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Abstract NADH-ubiquinone oxidoreductase (complex I) is one of the largest enzymes in mammals. Seven (ND1-ND6 and ND4L) of its 45 subunits are encoded in mitochondrial DNA, mutations of which are usually behind mitochondrial diseases such as Leber hereditary optic neuropathy (LHON) and MELAS-syndrome. The rest of the genes are located in the nucleus. Bacterial homologs of complex I (NDH-1) consist of only 13–14 subunits, comprising the catalytic core of the enzyme. These complexes are simpler but perform a similar function. Escherichia coli NDH-1 was employed here to generate amino acid replacements at conserved sites in NuoH, NuoJ and NuoK, counterparts of ND1, ND6 and ND4L, to elucidate their role in complex I. Consequences of homologous amino acid substitutions brought about by ND1-affecting LHON/MELAS-overlap syndrome-associated m.3376G>A and m.3865A>G mutations and the ND6-affecting m.14498T>C substitution associated with LHON were also studied to validate their pathogenicity. Effects of the site-directed mutations were evaluated on the basis of enzyme activity, inhibitor sensitivity and growth phenotype. Highly conserved glutamate-residues 36 and 72 within transmembrane helices of NuoK in positions similar to proton translocating transmembrane proteins were found essential for electron transfer to ubiquinone and growth on medium necessitating normal proton transfer by NDH-1. NuoH and NuoJ replacements at sites corresponding to targets of m.3376G>A and m.14498T>C decreased ubiquinone reductase activity and altered the ubiquinone binding site, while the counterpart of m.3865A>G was without a major effect. Other NuoH and NuoJ mutations studied also affected the interactions of ubiquinone and inhibitors with NDH-1. The results corroborate the pathogenicity of the m.14498T>C and m.3376G>A mutations and demonstrate that the overlap syndrome-associated modification affects complex I in a pattern which appears to combine the effects of separate mutations responsible for LHON and MELAS. Change in ubiquinone binding affinity is a likely pathomechanism of all LHON-associated mutations. Effects of the NuoH, NuoJ and NuoK subunit substitutions also indicate that ND1 and ND6 subunits contribute to the ubiquinone-interacting site of complex I and the site is located in the vicinity of the membrane surface, while ND4L is likely involved in proton pumping activity of the enzyme. / Tiivistelmä 45 alayksiköstä muodostuva NADH-ubikinoni oksidoreduktaasi (kompleksi I) on nisäkkäiden suurimpia entsyymejä. Sen mitokondriaalisessa DNA:ssa koodattujen alayksiköiden ND1-ND6 ja ND4L geeneihin liittyvät mutaatiot ovat yleisiä mitokondriosairauksien, kuten Leberin perinnöllisen näköhermoatrofian (LHON) ja MELAS-oireyhtymän, syitä. Bakteerien vastaava entsyymi (NDH-1) koostuu vain 13–14 alayksiköstä. Tästä huolimatta sen katalysoima reaktio on samankaltainen kuin kompleksi I:n. NDH-1:n katsotaankin edustavan entsyymin katalyyttistä ydintä. Tässä työssä tutkittiin ND1, ND6 ja ND4L alayksiköiden tehtävää kompleksi I:ssä niiden Escherichia coli bakteerissa olevien vastineiden (NuoH, NuoJ ja NuoK) kohdennetun mutageneesin avulla. Samaa lähestymistapaa käytettiin LHON/MELAS-oireyhtymässä todettujen ND1 alayksikön mutaatioiden, m.3376G>A ja m.3865A>G, ja LHON:ssa havaitun ND6:n m.14498T>C mutaation aiheuttamien aminohappomuutosten seurauksien selvittämiseen. Tehtyjen mutaatioiden vaikutuksia arvioitiin entsyymiaktiivisuus-mittauksin ja kasvukokein. NuoK:n solukalvon läpäisevissä rakenteissa olevien kahden glutamaatti-aminohappotähteen sijainti muistuttaa protoneita kalvon läpi kuljettavissa proteiineissa todettua. NuoK:n glutamaattien havaittiinkin olevan tärkeitä elektronien ja protonien kuljetukselle kompleksi I:ssä. m.3376G>A ja m.14498T>C mutaatioiden aiheuttamien aminohappomuutosten vastineet NDH-1:ssä alensivat NDH-1:n elektroninsiirtoaktiivisuutta ja heikensivät ubikinonin sitoutumista, kun taas m.3865A>G mutaatiolla ei ollut vaikutusta. Muut NuoH ja NuoJ alayksiköihin tehdyt aminohappovaihdokset johtivat huonontuneeseen ubikinonin ja kompleksi I:n inhibiittoreiden sitoutumiseen. Saadut tulokset vahvistavat m.3376G>A ja m.14498T>C mutaatioiden patogeenisyyden. Ne myös osoittavat, että LHON/MELAS-oireyhtymään liitetyn mutaation biokemiallisissa vaikutuksissa yhdistyvät sekä LHON:ssa että MELAS-oireyhtymässä todettujen mutaatioiden seuraukset. Esitetyt tulokset tukevat näkemystä siitä, että ubikinonin ja kompleksi I:n välisessä vuorovaikutuksessa tapahtuva muutos on kaikille LHON:aan liitetyille mutaatioille yhteinen vaikutusmekanismi. NuoH:n, NuoJ:n ja NuoK:n kohdennetusta mutageneesista saatujen tulosten perusteella ND1 ja ND6 alayksiköt ovat osa ubikinonin sitoutumispaikkaa entsyymikompleksissa, kun taas ND4L osallistuu protoninkuljetukseen.

