Antiarrhythmisches Potenzial der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA

Da der plötzliche Herztod in der Mehrzahl der Fälle durch ventrikuläre Arrhythmien hervorgerufen wird und die Häufigkeit durch eine Zufuhr von ω-3-Fettsäuren vermindert werden konnte, wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass PUFAs eine antiarrhythmische Wirkung besitzen (DEN RUIJTER et al. 2006). Um ein mögliches antiarrhythmisches Potenzial zu bestätigen, wurden in der vorliegenden Arbeit durch eine Erythromycin-Gabe bei gleichzeitiger Bradykardie sowie einem vermindertem K⁺-Gehalt in der Perfusionslösung zunächst Rhythmusstörungen vom TDP-Typ ausgelöst. Die niedrige K⁺-Konzentration führte zu einer zusätzlichen Blockade von

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IKr und damit zu einer potentiellen Verlängerung der Repolarisation (YANG u.

RODEN 1996). Auch unter Bradykardie (KURITA et al. 1992), besonders bei gleichzeitiger Einnahme repolarisationsverlängernder Substanzen, können TDPs auftreten. Zusätzlich ist das weibliche Geschlecht mit einem erhöhten Auftreten von TDPs assoziiert (CHENG 2006). Durch die Kombination dieser verschiedenen Risikofaktoren konnten TDPs zuverlässig und reproduzierbar ausgelöst werden. Eine zusätzliche Applikation der jeweiligen ω-3-Fettsäure sollte zeigen, inwieweit die PUFAs in der Lage sind, das Vorkommen von TDPs zu reduzieren bzw. völlig zu unterbinden. Alle drei Substanzen konnten das Vorkommen von TDP bereits in der niedrigen Konzentration von 10 µM statistisch signifikant senken. Nach einer Gabe von 20 µM DHA und EPA wurden trotz anhaltender Erythromycin-Gabe gar keine TDPs mehr ausgelöst. Somit konnten alle drei verwendeten Substanzen als antiarrhythmisch wirksam charakterisiert werden. Dabei wiesen EPA und DHA in unseren Untersuchungen ein höheres antiarrhythmisches Potenzial auf als ALA.

Hervorzuheben ist, dass die antiarrhythmische Wirksamkeit der ω-3-Fettsäuren in dieser Arbeit systematisch verglichen und daraufhin eindeutig als unterschiedlich charakterisiert werden konnte.

5.2.1 Der plötzliche Herztod und das Lange-QT-Syndrom

Eine Verlängerung des QT-Intervalls stellt bei einer großen Anzahl kardiovaskulärer sowie nicht-kardiovaskulär wirksamer Substanzen einen Risikofaktor für das Auftreten lebensbedrohender Rhythmusstörungen dar. Beim angeborenen und erworbenen LQTS ist ein verlängertes QT-Intervall mit wiederkehrenden Synkopen sowie dem plötzlichen Herztod assoziiert. Beides resultiert aus den potenziell lebensbedrohlichen polymorphen Kammertachykardien vom TDP-Typ (MILBERG 2004). Die Arbeitsgruppe um Eckardt und Milberg konnte ein in vitro Modell entwickeln, mit dem die erwarteten elektrophysiologischen Veränderungen beim LQTS 2 und 3 reproduzierbar dargestellt werden können. In der vorliegenden Arbeit wurde das LQTS mit dem Makrolidantibiotikum Erythromycin simuliert. Da Erythromycin einen IKr-Blocker repräsentiert und dem angeborenen LQTS 2 eine Veränderung des IKr zugrunde liegt, kann diese Form des medikamteninduzierten

LQTS mit dem angeborenen LQTS 2 verglichen werden. Die initiale Therapie zur Behandlung des Großteils der LQTS Patienten stellt die Gabe von β-Blockern dar (MOSS 1997). Um neue therapeutische Konzepte für das LQTS zu entwickeln, muss zunächst der zugrunde liegende Mechanismus verstanden werden.

