Bei herzchirurgischen Operationen mit induzierter Kardioplegie und Einsatz einer Herz-Lungen-Maschine kann es zu Veränderungen der Hämodynamik und der Sauerstoffbedingungen sowie zu einer systemischen Inflammationsreaktion kommen. Verschiedene Organe werden davon in unterschiedlichem Ausmaß beeinflusst, wobei das Gehirn besonders empfindlich reagiert. Zu den häufigsten Komplikationen nach herzchirurgischen Operationen zählen postoperative kognitive Dysfunktionen, welche die Lebensqualität der Patienten erheblich beeinträchtigen können. Für die Induktion des kardialen Arrests stehen verschiedene kardioplegische Lösungen zur Verfügung. Die Kardioplegielösungen Histidin-Tryptophan-Ketoglutarat (HTK)-Lösung nach Bretschneider (Custodiol®) und die Del Nido-Kardioplegielösung wurden hinsichtlich inflammatorischer, hypoxischer sowie hämodynamischer Effekte auf das Gehirn verglichen. In einem Ischämie-Reperfusions-Großtiermodell wurden Deutsche Landrasse-Schweine (50 - 60 kg) zu je neun Tieren in die Versuchsgruppen HTK und Del Nido randomisiert. Nach 40-minütiger Äquilibrierungsphase wurde durch Applikation der HTK- oder der Del Nido-Lösung ein 90-minütiger kardialer Arrest unter milder Hypothermie (34 °C) induziert. Im Anschluss durchliefen die Versuchsgruppen eine 120-minütige Reperfusionsphase. Während der Intervention wurden zu definierten Zeitpunkten hämodynamische Parameter dokumentiert und Blutgasanalysen durchgeführt. Nach Abschluss des Versuchs wurde das Gehirn der Tiere entnommen und entsprechend fünf sauerstoffsensibler Hirnregionen präpariert. Das entnommene Hirngewebe wurde immunhistochemisch, molekularbiologisch und proteinbiochemisch bezüglich hypoxischer und inflammatorischer Effekte untersucht. Hinsichtlich der untersuchten hämodynamischen Parameter waren die HTK- und die Del Nido-Gruppe vergleichbar. In der HTK-Gruppe zeigte sich im Vergleich zur Del Nido-Gruppe in der Ischämiephase eine geringere Hämoglobinkonzentration. Nach Applikation der Kardioplegielösung kam es in der HTK-Gruppe zu einem Abfall der Natrium-, Chlorid- und Calciumkonzentration, wobei die Natrium- und die Chloridkonzentration unterhalb des Normbereichs lagen. Demgegenüber waren die Elektrolytkonzentrationen in der Del Nido-Gruppe konstant im physiologischen Bereich. Hypoperfusion, Hypoxie und oxidativer Stress können im Rahmen herzchirurgischer Interventionen mit Einsatz einer Herz-Lungen-Maschine auftreten. Die Expression des Hypoxie-induzierten Faktors 1α, welche bei verminderter Sauerstoffkonzentration erhöht ist, wurde auf messenger ribonucleic acid (mRNA)- und Proteinebene erfasst und war zwischen den Gruppen vergleichbar. Bei der Analyse der mRNA- und Proteinexpression pro- und antiinflammatorischer Zytokine zeigten sich lediglich Unterschiede für Interleukin (IL)-1β. Die HTK-Gruppe präsentierte sich in den Hirnregionen Lobus frontalis und Truncus encephali mit einer signifikant höheren IL-1β-mRNA-Expression. Bezüglich der mRNA-Expression von IL-1β in den Hirnregionen Cerebellum, Diencephalon und Colliculus superior sowie von Tumornekrosefaktor-α, IL-10 und IL-1-Rezeptor-Antagonist in allen untersuchten Hirnregionen wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen festgestellt. Die Proteinexpression der Zytokine war in allen untersuchten Hirnregionen zwischen den Gruppen vergleichbar. Anhand der gewonnenen Daten kann beim Einsatz der Del Nido-Lösung im Vergleich zur HTK-Lösung von einer stabileren Hämoglobinkonzentration und Elektrolythomöostase ausgegangen werden. Daraus