The liver is a multi-functional organ that regulates major physiological processes and that possesses a remarkable regeneration capacity. After loss of functional liver mass the liver grows back to its original, individual size through hepatocyte proliferation and apoptosis. How does a single hepatocyte ‘know’ when the organ has grown to its final size? This work considers the initial growth phase of liver regeneration after partial hepatectomy in which the mass is restored. There are strong and valid arguments that the trigger of proliferation after partial hepatectomy is mediated through the portal blood flow. It remains unclear, if either or both the concentration of metabolites in the blood or the shear stress are crucial to hepatocyte proliferation and liver size control. A cell-based mathematical model is developed that helps discriminate the effects of these two potential triggers. Analysis of the mathematical model shows that a metabolic load and a hemodynamical hypothesis imply different feedback mechanisms at the cellular scale. The predictions of the developed mathematical model are compared to experimental data in rats. The assumption that hepatocytes are able to buffer the metabolic load leads to a robustness against short-term fluctuations of the trigger which can not be achieved with a purely hemodynamical trigger.

Objective: In this study, the efficiency of telemedical consulting with regard to fine needle aspirates from space-occupying lesions (SOLs) of the liver is investigated for the first time. Study Design: The study includes fine needle aspirations from 62 patients, 33 with hepatocellular carcinoma (HCC) and 29 with non-hepatic tumors. Using the Internetbased iPath system, the initial pathologist submitted 1–8 images from smears and cell block sections. One consultant assessed the cytological and another one the histological images. Both made their diagnoses independent of each other. A final diagnosis was made by immunochemistry of cell block sections. The cytological images were analyzed retrospectively for the occurrence of the most typical HCC indicators. The number of these indicators was related to the initial diagnoses of the three pathologists, and possible reasons for diagnostic errors were analyzed based on this analysis. Results: The accuracy of the preliminary telemedical diagnoses regarding HCC was 82.0% for the cytological images and 87.7% for the histological images. Most of the false diagnoses occurred in tumors with unusual cytological and histological patterns. Conclusions: Telemedical consulting is a valuable tool to obtain a second opinion. However, for improvement of the diagnosis of HCC, supplementary immunochemical tests are necessary.

Objectives: To compare 64-slice contrast-enhanced computed tomography (CT) with 3-Tesla magnetic resonance imaging (MRI) using Gd-EOB-DTPA for the diagnosis of hepatocellular carcinoma (HCC) and evaluate the utility of diffusion-weighted imaging (DWI) in this setting. Methods: 3-phase-liver-CT was performed in fifty patients (42 male, 8 female) with suspected or proven HCC. The patients were subjected to a 3-Tesla-MRI-examination with Gd-EOB-DTPA and diffusion weighted imaging (DWI) at b-values of 0, 50 and 400 s/mm2. The apparent diffusion coefficient (ADC)-value was determined for each lesion detected in DWI. The histopathological report after resection or biopsy of a lesion served as the gold standard, and a surrogate of follow-up or complementary imaging techniques in combination with clinical and paraclinical parameters was used in unresected lesions. Diagnostic accuracy, sensitivity, specificity, and positive and negative predictive values were evaluated for each technique. Results: MRI detected slightly more lesions that were considered suspicious for HCC per patient compared to CT (2.7 versus 2.3, respectively). ADC-measurements in HCC showed notably heterogeneous values with a median of 1.2±0.5×10−3 mm2/s (range from 0.07±0.1 to 3.0±0.1×10−3 mm2/s). MRI showed similar diagnostic accuracy, sensitivity, and positive and negative predictive values compared to CT (AUC 0.837, sensitivity 92%, PPV 80% and NPV 90% for MRI vs. AUC 0.798, sensitivity 85%, PPV 79% and NPV 82% for CT; not significant). Specificity was 75% for both techniques. Conclusions: Our study did not show a statistically significant difference in detection in detection of HCC between MRI and CT. Gd-EOB-DTPA-enhanced MRI tended to detect more lesions per patient compared to contrast-enhanced CT; therefore, we would recommend this modality as the first-choice imaging method for the detection of HCC and therapeutic decisions. However, contrast-enhanced CT was not inferior in our study, so that it can be a useful image modality for follow-up examinations.

Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In dieser Arbeit werden die Zeitpunkte der Kontrastmittelphasen der Leber bei Hunden verschiedener Größe und Rasse untersucht. Diese werden mit klinischen Parametern wie der Körpermasse, dem Alter und der Herzfrequenz zum Zeitpunkt der Untersuchung korreliert. In der vorliegenden Arbeit wird diskutiert, ob anhand dieser einfach erfassbarer Patientenparametern eine zielführende Planung einer Multiphasen-CT möglich ist. Es werden folgenden Zielstellungen bearbeitet: 1. Wann ist der Beginn der früharteriellen, arteriellen und der portalvenösen Phase erreicht? 2. Wann ist der Zeitpunkt des Kontrastmittelpeaks in der Aorta abdominalis und der V. portae erreicht? 3. Erstellen von Korrelationen dieser Zeitpunkte mit dem Alter, dem Gewicht und der Herzfrequenz der Tiere. 4. Erstellen von klinisch anwendbaren Regressionsgleichungen. An insgesamt 145 Tieren wurde das Anflutungsverhalten des jodhaltigen Kontrastmittels Imeron® 300 Bracco in der Leber und den zuführenden Gefäßen (Aorta abdominalis und V. portae) untersucht. Dabei wurden die Programme Bolus Tracking (BT) und das Perfusion Protokoll (dynamisches CT/ DU) mit dem CT Philips Brilliance CT 6 MX 8000 IDT genutzt. Die hierfür verwandten Hunde stammten aus dem Patientengut der Klinik für Kleintiere der Universität Leipzig. Alle Tiere erhielten 2 ml/kg Imeron® 300 Bracco mit 3 ml/s in die rechte oder linke V. cephalica antebrachii mit einem automatischen Injektor durch eine 20 Gauge Flexüle appliziert. Dies entspricht einer Jodmenge von 600 mg/kg. Aufgrund der Einteilung der Tiere in ASA-Gruppen und der weiteren Diagnostik und Therapie wurden vier verschiedene Narkoseprotokolle angewandt. Alle Tiere wurden intubiert und die Narkose mit Isofluran aufrechterhalten. Das Narkoseregime führte bei keinem der untersuchten Parameter zu einem signifikanten Unterschied. Der Beginn der früharteriellen und der portalvenösen Phase wurde mit Bolus Tracking bei 106 Hunden untersucht. Als Beginn wurde ein absoluter Schwellenwert von 100 HE im Aortenlumen auf Höhe des kranialen Leberpols bzw. im Lumen der Vena portae definiert. Mit dieser Methode wurde eine Überschreitung des Schwellenwertes im Aortenlumen im Mittelwert nach 13,12 ± 3,6 Sekunden (64 Tiere) und im Lumen der V. portae nach 31,60 ± 8,6 Sekunden (42 Tiere) gemessen. Eine signifikante Korrelation mit dem Gewicht auf einem zweiseitigen Signifikanzniveau von 0,01 konnte festgestellt werden. Mit der dynamischen CT (DU) wurden 39 Tiere untersucht. Der Beginn der früharteriellen Phase (Schwellenwert von 100 HE im Lumen der Aorta abdominalis) wurde nach 9,77 ± 4,3 Sekunden und der portalvenösen Phase (Schwellenwert von 100 HE im Lumen der Vena portae) nach 27,6 ± 8,7 Sekunden erreicht. Die Korrelationskoeffizienten der mit der DU gemessenen Parameter und der Patientenparametern sind höher als die mit dem BT erstellten und werden deshalb hier aufgeführt. Mit der vorwärtsgerichteten Regression konnten die folgenden Modelle erstellt werden. Früharterielle Phase (s) 0,35 + 0,21 x Körpermasse R = 0,61 Portalvenöse Phase (s) 13,9 + 0,7 x Körpermasse R = 0,67 An denselben Tieren wurde auch der Zeitpunkt des arteriellen und portalvenösen Peaks im Gefäßlumen der Aorta abdominalis und der Vena portae gemessen. Dieser wurde im Mittelwert nach 24,5 ± 8,6 Sekunden und nach 43,6 ± 13,4 Sekunden erreicht. Der Zeitpunkt des arteriellen Peaks weist den höchsten Korrelationskoeffizienten mit dem Gewicht in der vorliegenden Arbeit auf. Anhand einer vorwärtsgerichteten Regression konnten die folgenden Modelle erstellt werden. Arterieller Peak1 (s) 6,13 + 0,63 x Körpermasse R = 0,9 Arterieller Peak2 (s) 12,23 + 0,61 x Körpermasse – 0,07 Herzfrq. R = 0,92 Portalvenöser Peak1 (s) 24,5 + 0,65 x Körpermasse R = 0,6 Portalvenöser Peak2 (s) 17,5 + 0,71 x Körpermasse – 0,07 Alter R = 0,66 Die Ergebnisse zeigen, dass anhand einfach erfassbarer Patientenparametern bedingt eine zielführende Planung einer Multiphasen-CT möglich ist. Aufgrund der sehr hohen Korrelationskoeffizienten zwischen dem arteriellen Peak und den klinischen Parametern ist die Anwendung dieser Gleichungen zum Errechnen des arteriellen Peaks sehr sinnvoll klinisch anzuwenden. Da diese Arbeit den Nachweis erbracht hat, dass zum Zeitpunkt des arteriellen Peaks noch eine auswertbare arterielle Phase im Leberparenchym besteht, kann diese Gleichung sowohl bei der Detektion von Leberherden als auch bei Gefäßanomalien genutzt werden.

