Das Phänomen der kardialen Präkonditionierung beschreibt die Möglichkeit durch bestimmte Stimuli die Toleranz des Myokardgewebes gegenüber lang andauernden Ischämien zu erhöhen. Es existieren zwei Formen der Präkonditionierung: die ischämische (IPC) und die pharmakologisch induzierte Präkonditionierung (PPC). Eine wichtige Form der PPC stellt die Anästhetika-induzierte Präkonditionierung (APC) dar. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit erfolgten anhand eines in vivo Myokardinfarktmodells der Maus. Die IPC wurde durch mehrere kurze Episoden ischämischer Ereignisse hervorgerufen und führte zu einer signifikanten Reduktion der Herzinfarktgröße um bis zu 70 Prozent. Bei der APC wurde das Myokard mittels Applikation des volatilen Anästhetikums Desfluran präkonditioniert. Das Ausmaß der Herzinfarktgrößenreduktion war mit dem der IPC vergleichbar. Neben dem Nachweis der präkonditionierenden Effekte von IPC und Desfluran war es Ziel dieser Arbeit die Rolle der Serin-Threonin-Kinase Pim-1 und ihrer antiapoptotischen Fähigkeiten zu ermitteln. Die Bedeutung der Pim-1 Kinase in der Signalvermittlung der ischämischen und Desfluran-induzierten Präkonditionierung wurde über deren Blockade mit dem selektiven Pim-1 Kinase Inhibitor II untersucht. Der präkonditionierende Effekt von Desfluran konnte durch die Blockade der Pim-1 Kinase vollständig aufgehoben werden, während die Wirkung der IPC nur teilweise aufgehoben wurde. Somit ist die Pim-1 Kinase in die Signalvermittlung der IPC und Desfluran-induzierten Präkonditionierung involviert. Sie scheint jedoch eine unterschiedliche Rolle bei IPC und APC zu spielen. Mittels Western Immunoblot erfolgte die Bestimmung der Proteinexpression von Pim-1 Kinase, Bad und phospho-BadSer112. Die Bestimmung des Phosphorylierungsausmaßes von Bad an Serin 112 diente als Surrogatparameter der Pim-1-Aktivität. Nach ischämischer und Desfluran-induzierter Präkonditionierung zeigte sich eine tendenzielle Zunahme der Phosphorylierung von Bad. Im Falle der Desfluran-induzierten Präkonditionierung konnte dieser Effekt durch Applikation des Pim-1 Kinase Inhibitors II signifikant reduziert werden, während dagegen bei der IPC kein Einfluss des Pim-1 Kinase Inhibitors II beobachtet werden konnte. Als intrazellulärer Marker der Apoptoseinduktion wurde der zytosolische Gehalt an Cytochrom C bestimmt. Nach IPC und APC zeigte sich eine tendenzielle Reduktion des zytosolischen Gehaltes an Cytochrom C. Durch Applikation des Pim-1 Kinase Inhibitors II konnte diese Reduktion bei der Desfluran-induzierten Präkonditionierung aufgehoben werden, während die Effekte der IPC unverändert blieben. Die Pim-1 Kinase wirkt somit antiapoptotisch und kardioprotektiv, wobei eine unterschiedliche Funktion bei der IPC und APC zu vermuten ist. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit konnten am in vivo Myokardinfarktmodell der Maus nachweisen, dass die Pim-1 Kinase an der Vermittlung der ischämischen und Desfluran-induzierten Präkonditionierung gegen Myokardinfarkt beteiligt ist. Sie scheint jedoch bei IPC und APC eine unterschiedliche Bedeutung zu haben. / Preconditioning is a method to increase myocardial tolerance against ischemia. There are two kinds of preconditioning: ischemic preconditiong (IPC) and anesthetic-induced precondtioning (APC). The investigations were done using a murine in-vivo-model of myocardial infarction. Three cycles of 5 minutes ischemia- reperfusion significantly reduced infarct size. Applikation of desflurane reduced infarct size to a similar extent as ischemic preconditioning. Besides the reduction of infarct size the author tested the hypothesis that IPC and APC are mediated via activation of Pim-1 kinase. By blocking Pim-1 kinase with a Pim-1 kinase inhibitor the effects of desflurane on infarct size could be abolished completely, the effects of APC were blocked in part. Thus Pim-1 kinase is involved in the signaltransduction of IPC and APC, but it seems to play a differential role. Furthermore protein expression of Pim-1 kinase, Bad, phospho-Bad and the cytosolic content of cytochrome C were measured via Western immunoblotting. Phospho-Bad was used as surrogate for activation of Pim-1 kinase. IPC and APC led to an increased expression of phospho-Bad. Desflurane- induced phosphorylation of Bad was reduced by Pim-1 kinase inhibitor, whereas IPC- induced phosphorylation was not affected. As apoptotic marker the cytosolic content of cytochrome C was measured. Desflurane and IPC tended to result in reduced cytosolic content of cytochrome c. The desflurane-induced reduction was abolished by Pim-1 kinase inhibitor. The IPC-induced reduction of cytosolic cytochrome c was not affected by pharmacologic inhibition of Pim-1 kinase. In summary IPC and desflurane-induced preconditioning against myocardial infarction in vivo in mice are mediated via activation of Pim-1 kinase. Pim-1 kinase seems to play a differential role in the signaltransduction of IPC and APC.

