Background: Lung dysfunction constitutes a severe complication after major cardiac surgery with cardiopulmonary bypass (CPB), substantially contributing to postoperative morbidity and mortality. The current possibilities of preventive and therapeutic interventions, however, remain insufficient. We, therefore, investigated the effects of intraoperative application of the antioxidant and anti-inflammatory green tea polyphenol epigallocatechin-3-gallate (EGCG) on CPB-associated lung injury. Materials and methods: Thirty piglets (8 - 15 kg) were divided into four groups: sham-operated and saline-treated control group (n = 7); sham-operated and EGCG-treated control group (EGCG-control group; n = 7); CPB group (n = 10); and CPB + EGCG group (n = 6). The CPB groups underwent 120 min of CPB followed by 90 min of recovery time. In the CPB + EGCG group, EGCG (10 mg/kg body weight) was administered intravenously before and after CPB. Hemodynamic monitoring, blood gas analysis, hematoxylin-eosin staining, and immunohistochemistry of lung tissue were performed. Results: Histologic examination revealed thickening of the alveolar wall and enhanced alveolar neutrophil infiltration in the CPB group (P < 0.05) compared with those in the control group, which was prevented by EGCG (P < 0.05). In the CPB group, higher formation of poly(ADP-ribose) and nuclear translocation of apoptosis-inducing factor were detected in comparison with those in the control group (P < 0.001), which were both reduced in the CPB + EGCG group (P < 0.001). Compared with the control group, the EGCG-control group showed thickening of the alveolar wall and increased neutrophil infiltration (P < 0.05). Conclusions: CPB leads to lung edema, pulmonary neutrophil infiltration, and presumably initiation of poly(ADP-ribose) polymerase-dependent cell death signaling in the lung. EGCG appears to attenuate CPB-associated lung injury, suggesting that this may provide a novel pharmacologic approach.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden anhand eines Ferkelmodells (8-15kg Schweine, 5 Gruppen: „nicht pulsatile HLM“: n=9, „Minozyklin+HLM“: n= 6, „pulsatile HLM“: n=7, „Minozyklin-Kontrolle: n=6, „Kontrolle“: n=8) während einer 120-minütigen extrakorporaler Zirkulation (EKZ) und einer darauffolgenden 90-minütigen Rekonvaleszenzzeit der physikalische Einflussfaktor des pulsatilen Flusses sowie der pharmakologische Effekt von Minozyklin auf die Niere jeweils unabhängig voneinander untersucht. In allen Gruppen wurden HE-Färbungen sowie immunhistochemische Färbungen (HIF-1-α, 3-Nitrotyrosin, PAR, AIF) durchgeführt um pathologische Veränderungen auf zellulärer Ebene zu detektieren. Zusätzlich wurden energiereiche Phosphate und ihre Abbauprodukte mittels High Pressure/Performance Liquid Chromatography (HPLC) bestimmt. Zur Beurteilung der klinischen Funktion der Niere wurden nierenspezifische Blutwerte (Serumkreatinin, Serumharnstoff) und Laktat im arteriellen Blut bestimmt. Mit der pulsatilen Perfusion konnte ein Abfall des O2-Partialdruckes nicht verhindert werden (HIF-1-α), allerdings konnte die ATP-Konzentration aufrecht erhalten werden. Dies spricht dafür, dass die pulsatile Perfusion im Gegensatz zu der nicht pulsatilen Perfusion keinen relevanten O2-Mangel verursachte. Auch die Ergebnisse der Nitrotyrosin-3-Auswertung zeigen, dass die Bildung von Peroxynitrit reduziert und somit der nitrosative Stress auf die Zellen begrenzt wurde. Die DNA wurde jedoch unabhängig vom gewählten Blutflussprofil geschädigt (PAR). Auch anhand der nierenspezifischen Blutparameter (Serumkreatinin, Serumharnstoff) ließ sich eine postoperative Beeinträchtigung der Nierenfunktion feststellen. Im Vergleich zu der nicht pulsatilen EKZ war hier jedoch eine geringfügige Verbesserung zu erkennen (Serumkreatinin). Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die pulsatile EKZ der Grad der Ischämie beeinflusst werden konnte, allerdings waren insgesamt keine wesentlich positiven Auswirkungen auf zellulärer Ebene und auf die postoperative Nierenfunktion festzustellen. Der Einsatz des technisch anspruchsvollen pulsatilen Perfusionssystems scheint daher in Bezug auf die Niere in der routinemäßigen Herzchirurgie nicht unbedingt erforderlich zu sein. Durch die Gabe von Minozyklin wurde zwar der Grad der Ischämie (HIF-1-α, ATP) nicht beeinflusst, allerdings konnte Minozyklin durch seine antioxidativen bzw. antinitrosativen (3-Nitrotyrosin), PARP-1-hemmenden (PAR) sowie antiapoptotischen (AIF) Wirkmechanismen die Niere offenbar vor den Folgen einer Ischämie schützen. Anhand der nierenspezifischen Blutwerte (Serumkreatinin, Serumharnstoff) wurde erkenntlich, dass Minozyklin die Nierenfunktion positiv beeinflusst, was wiederum die histologischen Befunde bestätigt. Für die Humanmedizin ist somit der Einsatz von Minozyklin während der EKZ eine Möglichkeit die Auswirkungen des Ischämie/Reperfusionsschadens und deren klinische Folgen hinsichtlich der Niere zu begrenzen. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass der einmalige Einsatz eines Antibiotikums auch negativen Einfluss auf den Körper ausübt (Resistenzentwicklung, Nebenwirkungen), sodass Minozyklin aufgrund der in dieser Versuchsreihe gezeigten positiven Eigenschaften, insbesondere die PARP-1-Inhibition, lediglich als Modellsubstanz für Weiterentwicklungen genutzt werden kann.

In dieser Dissertation wurden am Ferkelmodell (8-15 kg, drei Gruppen: „Kontrolle“ n=7, „Herz-Lungen-Maschine (HLM)“ n=10, „(-)-Epigallocatechin-3-Gallat (EGCG)“ n=6, die Kontrollgruppe wurde thorakotomiert, die HLM- und die EGCG-Gruppe wurden thorakotomiert und für 90 Minuten an eine HLM angeschlossen, die EGCG-Gruppe erhielt vor und nach der HLM-Zeit EGCG) drei Fragestellungen behandelt: Erstens wurde untersucht, ob die Verwendung einer HLM während eines kardiochirurgischen Eingriffes unter hypothermen Bedingungen mit nicht-pulsatilem Blutfluss und Kardioplegie die Niere schädigte. Dafür wurden Paraffinschnitte der Niere aus der Kontroll- und der HLM-Gruppe mit Hämatoxylin-Eosin (HE) angefärbt und unterschiedliche Strukturen betrachtet, wobei histopathologische Veränderungen in der HLM-Gruppe auffielen. Paraklinisch fanden sich erhöhte nierenspezifische Blutwerte (Serumkreatinin und -harnstoff) in der HLM-Gruppe. Diese Ergebnisse waren hinweisend für eine funktionell relevante Schädigung der Niere durch die HLM. Unterstützend kam ein Absinken des Gesamteiweißes im Serum der HLM-Gruppe hinzu, was auf eine generelle Schädigung des Organismus durch die HLM hindeutete. Zweitens wurde betrachtet, ob die gesetzten Schäden die Merkmale eines Ischämie-Reperfusionsschadens aufwiesen. Hierzu wurden Paraffinschnitte der Niere aus der Kontroll- und der HLM-Gruppe immunhistochemisch (Hypoxie-induzierter-Faktor-1-alpha-Tyramide- Signal-Amplification (HIF-1-alpha-TSA)-, Nitrotyrosin-3-Amino-9-Ethylcarbazol (Nitrotyrosin-AEC)- und Apoptose-induzierender-Faktor-Tyramide-Signal-Amplification (AIF-TSA)-Färbung) angefärbt. Dabei zeigte sich, dass sich die HLM-Gruppe in einer hypoxischen Situation befand (HIF-1-alpha Akkumulation in den Zellkernen), nitrosativem Stress ausgesetzt war (Nitrotyrosin in den Tubuli) und dass sie teilweise so stark geschädigt wurde, dass Apoptose induziert wurde (AIF in Zellkernen) – alle drei Färbungsergebnisse waren hinweisend für einen ischämischen Zustand, in dem sich die HLM-Gruppe befunden hat. Auch die Ergebnisse der durchgeführten renalen Reversed Phase High Performance Liquid Chromatography (RP-HPLC) deuteten auf ebendies hin. Unterstützend wirkten die Ergebnisse des arteriellen Laktats – die HLM-Gruppe zeigte eine