Wirkung von Ivabradine und Endotoxin auf den humanen If

Hintergrund: Endotoxine (Lipopolysaccharide, LPSe), die Auslöser von gram-negativer Sepsis, führen durch Interaktion mit den Wirtszellen zu einer Vielzahl von biologischen Reaktionen. Kürzlich konnten wir in einer Publikation zeigen, dass LPS den Schrittmacherstrom I f in humanen Vorhofzellen, nach 6-stündiger Inkubation hemmt, ein Ergebnis, das für das Verständnis der bei Sepsis auftretenden Reduktion der Herzfrequenzvariabilität von großer Relevanz ist. Projektziele: Ausgehend von der hemmenden LPS-Wirkung auf I f sollen 2 große Themenschwerpunkte untersucht werden: 1.) Interaktion von Ivabradine und Endotoxin auf den humanen I f : Ivabradine ist ein neuer selektiver I f -Blocker, der zurzeit bei stabiler Angina pectoris mit Kontraindikation von beta-Blockern angewendet wird. Weiters wird sein Einsatz aber auch bei kardialen Erkrankungen diskutiert, in denen eine Reduktion der Herzrate indiziert ist. Wie wirkt sich nun eine Gabe dieses I f -Blockers bei Patienten mit gleichzeitig erhöhtem Endotoxin Spiegel aus? Durch eine Kooperation haben wir Zugang zu Ivabradine und somit die außergewöhnliche Chance, die Wechselwirkung dieses Blockers mit Endotoxin auf Ebene der isolierten humanen Vorhofzelle zu testen. 2.) Mechanismus der Endotoxinwirkung: Weiterführende Experimente sollen klären, ob der Effekt von LPS auf I f durch ein intrazelluläres Signal (etwa durch Senkung des intrazellulären cAMP Spiegels) vermittelt wird. Mithilfe verschiedener Endotoxinvarianten und eines Antagonisten werden wir die "minimal" wirksame Endotoxinstruktur (die notwendig ist, um den I f zu beeinflussen) in Erfahrung bringen und so feststellen, ob der Effekt von LPS auf I f mit den derzeitigen Hypothesen zur biologischen Endotoxinwirkung erklärbar ist. Aufgrund der LPS-Interaktion mit der Plasmamembran, kann diese in ihren Eigenschaften verändert werden. Endotoxin-bedingte Unterschiede bezüglich lokaler Beweglichkeit und Ordnung in der Lipiddoppelschicht werden mit Hilfe der Elektronen-Paramagnetischen Resonanz Technik untersucht. Die Bedeutung der LPS-induzierten Veränderungen der Ionenströme für die zelluläre Erregbarkeit wird mithilfe mathematischer Modellierung analysiert werden.

Obwohl Sepsis zu den häufigsten Todesursachen zählt (dritthäufigste in Österreich und Deutschland), ist diese Erkrankung in der Bevölkerung relativ unbekannt. Es handelt sich dabei um eine durch Mikroorganismen ausgelöste und außer Kontrolle geratene Entzündung, die infolge eines massiven Blutdruckabfalls bei gleichzeitigem Versagen vieler Organe zum Tod führen kann. Unsere Arbeitsgruppe hat kürzlich nachgewiesen, dass der Auslöser von gram-negativer Sepsis - Endotoxin (Lipopolysaccharid, LPS), den menschlichen kardialen Schrittmacherstrom (If) hemmt. Dieser Ionenstrom spielt bei der Generierung und autonomen Modulation der sinoatrialen Schrittmacheraktivität und somit der Herzrate eine wichtige Rolle. Ivabradin, ein neuer selektiver (If)-Blocker wird gegenwärtig als ein potentieller Kandidat untersucht, um die bei der Sepsis auftretende erhöhte Herzrate zu senken und damit die Überlebensrate zu erhöhen. Aufbauend auf diesem Hintergrund haben wir in diesem Projekt den Wirkmechanismus von LPS auf den Schrittmacherstrom eingehender untersucht. Dabei konnten wir zeigen, dass die Wirkung von LPS auf den (If) durch direkte Wechselwirkung eines bestimmten Teils des LPS-Moleküls (die sogenannte O- Kette) mit dem Schrittmacherkanalprotein zustande kommt. Damit wurde ein neuer biologischer Wirkmechanismus von LPS beschrieben, der nicht über eine rezeptorvermittelte Signalkaskade verläuft, wie bisher angenommen wurde. Ein weiterer wichtiger Aspekt dieses Projektes war die Frage, ob Ivabradin auch bei gleichzeitig erhöhtem Endotoxinspiegel (septischen Bedingungen) den Schrittmacherstom (If) noch blockieren kann. Mit Hilfe einer speziellen elektrophysiologischen Messtechnik (Patch-Clamp-Technik) untersuchten wir diese Fragestellung am menschlichen Schrittmacherstrom in Herzmuskelzellen isoliert aus dem rechten Herzohr. Wir kamen zu dem wichtigen wie auch klinisch relevanten Ergebnis, dass Ivabradin auch unter septischen Bedingungen den Schrittmacherkanal blockiert, wenngleich mit geringerer Effektivität. Die unter septischen Bedingungen reduzierte Effektivität von Ivabradin konnte mittels der Methode der Hochleistungs- flüssigkeitschromatographie auf eine verringerte Konzentration an intrazellulär verfügbarem Ivabradin zurückgeführt werden. Um Hinweise auf die Einsetzbarkeit von Ivabradin zur Herzratensenkung bei septischen Erkrankungen zu erhalten, wurden die Daten in ein sinoatriales Computermodell implementiert. Die Simulationen legen dabei nahe, dass Ivabradin auch unter septischen Bedingungen die sinoatriale Schrittmacheraktivität wirksam zu reduzieren vermag. Obgleich noch in vivo Experimente zur weiteren Erhärtung dieses Modellierungsergebnis notwendig sind, konnten wir damit auf zellulärer Ebene zeigen, dass Ivabradin auch unter septischen Bedingungen ein potenter Herzratensenker ist und damit ein vielversprechender Kandidat zur Mortalitätssenkung bei schwerer Sepsis.