Der Myokardinfarkt zählt weltweit zu den Hauptursachen für Tod und Erwerbsunfähigkeit. Große Bedeutung kommt der Untersuchung kardioprotektiver Mechanismen und der Etablierung kardioprotektiver Strategien zu. Die Anästhetika-induzierte Präkonditionierung weist einen biphasichen Verlauf auf und lässt sich in eine frühe und eine späte Phase (Zweites Fenster) einteilen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle der Pim-1 Kinase im Zweiten Fenster der Desfluran-induzierten Präkonditionierung gegen Myokardinfarkt in einem murinen in-vivo Herzinfarktmodell untersucht. / Myocardial infarction is a leading cause of mortality and morbidity worldwide. The investigation of cardioprotective mechanisms and establishing cardioprotective strategies is of great significance. Anaesthetic-induced preconditioning has a biphasic course with an early phase and a late phase (Second Window). In this manuscript the role of the pim-1 kinase was investigated in the Second Window of Desflurane-induced Preconditioning against myocardial infarction in a murine in-vivo modell.

Fragestellung: Ischämische und anästhetikainduzierte Präkonditionierung bewirken am Myokard eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Ischämie und Reperfusion. Für diese Arbeit wurde untersucht, ob sich der Effekt ischämischer Präkonditionierung durch verlängerte oder repetitive Applikation der Ischämie verstärken lässt. Desweiteren wurde untersucht, ob sich die Präkonditionierung mit Desfluran durch Verabreichung einer höheren Konzentration oder verlängerte bzw. repetitive Applikation verstärken lässt. Methodik: In einem akuten in vivo Herzinfarktmodell des weißen Neuseelandkaninchens wurden folgenden Experimente durchgeführt. Alle Versuchstiere durchliefen eine Koronararterienokklusion von 30 min mit anschließender Reperfusion von 180 min. Zur kontinuierlichen ischämischen Präkondtionierung erhielten die Interventionsgruppen zuvor 2 min, 3 min, 5 min bzw. 15 min Ischämie. Zur repetitiven ischämischen Präkonditionierung erhielten sie zwei bzw. drei einminütige oder drei fünfminütige Zyklen Ischämie getrennt von ebenso langen Reperfusionsphasen. Zur anästhetikainduzierten Präkonditionierung erhielten die Versuchstieren vor Ischämie und Reperfusion Desfluran. Entweder kontinuierlich über 30 min oder 90 min oder repetitiv über drei zehnminütige Zyklen getrennt von ebenso langen Abflutungsphasen jeweils in Konzentrationen von 0,5, 1,0 und 1,5 MAC. Im Anschluss an die Experimente wurden die Infarktgrößen gemessen und als prozentualer Anteil des ischämischen Risikoareals dargestellt. Ergebnisse: In der Kontrollgruppe betrug die Infarktgröße 61%. 5 min Ischämie konnten eine Präkonditonierung bewirken (23%). Weder die Behandlung mit 15 min (27%) Ischämie noch mit drei fünfminütigen Zyklen (12%) waren signifikant effektiver als die einfache fünfminütige. Kontinuierliche Ischämien von 2 min (49%) bzw. 3 min (47%) senkten die Infarktgröße nicht. Zwei bzw. drei einminütigen Zyklen wirkten dagegen präkonditionierend (jew. 34%). 1,0 MAC Desfluran über 30min verabreicht senkte die Infarktgröße (35%). Weder eine höhere Konzentration von 1,5 MAC (40%) noch deren Verabreichnung über 90 min (32%) waren signifikant effektiver als 1,0 MAC. 0,5 MAC wirkte weder über 30 min (52%) noch über 90 min (56%) verabreicht präkonditionierend. Eine repetitive Verabreichung über drei zehnminütige Zyklen bewirkte dagegen Präkonditionierung (36%). Zusammnefassung: Die kardioprotektiven Effekte von kontinuierlicher ischämischer bzw. anästhetikainduzierter Präkonditionierung lassen sich oberhalb ihrer jeweiligen Reizschwelle nicht mehr verstärken. Dagegen lassen sich an sich unterschwellige Reize (Ischämie < 5 min bzw. 0,5 MAC Desfluran) durch repetitive Applikation über die Reizschwelle heben und wirken dann präkonditionierend. / Objective: Ischemic and anesthetic preconditioning of the myocardium induce a higher resistance to subsequent ischemia and reperfusion. For this study it was examined, whether longer or repetitive application of ischemia enhances the effects of ischemic preconditioning. It was also examined, whether the effects of Desflurane-induced preconditioning are enhanced by applicating it in higher concentrations, for a longer period of time or in a repetitive manner. Methods: The following experiments were conducted in an in vivo myocardial infarction model of New Zealand White rabbits. All animals underwent 30 min of coronary artery occlusion followed by 180 min of reperfusion. For continuous preconditioning some animals were subjected to 2 min, 3 min, 5 min or 15 min of ischemia afore. For repetitive peconditioning some recieved two or three 1-min-cycles or three 5-min-cycles of ischemia seperated by reperfusion-cycles of the same time. For anesthetic preconditioning animals recieved Desflurane prior to ischemia and reperfusion. Some recieved it continuously over 30 min or 90 min, others repetitivly over three 10-min-cycles seperated by wash-out-periods of the same time. Desflurane concentrations of 0.5, 1.0 and 1.5 MAC were used. After experiments were finished infarct size was messured and expressed as percentage of the ischemic area at risk. Results: Infarct size was 61% in control group. 