Forscher um Hidetoshi Masumoto und Genshiro Sunagawa am RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research (BDR) in Japan haben eine neue Methode zum Schutz von Organen bei Herz- und Aortenoperationen entwickelt, wenn die Blutzirkulation blockiert werden muss. Anstatt sich auf kalte Temperaturen zu verlassen, um einen Hypometabolismus zu induzieren und den Sauerstoffbedarf zu reduzieren, funktioniert die Technik, indem sie Q-Neuronen im Gehirn stimuliert, die den Stoffwechsel auf einen Winterschlaf-ähnlichen Zustand verlangsamen. In dieser Proof-of-Concept-Studie schützte das Verfahren Mäusenieren vor Schäden durch Sauerstoffmangel und vermied schädliche Nebenwirkungen im Zusammenhang mit längerer Hypothermie. Die Ergebnisse könnten zu neuen Wegen führen, ähnliche Operationen bei Menschen durchzuführen.
Bei einigen Arten von Herz- und Aortenoperationen müssen Ärzte die Blutzirkulation unterbrechen, während sie daran arbeiten, die Aorta zu reparieren. In den letzten 50 Jahren wurde diese Art von Operation durchgeführt, nachdem mit kalten Temperaturen eine tiefe Unterkühlung herbeigeführt wurde, die den Stoffwechsel des Körpers verlangsamt, sodass die Organe mit sehr wenig Sauerstoff überleben können. Während dies zum Schutz von Organen wie den Nieren wirksam ist, verringert es auch die Blutgerinnung, was zu übermäßigen Blutungen und der Notwendigkeit von Bluttransfusionen führt.
Masumoto und sein Team bei RIKEN BDR haben nach Möglichkeiten gesucht, den Stoffwechsel zu verlangsamen, ohne Unterkühlung auszulösen. Wir wissen, dass viele Tiere – wie Bären und Eichhörnchen – Winterschlaf halten können und dass sie trotz des extrem langsamen Stoffwechsels während des Winterschlafs gesund sind, wenn sie aufwachen. Wie die meisten Tiere halten Menschen jedoch keinen Winterschlaf. Dies war das Ende der Geschichte, bis Sunagawas Gruppe vor einigen Jahren einen Weg entdeckte, Mäuse in einen Winterschlafzustand zu versetzen – Tiere, die normalerweise keinen Winterschlaf halten.
Wenn wir sie herbeiführen können, gibt es viele Möglichkeiten, Winterschlaf-ähnliche Zustände in der Herz-Kreislauf-Medizin, der Reanimationsmedizin oder anderen Fällen einzusetzen, in denen ein Organschutz durch Hypothermie unzureichend oder unangemessen ist.“
Genshiro Sunagawa, RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research
Aber zuerst muss die Wirksamkeit der Technik in Tiermodellen verifiziert werden. Die neue Studie ist die erste klinische Implementierung der Technik und testete ihre Wirksamkeit anhand eines Mausmodells einer Aortenoperation, die einen Kreislaufstillstand erfordert. Die früheren Studien des Teams zeigten, dass ein Hypometabolismus auf Winterschlafniveau durch die Aktivierung spezieller Neuronen im Hypothalamus des Gehirns, den so genannten Q-Neuronen, erreicht werden könnte. Chemogenetische Biotechnologie ermöglichte es den Forschern, die Aktivierung dieser spezifischen Neuronen mit einer Injektion auszulösen. Sie verglichen vier Gruppen von Modellmäusen, die sich darin unterschieden, ob kalte Temperaturen verwendet wurden, um Hypometabolismus zu induzieren oder nicht, und ob Q-Neuronen aktiviert wurden oder nicht.
Nierenschäden und Nierenfunktion wurden anhand der Konzentrationen von Biomarkern im Blut bewertet. Die Analyse zeigte, dass der durch Q-Neuronen bei normalen Temperaturen induzierte Hypometabolismus die Nieren ebenso schützte wie der durch Hypothermie induzierte. „Mit diesen Ergebnissen wissen wir jetzt, dass Q-Neuronen induzierte Winterschlaf-ähnliche Zustände zum Schutz von Organen nutzen können“, sagt Masumoto.
Das ultimative Ziel der Forschung von Masumoto und Sunagawa ist es, den Stoffwechsel von Menschen während einer Herzoperation oder aus anderen medizinischen Gründen durch eine Variation dieser Technik zu verlangsamen. Da Q-Neuronen bei Menschen jedoch nicht so selektiv aktiviert werden können, wie dies bei experimentell hergestellten Mäusen der Fall ist, sucht das Team nun nach Möglichkeiten, die dem Gehirn nachgeschalteten Organe zu schützen. „Die Aktivierung von Q-Neuronen löst eine Abfolge biologischer Ereignisse aus, die es den Organen ermöglicht, tagelang in einem hypometabolischen Zustand zu existieren“, erklärt Sunagawa. „Sobald wir genau wissen, was diese Ereignisse sind, sind wir zuversichtlich, dass wir sie pharmakologisch im Körper induzieren können, ohne zuerst die Q-Neuronen aktivieren zu müssen.“
Die Studie wurde am 7. November in JTCVS Open veröffentlicht.
Quelle:
Referenz:
Shoichi Kyo., et al. (2022) Durch Q-Neuronen induzierter Hypometabolismus verbessert akute Nierenverletzungen in einem Mausmodell, das eine kardiovaskuläre Operation nachahmt, die einen Kreislaufstillstand erfordert. JTCVS geöffnet. doi.org/10.1016/j.xjon.2022.11.001.
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