Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von mehrfach ungesättigten [Omega]-3-Fettsäuren auf die Arrhytmogenese an Langendorff-perfundierten isolierten Kaninchenherzen

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Tierärztliche Hochschule Hannover

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Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von mehrfach ungesättigten ω-3-Fettsäuren auf die Arrhythmogenese an Langendorff-perfundierten

isolierten Kaninchenherzen

INAUGURAL-DISSERTATION

zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Veterinärmedizin

- Doctor medicinae veterinariae - (Dr. med. vet.)

vorgelegt von Anne Kleideiter

Coesfeld

Hannover 2009

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Wissenschaftliche Betreuung: Univ.-Prof. Dr. med. vet. M. Fehr;

Klinik für Kleintiere, Tierärztliche Hochschule Hannover

Univ.-Prof. Dr. med. L. Eckardt;

Medzinische Klinik und Poliklinik C;

Universitätsklinikum Münster

1. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. med. vet. M. Fehr Univ.-Prof. Dr. med. L. Eckardt

2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. med. vet. G. Breves

Tag der mündlichen Prüfung: 18.05.2009

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Meinen Eltern

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1. EINLEITUNG ____________________________________________________ 1

2. LITERATURÜBERSICHT __________________________________________ 3

2.1 Die Physiologie der Herzmuskelzelle _______________________________ 3 2.1.1 Das Aktionspotenzial der Herzmuskelzelle ___________________________ 3 2.1.2 Die elektrische Heterogenität des Myokards __________________________ 7 2.2 Pathophysiologie der Repolarisation _______________________________ 8 2.2.1 Langes QT-Syndrom (LQTS)______________________________________ 9 2.2.2 Frühe Nachdepolarisationen (EADs) und Torsade de Pointes (TDPs) _____ 12 2.2.3 Prognostische Marker __________________________________________ 17 2.3 Der plötzliche Herztod __________________________________________ 20 2.4 Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (polyunsaturated fatty acids = PUFAs) 22 2.4.1 Struktur und Nomenklatur von Fettsäuren___________________________ 22 2.4.2 Vorkommen von PUFAs ________________________________________ 23 2.4.3 ω-3-Fettsäuren in der Kardiologie _________________________________ 25 2.4.3.1 Tierexperimentelle Studien _____________________________________ 27 2.4.3.2 Elektrophysiologische Untersuchungen ___________________________ 28 2.5 Erythromycin _________________________________________________ 33 2.6 Das isolierte Warmblüterherz ____________________________________ 34 2.6.1 Ein geschichtlicher Überblick_____________________________________ 34 2.6.2 Die historische Langendorff-Anlage________________________________ 36 2.6.3 Die Perfusionslösung___________________________________________ 37 3. MATERIAL UND METHODEN______________________________________ 38

3.1 Versuchstiere _________________________________________________ 38 3.2 Versuchsaufbau _______________________________________________ 38 3.2.1 Perfusionslösung und Wärmebad _________________________________ 39 3.2.2 EKG-Ableitung________________________________________________ 41 3.2.3 MAP-Ableitung________________________________________________ 42 3.2.4 Stimulation___________________________________________________ 43 3.2.5 Intraventrikuläre Druckmessung __________________________________ 44 3.2.6 Aufzeichnung der Daten ________________________________________ 44 3.2.6 Stabilität der Versuchsbedingungen _______________________________ 45 3.3 Präparation des isolierten Kaninchenherzens_______________________ 45 3.4 Versuchssubstanzen ___________________________________________ 48 3.4.1 Erythromycin _________________________________________________ 48 3.4.2 Polyunsatured fatty acids (PUFAs) ________________________________ 49 3.4.2.1α-linolenic acid (ALA)__________________________________________ 49 3.4.2.2 Docosahexaenoic-acid (DHA) __________________________________ 49 3.4.2.3 Eicosapentaenoic-acid (EPA) ___________________________________ 49 3.5 Versuchsprotokolle ____________________________________________ 50 3.5.1 Protokoll A ___________________________________________________ 50

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3.5.2 Protokoll B ___________________________________________________ 51 3.6 Auswertung___________________________________________________ 52 3.6.1 Ermittlung der QT-Zeiten und der MAP-Dauern ______________________ 52 3.6.2 Ermittlung der beat-to-beat Variabilität der Repolarisation (BVR) _________ 53 3.6.3 Erfassung der Herzrhythmusstörungen _____________________________ 53 3.7 Statistik ______________________________________________________ 55

4. ERGEBNISSE __________________________________________________ 57

4.1 Einfluss der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA auf die myokardiale

Repolarisation____________________________________________________ 57 4.1.1 α-linolenic acid (ALA)___________________________________________ 59 4.1.2 Docosahexaenoic acid (DHA) ____________________________________ 61 4.1.3 Eicosapentaenoic acid (EPA) ____________________________________ 63 4.2 Einfluss der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA auf die QT-Zeit _______ 64 4.2.1 α-linolenic acid (ALA)___________________________________________ 65 4.2.2 Docosahexaenoic acid (DHA) ____________________________________ 66 4.2.3 Eicosapentaenoic acid (EPA) ____________________________________ 67 4.3 Einfluss der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA auf die myokardiale

Repolarisation nach vorheriger Erythromycingabe _____________________ 69 4.3.1 α-linolenic acid (ALA)___________________________________________ 73 4.3.2 Docosahexaenoic acid (DHA) ____________________________________ 75 4.3.3 Eicosapentaenoic acid (EPA) ____________________________________ 77 4.4 Einfluss der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA auf die QT-Zeit nach

vorheriger Erythromycingabe _______________________________________ 80 4.4.1 α-linolenic acid (ALA)___________________________________________ 80 4.4.2 Docosahexaenoic acid (DHA) ____________________________________ 81 4.4.3 Eicosapentaenoic acid (EPA) ____________________________________ 81 4.5 Einfluss der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA auf die Dispersion der Repolarisation nach vorheriger Erythromycingabe _____________________ 82 4.6 Einfluss der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA auf das Vorkommen von frühen Nachdepolarisationen nach vorheriger Erythromycingabe _________ 90 4.7 Einfluss der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA auf das Vorkommen von Torsade de Pointes nach vorheriger Erythromycingabe _________________ 92 4.8 Vergleich von Versuchen, in denen Torsade de Pointes auftraten, mit

Versuchen ohne Torsade de Pointes _________________________________ 98

5. DISKUSSION __________________________________________________ 103

5.1 Einfluss der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA auf die myokardiale

Repolarisation___________________________________________________ 104 5.2 Antiarrhythmisches Potenzial der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA _ 106 5.2.1 Der plötzliche Herztod und das Lange-QT-Syndrom __________________ 107 5.2.2 Die Bedeutung der räumlichen und zeitlichen Dispersion ______________ 109 5.2.3 Vergleich der Effektivität der ω-3-Fettsäuren ALA, DHA und EPA ______ 111 5.3 Grenzen der Methode __________________________________________ 114

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5.4 Ein Ausblick _________________________________________________ 115

6. ZUSAMMENFASSUNG __________________________________________ 119

7. SUMMARY ____________________________________________________ 121

8. LITERATURVERZEICHNIS _______________________________________ 123

9. ANHANG _____________________________________________________ 149

10. VERZEICHNIS DER VERWENDETEN ABKÜRZUNGEN _______________ 170

11. DANKSAGUNG _______________________________________________ 173

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1. Einleitung______________________________________________________________________

1. Einleitung

Klinische sowie tierexperimentelle Studien weisen nach, dass mehrfach ungesättigte ω-3-Fettsäuren (polyunsatured fatty acids = PUFAs) das Risiko für das Auftreten eines plötzlichen Herztodes verringern (MOZAFFARIAN u. RIMM 2006; WANG et al.

2006; VON SCHACKY 2007a). Inwieweit die Unterdrückung zugrunde liegender ventrikulärer Herzrhythmusstörungen eine Rolle spielt, ist bislang nicht geklärt.

Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der PUFAs auf die Arrhythmogenese am isolierten Kaninchenherzen näher zu untersuchen.

In unserer Arbeitsgruppe werden isolierte Kaninchenherzen an einer Langendorff- Anlage elektrophysiologisch untersucht. Das Langendorff-Modell ist für elektrophysiologische Studien besonders geeignet, da die für Arrhythmien mitverantwortliche Anatomie und die Integrität des Herzens unter Entkopplung vom ZNS erhalten bleibt (ECKARDT et al. 1998c). Im Gegensatz zu Untersuchungen an Einzelzellen sind bei der Langendorff-Methode die Zell-Zell-Verbindungen (gap junctions) erhalten (HOYT et al. 1990).

Die Untersuchungen am Langendorff-perfundierten isolierten Kaninchenherzen sollten neue Erkenntnisse zur gezielten Therapie mit PUFAs bringen und die therapeutischen Möglichkeiten bei Herzrhythmusstörungen näher charakterisieren.

Dabei wurde anhand der QT-Zeit und der Aktionspotenzialdauer (APD) der Einfluss von PUFAs auf die myokardiale Repolarisation sowie auf die räumliche und zeitliche Dispersion der Repolarisation bewertet.