Hyperlaktämie – und die Tatsache, dass einige der histologischen Merkmale für eine frühe Schockniere (welche ischämischen Ursprungs sein kann) in der HLM-Gruppe gefunden wurden. Dies alles zeigte, dass der HLM-assoziierte Nierenschaden vorrangig die Natur eines Ischämie-Reperfusionsschadens aufwies. Drittens wurde untersucht, ob EGCG diese HLM-assoziierte Schädigung abmildern konnte. Dafür wurden bei der EGCG-Gruppe alle oben genannten Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass EGCG in der Dosierung 10 mg/kg eine renoprotektive Wirkung gegen die HLM-assoziierten Schäden hatte, und diese abmildern bzw. ihnen entgegenwirken konnte. Diese Ergebnisse sind für die pädiatrische Kardiochirurgie interessant, welche zum Beispiel bei der Korrektur angeborener Herzdefekte auf die Verwendung der HLM angewiesen ist. Komplikationen wie eine Nierenschädigung post operationem sind nicht selten und verkomplizieren den Verlauf. Die vorliegende Dissertation zeigt das renoprotektive Potential des in grünem Tee vorkommenden Katechins EGCG im Umfeld eines kardiochirurgischen Eingriffes mit Verwendung einer HLM. Die Wirksamkeit dieser Substanz ist wahrscheinlich darin begründet, dass sie mehr als ein Antioxidans ist. Neben seiner Radikalfänger- und Stickstoffmonoxidscavenger-Fähigkeiten ist EGCG außerdem antiapoptotisch wirksam. Derzeit wird die Kardiochirurgie mit Verwendung einer HLM in der Veterinärmedizin nur in wenigen Zentren angewendet. Es besteht für die Zukunft jedoch die Hoffnung, dass gerade für Kleintierbesitzer, die ihre Tiere als Familienmitglied betrachten, und auch für zoologische Einrichtungen bei der Diagnose eines Herzfehlers die Kardiochirurgie mit Verwendung einer HLM als Therapiemöglichkeit eine interessante und realistische Alternative zur bislang angewandten palliativen medikamentösen Therapie darstellen kann. / In this dissertation a piglet model (8-15 kg, three groups: “control” n=7, “extracorporeal circulation (EC)” n=10, “EGCG” n=6, the control-group was thoracotomized, the EC- and the EGCG-group were thoracotomized and underwent cardiopulmonary bypass (CPB) for 90 minutes, and the EGCG-group received EGCG before and after the CPB) is presented. Three questions were raised and answered: Firstly, it was investigated if the use of a CPB during cardiac surgery with hypothermia, non-pulsatile blood flow and cardioplegia caused damage to the kidney. In order to answer this question, paraffin slices of the kidney of the control- and the EC-group were stained with hematoxylin-eosin (HE), and different structures were evaluated – this staining showed histopathological changes in the EC-group. Paraclinical, the EC-group showed elevated kidney-specific blood parameters (serumcreatinine and -urea). These findings indicated a functionally relevant impairment of the kidney caused by the CPB. Supporting this, the EC-group also showed a decline of the total amount of proteins in the serum, which was suggestive of a generalized injury of the body by the CPB. Secondly, it was investigated whether the injury of the kidney might have been caused by an ischemia/reperfusion injury. Therefore, paraffin slices of the kidney of the control- and the EC-group were immunhistochemically stained (hypoxia-induced-factor-1-alpha-tyramidesignal-amplification (HIF-1-alpha-TSA)-, nitrotyrosine-3-amino-9-ethylcarbazole (nitrotyrosine-AEC)- and apoptosis-inducing-factor-tyramide-signal-amplification (AIF-TSA)-staining). These stainings revealed, that the EC-group had suffered from a hypoxemic situation (accumulation of HIF-1-alpha in the nuclei), from nitrosative stress (presence of nitrotyrosine in the tubuli), and that the kidney was partly damaged to the point of an induction of apoptosis (presence of AIF in the nuclei) – all three of these findings indicated, that the