5 min of ischemic preconditioning lowered infarct size significantly (23%). Neither preconditioning with 15 min (27%) of ischemia was more effective than with 5 min, nor were three 5-min-cycles (12%). Neither 2 min (49%) nor 3 min (47%) peroids of continuous ischemia achieved preconditioning. But so did two and three 1-min-cycles of ischemia (both 34%). 1.0 MAC Desfluran given over 30 min lowered infarct size (35%). A higher concentration of 1.5 MAC (40%) was not significantly more protective than 1.0 MAC, even when it was applied over a period of 90 min (32%). 0.5 MAC could not achieve preconditioning, neither applied over 30 min (52%), nor over 90 min (56%). But given over three 10-min-cycles 0.5 MAC Desfluran was protective (36%). Conclusion: Cardioprotective effects of continuous ischemic and anesthetic preconditioning can not be enhanced as soon as the underlying stimulus has risen above its threshold for preconditioning. But stimuli that usually are beneath the threshold for preconditioning (ischemia < 5 min, 0.5 MAC Desflurane) can be enhanced by repetitive application and can achieve cardioprotection like this.

Das Phänomen der ischämischen Präkonditionierung beschreibt einen endogenen Schutzmechanismus, der in einer erhöhten Toleranz des Gewebes gegenüber ischämischen Episoden resultiert. Volatile Anästhetika sind in der Lage, diesen Mechanismus zu aktivieren und somit betroffene Gewebe zu präkonditionieren. Die ischämische Präkonditionierung zeigt an Kaninchen ein biphasisches Verlaufsmuster, bestehend aus einem frühen ersten Fenster sowie einem späten zweiten Fenster der Präkonditionierung. Beide Fenster sind durch eine Phase ohne kardioprotektiven Effekt getrennt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, für das volatile Anästhetikum Desfluran ebenfalls dieses biphasische Zeitmuster nachzuweisen sowie die Rolle von Stickstoffmonoxid (NO) in diesem Prozess zu charakterisieren. Wir führten unsere Untersuchungen in einem in vivo-Herzinfarktmodell an Kaninchen durch. Wir konnten zeigen, dass Desfluran ein erstes Fenster der Präkonditionierung induziert, welches bis zu zwei Stunden nach Abflutung des volatilen Agens nachweisbar ist. Weiterhin induzierte Desfluran ein zweites Fenster der Präkonditionierung, dessen kardioprotektiver Effekt nach 24 Stunden einsetzt und bis zu 72 Stunden nach Applikation des Anästhetikums nachweisbar ist. Erstes und zweites Fenster der Präkonditionierung waren durch eine Episode ohne nachweisbaren kardioprotektiven Effekt getrennt. 96 Stunden nach Abflutung des Anästhetikums war keine präkonditionierende Wirkung mehr nachweisbar. Um die Rolle von NO beim zweiten Fenster der Desfluran-induzierten Präkonditionierung zu untersuchen, verabreichten wir den NO-Synthase-Blocker L-omega-Nitro-Arginin (LNA) vor der Koronararterienokklusion. Anhand unserer Ergebnisse konnten wir nachweisen, dass die Desfluran-induzierte Präkonditionierung des Kaninchenmyokards ein der ischämischen Präkonditionierung ähnliches charakteristisches biphasisches Verlaufsmuster aufweist und das endogen synthetisiertes NO als Mediator des zweiten Fensters der Desfluran-induzierten Präkonditionierung wirkt. / The phenomenon of ischemic preconditioning (IPC) describes an endogenous protective mechanism resulting in increased tolerance of tissues against ischemia. Volatile anesthetics are able to activate this mechanism of preconditioning. Ischemic preconditioning shows a characteristic biphasic time course consisting of an early first and a delayed second window of preconditioning separated by a period without cardioprotective effects. The aim of the current study was to investigate wether desflurane-induced preconditioning exhibits a biphasic time pattern similar to IPC, and to characterize the role of nitric oxide (NO) in this process. For this purpose we used an in vivo rabbit model of acute myocardial infarction. Desflurane induced a first window of preconditioning which lasted up to two hours after the cessation of the volatile anesthetic. Furthermore, desflurane induced a second window of preconditioning, which was detectable after 24 hours and lasted up to 72 hours after administration of the volatile anesthetic. Both windows of protection were separated by a period without any cardioprotective effect. No cardioprotection was detectable 96 hours after cessation of desflurane. To determine the role of NO in the second window of preconditioning we administered the NO-synthase inhibitor L-omega-nitro-arginine (LNA) prior to coronary artery occlusion. Our results demonstrate that desflurane-induced preconditioning against myocardial infarction in vivo exhibits a characteristic biphasic time pattern similar to ischemic preconditioning. In addition, we demonstrated that endogenous NO is a mediator of the second window of desflurane-induced preconditioning.