Als Entstehungsmechanismus von TDP werden eine erhöhte Dispersion der Repolarisation sowie das Vorkommen von EADs diskutiert. EADs werden als wichtigster Trigger von TDPs angesehen (ECKARDT et al. 1998a; VOLDERS et al.

2000). Eine weit verbreitete Hypothese zu Entstehung von EADs besagt, dass eine spontane Ca²⁺-Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum eine bedeutende Rolle spielt (SIPIDO et al. 2006). Der daraus resultierende Anstieg von intrazellulärem Ca²⁺ führt über eine Aktivitätssteigerung des Na⁺/Ca²⁺-Austauschers zu einem Na⁺-Einwärtsstrom. Dieser könnte zu einer Depolarisation während der Repolarisationsphase der Membran führen und eine frühe Nachdepolarisation auslösen (MILBERG et al. 2008). In dieser Arbeit resultierte die Unterdrückung von TDPs aus einer Unterdrückung von EADs. In jedem Versuch, in dem TDPs auftraten, konnten vorher EADs registriert werden bzw. es wurden keine TDPs ohne vorherige EADs beobachtet. Unter Erythromycin war die Inzidenz von EADs und TDPs bei erniedrigter K⁺-Konzentration und Bradykardie hoch (44 von 53 Herzen, d.h. 83 % zeigten unter 300 µM EADs; 41 von 53 Herzen, d. h. 77 % zeigten unter 300 µM TDPs), während die PUFAs die Inzidenz -wie bereits erwähnt- maßgeblich reduzieren konnten. Sowohl EADs als auch TDPs konnten unter 20 µM PUFA nur bei fünf von 41 Herzen (12 %) registriert werden, und zwar alle nach Applikation von ALA. EADs stellen vermutlich den Trigger dar, der eine Proarrhythmie induziert, wenn gleichzeitig ein geeignetes Substrat für die Ausbreitung und Aufrechterhaltung von TDP vorliegt (HABBAB u. EL SHERIF 1990; ANTZELEVITCH et al. 1995). Das Auftreten von EADs ist mit einer Verlängerung der Repolarisationsphase assoziiert.

In dieser Arbeit konnte die Repolarisation durch den IKr-Blocker Erythromycin kritisch verlängert werden, indem der Netto-Auswärtsstrom entscheidend reduziert wurde.

HONDEGHEM et al. (2001) sowie MILBERG et al. (2002) gehen davon aus, dass eine verlängerte Phase 3 Repolarisation die Entstehung von EADs bedingen kann, da durch diese Verlängerung das „Zeitfenster“ für eine Reaktivierung des

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Ca²⁺-Kanals vom L-Typ lange geöffnet ist. IKr ist zwischen 0 und -50 mV aktiv (JANUARY et al. 2000), der L-Typ Ca²⁺-Kanal zwischen 0 und -30 mV (VOLDERS et al. 2000). Eine Blockade des IKr verlängert also auch das Zeitfenster zwischen 0 und – 30 mV, so dass möglicherweise vermehrt Ca²⁺ in die Zelle eindringt und zu EADs führt.

In verschiedenen tierexperimentellen Studien auf Zellebene konnte eine Blockade des L-Typ Ca²⁺-Kanals sowie des Na⁺/Ca²⁺-Austauschers durch PUFAs nachgewiesen werden, was einen plausiblen Erklärungsansatz für die statistisch signifikante Reduzierung von EADs nach Verabreichung von allen drei PUFAs darstellt. Wie bereits in Kapitel 2.5.3.2 dargestellt, konnten sowohl inkorporierte PUFAs (VERKERK et. 2006) als auch akut verabreichte PUFAs den Ionenkanal ICaL

sowie den Na⁺/Ca²⁺-Austauscher in ventrikulären Myozyten von Ratten und Meerschweinchen hemmen (XIAO et al. 1994; XIAO et al. 1997; MACLEOD et al.

1998; XIAO et al. 2006).