Ein möglicher positiver Einfluss von ω-3-Fettsäuren auf das Auftreten Medikamenten-induzierter Proarrhythmie wurde bislang nicht systematisch untersucht. Gegenstand dieser Arbeit war deshalb die Frage, inwieweit PUFAs das Potenzial besitzen, Medikamenten-induzierte Arrhythmien vom Torsade de Pointes (TDP) Typ zu unterdrücken. Zusätzlich wurde dabei die Wirksamkeit der drei eingesetzten PUFAs (α-linolenic-acid, Docosahexaenoic-acid und Eicosapentaenoic-

acid) miteinander verglichen. Dies ist von besonderem Interesse, da der ω-3-Fettsäure pflanzlichen Ursprungs (ALA) keine antiarrhythmische Wirkung bzw.

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keine positive Wirkung bezüglich des plötzlichen Herztodes zugesprochen wird (MATTHAN et al. 2005; WANG et al. 2006).

Basierend auf den elektrophysiologischen Untersuchungen wurde durch das Projekt ein besseres Verständnis für die Wirkungsweise von PUFAs im Zusammenhang mit der Entstehung und Behandlung von Herzrhythmusstörungen erwartet.

Außerdem vergleicht und bewertet diese Arbeit den prädiktiven Aussagewert verschiedener prognostischer Marker bezüglich Proarrhythmie (QT-Zeit, spatiale und zeitliche Dispersion der Repolarisation, frühe Nachdepolarisationen).

In der Humanmedizin sind kleine Heimtiere, speziell das Kaninchen, schon lange Gegenstand der Herz-Kreislauf-Forschung, da wesentliche Gemeinsamkeiten zwischen dem Herzmuskelgewebe von Kaninchen und Menschen bestehen (MUDERS u. ELSNER 2000; MARIAN 2005).

Die Ergebnisse dieser Arbeit können auch für die Kleintiermedizin eine hohe praktische Relevanz besitzen, da durch die stetig steigende Zahl der „Hobby- und Luxustierhaltung“ (Industrieverband Heimtierbedarf e.V.) an die Tierärzte neue Anforderungen bezüglich diagnostischer und therapeutischer Maßnahmen gestellt werden. Die Bereitschaft der Patientenbesitzer, eine umfangreiche Diagnostik durchführen zu lassen, bedingt, dass zunehmend Erkrankungen des Herz- und Kreislaufsystems festgestellt und behandelt werden.

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2. Literaturübersicht________________________________________________________________

2. Literaturübersicht

2.1 Die Physiologie der Herzmuskelzelle

2.1.1 Das Aktionspotenzial der Herzmuskelzelle

An Zellen besteht zwischen dem Extra- und Intrazellularraum eine elektrische Potenzialdifferenz, das Membranpotenzial. Grundlage für dieses Potenzial ist die ungleiche Verteilung der Ionen. Eine Na/K-ATPase transportiert K⁺-Ionen in die Zelle, Na⁺-Ionen aus der Zelle, so dass ein Konzentrationsgefälle entsteht. Durch spontan offene K⁺-Kanäle in der Zellmembran können K⁺-Ionen entlang dem Konzentrationsgefälle aus der Zelle diffundieren. Da keine offenen Anionenkanäle vorhanden sind, verliert das Zellinnere in der Summe Kationen und die Innenseite der Membran lädt sich negativ. Umgekehrt lädt sich die Außenseite positiv. Diese elektrische Potenzialdifferenz verhindert das weitere ungehinderte Ausströmen von K⁺-Ionen, da die positiv geladene Außenseite die ebenfalls positiven K⁺-Ionen abstößt. Nach kurzer Zeit entspricht der Kaliumausstrom, der dem Konzentrationsgradienten folgt, dem Kaliumeinstrom durch den elektrischen Gradienten (elektrochemisches Gleichgewicht). Die Nettoladungsverschiebung ist Null (SCHRÖDER et al. 2000).

Da die Membran im Ruhezustand besonders für K⁺-Ionen durchlässig ist, bestimmt das K⁺-Gleichgewichtspotenzial vor allem das Ruhepotenzial (SCHRÖDER et al.

2000; RODEN et al. 2002). Dagegen ist die Membran für Na⁺-Ionen trotz eines hohen elektrochemischen Gradienten nahezu undurchlässig (MONSUEZ 1997;

RODEN et al. 2002). Somit ist das Ruhepotenzial ein K⁺-Diffusionspotenzial. Ähnlich wie im Skelettmuskel liegt es im Herzmuskel bei circa –90 mV.

Jeder Herzschlag wird durch ein Aktionspotenzial (AP) ausgelöst, das im Sinusknoten gebildet wird. Der Sinusknoten als organeigener Reizgenerator macht das Herz von äußeren Signalen unabhängig und sorgt dafür, dass das Herz auch außerhalb des Körpers (Autonomie) mit gleich bleibender Frequenz (Automatie) weiterschlägt. Die Herzmuskelzellen sind elektrisch leitend miteinander verbunden

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(funktionelles Syncytium), so dass sich ein AP immer über alle Herzmuskelzellen ausbreitet („Alles-oder-Nichts-Effekt“).

Der im Sinusknoten gebildete Reiz erzeugt nach Überschreiten des Schwellenpotenzials von –40 bis –35 mV eine Erregung. Die im Sinusknoten durch spontane Depolarisation entstehende Erregung wird über den AV-Knoten, His-Bündel, Tawara-Schenkel und Purkinje-Fasern an das Ventrikelmyokard geleitet (HARMEYER 2000).

Die Form und die Dauer des AP ist das Ergebnis einer fein abgestimmten Aktivität multipler Ionenströme, die zu verschiedenen Zeitabschnitten aktiviert und inaktiviert werden. Beteiligt sind transmembranäre Ströme durch Kanäle, Ionenpumpen, Ionenaustausch-Mechanismen, rezeptorgesteuerte Mechanismen und Widerstandsänderungen im Bereich der Zell-Zell-Kopplung (gap junction) (BORCHARD u. HAFNER 2000). Typisch für die Herzmuskelzellen ist eine schnelle Depolarisation und eine langsame Repolarisation (RODEN et al. 2002).

Verglichen mit dem Skelettmuskel ist das AP des Kammermyokards 100-mal so lang (200-400 ms). Die Kontraktion findet etwa zeitgleich mit der Ausbildung des AP statt.

Nach Ablauf des AP ist die Herzmuskelzelle nicht sofort wieder erregbar, sondern refraktär. Die Refraktärzeit schützt den Herzmuskel unter physiologischen Bedingungen vor einer Dauerkontraktion sowie vor kreisenden Erregungen. Somit ist der Herzmuskel im Gegensatz zum Skelettmuskel nicht tetanisierbar. Während des Großteils des AP ist das Myokard absolut refraktär. Hierbei ist das Natriumsystem inaktiviert, also kein initialer Na⁺-Strom möglich. Dies gilt solange bis das Membranpotenzial > -40 mV ist. Sobald es wieder negativer wird, beginnt die relative Refraktärphase. In dieser kurzen Phase (< 100 ms) ist das Natriumsystem noch teilweise inaktiviert, so dass größere Reizstärken als normal erforderlich sind und das resultierende AP eine kleinere Amplitude und eine kürzere Dauer als normal zeigt (DEETJEN u. SPECKMANN 1992).

Das AP der Herzmuskelzelle wird in fünf Phasen eingeteilt (KEATING u.

SANGUINETTI 2001):

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- Phase 0 = Depolarisation mit „Overshoot“

- Phase 1 = initiale Repolarisation - Phase 2 = Plateauphase

- Phase 3 = Repolarisation - Phase 4 = Ruhepotenzial Phase 0 (Depolarisation):

Die Depolarisation, d. h. die Änderung des negativen Membranruhepotenzials in Richtung eines positiven Potenzials entsteht durch den Einwärtsstrom positiv geladener Ionen. Ausgelöst wird die Depolarisation durch ein schnell reagierendes potenzial- und zeitgesteuertes Natriumsystem (HARMEYER 2000; KEATING u.

SANGUINETTI 2001). Hierdurch kommt es zu einem Einstrom von Na⁺, bis die Zelle beinahe das Equilibriumspotenzial für Na⁺ erreicht, welches bei +45 mV liegt. Noch vor Erreichen desselben schließen sich die Na-Kanäle bei ca. +20 mV (BRUNNER u.

ZEHENDER 1998). Zusätzlich werden potenzial- und zeitgesteuerte Calciumkanäle aktiviert. Man unterscheidet den L-type- (long lasting) und den T-type- (treshold) Calciumkanal. Von besonderer Bedeutung ist der L-type Kanal, über den zum einen die lange Dauer des AP aufrechterhalten werden kann sowie zum anderen eine direkte Freisetzung von Calcium aus dem sarcoplasmatischen Retikulum erfolgt (RODEN et al. 2002). Dieser Anstieg der cytosolischen Ca²⁺-Konzentration vermittelt die elektromechanische Kopplung (DEETJEN u. SPECKMANN 1992). Die Depolarisation entspricht im Oberflächen-EKG dem QRS-Komplex (KEATING u.

SANGUINETTI 2001)

Phase 1 (initiale Repolarisation):

Die kurzzeitige Repolarisation erfolgt aufgrund der Inaktivierung der Natriumkanäle und einer zeitgleichen Aktivierung eines vorübergehenden Kaliumausstroms über einen unspezifischen Kationenkanal It0 (KEATING u. SANGUINETTI 2001; RODEN et al. 2002). Es sind mindestens zwei verschiedene Subtypen des It0 nachgewiesen, ein durch intrazelluläres Ca²⁺ aktivierter und ein spannungsaktivierter Kanal. Die Verteilung von It0 im Ventrikelmyokard ist inhomogen. Subepikardial wurde er nachgewiesen, nicht aber subendokardial (BRUNNER u. ZEHENDER 1998).