In the following dissertation we consider three preconditioners of algebraic multigrid type, though they are defined for arbitrary prolongation and restriction operators, we consider them in more detail for the aggregation method. The strengthened Cauchy-Schwarz inequality and the resulting angle between the spaces will be our main interests. In this context we will introduce some modifications. For the problem of the one-dimensional convection we obtain perfect theoretical results. Although this is not the case for more complex problems, the numerical results we present will show that the modifications are also useful in these situation. Additionally, we will consider a symmetric problem in the energy norm and present a simple rule for algebraic aggregation. / In der vorliegenden Dissertation untersuchen wir drei Vorkonditionierer, die alle zur Klasse der additiven Mehrgittermethoden gehören. Wir definieren diese zuerst für beliebige Prolongations- und Restriktionsoperatoren, betrachten sie dann anschließend aber detaillierter für den Fall, dass diese Operatoren aus der Methode der algebraic aggregation kommen. Unser Hauptaugenmerk legen wir dann auf die verschärfte Cauchy-Schwarz Ungleichung, bzw. die Winkel, die zwischen den Räumen entstehen. Dafür führen wir einige Modifikationen ein. Für das Problem der eindimensionalen Konvektion erhalten wir ein perfektes Resultat. Für komplexere System (insbesondere solche mit einem elliptischen Anteil) ist dies nicht der Fall. Trotzdem zeigen die numerischen Resultate, dass die von uns eingeführten Modifikationen auch in diesem Fall nützlich sind. Zusätzlich betrachten wir ein symmetrisches Problem in der Energie Norm. Dabei erhalten wir eine einfache Regel für die algebraic aggregation.

Der perioperative Myokardinfarkt ist eine der Hauptursachen perioperativer Morbidität und Mortalität, wobei bis zu 40% der Patienten an einem akuten Ereignis versterben. Eine der Hauptaufgaben der anästhesiologischen Forschung besteht daher in der Entwicklung neuer, verbesserter Strategien sowohl in der Erkennung und Prophylaxe als auch in der Therapie perioperativer Myokardischämien. In einer wegweisenden Studie zeigten Kersten et al. 1997 erstmals einen kardioprotektiven Effekt für volatile Anästhetika: Die Verabreichung von Isofluran vor der Induktion eines Ischämie-Reperfusions-Schadens (I/R-Schaden) führte zu einer signifikanten Reduktion der resultierenden Infarktgröße. Diese kardioprotektiven Eigenschaften wurden in der Folge auch für andere volatile Anästhetika aufgezeigt, ebenso wie die Induktion eines zweiten Fensters der Präkonditionierung (SWOP) beginnend 24h post-donum. Essentielle molekulare Mechanismen der protektiven Signalkaskade sind hierbei u.a. eine gesteigerte Synthese von Prostaglandinen sowie die erhöhte Produktion von Stickstoffmonoxid (NO). Vergleichbare NO-abhängige, kardioprotektive Wirkungen zeigen sich ebenso für Agonisten der Peroxysomen-Proliferator-aktivierten Rezeptoren (PPAR) α und γ. Die PPAR sind Transkriptionsfaktoren, die nach Liganden-vermittelter Aktivierung (u.a. 15d-Prostaglandin J2, 15d-PGJ2) ihre Wirkungen entfalten. Daher testeten wir die Hypothese, dass das zweite Fenster der Desfluran-induzierten Präkonditionierung durch eine erhöhte Produktion von 15d-PGJ2 mit der nachfolgenden Aktivierung von PPAR α und γ vermittelt wird. Die Experimente wurden in einem etablierten in-vivo Herzinfarktmodell des Kaninchens durchgeführt. Männliche weiße Neuseeland-Kaninchen wurden randomisiert 6 Gruppen zugeteilt. Alle Tiere erhielten eine 30-minütige Okklusion der linken Koronararterie (KAO) gefolgt von einer 3-stündigen Reperfusion. Zwei Gruppen erhielten entweder Desfluran (1.0 MAC, DES) oder Raumluft (Kontrolle, KON) 24h vor KAO. In weiteren Gruppen erhielten die Tiere den PPARα-Antagonisten GW6471 oder den PPARγ-Antagonisten GW9662, jeweils alleine (GW6471 bzw. GW9662) oder in Kombination mit vorheriger Desfluranapplikation (DES+GW6471 bzw. DES+GW9662). Die Infarktgröße (IS/AAR) wurde