könnten sich im klinischen Verlauf Vorteile bezüglich des neurologischen Outcomes wie beispielsweise im Auftreten von Krampfanfällen oder postoperativem Delir ergeben. Im durchgeführten Tierversuch konnten in der Kurzzeitbetrachtung keine neurologischen Veränderungen dokumentiert werden. Unterschiede im Hinblick auf zerebrale inflammatorische Prozesse konnten ausschließlich für die IL-1β-mRNA-Expression beobachtet werden, weshalb von einem vergleichbaren Grad der zerebralen Inflammation auszugehen ist. Daher kann geschlussfolgert werden, dass die Del Nido-Kardioplegielösung hinsichtlich der zerebralen Effekte eine geeignete Alternative zur HTK-Kardioplegielösung darstellt.:I Abkürzungsverzeichnis IV II Abbildungsverzeichnis VII III Tabellenverzeichnis VIII 1 Einführung 1 1.1 Extrakorporale Zirkulation in der Herzchirurgie 1 1.2 Myokardprotektion 2 1.2.1 Extrakorporale Zirkulation mit Herz-Lungen-Maschine 2 1.2.2 Hypothermie 3 1.2.3 Kardioplegie 3 1.3 Kardioplegische Lösungen 5 1.3.1 Heutiger Einsatz 5 1.3.2 HTK-Lösung nach Bretschneider 6 1.3.3 Del Nido-Kardioplegielösung 7 1.3.4 Vergleich von HTK- und Del Nido-Lösung 8 1.4 Pathophysiologische Veränderungen im Rahmen extrakorporaler Zirkulation 9 1.5 Zerebrale Schäden im Rahmen extrakorporaler Zirkulation 10 1.5.1 Definition und Inzidenz 10 1.5.2 Pathophysiologie zerebraler Schäden 11 2 Aufgabenstellung und Zielsetzung 14 3 Materialien und Methoden 16 3.1 Materialien und Geräte der tierexperimentellen Interventionen 16 3.2 Materialien und Geräte der laborexperimentellen Untersuchungen 19 3.3 Studiendesign 26 3.4 Versuchstiere 27 3.5 Versuchsablauf 28 3.5.1 Abholung der Versuchstiere 29 3.5.2 Anästhesiologische Versorgung 29 3.5.3 Operationsvorbereitung und Äquilibrierungsphase 33 3.5.4 Anschluss an die Herz-Lungen-Maschine und Kardioplegieeinleitung 34 3.5.5 Ischämiephase 35 3.5.6 Reperfusionsphase 36 3.5.7 Intraoperatives Monitoring 36 3.5.8 Blutspenderschweine 37 3.5.9 Gewebeprobenahme und Konservierung 37 3.6 Immunhistochemie 38 3.6.1 Probenaufbereitung 38 3.6.2 Immunhistochemische Färbungen 39 3.6.3 Anfertigung histologischer Aufnahmen 43 3.6.4 Auswertung der immunhistochemischen Färbungen 44 3.7 Molekularbiologische Methoden 44 3.7.1 RNA-Isolation 45 3.7.2 cDNA-Synthese 45 3.7.3 Primerdesign 47 3.7.4 Primereffizienztestung 47 3.7.5 Real-time quantitative Polymerase-Kettenreaktion 48 3.7.6 Agarose-Gelelektrophorese 49 3.8 Proteinbiochemische Methoden 51 3.8.1 Proteinextraktion mit Relaxing-Lysepuffer 51 3.8.2 Proteinkonzentrationsbestimmung 52 3.8.3 Enzymgekoppelter Immunadsorptionsassay 53 3.9 Statistische Auswertung 58 4 Ergebnisse 59 4.1 Gruppeneigenschaften und hämodynamische Parameter 59 4.2 pH-Wert 60 4.3 Hämoglobin 61 4.4 Laktat 62 4.5 Elektrolyte 63 4.5.1 Natrium 63 4.5.2 Chlorid 64 4.5.3 Kalium 65 4.5.4 Calcium 66 4.6 Analysen der Genexpression 67 4.6.1 Hypoxie-induzierter Faktor 1α 67 4.6.2 Zytokine 68 4.7 Analysen der Proteinexpression 70 4.7.1 Hypoxie-induzierter Faktor 1α 70 4.7.2 Tumornekrosefaktor-α 71 4.7.3 Interleukin-1β 73 4.7.4 Interleukin-1-Rezeptor-Antagonist 74 4.7.5 Interleukin-10 75 5 Diskussion 77 5.1 Interpretation der Blutgasanalyse 77 5.2 Rückschlüsse zur zerebralen Sauerstoffversorgung 81 5.3 Zerebrale inflammatorische Prozesse 83 5.4 Diskussion der Methodik 87 5.5 Limitationen 88 5.6 Schlussfolgerung und Ausblick 89 6 Zusammenfassung der Arbeit 91 7 Literaturverzeichnis 94 8 Anlagen 109 9 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 115 10 Lebenslauf 116 11 Danksagung 117