Zusammenfassung Fanny Schnauß Volumetrie der Leber aus Spiral-CT-Datensätzen von 43 Hunden mit Portosystemischem Shunt Klinik für Kleintiere der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Eingereicht im April 2022 83 Seiten, 34 Abbildungen, 13 Tabellen, 197 Literaturangaben, 7 Seiten Anhang Schlüsselwörter: Portosystemischer Shunt, Hund, Leber, Computertomographie, Lebervolumina, Mikrohepatie, Volumetrie Einleitung: Portosystemische Shunts (PSS) sind Gefäßanomalien, welche Blut des portalen Gefäßsystems unter Umgehung der Leber in den systemischen Kreislauf leiten. Die resultierende Minderdurchblutung der Leber führt u. a. zu einem Mangel an Wachstumsfaktoren und folglich zu einer Mikrohepatie. In der vorliegenden Arbeit wurden computertomographische (CT) Daten zur Bestimmung präziser Lebervolumina genutzt. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich der Lebergrößen von Hunden mit PSS und ohne (Referenzgruppen). Ziele der Untersuchung: Es wurden folgende Zielstellungen bearbeitet: • Bestimmung der Präzision und Genauigkeit der Messwerte aus den CT-Daten (ex vivo Untersuchung). • Vergleich der Lebervolumina der Shunt-Patienten und der verschiedenen Subtypen mit denen der Referenzgruppen (ohne PSS, s.u.) • Die Normierung der Lebervolumina erfolgte anhand des Körpergewichts (BW), des metabolischen Körpergewichts (mBW), der Querschnittsfläche der Aorta (AAo) sowie der Querschnittsfläche des Rückenmarkkanals (AMc). Diese Normierungsmethoden wurden zur statistischen Signifikanzanalyse herangezogen und auf ihre Aussagekraft bewertet. • Analyse des präoperativen Lebervolumens als möglicher prospektiver Indikator für den Operationsverlauf sowie für den Grad der chirurgischen Einengung des Shunts. • Eruierung der postoperativen Zunahme des Lebervolumens. Tiere, Material und Methoden: Die Studie umfasst 43 Patienten mit PSS der Klinik für Kleintiere der Universität Leipzig aus den Jahren 2006 bis 2015. Als Referenzgruppe dienten 22 Hunde ohne PSS. Diese Referenzgruppe konnte weiterführend in unbestätigte Verdachtsfälle von PSS (10 Hunde) und Fälle ohne Hepatopathie (12 Hunde) unterteilt werden. Anhand der CT-Datensätze wurden retrospektiv die Lebervolumina der Tiere mittels Segmentierung und Volume-Rendering gemessen. Bei sechs Hunden mit PSS existieren Daten einer Folgeuntersuchung nach chirurgischer Versorgung, wodurch deren prä- und postoperative Lebervolumina gegenübergestellt werden konnten. In einer ex vivo Studie wurden zur Kontrolle der Messgenauigkeit der angewandten Methode sechs Lebern von Schlachtschweinen in unterschiedlichen Umgebungen (Luft, Wasser, Milch) einer CT unterzogen, anschließend deren Volumina mittels Wasserverdrängung im Wasserbad bestimmt und die Werte verglichen. Statistische Signifikanzprüfungen zwischen den unabhängigen Datengruppen erfolgten mittels Wilcoxon-Mann-Whitney-U-Test (keine Normalverteilung). Für die Prüfung auf signifikante Veränderungen der Messwerte vor und nach erfolgter Operation (verbundene Stichproben) wurde der Wilcoxon-Test verwendet (keine Normalverteilung). Ergebnisse: Es zeigten sich in allen vier Normierungen signifikant (p < 0,001) kleinere Lebervolumina für die 43 Hunde mit PSS im Vergleich zu den 22 Referenztieren (Normierung zum BW: 19,3 cm³/kg vs. 24,9 cm³/kg; mBW: 26,2 cm³/kg0,75 vs. 51,3 cm³/kg0,75; AAo: 2,6 cm vs. 4,6 cm; AMc: 2,6 cm vs. 7,5 cm). Beide Untergruppen unterschieden sich ebenfalls signifikant (jeweils p < 0,001) von der Gruppe der PSS Patienten. Keine signifikanten Unterschiede zeigten sich allerdings beim Vergleich der Hunde mit kongenitalem vs. erworbenem PSS, intra- (inPSS) vs. extrahepatischem Shunt (exPSS), rechtsseitigem vs. zentralem intrahepatischen PSS, den Subtypen der extrahepatischen PSS (portocavaler vs. Portophrenico- vs. Portoazygos-Shunt) und den Subtypen der portocavalen Shunts (gastroduodenal vs. splenocaval). Entgegen der Erwartung zeigten sich keine signifikanten Unterschiede der präoperativen Lebervolumina zwischen den Patienten bei denen in der ersten Operation (a) eine vollständige Ligatur des Shunts möglich war zu denen, die nur eingeengt werden konnten (b). Im Fall von 6 Patienten konnten prä- und postoperative CT- Aufnahmen verglichen werden. Nach einer medianen Zeitdifferenz von 72 Tagen zwischen den CT-Untersuchungen betrug die Volumenzunahme der Lebern 46,9 % (bzgl. der nicht nach Merkmalen normierten Lebervolumina). Zur Überprüfung der Richtigkeit des