Vorangegangene Untersuchungen an Ratten zeigten unter normobarer Hypoxie eine linksventrikuläre systolische Dysfunktion und die Induktion eines Lungenödems. Weitere Analysen waren notwendig, um einerseits die Gründe der Depression des linken Ventrikels (LV) zu erforschen und zum anderen eine Beteiligung inflammatorischer Reaktionen an der Ödembildung in der Lunge nachzuweisen. Zentrale Fragestellungen waren dabei, inwiefern Hypoxie die myokardiale Energieversorgung beeinträchtigt bzw. Anzeichen für eine Inflammation in linkem oder rechtem Ventrikel zu erkennen sind. Im Lungengewebe sollte untersucht werden, ob es neben einer Inflammation zu einem Permeabilitätsödem infolge einer Zerstörung der alveolo-kapillären Barriere unter Hypoxie kommt. Besonderes Augenmerk lag auf der Erkennung frühzeitiger Schädigungsmechanismen unter akuter kurzzeitiger Hypoxieexposition. Adrenerge Mechanismen sind bei der Entstehung verschiedener Lungenödeme, wie das Neurogene Lungenödem (NPE) oder das Lungenödem beim Phäochromozytom, beteiligt. Auch im Tierexperiment verursacht Katecholaminstimulation ein sich sehr schnell entwickelndes Lungenödem unter Beteiligung sowohl α- als auch β-adrenerger Signalwege. Da Hypoxieexposition eine Sympathikusaktivierung hervorruft, stellte sich die Frage, ob Behandlungen mit adrenergen Agonisten oder Antagonisten vor allem die akuten pulmonalen Reaktionen auf Hypoxie abmildern können. Zusätzlich sollte durch die Verwendung unterschiedlicher Applikationsarten der Einfluss einer erhöhten Flüssigkeitszufuhr auf die kardialen und pulmonalen Schädigungen untersucht werden. Ratten wurden einer normobaren Hypoxie (10% O2) über 1,5 oder 6 h ausgesetzt und erhielten 0,9% NaCl oder adrenerge Blocker (Prazosin, Propranolol oder Prazosin und Propranolol) bzw. einen adrenergen Agonisten (Norepinephrin) entweder als Infusion (1 ml/h, erhöhte Flüssigkeitsbelastung) oder Injektion (0,5 ml, reduzierte Flüssigkeitsbelastung). Kontrolltiere verblieben in Normoxie und erhielten eine Infusion oder Injektion von 0,9% NaCl. Nach der Behandlungsdauer erfolgten die hämodynamischen Messungen und die Probenentnahmen von Herz- und Lungengeweben. Nach Gewebeextraktion erfolgte die RNA-Isolation für die mRNA-Anlaysen mittels Real-Time PCR (RT-PCR). Zur relativen Quantifizierung wurde das Housekeeping-Gen cyclic AMP phosphoprotein 19 (ARPP-19) verwendet. Bestimmungen der Gesamtproteinkonzentrationen erfolgten in Seren und bronchoalveolärerer Lavageflüssigkeit. Hämodynamisch induzierte akute Hypoxie eine systolische LV-Depression, vor allem unter Flüssigkeitsinfusion. Unter Injektion trat dieser Effekt deutlich schwächer auf. Die zusätzliche Gabe adrenerger Blocker aggravierte die LV-Funktionsbeeinträchtigung unter Hypoxie weiter, während adrenerge Stimulation sie nicht verhindern konnte. Die Funktion des rechten Ventrikels (RV) hingegen war unter Hypoxie unbeeinträchtigt. In der vorliegenden Arbeit wurden die mRNA-Expression der Hypoxiemarker aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator 1 (ARNT1), hypoxia-inducible factor 1, α subunit (HIF1A), solute carrier family 2 facilitated glucose transporter member 1 (GLUT1), hypoxia-inducible gene domain family member 1A (HIGD1A) und vascular endothelial growth factor A (VEGF) sowie der Inflammationsmarker Interleukin 1α (IL-1α), IL-1ß, IL-6, tumor necrosis factor α-induced protein 1 (TNFAIP) und IL-10 in allen drei Geweben - Lunge, linkem und rechtem Ventrikel – untersucht. Die pulmonale mRNA-Expression inflammatorischer Marker (wie IL-6 oder TNFAIP) sollte Hinweise für die Beteiligung von Inflammationsprozessen am hypoxischen Lungenödem liefern. Mechanismen der Zelladaptation der Kardiomyozyten an Hypoxie sollten anhand der mRNA-Expressionsänderungen von Hypoxiemarkern (wie GLUT1 oder HIGD1A) abgeleitet werden, um mögliche Ursachen der linksventrikulären Funktionsverschlechterung und Aufschluss über die Energieversorgung des Myokards zu erhalten. Proteinkonzentrationen im Serum und in der bronchoalveolären Lavageflüssigkeit sollten Aufschluss über eine gestörte kapilläre Permeabilität in der Lunge liefern. Aus den Ergebnissen der HIF-abhängigen Marker ARNT1, GLUT1, HIGD1A und VEGF ließen sich frühzeitig keine eindeutigen Hinweise auf einen beeinträchtigen Energiemetabolismus oder eine gestörte mitochondriale Funktion im Myokard unter akuter Hypoxie ableiten. Beispielsweise kann die Herabregulation der GLUT1-Expression unter kurzzeitiger Hypoxie und stärkerer Flüssigkeitsbelastung mit einem schlechten metabolischen Zustand im Myokard in Verbindung gebracht werden. Somit können kausale Zusammenhänge zur hypoxischen LV-Depression vermutet, aber nicht sicher bestätigt werden. Da sich unter kurzzeitiger Hypoxieexposition aus den untersuchten Markern keine eindeutigen Veränderungen des Stoffwechsels oder Energiemetabolismus in den Zellen ableiten ließen, sollten künftige Untersuchungen der myokardialen und pulmonalen Funktion in Hypoxie unter prolongierter Hypoxieexposition und auf der Basis von Proteinanalysen durchgeführt werden. In der Lunge erzeugt alveoläre Hypoxie einen inflammatorischen Phänotyp, wie er auch bei Bergsteigern nach raschem Aufstieg in große Höhen beobachtet werden konnte. Zwar wird das Höhenlungenödem (HAPE) ähnlich wie das hypoxische Lungenödem in dieser Tierstudie vorrangig durch hämodynamische Veränderungen verursacht, aber von inflammatorischen Prozessen begleitet, aufrechterhalten oder gar verschlimmert. Im Gegensatz zum Myokard zeigten frühzeitige Anstiege der proinflammatorischen Zytokine IL-6 und TNFAIP pulmonale Inflammationsprozesse in der Lunge an, die mutmaßlich an der Aufrechterhaltung der hypoxischen Lungenschädigung schon nach 6 h beteiligt sind. Der Inflammationsprozess beinhaltet dabei Norepinephrin-abhängige Mechanismen, über eine Aktivierung der IL-6 Expression, und Mechanismen, die unabhängig von sympathischer Aktivierung über TNF-α Signalwege vermittelt werden. Folglich schwächte adrenerge Blockade — anders als ursprünglich angenommen — das Ausmaß der hypoxischen Lungenschädigung nicht ab. Analysen der Proteinkonzentrationen in Seren und bronchoalveolärer Lavageflüssigkeit lieferten keine Anhaltspunkte für eine erhöhte pulmonale Kapillarpermeabilität und somit für die Ausbildung eines alveolären Ödems und bestätigte die Beobachtungen eines interstitiellen Ödems in der Lungenhistologie. Erhöhte Flüssigkeitsapplikation förderte zusätzlich zur LV-Depression die Entwicklung des Lungenödems. Die hypoxie-induzierte LV-Depression stellt neben der direkten Hypoxiewirkung einen zusätzlichen kausalen Faktor für die Entstehung des Lungenödems durch pulmonale Kongestion dar, welche durch Flüssigkeitsbelastung weiter verstärkt wird. Flüssigkeitsreduktion hatte dagegen protektive Effekte: Die hypoxie-induzierte LV-Depression trat nur bei Infusion auf, dagegen blieb die inotrope LV-Funktion bei geringerer Flüssigkeitsbelastung erhalten. Auch die hypoxische Lungenschädigung (sowohl Lungenödem als auch Inflammation) wurde durch reduzierte Flüssigkeitsbelastung abgeschwächt. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchung kann daher geschlussfolgert werden, dass die hypoxie-induzierte Sympathikusaktivierung einen eher geringen Beitrag zur hypoxischen Lungenschädigung leistet. Dagegen kommt einem angemessenen Flüssigkeitsmanagement eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der kardiopulmonalen Funktion unter Hypoxie zu.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Hypoxie 1 1.1.1 Definition Hypoxie 1 1.1.2 Hypobare und normobare Hypoxie 1 1.1.3 Erkennung von Hypoxämie 1 1.1.4 Anpassung an Hypoxie 2 1.1.4.1 Akute Reaktion des Körpers auf Hypoxie 2 1.1.4.2 Akklimatisierung 3 1.1.4.3 Höhenkrankheiten 4 1.1.4.3.1 Akute Höhenkrankheit und Höhenhirnödem 4 1.1.4.3.2 Höhenlungenödem 5 1.1.4.4 Hypoxiewirkungen auf das Herz 6 1.2 Katecholamin-induzierte Lungenödeme 7 1.2.1 Neurogenes Lungenödem (NPE) 7 1.2.2 Phäochromozytom 8 1.2.3 Medikamentös-induziertes Lungenödem 8 1.2.4 Experimentelles Lungenödem 9 1.3 Fragestellungen unseres Tiermodells 10 1.4 Untersuchte Marker 12 1.4.1 Hypoxiemarker 14 1.4.1.1 HIF1A und ARNT1 14 1.4.1.2 GLUT1 16 1.4.1.3 HIGD1A 17 1.4.1.4 VEGF 18 1.4.2 Inflammatorische Marker 19 1.4.2.1 Proinflammatorische Zytokine 19 1.4.2.1.1 IL-1α und IL-1β 19 1.4.2.1.2 IL-6 19 1.4.2.1.3 TNFAIP 20 1.4.2.2 Antiinflammatorisches Zytokin IL-10 20 1.4.3 Gesamtproteinkonzentrationen in Seren und BALF 20 1.5 Eigene Fragestellungen 21 2 Material und Methoden 23 2.1 Material 23 2.1.1 Chemikalien 23 2.1.2 Pharmaka 23 2.1.3 Geräte 24 2.1.4 Software 24 2.1.5 Sonstiges 24 2.2 Methoden 25 2.2.1 Tierversuche 25 2.2.1.1 Versuchstiere 25 2.2.1.2 Behandlung 26 2.2.1.3 Hämodynamische Messungen 27 2.2.1.4 Probengewinnung 28 2.2.2 RNA-Isolation 28 2.2.3 Reverse Transkription 29 2.2.4 Polymerase-Kettenreaktion 29 2.2.5 DNA-Agarose-Gel 32 2.2.6 Proteinbestimmung 33 2.2.7 Statistische Analyse 34 3 Ergebnisse 35 3.1 Veränderungen im Herzen 35 3.1.1 Marker für Hypoxie, Zellstoffwechsel und Angiogenese im LV und RV 35 3.1.2 Pro- und antiinflammatorische Marker im LV und RV 41 3.2 Veränderungen in der Lunge 45 3.2.1 Marker für Hypoxie, Zellstoffwechsel und Angiogenese in der Lunge 45 3.2.2 Pro- und antiinflammatorische Marker in der Lunge 49 3.3 Proteinkonzentrationen im Serum und in der BALF 52 4 Diskussion 53 4.1 Kardiovaskuläre Funktion unter Hypoxie 53 4.1.1 Hämodynamische Veränderungen in unserem Tiermodell 53 4.1.2 HIF-abhängige Marker für zellulären Energiemetabolismus und Angiogenese 54 4.1.2.1 Adaptationen der LV Myozyten an Hypoxie 54 4.1.2.2 Adaptationen der RV Myozyten an Hypoxie 59 4.1.3 Inflammatorische Zytokine 60 4.2 Pulmonale Effekte von Hypoxie, Flüssigkeitsbelastung und adrenerger Behandlung 61 4.2.1 Hypoxie-spezifische Gene in der Lunge 61 4.2.2 Beteiligung inflammatorischer Prozesse am hypoxischen Lungenödem 62 4.2.3 Pulmonale Kapillarpermeabilität 64 4.3 Limitationen 65 4.4 Schlussfolgerungen 66