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Phase 2 (Plateauphase):

Die lange Plateauphase (ca. 100 ms) ist charakteristisch für Myokardzellen. In dieser Phase ist die Gesamtleitfähigkeit des Sarcolemms sehr gering und die Nettoladungsverschiebung gleich Null. Es besteht eine Balance zwischen Ioneneinstrom (Ca²⁺ über L-type Kanäle) und Ionenausstrom (K⁺ über den verzögerten Gleichrichterstrom, (SNYDERS 1999; RODEN et al. 2002). Zusätzlich transportiert der 3 Na⁺/Ca²⁺-Austauscher drei Na⁺-Ionen in die Zelle und Ca²⁺-Ionen nach außen. Dieser Nettokationeneinstrom wird durch einen Kaliumausstrom ausgeglichen (zunächst über It0 Kationenkanäle, danach über K1 Kaliumkanäle). Das Plateau wird also durch einen langsam abfallenden Ca²⁺-Einwärtsstrom über L-Type Calcium-Kanäle und einen Auswärtsstrom von Kalium über diverse Kaliumkanäle gehalten (KEATING u. SANGUINETTI 2001). Dadurch, dass die Nettoladungsverschiebung in dieser Phase sehr gering ist, hat insbesondere die Veränderung von Ionenströmen in der Plateauphase starke Auswirkungen auf die Dauer des AP (KEATING u. SANGUINETTI 2001).

Phase 3 (Repolarisation):

Induziert wird die Repolarisation durch Kaliumauswärtsströme über spannungsabhängige Kanäle. BOYETT et al. (1996) beschreiben 17 verschiedene Kaliumströme. Von besonderer Bedeutung sind drei verzögerte Gleichrichterströme, IKr (r = rapid), IKs (s = slow) und IKkur, wobei beim Kaninchen IKr entscheidend ist (KEATING u. SANGUINETTI 2001; RODEN et al. 2002), da IKr wie auch beim Menschen beim Kaninchen deutlich stärker exprimiert wird als IKs (CARMELIET et al.

1992; LI et al. 1996). Dies macht das Kaninchen zu einem wertvollen Gegenstand für die humanmedizinische Forschung zur Untersuchung von Mechanismen der Repolarisation. Die α-Untereinheit des IKr-Kanals wird über das HERG-Gen (human ether-a-go-go-related gene) kodiert (RODEN et al. 2002). IKr zeichnet sich durch eine einwärtsgerichtete Gleichrichtung aus, d. h. die Leitfähigkeit nimmt mit der Membrandepolarisation ab. Die Aktivierung steigt mit zunehmender Repolarisation an, so dass IKr vor allem in der terminalen Phase der Repolarisation von Bedeutung ist. Gleichzeitig werden die Ca²⁺-Kanäle inaktiviert (RODEN 2002).

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Phase 4 (Ruhepotenzial):

Während des Ruhepotenzials findet wie auch während der Plateauphase keine Nettoladungsverschiebung statt. Das Membranpotenzial liegt wieder bei circa -90 mV.

Abbildung 1:

Physiologisches AP mit de- und repolarisierenden Ionenströmen (DEN RUIJTER et al. 2005).

2.1.2 Die elektrische Heterogenität des Myokards

Anders als lange angenommen, ist das Myokard kein homogenes Gewebe, sondern besteht aus drei unterschiedlichen Zelltypen. Diese drei Zelltypen verhalten sich besonders in der Phase 1 und 3 des AP -also in den Repolarisationsphasen- unterschiedlich (ANTZELEVITCH 2007). Neben den epikardialen und endokardialen Zellen differenzierten SICOURI und ANTZELEVITCH (1991) einen weiteren Zelltyp im caninen Herzgewebe, die midmyokardialen Zellen oder M-Zellen. Zellen mit Eigenschaften von M-Zellen wurden beim Hund, Meerschweinchen, Schwein, Kaninchen sowie beim Menschen beschrieben (ANTZELEVITCH 2007). Lokalisiert

depolarisierender Ionenstrom repolarisierenderIonenstrom

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sind M-Zellen im tiefen Subepikardium sowie in tiefen subendokardialen Strukturen, inklusive Septum, Papillarmuskel und Trabekel. Sie machen zusammen mit Übergangszellen 30 - 40 % der Ventrikelwand aus (ANTZELEVITCH et al. 1995).

M-Zellen zeigen sowohl Ähnlichkeiten zu myokardialen Zellen als auch zu Zellen des Erregungsleitungssystems.

Die Dauer sowie die Form des AP variiert in den drei myokardialen Zelltypen.

Epikardiale Zellen im Ventrikel sowie M-Zellen zeigen eine starke Einkerbung („notch“) beim Übergang von der Depolarisation zur initialen Repolarisation. Dieser

„notch“, auch „spike and dome“ Morphologie genannt, ist im Endokard wesentlich geringer ausgeprägt. Erklärt werden diese Unterschiede durch einen wesentlich geringeren It0 im Endokard. Die regionalen Unterschiede konnten direkt in Myozyten von Hunden, Katzen, Ratten, Kaninchen und Menschen nachgewiesen werden (ANTZELEVITCH 2007). Außerdem ist die Ausbildung des „notch“ in epikardialen Zellen und M-Zellen des rechten Ventrikels stärker als in denselben Zellen des linken Ventrikels (ANTZELEVITCH 2001; ANTZELEVITCH u. FISH 2001).

M-Zellen zeigen eine längere Aktionspotenzialdauer (APD) als andere Zellen des Myokards (LIU u. ANTZELEVITCH 1995; ANTZELEVITCH 2007). Auffällig ist eine wesentlich stärkere Verlängerung des AP in M-Zellen bei niedrigen Herzfrequenzen.

SICOURI und ANTZELEVITCH konnten 1991 zeigen, dass die APD90 (also die Zeit vom steilsten Anstieg der Depolarisation bis zur 90%igen Repolarisation) bei langsamer Stimulation in M-Zellen wesentlich stärker ansteigt als in epi- oder endokardialen Zellen, vor allem im linken Ventrikel. Ab Zykluslängen von 500 ms entwickelt sich zwischen M-Zellen und anderen Zellen eine starke Dispersion der Repolarisation. Dagegen unterscheidet sich die APD bei schneller Stimulation nicht.

2.2 Pathophysiologie der Repolarisation

Regionale Unterschiede in der Dauer des AP und damit auch der Refraktärzeit spielen eine besonders wichtige Rolle in der Entstehung von Herzrhythmusstörungen, die auf Reentry-Mechanismen beruhen. Eine Verlängerung

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der Repolarisation wird als antiarrhythmisch eingestuft. Sotalol und Amiodaron, zwei typische Vertreter der Klasse-III Antiarrhythmika (VAUGHAN-WILLIAMS 1984) vermindern durch eine Verlängerung der APD sowie durch eine Reduktion der Dispersion der Repolarisation die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Reentry-Tachykardien. Außerdem können sie die erregbare Lücke mittels einer Verlängerung der APD sowie der Refraktärzeit verkürzen und somit eine Reentry-Tachykardie terminieren.

Eine Verlängerung der Repolarisation kann aber auch proarrhythmisch wirken. Die meisten proarrhythmischen Effekte wurden von primär nicht antiarrhythmisch wirkenden Substanzen beschrieben, die IKr blockieren (ECKARDT et al. 1998a;

HAVERKAMP et al. 2000). Der verminderte Kaliumauswärtsstrom kann zu einer übermäßigen Verlängerung des AP führen und noch vor Ende der Repolarisation eine erneute Depolarisation sowie frühe Nachdepolarisationen ermöglichen (EL SHERIF et al. 1990).

Eine Verkürzung der APD wirkt folglich antiarrhythmisch, wenn die zugrunde liegende Arrhythmie durch eine getriggerte Aktivität verursacht wird. Jedoch bewirkt eine Verkürzung der APD auch eine Verkürzung der Refraktärzeit und begünstigt auf diese Weise Reentry-Mechanismen. Eine Verlängerung der APD kann also einen Reentry verhindern, ist aber in der Lage, frühe Nachdepolarisationen und Torsade de Pointes auszulösen (DEN RUIJTER et al. 2006).