nach Bestimmung des Ischämieareals (AAR) und des Infarktareals (IS) gravimetrisch nach TTC-Färbung ermittelt. Sechs identische Gruppen wurden instrumentiert zur Entnahme des Herzens und anschließender Analyse der PPAR-DNA-Bindungsaktivität sowie der Gewebekonzentrationen von 15d-PGJ2 und NO mittels spezifischer Assays. Als Ergebnis zeigte sich eine signifikant reduzierte Herzinfarktgröße (DES 42,2±3,1%* vs. KON 61,8±2,8%; *p<0,05) 24h nach der Applikation des volatilen Anästhetikums. Dieser kardioprotektive Phänotyp war begleitet von einer erhöhten PPAR-DNA-Bindungsaktivität (DES 289,9±33RLU* vs. KON 102,9±18RLU, *p<0,05), als auch erhöhten Gewebskonzentrationen von 15d-PGJ2 (DES 224,4±10,2pg/ml* vs. KON 116,9±14,2pg/ml) und NO (DES 14,9±0,7μM* vs. KON 5,4±0,7μM). Unter spezifischer pharmakologischer Blockade von PPARα oder PPARγ kam es zum Verlust dieser protektiven Effekte, wobei sowohl die Infarktgrößenreduktion (DES+GW6471 60,0±2,8% bzw. DES+GW9662 56,5±2,9%), als auch die Elevation der PPAR-DNA-Bindungsaktivität (DES+GW6471 128,1±20,9RLU bzw. DES+GW9662 91,2±31RLU) und der myokardialen NO Konzentrationen (DES+GW6471 5,7±0,3μM bzw. DES+GW9662 5,9±0,9μM) aufgehoben wurde. Unbeeinflusst von der Blockade der PPAR blieb der durch Desfluran erhöhte 15d-PGJ2-Spiegel (DES+GW6471 199,5±8,1pg/ml* und DES+GW9662 179,0±11,7pg/ml*; p<0,05 vs. KON). Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass das zweite Fenster der Desfluran-induzierten Präkonditionierung durch die Aktivierung der PPARα und γ vermittelt wird. Die Applikation von Desfluran scheint hierbei durch die erhöhte Produktion von 15d-PGJ2 eine Signalkaskade in Gang zu setzen, welche nicht nur in der Aktivierung von PPARα und PPARγ resultiert, sondern ebenso durch die konsekutiv erhöhte myokardiale Verfügbarkeit von NO die Kardioprotektion vermittelt. / The perioperative myocardial infarction is one of the main causes of perioperative morbidity and mortality. Up to 40% of the patients suffer death from an acute cardiac event. Therefore, one of the aims in anesthesiologic research is the development of new and improved strategies in the recognition, prevention and treatment of perioperative myocardial ischemia. A ground-breaking study was published by Kersten et al. in 1997, demonstrating a cardioprotective effect of volatile anesthetics. The administration of Isoflurane before inducing an Ischemia/Reperfusion (I/R) injury led to a significant reduction of the resulting myocardial infarct size. Consecutively, different volatile anesthetics proved to yield cardioprotective qualities and to additionally induce a second window of cardioprotection (SWOP), beginning 24h post administration. In this case, essential molecular mechanisms of the protective signaling cascade are an increased synthesis of prostaglandins as well as an augmented production of nitrous oxide (NO). Agonists of the peroxisome-proliferator-activated receptors (PPAR) α and γ develop similar NO-dependent cardioprotective effects. These PPAR belong to the family of transcription factors and unfold their actions after activation by a ligand, e.g. 15d-prostaglandin J2 (15d-PGJ2). So we tested the hypothesis, that the second window of desflurane-induced cardioprotection is mediated by the augmented production of 15d-PGJ2 and the consecutive activation of PPAR α and γ. The experiments were carried out using an established in-vivo model of myocardial infarction of the rabbit. Male New-Zealand white rabbits were randomly divided into six groups. All animals received a 30-minute occlusion of the left coronary artery (CAO) followed by a 3-hour reperfusion. Two groups either received Desflurane (1.0 MAC, DES) or air (Control, CON), respectively, 24 hours before CAO. The residual four groups received the PPARα-antagonist GW6471 or the PPARγ-antagonist GW9662 in combination with preliminary application of either Desflurane (DES+GW6471 and DES+GW9662) or air (GW6471 and GW9662). After identification of the area-at-risk (AAR) and the area