kidneys of the EC-group were put into an ischemic situation. The findings of the renal reversed phase high performance liquid chromatography (RP-HPLC) indicated the same thing. This was also supported by the blood parameter of lactate – the EC-group showed a hyperlactemia – and by some histological findings in the EC-group, which were characteristical for an early shock-kidney (which may be caused by ischemia). Taken together, these findings showed that the CPB-associated kidney injury was primarily caused by an ischemia/reperfusion injury. Thirdly, it was investigated, whether EGCG might attenuate the CPB-associated kidney injury. For that purpose, all of the investigation methods mentioned above were carried out with the samples of the EGCG-group. The findings showed that EGCG (dose: 10 mg/kg) had a protective effect on the kidney, protecting it against the damage caused by the CPB, and was able to partly attenuate this damage and partly even fully counteract it. These findings are of interest for pediatric cardiac surgery, which for example for the correction of innate heart defects depends on the use of CPB. Complications – like acute renal injury post operationem – occur frequently and complicate the recovery. This dissertation demonstrates the renoprotective potential of the natural compound EGCG in the setting of cardiac surgery with the use of CPB. The reason for the effectiveness of EGCG in this situation probably is that EGCG is more than an antioxidant. EGCG not only works as a radical- and nitric-oxide-scavenger, but also is antiapoptotic. In veterinary medicine cardiac surgery with CPB is done by few centers only. However for the future there is hope that people – especially pet owners who view their companion animals as family members, and zoos – become more and more willing to and interested in having an animal diagnosed with a heart defect treated with cardiac surgery including the use of an CPB, instead of – like its usually done nowadays – only giving palliative medication to the animal.

Background: Lung dysfunction constitutes a severe complication after major cardiac surgery with cardiopulmonary bypass (CPB), substantially contributing to postoperative morbidity and mortality. The current possibilities of preventive and therapeutic interventions, however, remain insufficient. We, therefore, investigated the effects of intraoperative application of the antioxidant and anti-inflammatory green tea polyphenol epigallocatechin-3-gallate (EGCG) on CPB-associated lung injury. Materials and methods: Thirty piglets (8 - 15 kg) were divided into four groups: sham-operated and saline-treated control group (n = 7); sham-operated and EGCG-treated control group (EGCG-control group; n = 7); CPB group (n = 10); and CPB + EGCG group (n = 6). The CPB groups underwent 120 min of CPB followed by 90 min of recovery time. In the CPB + EGCG group, EGCG (10 mg/kg body weight) was administered intravenously before and after CPB. Hemodynamic monitoring, blood gas analysis, hematoxylin-eosin staining, and immunohistochemistry of lung tissue were performed. Results: Histologic examination revealed thickening of the alveolar wall and enhanced alveolar neutrophil infiltration in the CPB group (P < 0.05) compared with those in the control group, which was prevented by EGCG (P < 0.05). In the CPB group, higher formation of poly(ADP-ribose) and nuclear translocation of apoptosis-inducing factor were detected in comparison with those in the control group (P < 0.001), which were both reduced in the CPB + EGCG group (P < 0.001). Compared with the control group, the EGCG-control group showed thickening of the alveolar wall and increased neutrophil infiltration (P < 0.05). Conclusions: CPB leads to lung edema, pulmonary neutrophil infiltration, and presumably initiation of poly(ADP-ribose) polymerase-dependent cell death signaling in the lung. EGCG appears to attenuate CPB-associated lung injury, suggesting that this may provide a novel pharmacologic approach.