2.2.1 Langes QT-Syndrom (LQTS)

Die im Oberflächen-EKG gemessene Strecke zwischen dem Beginn des QRS-Komplexes und dem Ende der T-Welle korreliert mit der Dauer des intrakardialen AP. Die QT-Dauer umfasst somit sowohl die Depolarisations- als auch die Repolarisationsphase. Die Unterschiede der QT-Zeiten im Oberflächen-EKG reflektieren eine inhomogene Repolarisation in der Ventrikelwand. Die QT-Dispersion, also die Differenz zwischen dem längsten und dem kürzesten QT-Intervall im 12 Kanal-EKG, beträgt physiologisch 40 - 50 ms. Das längste QT-Intervall ist meist in Ableitung II zu messen (BRUNNER u. ZEHENDER 1998). Da sich das QT-Intervall unter physiologischen Bedingungen mit steigender

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Herzfrequenz verkürzt, existieren mehrere Formeln zur Frequenzkorrektur. Nach der Korrekturformel QTc = QT/√RR-Intervall von BAZETT (1997) gilt eine QTc-Verlängerung von über 0,44 als pathologisch, wobei jedoch zu beachten ist, dass Frauen ein etwas längeres QT-Intervall haben als Männer. Ein QT-Intervall von über 0,50 s gilt unabhängig von der Herzfrequenz als sicher pathologisch (BRUNNER u. ZEHENDER 1998). Eine Verlängerung des Intervalls wird durch einen Anstieg der APD der Myozyten verursacht. Diese Verlängerung kann durch Medikamente induziert oder kongenital bedingt sein. Das kongenitale LQTS ist eine genetisch bedingte, primär elektrische Herzerkrankung. Es ist durch eine im Oberflächen-EKG nachweisbare Verlängerung der QT-Zeit sowie durch das spontane Auftreten von lebensbedrohlichen ventrikulären Arrhythmien vom Torsade de Pointes Typ (HAVERKAMP 2007) und durch ein relativ hohes Risiko für den plötzlichen Herztod (ANTZELEVITCH 2007) charakterisiert. Die erblichen Formen des LQTS unterscheiden sich im Phänotyp sowie im Genotyp. Bislang sind elf Subtypen nachgewiesen worden, LQT 1-10 sowie JNL 1-3 (HAVERKAMP 2007).

Mindestens sieben verschiedene Gene, die Ionenkanäle kodieren, sind beteiligt. Die unterschiedlichen Subtypen werden traditionell in zwei Gruppen unterteilt. Zum einen in eine autosomal rezessive Variante, die mit Taubheit einhergeht - das Jervell und Lange-Nielsen-Syndrom (JNL 1-3), zum anderen eine häufigere autosomal dominant vererbte Form - das Romano-Ward-Syndrom (LQT 1-8). Bei dem Romano-Ward-Syndrom konnten Mutationen an zehn verschiedenen Genen nachgewiesen werden, wovon sechs für kardiale Kaliumkanäle codieren. Auch beim Jervell und Lange-Nielsen-Syndrom liegen Mutationen in zwei Genen vor, die für den verzögerten Gleichrichter-Kalium-Kanal codieren. In den meisten klinischen Untersuchungen wurden lediglich Patienten der ersten drei LQT-Unterformen eingeschlossen. Dem LQTS 1 liegt eine Veränderung des IKs zugrunde, dem LQTS 2 eine Veränderung des IKr und dem LQTS 3 eine Veränderung des Natriumstroms (KIRCHHOF u. BREITHARDT 2003). Die klinische Diagnose basiert auf dem verlängerten QT-Intervall sowie einer häufig abnormen T-Wellen-Form. Die typischen Auslöser für ventrikuläre Rhythmusstörungen variieren bei den verschiedenen

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Subtypen (LQT 1: physischer oder psychischer Stress, LQT 2: Schreck, LQT 3: Ruhe oder Schlaf).

Eine wesentlich höhere Prävalenz als das angeborene LQTS besitzt das erworbene LQTS. Es wird durch eine Vielzahl von Medikamenten ausgelöst, die die APD und damit die QT-Zeit verlängern. Das QT-Intervall ist vor der Exposition mit einem repolarisationsverlängernden Medikament normal, nach Exposition dagegen übermäßig stark verlängert. Die Gabe von repolarisationsverlängernden Medikamenten kann bei einer kleinen Gruppe von Patienten polymorphe Kammertachykardien vom Typ Torsade de Pointes (TDP) auslösen. Diese sogenannten medikamenteninduzierten TDPs treten bei hierfür anfälligen Patienten auf, wenn diese mit AP-verlängernden Substanzen behandelt wurden. Diese Patienten haben wahrscheinlich, etwa aufgrund kardialer Hypertrophie, klinisch manifester Herzinsuffizienz oder wegen klinisch inapparenter, nicht im eigentlichen Sinne „krankmachender“ genetischer Faktoren, subtile Veränderungen der repolarisierenden Ströme. Dies führt nicht primär zu einer Verlängerung des AP oder des QT-Intervalls, sondern zunächst zu einer verminderten Repolarisationsreserve, also einem kleineren zellulären Puffer, der Schwankungen in den repolarisierenden Strömen des AP auffangen kann (KIRCHHOF u. BREITHARDT 2003). Das Konzept der Repolarisationsreserve wurde bereits 1998 von RODEN entwickelt. Es besagt, dass einige der an der Repolarisation beteiligten Ionenkanäle im Überschuss angelegt sind. Diese überschüssigen Kanäle können sich bei einer Blockade spezifischer Ionenkanäle, z. B. durch Medikamente an den Vorgängen der Repolarisation beteiligen und die Funktion der blockierten Kanäle ersetzen. Somit können diese zunächst überschüssigen Kanäle eine elektrophysiologische Stabilität gewährleisten und vor einer exzessiven QT-Zeit Verlängerung schützen. Die Repolarisationsreserve stellt folglich eine Patienten-spezifische Antwort auf multiple subklinische Störungen dar, die den Repolarisationsprozess beeinflussen (MILBERG et al. 2008). Durch diesen Mechanismus können geringe Störungen im ionalen Zusammenspiel ohne klinische Auswirkungen bleiben. Es entsteht kein vollständiger Phänotyp eines LQTS, jedoch steigt das Risiko, wenn weitere Störgrößen einwirken und das Risiko potenzieren (SILVA u. RUDY 2005). Reduziert wird die

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Repolarisationsreserve z. B. durch Bradykardie, Hypokaliämie sowie das weibliche Geschlecht. Bei einer Überstrapazierung myokardialer Kompensationsmechanismen aufgrund verschiedener gleichzeitig auftretender Faktoren kann die Repolarisationsreserve soweit reduziert werden, dass neben einer QT-Verlängerung TDPs resultieren (MILBERG et al. 2008). Eine der ersten Beschreibungen über medikamenteninduzierte Synkopen, dem klinischen Korrelat von TDPs, stammt von FREY aus dem Jahre 1918. Er beobachtete sie unter Chinidintherapie. Die meisten Medikamente, die das QT-Intervall verlängern, verursachen auch TDPs. Dazu zählen Antiarrhythmika (v. a. der Klassen Ia und III), aber zum Beispiel auch Antibiotika und Antihistaminika (ANTZELEVITCH et al. 1995). Oftmals liegt gleichzeitig eine Kardiomyopathie oder ein abnorm verlängertes QT-Intervall im Zusammenhang mit Bradykardien und Elektrolytimbalanzen vor. Die meisten Medikamente, die ein erworbenes LQTS hervorrufen, blockieren IKr, viele IKs und einige steigern den späten INa.

2.2.2 Frühe Nachdepolarisationen und Torsade de Pointes

Nachdepolarisationen sind Schwankungen des transmembranösen Potenzials, die neue APs auslösen können, wenn sie ein kritisches Schwellenpotenzial für die Aktivierung eines depolarisierenden Ionenfluss erreichen (VOLDERS et al. 2000).

Wenn Nachdepolarisationen in der Repolarisationsphase eines AP auftreten, bezeichnet man sie als frühe Nachdepolarisation (early afterdepolarization = EAD).

Treten sie dagegen erst nach Abschluss der Repolarisation auf, spricht man von verzögerten Nachdepolarisationen bzw. delayed afterdepolarizations (DADs, (WALDO u. WITT 1993).

(21)

Abbildung 2:

Frühe Nachdepolarisationen (EADs) und verzögerte Nachdepolarisationen (DADs, DEN RUIJTER 2005).

EADs treten in der Phase 2 bei ca. -30 mV (EAD-Typ 1) oder in der Phase 3 bei ca.

-60 mV (EAD-Typ 2) des AP auf (BORCHARD u. HAFNER 2000). Sie stellen eine Potenzial-Änderung in die positive Richtung dar (WALDO u. WITT 1993).

Hypokaliämie, Hypomagnesämie, Katecholamine sowie eine langsame Herzfrequenz begünstigen das Auftreten von EADs. Im 12 Kanal-EKG kommen EADs als verlängertes QT-Intervall und als bizarre T- oder U-Welle zum Ausdruck. Wenn das kritische Schwellenpotenzial zur Auslösung eines neuen AP erreicht wird, kann im EKG eine ektope Extrasystole beobachtet werden (HUIKURI 2002). EADs entstehen durch eine Veränderung der normalen Repolarisation, d. h. ein Ungleichgewicht zwischen den extra- und intrazellulär strömenden Ionen mit einer Zunahme positiver Ionen im Zellinneren kann EADs auslösen. Eine Verlangsamung der Repolarisation kann durch eine Reduktion des Netto-Auswärtstroms (IK, It0) oder durch eine Erhöhung des Netto-Einwärtsstroms (INa, ICaL) entstehen (BRUNNER u. ZEHENDER 1998). Laut EL-SHERIF et al. (1990) kann eine EAD nicht mit einer verlängerten Repolarisation verglichen werden. Eine verlängerte Repolarisation erfordert lediglich einen verminderten Ionen-Auswärtsstrom, während EADs zusätzlich einen erneuten Ionen-Einwärtsstrom benötigen. Allerdings kann die Verlängerung der Repolarisation als erster Schritt für ein zweites depolarisierendes Potenzial angesehen werden. In experimentellen elektrophysiologischen Untersuchungen wurden hierzu pharmakologische Substanzen benutzt, die IKr reduzieren oder die Inaktivierung von INa oder ICaL verlangsamen. Zusätzlich wurde in diesen Untersuchungen die Stimulationsfrequenz herabgesetzt (VOLDERS et al. 2000).