5.2.2 Die Bedeutung der räumlichen und zeitlichen Dispersion

Die Dispersion der APD ist ein wichtiges Substrat für die Aufrechterhaltung von Arrhythmien (HABBAB u. EL SHERIF 1990; ANTZELEVITCH 2007). Die Reduktion der Gesamtdispersion kann einen Grund für das antiarrhythmische Potenzial aller drei PUFAs darstellen. In dieser Arbeit wurden mittels acht unterschiedlich lokalisierter Katheter MAPs aufgezeichnet, so dass Aussagen über die räumliche Gesamtdispersion sowie die interventrikuläre und die transmurale Dispersion getroffen werden konnten. Eine differenziertere Betrachtung zeigt, dass nur EPA die interventrikuläre Dispersion statistisch signifikant senken konnte. Die transmurale Dispersion wurde dagegen durch alle drei PUFAs statistisch signifikant reduziert, wobei EPA stärker wirkte als ALA. Möglich ist, dass durch den relativ hohen Anpressdruck des linksendokardialen Katheters auf das dünne Endokard auch die tiefer liegenden M-Zellen erfasst wurden. Die M-Zellen reagieren besonders stark auf IKr-Blocker (ANTZELEVITCH et al. 1996) und stellen möglicherweise einen Ort dar, in dem EADs durch eine Verlängerung des APs bevorzugt auftreten (SICOURI u.

ANTZELEVITCH 1993). Da die transmurale Dispersion nach PUFA-Gabe deutlich

abnahm, lässt sich vermuten, dass PUFAs eine besondere Affinität zu endokardialen bzw. M-Zellen besitzen.

Die besonders starke Auswirkung auf die transmurale Dispersion lässt sich z.B. mit einer It0-Blockade erklären. Die regional unterschiedliche Verteilung von It0

im Myokard (im Epikard stärker als im Endokard) bedingt eine grundlegende Dispersion zwischen diesen beiden Zelltypen, die durch die Gabe des IKr-Blockers Erythromycin verstärkt wird. Da PUFAs den It0 blockieren (BOGDANOV et al. 1998), sinkt die Dispersion, besonders die transmurale, nach PUFA-Applikation. Allerdings wäre bei einer It0-Blockade eine Verlängerung der APD zu erwarten, was in dieser Arbeit jedoch nicht beobachtet werden konnte. Anders als in Modellen auf Zellebene, an denen einzelne Ionenkanäle isoliert untersucht werden können, wurde in dieser Arbeit ein ganzheitliches Modell verwendet, das die in vivo Bedingungen wesentlich besser darstellt. Die APD stellt somit das Resultat eines feinen Zusammenspiels sämtlicher Ionenströme dar. Man kann spekulieren, dass die It0-Blockade nicht ausreichend ist, um die APD zu verlängern, da z. B. die Wirkung der PUFAs auf den Ionenkanal ICaL überwiegt. Die It0-Blockade kann nicht als allgemeingültiger Mechanismus angesehen werden. So ist zu bedenken, dass der transiente Auswärtsstrom It0 beim Meerschweinchen ohne Bedeutung ist (BOGDANOV et al.

1998). Bei der Ratte dagegen stellt dieser den Haupt-Repolarisationsstrom dar (DUJARDIN et al. 2008).

Neben der räumlichen Dispersion wurde zusätzlich die zeitliche Dispersion ausgewertet. Während auch die zeitliche Dispersion unter Erythromycin statistisch signifikant anstieg, führte eine PUFA-Gabe zu einem signifikanten Abfall der Dispersion. Betrachtet man die einzelnen Substanzen getrennt, lassen sich keine statistischen signifikanten Unterschiede aufzeigen, jedoch besteht eine deutliche Tendenz zur Verkürzung. Die prozentualen Werte zeigen, dass ALA auch hier die schwächste Wirkung zeigt (DHA: 65 %, EPA 37 %, ALA: 24 %). Dies stellt einen weiteren Erklärungsansatz für das Auftreten von TDPs nach Applikation von ALA dar.