gewählten Analyseansatzes wurde in der ex vivo-Studie die mittlere Abweichung der Messwerte mit 5,1 ± 2,2 % bestimmt (CT-Daten vs. Wasserverdrängung der Schweinelebern). Die dreifachen Messungen ergeben eine mittlere Abweichung von nur 1,0 % (Präzision). Schlussfolgerungen: Die Messergebnisse der vorliegenden Studie zeigen klar auf, dass die Lebervolumina der Shunt-Patienten signifikant kleiner als die der Referenzgruppen ohne PSS sind. Diese signifikanten Unterschiede sind in allen Normierungen ersichtlich (jeweils p < 0,001). Allerdings ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den verschiedenen Untergruppen der PSS-Patienten. Zur Vergleichbarkeit der Zunahme der Lebervolumina post OP erwiesen sich die Normierungen über die Querschnittsfläche der Aorta sowie über die Querschnittsfläche des Rückenmarkkanals als besonders geeignet, da diese weniger abhängig von den postoperativen metabolischen Veränderungen sind. Die Daten zeigen, dass das präoperative Lebervolumen ein insuffizienter Prädiktor sowohl für den Operationsverlauf als auch den Grad der möglichen Einengung des Shunt-Gefäßes in der Erst-OP ist. Das Lebervolumen nach chirurgischer Einengung des Shunts nahm durchschnittlich um 46,9 % zu, erreichte jedoch in dem betrachteten Zeitraum in keiner der Normierung das mediane Volumen der Patienten ohne Shunt.:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Literaturübersicht 2.1 Funktion, Anatomie und Gefäßsystem der Leber 2.2 Pfortaderkreislauf 2.3 Ductus venosus (Ductus Arantii) 2.4 Portosystemischer Shunt 2.5 Kongenitaler portosystemischer Shunt 2.5.1 Pathogenese und Pathophysiologie 2.5.2 Ätiologie und Prädispositionen 2.5.3 Extrahepatischer Portosystemischer Shunt 2.5.4 Intrahepatischer portosystemischer Shunt 2.6 Erworbener portosystemischer Shunt 2.7 Diagnostik des portosystemischen Shunts 2.7.1 Anamnese und klinische Symptome 2.7.2 Hepatoenzephales Syndrom 2.8 Bildgebende Diagnostik des portosystemischen Shunts 2.8.1 Sonographie 2.8.2 Projektionsradiographie 2.8.3 Computertomographie 2.8.3.1 Nativ-CT und Kontrastmittelphasen der Leber 2.8.3.2 Dynamische Computertomographie 2.8.3.3 Segmentierung und Volume Rendering/Volumendarstellung 2.8.3.4 Leber-Volumetrie 2.8.3.5 Volume-Rendering 2.9 Therapie und Prognose des portosystemischen Shunts 3. Tiere, Material und Methoden 3.1 Patienten 3.2 Anästhesieprotokoll 3.3 Computertomographische Untersuchung 3.4 Auswertung der Datensätze und Volumetrie 3.5 Referenzmessung zur Bestimmung der Messgenauigkeit 3.6 Statistische Analyse 4. Ergebnisse 4.1 Getrennte Betrachtung der beiden Referenzgruppen 4.2 Vergleich aller Shunt-Patienten mit den Referenzgruppen 4.3 Klassifizierung der Untergruppen 4.3.1 Kongenitaler und erworbener portosystemischer Shunt 4.3.2 Extrahepatischer und intrahepatischer portosystemischer Shunt 4.3.3 Vergleich der Patienten nach dem Grad der Ligatur in der Erst-OP 4.4 Bestimmung des Lebervolumens nach erfolgter Erst-Operation 4.5 Referenzmessung zur Bestimmung der Messgenauigkeit 5. Diskussion 5.1 Messmethoden, Fehlerquellen 5.2 Normierungsmethoden 5.3 Vergleich der Lebervolumina der Hunde mit PSS und beider RG 5.4 Evaluation der verschiedenen Shunt-Typen 5.5 Zunahme des Lebervolumens nach erfolgter Erst-Operation 5.6 Vollständiger oder unvollständiger Verschluss in der ersten OP 5.7 Rasse, Geschlecht, Alter und Gewicht der zu vergleichenden Gruppen 5.8 Klinische Schlussfolgerungen 6. Zusammenfassung 7. Summary 8. Literaturverzeichnis 9. Anhang 9.1 Abbildungsverzeichnis 9.2 Tabellenverzeichnis 9.3 Anhang: weitere Abbildungen und Tabellen / Summary Fanny Schnauß Liver volumetry from spiral CT datasets of 43 dogs with portosystemic shunt Department for Small Animals, Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Submitted in April 2022 83 pages, 34 figures, 13 tables, 197 references, 7 pages appendices Key words: portosystemic shunt, dog, liver, computed tomography, liver volume, microhepatia, volumetry Introduction: Portosystemic shunts (PSS) are vascular anomalies that divert blood from the portal vasculature into the systemic circulation, bypassing the liver. This results in a reduced blood supply to the liver leading, for instance, to a lack of growth factors and consequently to microhepatia. In the present work, computed tomography (CT) data was used to precisely determine liver volumes enabling a comparison of liver sizes of dogs with PSS to control animals. Objectives of this