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Torsade de Pointes stellen eine potenziell lebensbedrohliche Form von polymorphen Kammertachykardien dar, die typischerweise im Zusammenhang mit dem erworbenen oder angeborenen LQTS beobachtet werden. Im EKG zeichnen sie sich durch eine Rotation der Kammerkomplexe um die isoelektrische Linie sowie eine typische Spitzenumkehr aus (DESSERTENNE 1966; BRUNNER u. ZEHENDER 1998). Laut DESSERTENNE (1966) dauern sie mindestens sechs Schläge.

Normalerweise enden sie spontan, selten gehen sie in Kammerflimmern über.

Zusätzlich zur verlängerten QT-Dauer können eventuell abnormale TU-Komplexe vorkommen (ECKARDT et al. 1998a).

Der genaue Mechanismus dieser besonderen ventrikulären Arrhythmie ist nicht bekannt. Als zwei Hauptmechanismen werden EADs als Auslöser sowie eine gesteigerte Dispersion der Repolarisation als aufrechterhaltendendes Substrat diskutiert (HABBAB u. EL-SHERIF 1990).

Die bemerkenswertesten Fälle von TDPs wurden bei Patienten im Zusammenhang mit einer Hypokaliämie und einer Bradykardie festgestellt. Unter ähnlichen Bedingungen können verschiedene Substanzen experimentell EADs und getriggerte Aktivität in isolierten Purkinje- und M-Zellen auslösen. Sowohl EADs als auch TDPs werden durch Bradykardien begünstigt (CRANEFIELD u. ARONSON 1991; PRIORI et al. 1991). Diese Gemeinsamkeit weist darauf hin, dass EADs eine Bedeutung in der Entwicklung des LQTS sowie von TDPs besitzen (ANTZELEVITCH et al. 1995).

EADs, die während eines verlängerten QT-Intervalls nach einem Absinken der Herzfrequenz eintreten, gelten heute als der wesentliche Auslöser für TDPs.

Für die Manifestation von EAD-induzierter getriggerter Aktivität sind laut EL-SHERIF et al. (1990) drei Schritte erforderlich. Erstens eine Verlängerung der Repolarisationsphase bedingt durch einen herabgesetzten Netto-Auswärtsstrom, der entweder durch einen Anstieg des Einwärtsstroms oder eine Reduzierung des Auswärtsstroms entsteht. Durch die niedrigen Ionenflüsse in der Phase 2 der Repolarisation können gerade Veränderungen in dieser Phase starke Konsequenzen für Veränderungen des Membranpotenzials darstellen. Für eine kritische Verlängerung der Repolarisation müssen mehrere Faktoren zusammentreffen. Eine

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langsame Stimulationsrate sowie eine niedrige extrazelluläre K⁺-Konzentration spielen eine synergistische Rolle.

Als zweiter Schritt muss ein depolarisierender Netto-Einwärtstrom vorliegen.

Die für die Depolarisation erforderliche Ladung kann durch Ca²⁺- und Na⁺-Kanäle sowie durch den Na⁺/Ca²⁺-Austauscher entstehen. 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 Ca²⁺-Kanals vom L-Typ lange geöffnet ist. Dies resultiert in einer dreieckigen Form des AP.

Zuletzt ist die Ausbreitung der EADs im Myokard notwendig, um eine Extrasystole zu erzeugen. Der Ursprung von TDPs ist also eine getriggerte Aktivität, die Aufrechterhaltung dagegen geschieht durch kreisende Erregungen im Sinne eines Reentry-Mechanismus (ANTZELEVITCH et al. 1995) auf dem Boden einer erhöhten Dispersion.

Eine Theorie für diese Aufrechterhaltung von Torsade de Pointes ist das unterschiedliche Repolarisationsverhalten der verschiedenen Zelltypen im Ventrikelmyokard. Gesunde benachbarte Zellen desselben Typs haben dieselbe Dauer und Form des AP. Unterschiedliche Zelltypen exprimieren jedoch unterschiedliche Ionenkanäle und unterscheiden sich damit in der Ausprägung des AP (ANTZELEVITCH 2005). Wie bereits erwähnt, zeigen M-Zellen bei bradykarder Stimulation eine deutlich verlängerte AP-Dauer verglichen mit epi- oder endokardialen Zellen (SICOURI u. ANTZELEVITCH 1991). Außerdem wird das AP von M-Zellen nach Gabe QT-verlängernder Medikamente wesentlich stärker verlängert als in anderen Zellen. Eine Hypothese für die Rolle bei der Aufrechterhaltung von Torsaden geht von einer funktionell refraktären Zellpopulation in mittleren Myokardschichten aus, die eine von EADs gestartete Tachykardie durch Ausbildung eines Reentry-Kreises aufrechterhalten kann (ANTZELEVITCH et al.

1995).

Reentry-Kreise stellen die häufigste Ursache für das Auftreten von supraventrikulären und ventrikulären Tachykardien dar. Physiologisch ist das Myokard durch die Refraktärzeit der Zellen vor einer Wiedererregung geschützt. Erst

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ein neuer Impuls aus dem Sinusknoten bewirkt eine erneute elektrische Erregung und damit eine Muskelaktivität. Ein Reentry-Mechanismus entsteht, wenn die sich ausbreitende Erregung nicht ausläuft, sondern immer wieder auf erregbare Zellen trifft (WALDO u. WITT 1993). Voraussetzung hierfür ist ein unidirektionaler Block, d. h. in einem anatomisch definierten Erregungskreis ist die Erregungsleitung in einem Schenkel des Kreises in anterograder Richtung blockiert, in retrograder Richtung aber möglich. Die Erregungswelle tritt in den Kreis ein, durchläuft ihn aber nur in eine Richtung. Trifft sie bei erneutem Erreichen der Eintrittsstelle in den Kreis auf erregbare Zellen, entsteht eine kreisende Erregung, die sich jeweils auf das übrige Myokard ausbreitet.

normaleWeiterleitung

Reentry

unidirektionalerBlock

Abbildung 3:

Entstehung eines Reentry-Mechanismus (DEN RUIJTER et al. 2005).

Ursachen für den unidirektionalen Block können Änderungen der passiven Membraneigenschaften sowie eine Abnahme der Erregbarkeit sein. Von besonderer Bedeutung sind in diesem Zusammenhang gap junctions zwischen den Herzmuskelzellen. Zum Beispiel eine Azidose, eine Ca²⁺-Überladung der Myokardzelle, eine Zunahme von Na⁺ sowie der Verlust von Adenosintriphosphat (ATP) oder Hypoxie können die Leitfähigkeit von Ionenkanälen in den gap junctions

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reduzieren und eine Entkopplung bewirken. Dies hat eine Abnahme der Erregungsleitungsgeschwindigkeit sowie einen Anstieg der Dispersion, also der lokalen Inhomogenität der AP-Dauer, zur Folge (BRUNNER u. ZEHENDER 1998).

Die meisten Reentry-Kreise erfordern eine Zone mit langsamer Erregungsweiterleitung, da bei schneller Weiterleitung die Zellen oftmals noch refraktär sind (WALDO u. WITT 1993).

Ursächlich für das Auftreten medikamenten-induzierter TDPs sind außerdem Veränderungen des Plasmaspiegels der Medikamente oder deren aktiver Metaboliten. Der Hauptabbauweg vieler Medikamente ist eine Verstoffwechslung über das Enzymsystem Cytochrom P450. Konkurrieren mehrere Arzneimittel um gleiche Isoenzyme in diesem System, können sich die Plasmaspiegel erheblich verändern. Genetisch determinierte Polymorphismen bestimmen darüber hinaus die individuelle Abbaugeschwindigkeit (BRUNNER u. ZEHENDER 1998). Ebenso kann die Elimination der Arzneimittel durch Leber- und Nierenerkrankungen verlangsamt werden (HAVERKAMP et al. 2000).

2.2.3 Prognostische Marker

Wegen der zentralen Bedeutung der Dispersion der Repolarisation wurden klinische Methoden gesucht, um diese Abnormalität bei bestimmten Patienten zu identifizieren und um die Anfälligkeit für TDPs in einzelnen Fällen vorauszusagen (HUIKURI 2002).

Die einfachste und verbreiteste Methode ist das Messen des QT-Intervalls im 12 Kanal-EKG. Eine Verlängerung des Intervalls ist ein Schlüsselfaktor für das Auftreten von TDPs. Patienten mit erworbenen TDPs zeigen fast alle eine Verlängerung des QT-Intervalls. Allerdings entwickeln im Umkehrschluss nicht alle Patienten mit verlängertem QT-Intervall TDPs. Somit ist der Vorhersage-Wert gering.

Eine weitere Methode die Wahrscheinlichkeit für TDPs bei bestimmten Patienten vorauszusagen, liegt in der Beurteilung der T-Wellen-Morphologie. Außerdem gilt das Auftreten einer U-Welle als Risikofaktor für eventuelle TDPs. Allerdings sind beide Methoden nicht sehr sensitiv in der Vorhersage von TDPs.