Das in dieser Arbeit beobachtete antiarrhythmische Potenzial konnte sowohl in vielen tierexperimentellen Studien als auch in klinischen Studien am Menschen

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nachgewiesen werden. Allerdings wurden die PUFAs in den klinischen Studien oral verabreicht. In den tierexperimentellen Studien wurde die Arrhythmie vorwiegend durch Ischämie ausgelöst, was einen Vergleich mit unserem Modell folglich nur teilweise zulässt. MURNAGHAN (1981) sowie McLENNAN et al. (1988) konnten schon sehr früh an Ratten zeigen, dass PUFAs die Schwelle für eine Ischämie-induzierte Arrhythmie deutlich erhöhen. Die Arbeitsgruppe um Billman arbeitet mit einem lebenden Hundemodell. Sie konnten durch Ischämie ausgelöste Arrhythmien mittels einer i. v. Gabe von EPA, DHA und ALA terminieren. KANG und LEAF (1996) erzeugten in einem Zellmodell ebenfalls Medikameten-induzierte Arrhythmien (z. B. durch Oubain), die sie durch die Gabe von DHA und ALA beenden konnten. Eine erst kürzlich erschienene Arbeit von DUJARDIN et al. (2008) korreliert sehr gut mit den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit. Auch sie konnten in einem Langendorff-Modell mit weiblichen Kaninchen zeigen, dass DHA in der Lage ist, die proarrhythmischen Eigenschaften eines zuvor applizierten Klasse III Antiarrhythmikums (Dofetilide) abzuschwächen. So wurden nach mehrwöchiger DHA-Fütterung z. B. die Dofetilide-induzierte Verlängerung des AP, die dreieckige Konfiguration des MAP und die Verlängerung der spatialen und temporalen Dispersion abgeschwächt, was das Auftreten von TDP völlig unterdrücken konnte.

DUJARDIN et al. (2008) vermuteten eine Na⁺-Kanal-Blockade, die sie mittels eines patch-clamp Experiments (allerdings nach akuter DHA-Gabe) auch nachweisen konnten, als ursächlich. Auch XIAO et al. (1995) konnten eine Na⁺-Kanal-Blockade durch DHA und EPA an neonatalen Ratten-Kardiomyozyten nachweisen. INa ist verantwortlich für die schnelle Depolarisation und spielt eine wichtige Rolle in der Impuls-Weiterleitung. Durch eine Blockade des Systems wird folglich die Impuls-Bildung und -Weiterleitung verlangsamt.

5.2.3 Vergleich der Effektivität der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA

Die vorliegenden Daten zeigen eine deutlich höhere antiarrhythmische Effektivität von DHA und EPA im Vergleich zu ALA. Zwar konnten alle drei Substanzen das Vorkommen von TDPs reduzieren, unter DHA und EPA (20 µM) traten jedoch gar keine TDPs mehr auf, während unter ALA weiterhin einige TDPs beobachtet werden

konnten. Folglich stellt sich die Frage, warum ALA in der vorliegenden Arbeit weniger antiarrhythmisch wirkte. Betrachtet man die untersuchten Parameter, erkennt man, dass ALA dieselben elektrophysiologischen Parameter senken konnte wie DHA.

Lediglich EPA unterschied sich von den beiden anderen Substanzen, da die Gabe zusätzlich zu einer statistisch signifikanten Verkürzung der interventrikulären Dispersion führte. Trotzdem traten unter 20 µM ALA weiter EADs und TDPs auf.

Vergleicht man die einzelnen Substanzen miteinander, stellt man zum einen fest, dass ALA die QT-Zeit sowie die Dispersion erst in einer Konzentration von 20 µM senken konnte, während DHA und EPA bereits in einer Konzentration von 10 µM signifikant wirkten. Außerdem unterscheidet sich ALA im Ausmaß der Wirksamkeit in allen Parametern (APD, QT-Zeit, Gesamtdispersion, interventrikuläre Dispersion, transmurale Dispersion) mindestens von einer der beiden anderen Substanzen statistisch signifikant.