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden anhand eines Ferkelmodells (8-15kg Schweine, 5 Gruppen: „nicht pulsatile HLM“: n=9, „Minozyklin+HLM“: n= 6, „pulsatile HLM“: n=7, „Minozyklin-Kontrolle: n=6, „Kontrolle“: n=8) während einer 120-minütigen extrakorporaler Zirkulation (EKZ) und einer darauffolgenden 90-minütigen Rekonvaleszenzzeit der physikalische Einflussfaktor des pulsatilen Flusses sowie der pharmakologische Effekt von Minozyklin auf die Niere jeweils unabhängig voneinander untersucht. In allen Gruppen wurden HE-Färbungen sowie immunhistochemische Färbungen (HIF-1-α, 3-Nitrotyrosin, PAR, AIF) durchgeführt um pathologische Veränderungen auf zellulärer Ebene zu detektieren. Zusätzlich wurden energiereiche Phosphate und ihre Abbauprodukte mittels High Pressure/Performance Liquid Chromatography (HPLC) bestimmt. Zur Beurteilung der klinischen Funktion der Niere wurden nierenspezifische Blutwerte (Serumkreatinin, Serumharnstoff) und Laktat im arteriellen Blut bestimmt. Mit der pulsatilen Perfusion konnte ein Abfall des O2-Partialdruckes nicht verhindert werden (HIF-1-α), allerdings konnte die ATP-Konzentration aufrecht erhalten werden. Dies spricht dafür, dass die pulsatile Perfusion im Gegensatz zu der nicht pulsatilen Perfusion keinen relevanten O2-Mangel verursachte. Auch die Ergebnisse der Nitrotyrosin-3-Auswertung zeigen, dass die Bildung von Peroxynitrit reduziert und somit der nitrosative Stress auf die Zellen begrenzt wurde. Die DNA wurde jedoch unabhängig vom gewählten Blutflussprofil geschädigt (PAR). Auch anhand der nierenspezifischen Blutparameter (Serumkreatinin, Serumharnstoff) ließ sich eine postoperative Beeinträchtigung der Nierenfunktion feststellen. Im Vergleich zu der nicht pulsatilen EKZ war hier jedoch eine geringfügige Verbesserung zu erkennen (Serumkreatinin). Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die pulsatile EKZ der Grad der Ischämie beeinflusst werden konnte, allerdings waren insgesamt keine wesentlich positiven Auswirkungen auf zellulärer Ebene und auf die postoperative Nierenfunktion festzustellen. Der Einsatz des technisch anspruchsvollen pulsatilen Perfusionssystems scheint daher in Bezug auf die Niere in der routinemäßigen Herzchirurgie nicht unbedingt erforderlich zu sein. Durch die Gabe von Minozyklin wurde zwar der Grad der Ischämie (HIF-1-α, ATP) nicht beeinflusst, allerdings konnte Minozyklin durch seine antioxidativen bzw. antinitrosativen (3-Nitrotyrosin), PARP-1-hemmenden (PAR) sowie antiapoptotischen (AIF) Wirkmechanismen die Niere offenbar vor den Folgen einer Ischämie schützen. Anhand der nierenspezifischen Blutwerte (Serumkreatinin, Serumharnstoff) wurde erkenntlich, dass Minozyklin die Nierenfunktion positiv beeinflusst, was wiederum die histologischen Befunde bestätigt. Für die Humanmedizin ist somit der Einsatz von Minozyklin während der EKZ eine Möglichkeit die Auswirkungen des Ischämie/Reperfusionsschadens und deren klinische Folgen hinsichtlich der Niere zu begrenzen. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass der einmalige Einsatz eines Antibiotikums auch negativen Einfluss auf den Körper ausübt (Resistenzentwicklung, Nebenwirkungen), sodass Minozyklin aufgrund der in dieser Versuchsreihe gezeigten positiven Eigenschaften, insbesondere die PARP-1-Inhibition, lediglich als Modellsubstanz für Weiterentwicklungen genutzt werden kann.

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Pulmonary TNFa concentration and wall thickness after on- versus off pump cardiac surgery

Pulmonary TNFa concentration and wall thickness after on- versus off pump cardiac surgery