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In den frühen 1990er Jahren wurde festgestellt, dass die QT-Dispersion die Inhomogenität in der Repolarisation des Myokards widerspiegeln kann. Es bestehen jedoch methodische Probleme in der Messung der QT-Dispersion. Die Variabilität der Ergebnisse bei manueller Messung liegt zwischen 5 und 40 % (HUIKURI 2002).

Diese Variabilität stellt bei großen Dispersionen (> 100 ms) kein Problem dar.

Automatische Messmethoden führen nicht signifikant zu „glaubwürdigeren“

Ergebnissen. Trotz der methodischen Probleme fällt auf, dass die QT-Dispersion bei Patienten mit LQTS größer ist als bei Gesunden. Die QT-Dispersion stellt ein geeigneteres Mittel zur Vorhersage von TDPs dar als die ausschließliche Messung des QT-Intervalls (HUIKURI 2002).

ANTZELEVITCH (2007) sieht eine wesentlich größere prognostische Bedeutung in der Dispersion der Repolarisation als in der QT-Intervall-Messung. Er konnte zeigen, dass Substanzen, die die QT-Zeit verlängern, nicht aber die transmurale Dispersion der Repolarisation erhöhen (also die Dispersion von außen nach innen durch die Herzwand hindurch), keine TDPs erzeugen. Das Ende der Repolarisation der epikardialen Zellen korreliert im EKG mit dem höchsten Punkt der T-Welle, während das Ende der T-Welle der finalen Repolarisation der M-Zellen entspricht. Folglich bestimmt die Repolarisation der M-Zellen entscheidend das QT-Intervall. Das Intervall zwischen Peak und Ende der T-Welle wird von ANTZELEVITCH (2007) als Index für die transmurale Dispersion der Repolarisation (TDR) und damit als prognostisch wertvoller -nicht invasiver- Index für das proarrhythmische Risiko angesehen. LUBINSKI et al. zeigten 1998, dass dieser Index bei Patienten mit LQTS steigt. Einen direkten Beweis, dass Tpeak-Tend bei Patienten mit LQTS zur Vorhersage von TDPs herangezogen werden kann, lieferten YAMAGUCHI et al. 2003. Diese Autoren schätzen den Aussagewert des Tpeak-Tend-Intervalls höher ein als die Verlängerung oder die Dispersion des QT-Intervalls. ANTZELEVITCH (2007) sieht eine elektrische Heterogenität in Form der transmuralen oder transseptalen Dispersion der Repolarisation sowie die Verstärkung der TDR durch Substanzen, die den Netto-Repolarisationsstrom reduzieren, als Ursache für TDPs an. Substanzen, die IKr vermindern oder INa

steigern, führen zu einer massiven Verlängerung des AP. Dadurch verlängert sich

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das QT-Intervall und die TDR steigt, was Bedingungen für das Eintreten eines Reentrys schafft. Die Reduzierung des Netto-Repolarisationsstroms führt außerdem zur Entwicklung von EAD-induzierter getriggerter Aktivität in Purkinje- und M-Zellen, aus der dann die Extrasystole entsteht, die TDPs triggert.

Auch THOMSEN et al. (2006) betonen, dass verschiedene Substanzen trotz vergleichbarer Effekte auf die QT-Zeit und auf die Repolarisationsdauer ein unterschiedliches Potenzial für das Auftreten von TDPs zeigen. Sie sehen einen weiteren und wertvolleren prognostischen Marker in der sogenannten „beat-to-beat“

Variabilität der Repolarisation (BVR). Die BVR stellt ein Maß für die zeitliche Dispersion dar (THOMSEN et al. 2007), mit dem die Variation der Repolarisation mehrerer aufeinanderfolgender Schläge verglichen wird (OOSTERHOFF et al. 2007).

In einem Modell an Hunden mit chronischem AV-Block konnten THOMSEN et al.

2004 zeigen, dass das Auftreten Medikamenten-induzierter TDPs mit dem Anstieg der BVR (links endokardial gemessen) korreliert, nicht jedoch mit der Verlängerung des QT-Intervalls. Somit sehen sie die Chance, mittels der BVR als zusätzlichen Marker, Patienten zu identifizieren, die ein erhöhtes Risiko für Medikamenten-induzierte TDPs aufweisen. Gleiche Ergebnisse wurden bei einem Vergleich von Hunden, die später dem plötzlichen Herztod (PHT) erlagen, mit Kontrollhunden erzielt. Während die QT-Zeiten und MAP-Dauern keinen Unterschied zwischen den beiden Gruppen zeigten, war die BVR der Hunde, die am PHT starben, erhöht (THOMSEN et al. 2005). Neben der Identifikation von Risikopatienten kann mittels der BVR auch das proarrhythmische Potenzial von Medikamenten bewertet werden (DETRE et al. 2005). 2006 fanden THOMSEN et al. heraus, dass nicht nur die Gabe einer proarrhythmisch wirksamen Substanz einen Anstieg der BVR bewirkt, sondern dass umgekehrt eine antiarrhythmische Substanz die BVR vermindert. In einer klinischen Studie an Patienten mit vorbeschriebenen Medikamenten-induzierten TDPs konnte die BVR des QT-Intervalls als nicht-invasiver wertvoller Marker identifiziert werden (HINTERSEER et al. 2008).

Folglich kann die BVR sowohl benutzt werden, um Patienten mit einem Risiko für ventrikuläre Tachykardien zu identifizieren als auch um das proarrhythmische Potenzial von Medikamenten einzuschätzen.

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Es lässt sich zusammenfassen, dass die Verlängerung des ventrikulären AP und des QT-Intervalls allein keine Bewertung zulassen, ob eine Substanz in der Lage ist, TDPs auszulösen (ANTZELEVITCH 2007). Eine wesentliche Rolle spielt in diesem Zusammenhang beispielsweise die Dispersion der Repolarisation.

Elektrophysiologische Untersuchungen bieten die Möglichkeit, monophasische Aktionspotenziale (MAPs) zu bestimmen. Klinische Studien zeigen, dass bei Patienten mit LQTS regionale Unterschiede in der Dauer der MAPs vorliegen. Durch die Aufzeichnung von MAPs kann die Dispersion der Repolarisation zuverlässig quantifiziert werden. Außerdem können Formabweichungen auf das Vorhandensein von EADs hinweisen. Allerdings ist diese invasive Methode bislang der Forschung vorbehalten (HUIKURI 2002).

In dieser experimentellen Arbeit kann die Dispersion der Repolarisation durch die simultane Aufzeichnung eines 12 Kanal-EKGs sowie durch acht sowohl epi- als auch endokardial platzierte MAP-Katheter zuverlässig bestimmt werden.

2.3 Der plötzliche Herztod

Der plötzliche Herztod (PHT) ist als unerwarteter natürlicher Tod infolge eines irreversiblen Herz-Kreislaufstillstandes definiert, der innerhalb einer Stunde nach Auftreten von klinischen Beschwerden eintritt (ANDRESEN 2004; ANTZ u. KUCK 2007). Die verstorbene Person erschien vorher gesund bzw. der Patient stabil (KIRCHHOF u. BREITHARDT 2003). Der PHT wird nicht durch einzelne Faktoren hervorgerufen, sondern ist vielmehr als multifaktorielles Geschehen anzusehen (TRAPPE 2007). Er stellt die häufigste Todesursache der westlichen Welt dar. In den USA versterben jährlich schätzungsweise 450 000 Menschen am PHT. In Deutschland erliegen ihm pro Jahr zwischen 70 000 und 100 000 Menschen (TRAPPE 2007), laut VON SCHACKY (2007a) sogar 120 000, was bei einer Population von 82 Millionen einer Inzidenz von 146/100 000 entspricht. In Japan beträgt die Inzidenz des PHT bei Gesunden 7,8/100 000. Selbst Personen mit einem ausgeprägten kardiovaskulären Risikoprofil zeigen in Japan eine geringere Inzidenz

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für den PHT (40/100 000) als die deutsche Allgemeinbevölkerung. Traditionell wird in Japan viel ω-3-Fettsäure-reicher Fisch verzehrt (VON SCHACKY 2007a).

In mehr als 90 % der Fälle eines PHT liegt eine tachykarde Herzrhythmusstörung zugrunde, d. h. in der Regel eine schnelle ventrikuläre Tachykardie oder Kammerflimmern (ANTZ u. KUCK 2007). Ventrikuläre Tachyarrhythmien entstehen durch morphologische und elektrophysiologische Veränderungen. Als Mechanismen sind gesteigerte und abnorme Automatie, getriggerte Aktivität sowie kreisende Erregungen bekannt, wobei kreisende Erregungen den häufigsten Mechanismus darstellen (TRAPPE 2007). Laut KLEIN (2006) liegt bei den meisten Patienten eine koronare Herzerkrankung (62 %) oder eine dilatative bzw. hypertrophe Kardiomyopathie (10 %) vor. Allerdings kann bei 10-12 % keine Ursache der Grunderkrankung festgestellt werden. Laut ANTZ u.

KUCK (2007) besteht sogar bei 80 % eine koronare Herzerkrankung, während sie die Anzahl morphologisch herzgesunder Patienten mit 5 % beziffern. Die unterschiedlichen Angaben erklären sich durch die unterschiedliche Zusammensetzung des Gesamtkollektivs der einzelnen Studien. Trifft der PHT junge Patienten ohne strukturelle Herzerkrankung, liegt in einigen Fällen eine genetisch bedingte Neigung zu Kammerarrhythmien vor. Dazu zählt unter anderem das LQTS.