Der Vergleich der Effektivität erlaubt eine Bewertung des prädiktiven Aussagewertes der untersuchten elektrophysiologischen Parameter. EPA und DHA wiesen keinen Unterschied bezüglich ihres Effekts auf die APD, die QT-Zeit und die transmurale Dispersion auf. Die vorliegenden Ergebnisse sprechen eindeutig dafür, dass diese drei elektrophysiologischen Parameter einen besonders hohen prädiktiven Wert für das Auftreten von EADs sowie die daraus folgenden Arrhythmien vom TDP-Typ besitzen. Auch bei der Auswertung der zeitlichen Dispersion fällt der Trend auf, dass ALA geringer wirkt als EPA und DHA, wenngleich diese Effekte nicht statistisch belegt werden konnten. Die Vermutung, dass vor allem die Dispersion der Repolarisation einen hohen prädiktiven Aussagewert besitzt, wird durch zahlreiche vorangegegangene Arbeiten unterstützt. So konnte ANTZELEVITCH (2007) zeigen, dass Substanzen, die zwar die QT-Zeit verlängern, nicht aber die transmurale Dispersion erhöhen, keine TDPs erzeugen. In der vorliegenden Arbeit konnte die transmurale Dispersion durch eine besonders starke Verkürzung der APD in endokardialen Zellen reduziert werden. Somit fehlt vermutlich das Substrat für die Aufrechterhaltung von TDPs. Die Ursache für die stärkere Verkürzung des endokardialen AP könnte sowohl in einer It0-Blockade (BOGDANOV et al. 1998) als auch in einer höheren Dichte von L-Typ Ca²⁺-Kanälen im Endokard liegen (WANG u.

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COHEN 2003). Wie bereits erwähnt konnte in tierexperimentellen Studien eine Blockade des ICaL durch PUFAs nachgewiesen werden (XIAO et al. 1994; XIAO et al.

1997; MACLEOD et al. 1998; VERKERK et. 2006; XIAO et al. 2006). Die stärkere Verkürzung der BVR durch DHA und EPA stimmt mit den Ergebnissen einer Studie von THOMSEN et al. (2006) überein. Sie konnten ebenfalls zeigen, dass eine antiarrhythmische Substanz die BVR vermindert.

Da fast alle Patienten mit erworbenen LQTS im EKG ein verlängertes QT-Intervall zeigen, jedoch umgekehrt nicht alle Patienten mit verlängertem QT-Intervall auch TDPs ausbilden, ist der Vorhersagewert der QT-Zeit alleine als gering einzustufen (HUIKURI 2002). Vielmehr kann vermutet werden, dass die kombinierte Bewertung mehrerer wichtiger Parameter den größten Aussagewert besitzt.

Der Vergleich von Versuchen mit und ohne TDPs (Kapitel 4.8) unterstreicht den hohen Aussagewert der untersuchten Parameter. Die QT-Zeit, die APD90 sowie die räumliche und zeitliche Dispersion sind in Versuchen, in denen TDPs auftraten, höher als in den Versuchen ohne TDPs. Besonders deutlich ist die Tendenz zu einer verlängerten zeitlichen Dispersion bei Versuchen mit TDPs zu erkennen.

Es konnte der Trend beobachtet werden, dass DHA und EPA v. a. die QT-Zeit bei langsamer Stimulationsfrequenz deutlich stärker reduzieren konnten als bei schneller Stimulation. Da TDPs vermehrt unter Bradykardie auftreten, kann dieses Phänomen eine entscheidende Rolle für die Vermeidung dieser Arrhythmie spielen (HONDEGHEM u. SNYDERS 1990). Unter ALA konnte dieser Effekt dagegen nicht beobachtet werden. Folglich lässt sich vermuten, dass dies einen Grund für die geringere ALA-Wirkung darstellen könnte. Obwohl der genaue Mechanismus in dieser Arbeit nicht abschließend aufgedeckt werden konnte, konnte systematisch gezeigt werden, dass die Fettsäure pflanzlichen Ursprungs (ALA) weniger effektiv wirkt als die beiden Fischöle DHA und EPA. Man kann spekulieren, dass strukturelle Unterschiede im Aufbau von ALA die schwächere Wirkung bedingen. So stellt ALA die Ausgangssubstanz für EPA und DHA dar und unterliegt folglich einer wesentlich höheren Umwandlungsrate im Gewebe (WEHRMÜLLER et al. 2008).