study: • Determination of the precision and accuracy of the measured values from the CT data. • Comparison of the liver volumes of the shunt patients (and various subtypes) with corresponding reference groups. • The liver volumes were normalized via body weight (BW), metabolic body weight (mBW), cross-sectional area of the aorta (AAo) and cross-sectional area of the spinal canal (AMc). These normalization methods were used for statistical significance analysis and to differentiate the patient groups. • Analysis of the preoperative liver volume as a possible prospective indicator for the course of the operation as well as for the degree of surgical narrowing of the shunt. • Determination of the postoperative increase of the liver volume. Animals, material and methods: The study included 43 shunt patients from the Clinic for Small Animals at the University of Leipzig, during the years from 2006 to 2015. 22 dogs served as the reference group. The reference group could be further subdivided into unconfirmed suspected cases of PSS (10 dogs) and cases without hepatopathy (12 dogs). Using the CT data sets, the liver volumes of the animals were measured retrospectively by means of segmentation and volume rendering. For six dogs with PSS, follow-up CT examinations after surgical treatment were conducted enabling a comparison of their pre- and post-operative liver volumes. To check the measurement accuracy of the method used, six livers from slaughter pigs were subjected to a CT examination in different environments (air, water, milk). These recordings went through the same volumetric analysis process as the dogs’ livers. This procedure further enabled a direct determination of the liver volumes by means of water displacement in a water bath. Statistical significance tests between the independent data groups were carried out using the Wilcoxon-Mann-Whitney U test. The Wilcoxon test was used to test for significant changes in the measured values before and after the operation (paired samples). Results: Significantly (p<0.001) smaller liver volumes for the 43 dogs with PSS compared to the 22 reference animals were found for all four normalizations (normalization to BW: 19.3 cm³/kg vs. 24.9 cm³/kg; mBW: 26.2 cm³/kg0,75 vs. 51.3 cm³/kg0,75; AAo: 2.6 cm vs. 4.6 cm; AMc: 2.6 cm vs. 7.5 cm). Both subgroups also differed significantly (each with p<0.001) from the group of PSS patients. However, no significant differences were found when comparing dogs with congenital vs. acquired PSS, inPSS vs. exPSS, right-sided vs. central inPSS, the subtypes of exPSS (portocaval vs. portophrenico vs. portoazygos shunt) and the subtypes of portocaval shunts (gastroduodenal vs. splenocaval). Contrary to expectations, there were no significant differences in the preoperative liver volumes between the patients where (a) a complete ligation of the shunt or (b) only a partial ligation was possible during the first operation. In the case of 6 patients, pre- and postoperative CT images could be evaluated and compared. After a median time-difference of 72 days between the CT examinations, the increase in volume of the livers was 46.9 % (liver volumes without normalization). Examinations of livers from slaughter pigs enabled both CT recordings and actual volume determinations using water displacement. These ex vivo experiments yielded a mean deviation from the measured values of 5.1 ± 2.2 % (accuracy). In addition, all volume measurements of the dog livers were carried out in triplicates, which in average only deviated by 1.0 % (precision). Conclusion: The results of the present study clearly show that the liver volumes of the shunt patients are significantly smaller than those of the reference groups. These significant differences can be seen in all normalizations (p<0.001 each). However, there were no significant differences between the various subgroups of PSS patients. The normalizations over the cross-sectional area of the aorta and over the cross-sectional area of the spinal canal are particularly suitable for comparing the increase in liver volumes after surgery. The data showed that the preoperative liver volume is an insufficient predictor for the course of the operation as well as for the degree of possible narrowing of the shunt vessel in the first OP. The liver volume after surgical narrowing of the shunt increased by an average of 46.9 %, but did not reach the median volume of the patients