Bei den nicht familiären Formen des PHT sind medikamenteninduzierte TDPs und Herzinsuffizienz als Risiko einzustufen. In beiden Fällen ist die Repolarisationsreserve reduziert (KIRCHHOF u. BREITHARDT 2003). TRAPPE (2007) sieht den Schweregrad einer Herzinsuffizienz sowie eine linksventrikuläre Auswurffraktion ≤ 40 % als wichtigste prognostische Marker zur Erkennung von Risikopatienten an (laut SCHAUMANN et al. 2006: ≤ 35 %). Außerdem stellen alle Patienten mit vorausgegangenem Myokardinfarkt ein Risikokollektiv dar (SCHAUMANN et al. 2006). Elektrophysiologische Parameter wie zum Beispiel die QT-Zeit besitzen eine niedrige positive Vorhersehbarkeit, aber eine hohe negative Prädiktivität und können damit einen Patienten mit niedrigem Risiko für den PHT identifizieren (TRAPPE 2007).

In der Prävention des PHT nach akutem Myokardinfarkt werden neben der Standardtherapie (Betablocker, Angiotensin-Converting-Enzyme-Inhibitoren,

(30)

Lipidsenker) zusätzlich Aldosteronantagonisten und ω-3-Fettsäuren empfohlen (ANDRESEN 2004).

2.4 Mehrfach ungesättigte Fettsäuren (polyunsaturated fatty acids = PUFAs)

2.4.1 Struktur und Nomenklatur von Fettsäuren

Fettsäuren sind Monocarbonsäuren, also Verbindungen aus einer Carboxylgruppe und einer unterschiedlich langen, fast ausschließlich unverzweigten, geradzahligen Kohlenwasserstoffkette. Fettsäuren sind vorwiegend mit Alkoholen verestert, in geringen Mengen liegen sie aber auch in freier Form vor (KOOLMAN u. RÖHM 1994). Man unterscheidet sie an der Zahl der Kohlenstoffatome (C-Atome) sowie der Anwesenheit, Anzahl und Position etwaiger Doppelbindungen. Fettsäuren mit einer Doppelbindung werden als ungesättigt bezeichnet, mit mehr als einer Doppelbindung als mehrfach ungesättigt. Ungesättigte Fettsäuren tragen die erste Doppelbindung in der Regel zwischen den Kohlenstoffatomen C-9 und C-10. Bei mehrfach ungesättigten Fettsäuren treten die weiteren Doppelbindungen dann im Abstand von drei C-Atomen auf, d.h. es handelt sich um isolierte Doppelbindungen (KOOLMAN u. RÖHM 1994). Meist ist die Doppelbindung cis-konfiguriert, was einen Knick von ca. 30 ° in der Kohlenwasserstoffkette bedingt. Alle Fettsäuren mit mindestens einer Doppelbindung distal des neunten C-Atoms sind für den Menschen und alle Säugetiere (KOOLMAN u. RÖHM 1994) essentiell, d. h. sie können sie nicht selbst synthetisieren, da die zur Synthese aus Ölsäure benötigten Desaturasen fehlen. Bei der Nomenklatur wird die Anzahl der C-Atome, gefolgt von der Anzahl der Doppelbindungen, angegeben. Die Position der Doppelbindungen wird als Exponent hinter ein ∆ gestellt (z.B. C 18:3 ∆ ^9,12,15 = cis-, cis-, cis-9,12,15-octadecatrienic acid = α-linolenic acid). Eine andere Methode der Nomenklatur stellt die Omega-Zählweise dar. Das C-Atom, das am weitesten von der Carboxylgruppe entfernt ist, wird als ω-C-Atom bezeichnet. Die Position der Doppelbindung kann in Relation zum ω-C-Atom gesetzt werden. Somit ist die α-linolenic acid nach dieser Nomenklatur eine ω-3 mehrfach ungesättigte Fettsäure (C 18:3 ω, DHEIN et al.

2005). Die relevantesten langkettigen, mehrfach ungesättigten Fettsäuren bzw.

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polyunsaturated fatty acids (PUFAs) sind cis-5,8,11,14,17- eicosapentaenoic acid (EPA), cis-4,7,10,13,16,19- docosahexaenoic acid (DHA) und cis-9,12,15-α-linolenic acid (ALA). Alle diese PUFAs sind ω-3 Fettsäuren (DHEIN et al. 2005).

Abbildung 4:

Strukturformel cis- 9,12,15-α-linolenic acid (ALA).

Abbildung 5:

Strukturformel cis-5,8,11,14,17- eicosapentaenoic acid (EPA).

Abbildung 6:

Strukturformel cis- 4,7,10,13,16,19- docosahexaenoic acid (DHA).

2.4.2 Vorkommen von PUFAs

Neben den ω-3-PUFAs existieren außerdem essentielle ω-6-PUFAs. Eine Umwandlung von ω-3 in ω-6-FS oder umgekehrt ist im menschlichen und tierischen Organismus nicht möglich, wohl aber die Kettenverlängerung sowie die Einführung neuer Doppelbindungen (BAHRI et al. 2002). Beide Gruppen sind für das normale Wachstum, die Entwicklung und eine optimale Gehirn- und Herzfunktion von großer

ω-3

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Bedeutung. Linolsäure (LA; C18:2 ω-6) stellt die Ausgangssubstanz der ω-6-Fettsäuren dar. LA kann mittels Elongasen und Desaturasen zu Arachidonsäure (AA; C 20:4 ω-6) umgewandelt werden. Arachidonsäure wiederum ist die Quelle der ω-6-Eicosanoide wie Prostaglandine, Leukotriene und Thromboxane, die wichtige Mediatoren (z. B. als chemotaktisch wirksamer Mediator bei Entzündungsreaktionen und allergisch bedingten Erkrankungen) darstellen.

In Chloroplasten von Grünpflanzen, Algen und Phytoplankton kann AA mittels einer Desaturase von der ω-6 in die ω-3 Form ALA (C 18:3 ω-3) umgewandelt werden. ALA stellt die Ausgangssubstanz für EPA und DHA dar. Jedoch ist die für die Umwandlung benötigte Desaturase in ihrer Aktivität begrenzt, so dass eine hohe ALA-Zufuhr keine hohe Umwandlung in EPA oder DHA bedingt. Zusätzlich zur geringen Aktivität konkurrieren die ω-6-FS um dasselbe Enzym, so dass das Verhältnis von ω-3 zu ω-6-FS für die Umwandlungsrate bedeutend ist (WEHRMÜLLER et al. 2008). Schätzungen zur Umwandlungsrate von ALA zu EPA liegen zwischen 0,2 bis 8 %, wobei junge Frauen bis zu 16 % umwandeln können.

Die Umwandlung von ALA in DHA wird mit 0,05 % wesentlich geringer geschätzt, wobei auch hier bei jungen Frauen eine Umwandlung bis zu 9 % gezeigt werden konnte (MORRIS 2008).

Natürliche Quellen für PUFAs sind Pflanzenöle, Fische und Muscheln. ALA kann nur von Pflanzen synthetisiert werden und ist vor allem in Oliven- und Leinsamenöl sowie in Walnüssen zu finden (LEAF et al. 2003).

EPA und DHA stellen Fischöle dar. Besonders hohe Mengen an EPA und DHA bieten die sogenannten Fettfische wie z. B. Thunfisch, Lachs und Makrele (BRANDT 2008). Diese beiden ω-3-Fettsäuren sind in den Phospholipidanteilen von Zellmembranen integriert, besonders in Zellmembranen von Gehirn und Herz (LEAF et al. 2005). Alternative Möglichkeiten der Versorgung der Bevölkerung mit ausreichend ω-3-Fettsäuren könnten sich durch die Züchtung von Algen ergeben, die einen hohen Anteil von ω-3-Fettsäuren enthalten. Es wäre denkbar, dass auch Schweine und Rinder, die mit diesen Algen gefüttert werden, einen höheren Gehalt an ω-3-Fettsäuren in Blut und Gewebe aufweisen. Eine weitere Möglichkeit ist in der Gentechnik zu sehen. So ist es in gezüchteten Ratten-Myozyten bereits gelungen,

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auch Säugetierzellen die Möglichkeit zu geben, ω-6 in ω-3-Fettsäuren umzuwandeln (GOHLKE 2004).

2.4.3 ω-3-Fettsäuren in der Kardiologie

Die Ernährung beeinflusst das Risiko für den plötzlichen Herztod nicht nur über die Entstehung oder Verhinderung eines Herzinfarkts im Rahmen einer koronaren Herzerkrankung, sondern möglicherweise auch über spezifische Rhythmus-stabilisierende Eigenschaften einzelner Nahrungskomponenten. Den ω-3-Fettsäuren im weiteren Sinne kommt hierbei vermutlich eine besondere Rolle bei der Prävention des Herzinfarkts, aber auch bei der Prävention des plötzlichen Herztodes zu (GOHLKE 2004).