of infarction (IS) via TTC-staining (2,3,5-triphenyltetrazolium chloride) the infarct size as percentage of the AAR (IS/AAR) could be gravimetrically determined. Six identical groups were instrumented for rapid excision of the heart and subsequent analysis of the PPAR-DNA-binding-activity and the tissue concentrations of 15d-PGJ2 and NO. Application of Desflurane resulted in a significant reduced infarct size (DES 42.2±3.1%* vs. CON 61.8±2.8%, *p<0.05). This cardioprotective effect was accompanied by an increased PPAR-DNA-binding-activity (DES 289.9±33RLU* vs. CON 102.9±18RLU, *p<0.05) as well as increased concentration of 15d-PGJ2 (DES 224.4±10.2pg/ml* CON vs. 116.9±14.2pg/ml, *p<0.05) and NO (DES 14.9±0.7μM* vs. CON 5.4±0.7μM, *p<0.05). The specific pharmacological inhibition of PPARα and PPARγ lead to the abrogation of the protective effects concerning the IS (DES+GW6471 60.0±2.8% and DES+GW9662 56.5±2.9%, respectively) as well as the PPAR-DNA-binding-activity (DES+GW6471 128.1±20.9RLU and DES+GW9662 91.2±31RLU, respectively) and the myocardial concentration of NO (DES+GW6471 5.7±0.3μM and DES+GW9662 5.9±0.9μM, respectively). Unaffected by the inhibition, the level of 15d-PGJ2 maintained its desflurane-induced elevation (DES+GW6471 199.5±8.1pg/ml* and DES+GW9662 179.0±11.7pg/ml*, *p<0.05 vs. CON). In summary, the results of the experiments demonstrate that the second window of desflurane-induced preconditioning is mediated by the activation of the PPAR α and γ. Via the augmented production of NO, Desflurane seems to elicit a signaling cascade resulting not only in activation of the PPAR α and γ but also in the subsequent elevation of myocardial NO-content which lastly mediates the cardioprotection.

Anästhetika-induzierte Präkonditionierung (APC) mit Desfluran vermittelt einen endogenen Schutzmechanismus gegen den Ischämie/Reperfusionsschaden im Tiermodell mit männlichen C57BL/6 Mäusen. Die Calcium-Calmodulinkinase IIδ (CamKIIδ) spielt eine zentrale Rolle im intrazellulären Calciumhaushalt und beim Ischämie/Reperfusionsschaden. Ein Ergebnis dieser Studie zeigt, dass eine Desfluran-vermittelte Reduktion der Herzinfarktgröße in Wildtyptieren, nicht aber in Mäusen mit homozygotem genetischen Knock-Out (KO) der CaMKIIδ stattfindet. Weiterhin wird gezeigt, dass der CaMKIIδ KO die Expression von Phospholamban (PLB) und die Phosphorylierung von PLB an der Aminosäurestelle Serin 16 im Vergleich zum Wildtyp mehr als verdoppelt, ermittelt via Western-Immunoblotting. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Expression des β1 –Adrenorezeptors (AR) in Tieren mit homo- und heterozygotem CaMKIIδ KO im Vergleich zum Wildtyp signifikant erhöht ist. APC mit Desfluran hebt diese erhöhte β1 –AR Konzentrationen im homozygoten, aber nicht im heterozygoten KO auf. Dies zeigt, dass sich die β1 –AR Expression entsprechend der CaMKIIδ Verfügbarkeit adaptiert, dieser Effekt aber durch APC unterbunden werden kann. / Anesthetic-induced preconditioning (APC) with desfluran mediates an endogenous protection against the ischemia/reperfusion injury in the animal model with male C57BL/6 mice. The Calcium-Calmodulinkinase IIδ (CamKIIδ) plays a key role in intracellular calcium metabolism and in ischemia/reperfusion injury. A result of the study shows that a reduction of myocardial infarction by desfluran-induced preconditioning is achieved in wildtyp mice, but not in mice with homocygous CaMKIIδ genetic knock-out (KO). Furthermore the expression of phospholamban (PLB) and phosphorylation of PLB at amino acid serine 16 in mice with CaMKIIδ KO is twice the level of wildtype mice measured by western-immunoblotting. Moreover the expression of β1 –adrenoreceptor (AR) is significantly higher in homo- and heterozygous mice than in wildtype mice. APC with desfluran eliminates the higher β1 –AR concentration in homocygous but not in heterocygous KO mice. This means that the β1 –AR expression depends on the CaMKIIδ availibility, this effect is cancelled by APC with desfluran.