without a shunt by the time of the follow-up CT (independent of the normalization).:Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Literaturübersicht 2.1 Funktion, Anatomie und Gefäßsystem der Leber 2.2 Pfortaderkreislauf 2.3 Ductus venosus (Ductus Arantii) 2.4 Portosystemischer Shunt 2.5 Kongenitaler portosystemischer Shunt 2.5.1 Pathogenese und Pathophysiologie 2.5.2 Ätiologie und Prädispositionen 2.5.3 Extrahepatischer Portosystemischer Shunt 2.5.4 Intrahepatischer portosystemischer Shunt 2.6 Erworbener portosystemischer Shunt 2.7 Diagnostik des portosystemischen Shunts 2.7.1 Anamnese und klinische Symptome 2.7.2 Hepatoenzephales Syndrom 2.8 Bildgebende Diagnostik des portosystemischen Shunts 2.8.1 Sonographie 2.8.2 Projektionsradiographie 2.8.3 Computertomographie 2.8.3.1 Nativ-CT und Kontrastmittelphasen der Leber 2.8.3.2 Dynamische Computertomographie 2.8.3.3 Segmentierung und Volume Rendering/Volumendarstellung 2.8.3.4 Leber-Volumetrie 2.8.3.5 Volume-Rendering 2.9 Therapie und Prognose des portosystemischen Shunts 3. Tiere, Material und Methoden 3.1 Patienten 3.2 Anästhesieprotokoll 3.3 Computertomographische Untersuchung 3.4 Auswertung der Datensätze und Volumetrie 3.5 Referenzmessung zur Bestimmung der Messgenauigkeit 3.6 Statistische Analyse 4. Ergebnisse 4.1 Getrennte Betrachtung der beiden Referenzgruppen 4.2 Vergleich aller Shunt-Patienten mit den Referenzgruppen 4.3 Klassifizierung der Untergruppen 4.3.1 Kongenitaler und erworbener portosystemischer Shunt 4.3.2 Extrahepatischer und intrahepatischer portosystemischer Shunt 4.3.3 Vergleich der Patienten nach dem Grad der Ligatur in der Erst-OP 4.4 Bestimmung des Lebervolumens nach erfolgter Erst-Operation 4.5 Referenzmessung zur Bestimmung der Messgenauigkeit 5. Diskussion 5.1 Messmethoden, Fehlerquellen 5.2 Normierungsmethoden 5.3 Vergleich der Lebervolumina der Hunde mit PSS und beider RG 5.4 Evaluation der verschiedenen Shunt-Typen 5.5 Zunahme des Lebervolumens nach erfolgter Erst-Operation 5.6 Vollständiger oder unvollständiger Verschluss in der ersten OP 5.7 Rasse, Geschlecht, Alter und Gewicht der zu vergleichenden Gruppen 5.8 Klinische Schlussfolgerungen 6. Zusammenfassung 7. Summary 8. Literaturverzeichnis 9. Anhang 9.1 Abbildungsverzeichnis 9.2 Tabellenverzeichnis 9.3 Anhang: weitere Abbildungen und Tabellen

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Verfahren untersucht, die eine erfolgreiche Protektion vor hepatischer Ischämie/Reperfusionsschädigung versprachen: ischämische Präkonditionierung (IP) und pharmakologische Konditionierung mit Methylprednisolon (MP). Dabei wurde zunächst das Ausmaß der hepatozellulären Schädigung nach warmer Leberischämie durch Abklemmen der blutzuführenden Gefäße im Ligamentum hepatoduodenale (Pringle-Manöver) analysiert, wobei beide Behandlungsstrategien eine vergleichbar starke Gewebsprotektion erzielten. Nach 70%-iger Leberteilresektion mit Pringle-Manöver war jedoch trotz reduzierter Ischämie/Reperfusionsschädigung die Leberregeneration nach IP-Behandlung nachhaltig eingeschränkt. Im Gegensatz dazu waren die regenerativen Vorgänge nach MP-Behandlung nicht schneller, aber doch mit einer vergleichbaren Kinetik zu unbehandelten, ischämischen Kontrollen abgelaufen. Zusammenfassend gilt, daß sowohl IP- als auch MP-Behandlung die Ischämie/Reperfusionsschädigung deutlich reduzieren. Dies hat jedoch keinen positiven Einfluß auf die nachfolgende Regeneration nach Leberteilresektion mit Pringle-Manöver. / The present study analyses two strategies to protect from hepatic ischemia-reperfusion injury: ischemic preconditioning (IP) and pharmacologic administration of methylprednisolone (MP). First, the extent of hepatocellular damage after warm liver ischemia induced by cross clamping of the hepatic vessels in the hepatoduodenal ligament (Pringle manöver) was analysed demonstrating comparable tissue protection by both treatment modalities. After 70% partial hepatectomy including Pringle manöver however, the hepatocellular regerneration was markedly decreased after IP treatment, despite reduced ischemia-reperfusion injury. Moreover, MP treatment did not improve hepatic regeneration since it showed a comparable timing to untreated, ischemic controls. In conclusion, both IP and MP significantly reduced hepatic ischemia-reperfusion injury. However, no beneficial effects on hepatocellular regeneration after partial hepatectomy including pringle manöver were observed.