Die beiden ω-3-Fettsäuren EPA und DHA werden von den bedeutendsten kardiologischen Fachgesellschaften für verschiedene kardiovaskuläre Indikationen empfohlen. Das American College of Cardiology, die American Heart Association sowie die European Society for Cardiology empfehlen ca. 1 g EPA+DHA/Tag zur Nachbehandlung von Myokardinfarkten, zur Senkung des Triglyzeridspiegels sowie zur Vorbeugung des plötzlichen Herztodes und zur Prophylaxe ventrikulärer Rhythmusstörungen (VON SCHACKY 2007a). Diese Empfehlungen beruhen auf einer umfassenden Datenlage, die in systematischen Reviewartikeln und Metaanalysen aufgearbeitet wurde. In epidemiologischen Arbeiten korrelierte der Gehalt an EPA und DHA beim Menschen invers mit der Wahrscheinlichkeit den plötzlichen Herztod zu erleiden (VON SCHACKY 2007a). Da der plötzliche Herztod in der Mehrzahl durch ventrikuläre Arrhythmien hervorgerufen wird, wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass PUFAs ein antiarrhythmisches Potenzial besitzen (DEN RUIJTER et al. 2006). Ein systematischer Review von WANG et al. (2006) berücksichtigte die Literatur bis 2005. Diese Analyse erfasst sowohl epidemiologische Studien als auch Interventionsstudien mit Ernährungsratschlägen oder Fischölkapseln in den Bereichen primäre und sekundäre Prävention. Außerdem wurde zwischen pflanzlichen und maritimen PUFAs differenziert. Dabei wurde ALA hinsichtlich der Gesamtmortalität als unwirksam erkannt, während EPA und DHA

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sich in der Reduktion der Gesamtmortalität, insbesondere durch Reduktion des plötzlichen Herztodes, als wirksam erwiesen.

Ein Review von MOZAFFARIAN und RIMM (2006) erfasste die Literatur bis April 2006. Das Ergebnis dieses systematischen Reviews zeigt, dass ein bis zwei Mahlzeiten Fisch, reich an EPA und DHA, pro Woche das Risiko für den Koronartod um 36 % und die Gesamtmortalität signifikant um 17 % senken sowie andere klinische Endpunkte (z. B. Arteriosklerose) positiv beeinflussen. Das Auftreten des plötzlichen Herztodes wird durch EPA und DHA um 50 % gesenkt. Leicht abgeschwächt wird dieser positive Effekt durch die Aufnahme von Methylquecksilber, polychlorierten Biphenylen, Dioxinen und anderen Umweltkontaminanten, die vor allem in langlebigen Fischen und Meeressäugern vorkommen (KRIS-ETHERTON et al. 2003a,b). Dies legt nahe, keine langlebigen Fische zu verzehren bzw. auf hochwertige Fischölpräparate zurückzugreifen, die produktionstechnisch bedingt keine Toxine enthalten (VON SCHACKY 2007b). Laut MOZAFFARIAN und RIMM (2006) scheinen in der primären Prävention Dosen von 250 mg/Tag ausreichend, während in der sekundären Prävention wahrscheinlich höhere Dosen erforderlich sind.

Ende März 2007 wurden die Ergebnisse der Japan EPA Lipid Intervention Study (JELIS) publiziert. Bemerkenswert ist, dass der durch die traditionell fischreiche japanische Kost bedingte hohe EPA Wert durch eine zusätzliche EPA Gabe weiter erhöht werden konnte und der plötzliche Herztod sowie andere tödliche und nicht tödliche kardiovaskuläre Ereignisse durch diese Intervention um 19 % gesenkt werden konnten (MOZAFFARIAN 2007). Aufgrund der Epidemiologie des plötzlichen Herztodes und der Reduktion der Inzidenz durch ω-3-Fettsäuren liegt es nahe, den Gehalt eines Menschen an ω-3-Fettsäuren als zusätzlichen Risikofaktor für den plötzlichen Herztod zu betrachten. Am besten wird der Gehalt an EPA und DHA durch den ω-3-Index beschrieben. Definiert ist dieser als prozentualer Anteil von EPA und DHA in den Erythrozyten. Er gibt Auskunft über die ω-3-Fettsäure-Versorgung der letzten Wochen bis Monate (VON SCHACKY 2007b;

VON SCHACKY u. HARRIS 2007). Im Gegensatz zur Bestimmung im Plasma oder Serum korreliert der ω-3-Index gut mit Konzentrationen im Gewebe, z. B. im Herzen

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(HARRIS et al. 2004). Als Zielwert ist ein Index > 8 % anzusehen. Der ω-3-Index kann als neuer Risikofaktor angesehen und außerdem zur Kontrolle einer Therapie mit EPA und DHA herangezogen werden (VON SCHACKY 2007a). ALBERT (2008) warnt vor einer unkritischen Übernahme der Ergebnisse für alle Patientengruppen.

So stellt sie heraus, dass die bisherigen klinischen und epidemiologischen Studien vorwiegend an Patienten mit überstandenem Myokardinfarkt bzw. an Gesunden durchgeführt wurden, bei denen vor allem ischämie-bedingte Arrhythmien erwartet werden, während es noch keine Analysen zu Studien mit anderen Patientenkollektiven gibt. Die erste Analyse einer Studie von RAITT et al. (2005) zeigt, dass PUFAs das Risiko für ventrikuläre Arrhythmien in einer bestimmten Patientengruppe, in der ein Reentry den Mechanismus für Arrhythmien darstellt, erhöhen. Des Weiteren zeigt eine Studie von WILHELM et al. (2008), dass Patienten mit Herzinsuffizienz unter PUFA-Gabe ein vielfach höheres Risiko für das Auftreten ventrikulärer Arrhythmien besitzen. Auch DEN RUIJTER et al. (2006) betonen, dass Fischöle bei Patienten mit akuten myokardialen Ischämien die Inzidenz des plötzlichen Herztodes sowie von Arrhythmien erhöhen können. ALBERT (2008) zweifelt zusätzlich an, dass der ω-3-Index bei Patienten mit Herzinsuffizienz mit dem Fettsäurespiegel im Myokard korreliert, da sowohl DAVILA-ROMAN et al. (2002) als auch SACK et al. (1996) zeigen konnten, dass die Aufnahme und der Metabolismus von Fettsäuren sich in insuffizienten Herzen deutlich von gesunden Herzen unterscheiden.

2.4.3.1 Tierexperimentelle Studien

Bereits Mitte der 1970er Jahre konnte in Tierexperimenten ein antiarrhythmischer Effekt von PUFAs festgestellt werden (GUDBJARNASON u. HALLGRIMSSON 1976). In einem Langendorff-Modell konnte auch MURNAGHAN (1981) zeigen, dass ALA die Arrhythmieschwelle des Herzens erhöht. Auch eine Fütterungsstudie an Ratten bestätigte einen antiarrhythmischen Effekt von Fischölen. MC LENNAN et al.

(1988) fütterten Ratten unter anderem mit Thunfischöl und ligierten im Anschluss an die Fütterungsperiode die Koronararterien, wobei die mit Thunfischöl gefütterte Gruppe keine ventrikulären Arrhythmien zeigte, im Gegensatz zu mit Olivenöl

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gefütterten Tieren. Diese Beobachtungen stimmen mit Versuchen an Primaten überein (MC LENNAN et al. 1992). Auch BILLMAN et al. (1994, 1999) konnten diese Ergebnisse an einem Hundemodell bestätigen. Bei Hunden wurde ein Myokardinfarkt induziert und zusätzlich durch Verschluss der linken Koronararterie eine ischämische Stresssituation ausgelöst, die regelmäßig in Kammerflattern mündete. Bekamen dieselben Hunde kurz vor Verschluss der Arterie freie ω-3-Fettsäuren intravenös verabreicht, traten keine ventrikulären Arrhythmien auf. In diesem Modell konnte eine antiarrhythmische Wirkung für ALA, EPA und DHA gezeigt werden. Allerdings war aufgrund der geringen Anzahl der Versuche keine Aussage über eine bessere oder geringere Wirksamkeit einer einzelnen Fettsäure möglich (LEAF et al. 2003). Um einen biochemischen oder elektrophysiologischen Mechanismus zu charakterisieren, führte die Arbeitsgruppe um Kang und Leaf Versuche an isolierten neonatalen Kardiomyozyten von Ratten durch. Sie stellten fest, dass sowohl EPA als auch DHA die Schlagfrequenz der Myozyten reversibel senken konnten (KANG u. LEAF 1994).

Zusätzlich konnte eine z.B. durch Erhöhung der extrazellulären Ca-Konzentration induzierte Arrhythmie durch die Zugabe von EPA verhindert bzw. terminiert werden.

Dieser Effekt war durch die Zugabe von bovinem Serumalbumin reversibel. Daraus schlossen LEAF et al. (2003), dass die Wirksamkeit von EPA nicht auf starken ionalen oder kovalenten Bindungen mit Komponenten der Zellmembran beruht, sondern dass PUFAs direkt an den Ionenkanälen selbst angreifen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis in diesem Experiment war, dass nur die freie Fettsäure wirkte, nicht aber die veresterte Form von EPA.

2.4.3.2 Elektrophysiologische Untersuchungen

Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse folgten Versuchsansätze, die den Effekt von PUFAs auf die Elektrophysiologie der Myozyten näher charakterisieren sollten.

KANG et al. (1995) konnten zeigen, dass PUFAs myokardiale Zellen stabilisieren können.