechanismen wie die Blutgerinnung aktiviert - obwohl dem Blut Antikoagulantien zugesetzt werden. Für diese Erscheinungen werden zwei Ursachen diskutiert: Zum einen kann der Kontakt mit Fremdoberflächen, also mit den Oxygenatorschläuchen und Pumpen der Herz-Lungen-Maschine, die Blutbestandteile ganz allgemein aktivieren. Zum anderen ist es denkbar, dass die Pumpsysteme die Blutzellen schädigen und so zum Beispiel aus Leukozyten Enzyme freisetzen, welche die Blutgerinnung initiieren.

Die angesprochene Biokompatibilität zu unphysiologischen Oberflächen ist in der heutigen Medizin ein großes und wichtiges Problem. Jeder künstlicher Eingriff in den Körper bringt ein biologisches System mit einem synthetischen Material in Verbindung. Sei es für längere Zeit, wie bei künstlichen Herzklappen oder Gelenken, bei denen Die Zytokompatibilität (Gewebeverträglichkeit) eine wesentliche Rolle spielt, oder nur für kurze Zeit, wie bei kardiopulmonaren Bypassoperationen, bei denen die Hämokompatibilität (Blutverträglichkeit) zum Leidwesen der Patient noch immer ungenügend ist. Auch bei invasiven Operationen am Herzen, bzw. bei der Implantation von endokoronaren Gefäßprothesen (Stents), aktiviert der Kontakt von Blut mit unphysiologischen Oberflächen das Gerinnungssystem, das Fibrinolysesystem und das zelluläre wie humorale Abwehrsystem. Diese Bioinkompatibilität der synthetischen Implantate verdeutlicht die Unverträglichkeit und trägt einen großen Anteil am postoperativen Zustand der Patienten (host-versus-graft reaction).

Es wurde noch keine Beschichtung von Fremdoberflächen gefunden, die eine perfekte Verträglichkeit garantiert, das heißt die ganz ohne systemisch-inflammatorische Antwort bleibt. Dabei ist die Hämoinkompatibilität der Hauptgrund für darauf folgende Thrombosierungs- und inflammatorische Prozesse mit vermehrter Ausschüttung von Zytokinen, freie Radikalen, etc. Trotz Suppression mit Antikoagulantien kann es zur Mikrothrombenbildung und Mikroembolisation in Organen kommen. Im Rahmen der Entzündungsreaktion tritt eine vermehrte Membranpermeabilität mit erhöhtem Volumenbedarf und generalisierter Ödemneigung auf.

Die Problematik bei der Entwicklung von besser biokompatiblen Materialien besteht darin, dass bisher nur unvollständige Kenntnisse über den Pathway der Aktivierungsmechanismen vorhanden sind. Hier wären genaue Kenntnisse über intra- und extrazelluläre Signaltransduktionen von großem Vorteil um Oberflächen zu erzeugen, die vom menschlichen Körper nicht mehr als Fremdkörper anerkannt werden und damit eine falsch pathophysiologische Immunantwort möglicherweise ausbleibt.

Bisher gibt es keine umfassenden molekularbiologischen Untersuchungen, die spezielle Genexpressionsmuster bei Blut-Material-Kontakt analysiert haben. Deshalb sollte mittels der DNA-Chip Technologie ein breites Screening der unterschiedlichen Genexpressionen vorgenommen werden. Nach genauer Auswertung wird die Expression einzelner, interessanter Gene mit Hilfe der Real-Time-PCR Technologie überprüft.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit zwei unterschiedlichen Ansätzen der Blutkontakt mit Fremdmaterialien simuliert:

Zum einen mit Hilfe eines etablierten in vitro Stent-Test-Modells, wobei auf molekularer Ebene die reine Auswirkung don Koronarendoprothesen bei Blutkontakt untersucht wurde.

Zum anderen mit Hilfe einer Patientenstudie, mit herzkranken männlichen Patienten, die sich einer aortokoronaren Bypassoperation unterziehen mussten. Zwei Patientengruppen wurden verglichen, mit jeweils unterschiedlichen Beschichtungen der Materialien des HLM-Systems die in Blutkontakt kamen: bioaktiv und biopassiv.

Bei der bioaktiven Gruppe wird ausschließlich eine Heparinbeschichtung verwendet. Bei der biopassiven Gruppe ist nur der Oxygenator mit einer neutralen Beschichtung versehen.

Von den gewonnenen Erkenntnissen verspricht man sich neue Ansätze für die Entwicklung von Pharmaka zur Beeinflussung bestimmter Genaktivitäten zur Reduzierung der host-versus-graft reaction. Von der Modifizierung und Funktionalisierung von Fremdoberflächen zur Schaffung von besser biokompatiblen Materialen, die eine optimale Integration in den menschlichen Körper bewirken, verspricht man sich in den kommenden Jahren revolutionäre Veränderungen in der invasiven Chirurgie.

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