Die myokardiale Präkonditionierung ist ein endogener Schutzmechanismus, der die Ischämietoleranz der Myokardzellen erhöht und die Entstehung eines Myokardinfarktes hinauszögert. Eine Aktivierung dieses „Schutzprogramms“ kann durch verschiedene Stimuli induziert werden, beispielsweise sind sowohl eine kurze Koronararterienischämie als auch die Applikation volatiler Anästhetika potente Aktivatoren. Gegenstand aktueller Forschung ist die Aufklärung der Signaltransduktionskette der Anästhetika-induzierten (APC) und ischämischen Präkonditionierung (IPC). Bisherige Studien konnten die Beteiligung verschiedenster Mediatoren und Effektoren wie Proteinkinase C (PKC), Adenosintriphosphat-regulierte Kaliumkanäle, freie Sauerstoffradikale (ROS) und Stickstoffmonoxid (NO) am Signaltransduktionsweg der APC und IPC nachweisen. Eine Beteiligung des beta-1-adrenergen Signaltransduktionsweges ist noch weitgehend ungeklärt und wird in der Literatur widersprüchlich diskutiert. Die vorliegende Arbeit untersuchte im In-vivo-Herzinfarktmodell des Kaninchens die Beteiligung des beta-1-adrenergen Signaltransduktionsweges an der APC und IPC. Durch die 30-minütige Gabe der volatilen Anästhetika Sevofluran und Desfluran wurde die APC hervorgerufen, durch eine einmalige 5-minütige Koronararterienokklusion die IPC. Um eine Beteiligung des beta-1-adrenergen Signaltransduktionsweges in der APC und IPC zu prüfen, wurde zum einen auf Rezeptorebene mit Esmolol, einem ultrakurzwirksamen beta-1-selektiven Betablocker, zum anderen intrazellulär mit H-89, einem selektiven PKA-Inhibitor, gearbeitet. APC und IPC wurden jeweils mit Esmolol oder H-89 kombiniert. Die Zielgröße der vorliegenden Arbeit war die prozentuale Berechnung des infarzierten Myokards am ischämischen Areal (IS/AAR in %). In Übereinstimmung mit vielen bisherigen Studien konnte eine myokardiale Präkonditionierung sowohl mit Desfluran und Sevofluran als auch durch eine kurze Koronararterienischämie hervorgerufen werden. Insgesamt war die IPC hinsichtlich der Infarktgrößenreduktion effektiver als die APC. Die APC wurde sowohl durch die beta-1-Adrenozeptor-Blockade als auch durch die PKA-Inhibition vollständig unterdrückt. Die IPC hingegen wurde zwar durch die beta-1-Adrenozeptor-Blockade komplett, durch die PKA-Inhibition jedoch nur teilweise aufgehoben. Unter Berücksichtigung der vorliegenden Ergebnisse kann somit festgehalten werden, dass der beta-1-adrenerge Signaltransduktionsweg eine wesentliche Rolle in der Vermittlung der APC und IPC spielt. Darüber hinaus weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass die Beteiligung des beta-1-adrenergen Signaltransduktionsweges in der APC und IPC in unterschiedlichem Maße vorliegt / Myocardial preconditioning is an endogenous protective mechanism, which increases the cellular resistance to prolonged ischemia and delays the appearance of myocardial infarction. This “program of protection” can be activated by different stimuli like short coronary artery occlusions (termed ischemic preconditioning, IPC) or by the application of volatile anesthetics (termed anesthetic-induced preconditioning, APC). Focus of current research is the examination of signal transduction mechanisms of IPC and APC. Former studies showed an involvement of different mediators and effectors in IPC and APC like protein kinase C (PKC), adenosine-triphosphate–regulated potassium channels, reactive oxygen species (ROS) and nitric oxide (NO). The role of the beta-1-adrenergic receptor in the signaling cascade of preconditioning is widely unclear in current literature. The present study examined the involvement of the beta-1-adrenergic signal transduction pathway in IPC and APC using an in-vivo-model of acute myocardial infarction in rabbits. The volatile anesthetics sevoflurane or desflurane given for 30 minutes were used to initiate APC, while IPC was evoked by administration of a single 5-min cycle of coronary artery occlusion. The involvement of the beta-1-adrenergic signal transduction pathway was tested by using two blocking agents in combination with APC and IPC. On the one hand esmolol was used, which is known to be an ultrashort-acting and selective beta-1-adrenergic receptor-blocker. On the other hand H-89 was given to inhibit protein kinase A (PKA) selectively, a downstream target of the betabe1-adrenergic receptor. APC and IPC were combined with esmolol or H-89, respectively. Endpoint of the current study was the examination of myocardial infarct size (IS) expressed as a percentage of the area-at-risk (IS/AAR in %). In accordance with former studies it could be shown that desflurane, sevoflurane and a single 5-min cycle of coronary artery occlusion are able to initiate myocardial preconditioning by reducing myocardial IS. Thereby IPC was a more potent agent to reduce infarct size than APC. The latter was completely abolished by blocking the beta-1-adrenergic receptor and inhibiting PKA, whereas IPC was totally inhibited by blocking the beta-1-adrenergic receptor and only attenuated by inhibition of PKA. In conclusion, beta-1-adrenergic signaling cascade plays an important role in IPC and APC. Moreover these results indicate that there is a difference of the beta-1-adrenergic signaling cascade between APC and IPC.