Es wurde untersucht ob die normotherme extrakorporale Leberperfusion (NELP) als Methode geeignet ist, Lebern vor Transplantation zu konservieren, und ob sie warm ischämische Zellschäden beheben kann. Zum ersten Mal konnte experimentell gezeigt werden, daß eine erfolgreiche Transplantation nach 4 Stunden mit NELP möglich ist und sogar so zuverlässig, wie die Kaltkonservierung in der University of Wisconsin Lösung. Die NELP erhält die Leberfunktion und ermöglicht eine Regeneration warm ischämischer Schäden in Nicht-herzschlagenden Spendern. 36 Schweine der Deutschen Landrasse wurden in sechs Gruppen transplantiert. In der Gruppe 1 wurde direkt nach Organentnahme transplantiert, in Gruppe 2 nach 4 Stun-den Kaltkonservierung in der University of Wisconsin Lösung und in Gruppe 3 nach 4 Stunden NELP. In Gruppe 4 wurden die Lebern nach 60 Minuten warmer Ischämie direkt transplantiert, in Gruppe 5 nach 60 Minuten warmer Ischämie und 4 Stunden Kaltkonservierung und in Gruppe 6 nach 60 Minuten warmer Ischämie und 4 Stunden NELP. Alle Tiere deren Lebern vor Transplantation normotherm extrakorporal perfun-diert wurden (Gruppen 3 und 6) überlebten mit guter Organfunktion. Im Unterschied hierzu führte die Abfolge von 60 Minuten warmer Ischämie und 4 Stunden Kaltkonser-vierung unweigerlich zur primären Organ-Nichtfunktion innerhalb der ersten 24 Stun-den nach Lebertransplantation. Die Methode der NELP bietet die Chance eine Leber außerhalb des Körpers für Zeiträume von möglicherweise länger als 4 Stunden völlig funktionsfähig zu halten. Die NELP kann zur Organkonservierung vor Transplantation eingesetzt werden, aber auch dazu, Lebern von Nicht-Herzschlagenden Spendern zu nutzen. / Normothermic extracorporeal liver perfusion (NELP) was studied as a means to pre-serve livers for transplantation and to reverse warm ischemic injury. For the first time we provide experimental evidence that successful transplantation after 4h of normo-thermic extracorporeal liver perfusion is possible and as reliable as 4h of cold preser-vation in University of Wisconsin solution. NELP preserves liver function completely and is capable of reversing 60 min of warm ischemic injury in non heart beating do-nors. 36 German Landrace pigs were transplanted in six groups. Group 1 animals were transplanted directly, group 2 animals after 4h of cold preservation with University of Wisconsin solution and group 3 animals following 4h of normothermic extracorporeal liver perfusion. Group 4 animals sustained 1h of warm ischemia before transplantation of the liver. In group 5 animals were transplanted following 1h of warm ischemia and 4h of cold preservation, and in group 6 after 1h of warm ischemia and 4h of normo-thermic extracorporeal liver perfusion. All animals receiving livers treated by normo-thermic extracorporeal liver perfusion survived without liver failure (group 3 and 6). In contrast, all animals in group 5 developed primary graft non-function within 24 h after transplantation. The technique of NELP holds the potential to keep a mammalian liver outside the body completely functional, possibly for longer than 4h. NELP can be used for liver preservation prior to transplantation or to utilise organs from non-heart-beating donors.