Die rechtzeitige Reperfusion eines ischämischen Gewebes kann einen zusätzlichen Schaden induzieren. Gezielte Interventionen in der frühen Reperfusionsphase können diesen sogenannten Reperfusionsschaden jedoch vermindern. Letzteres Phänomen beschreibt der Begriff Postkonditionierung. Volatile Anästhetika sind in der Lage, den genannten Mechanismus zu aktivieren. Dieser Vorgang wird Anästhetika-induzierte Postkonditionierung (APOST) genannt. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, die Rolle des mitochondrialen Kalzium-abhängigen Kalium-Kanals mit großer Leitfähigkeit (mBKCa) und der mitochondrialen permeability-transition-Pore (mPTP) in der Desfluran-induzierten Postkonditionierung zu beleuchten. Zur Untersuchung der genannten Phänomene wurde ein etabliertes in vivo-Mausmodell des akuten Myokardinfarkts verwendet. Hierbei reduzierte die Gabe von 1,0 MAC Desfluran in der frühen Reperfusionsphase die Infarktgröße signifikant. Somit konnte eine Desfluran-induzierte Postkonditionierung beobachtet werden. Die pharmakologische Aktivierung des mBKCa mittels NS1619 reduzierte die Infarktgröße in einem vergleichbaren Ausmaß wie Desfluran. Weiterhin zeigten sich keine additiven Effekte bei der Kombination beider Interventionen. Als Bestätigung dessen hob die Blockade des mBKCa mittels Iberiotoxin die APOST auf. Diese Ergebnisse lassen auf eine Beteiligung des mBKCa bei der Desfluran-induzierten Postkonditionierung schließen. Durch Pharmakologische Aktivierung der mPTP mittels Atractylosid wurde die APOST aufgehoben. Das Gegenexperiment zeigte keine additiven Effekte bei gleichzeitiger Desflurangabe und Inhibierung der mPTP mittels Cyclosporin A. Die alleinige mPTP-Inhibition resultierte in Infarktgrößen, welche mit denen bei Desflurangabe vergleichbar waren. Folglich erscheint eine Beteiligung der mPTP an der Desfluran-induzierten Postkonditionierung wahrscheinlich. Die Aktivierung der mPTP konnte die kardioprotektiven Auswirkungen der mBKCa-Öffnung nicht vollständig aufheben. Ebenso wurde durch Inhibition der mPTP der Effekt der mBKCa-Blockierung nur teilweise aufgehoben. Demzufolge scheint die Signalvermittlung der APOST über den mBKCa, zumindest teilweise, mPTP-unabhängig zu sein. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie demonstrieren eine Beteiligung des mBKCa und der mPTP an der Desfluran-induzierten Postkonditionierung in Mäusen in vivo. Weiterhin legen sie die Vermutung nahe, dass die Signalvermittlung der APOST über den mBKCa teilweise unabhängig von der mPTP erfolgt. / Reperfusion of ischemic tissue may induce additional damage itself. Through interventions during early reperfusion this so-called reperfusion injury can be decreased. This phenomenon is called post-conditioning. Volatile anesthetics are capable of activating this mechanism which we call anesthetic-induced post-conditioning (APOST). The objective of this work was to elucidate the role of the mitochondrial large-conductance calcium-activated potassium channel and the mitochondrial permeability transition pore in desflurane-induced postconditioning. An established in-vivo mouse-model for myocardial infarction was used to investigate the mentioned phenomenon. The administration of 1.0 MAC desflurane during early reperfusion reduced infarct size significantly. Thus a desflurane-induced post-conditioning was observed. Pharmacological activation of mBKCa by NS1619 reduced infarct sizes to similar extend as desflurane. No additional effects of both interventions were found. Affirming this conclusion blockade of mBKCa by iberiotoxin abolished APOST. These results suggest mBKCA to be involved in desflurane-induced post-conditioning. Activation of mPTP by atractyloside abolished APOST. The control experiment demonstrated no additional effects by simultaneous administration of desflurane and inhibition of mPTP by cyclosporine A. Inhibition of mPTP alone resulted in infarct sizes similar to desflurane application alone. Consequently mPTP is likely to be involved in desflurane-induced post-conditioning. Activation of mPTP was not able to completely abolish the cardioprotective effect of mBKCa opening. Likewise the effect of mBKCa inhibition was only neutralized partially through inhibition of mPTP. Accordingly, signal transduction of APOST through mBKCa seems to be at least partially independent of mPTP. The results of this study demonstrate mBKCa and mPTP to be involved in desflurane-induced post-conditioning in mice in-vivo. Furthermore, these data suggest a partial mPTP-independent signaling pathway of APOST through mBKCa.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenen Aspekten der hp-FEM. Insbesondere werden hierbei folgende Punkte genauer untersucht: 1. Das effiziente Aufstellen der Steifigkeitsmatrix auf Referenzelementen, die keine Tensorproduktstruktur besitzen. 2. Eine lokale Konvergenzbetrachtung für die randkonzentrierte hp-FEM. 3. Ein Multilevel-Löser für die randkonzentrierte hp-FEM. 4. Eine Strategie für hp-Adaptivität.