Dokument: Einfluss einer Streptozotocin-induzierten diabetogenen Stoffwechsellage auf Degeneration und Umbau von Bioprothesen-Material in einem Biglykan-defizienten Mausmodell

Titel:Einfluss einer Streptozotocin-induzierten diabetogenen Stoffwechsellage auf Degeneration und Umbau von Bioprothesen-Material in einem Biglykan-defizienten Mausmodell
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20240103-113312-8
Kollektion:Dissertationen
Sprache:Deutsch
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:Text
Autor: Japes, Franziska [Autor]
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Dateien vom 24.12.2023 / geändert 24.12.2023
Beitragende: Prof. Dr. med. Payam Akhyari [Gutachter]
PD Dr. med. Florian Simon [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:Die degenerative Aortenklappenerkrankung (DAVD) stellt die häufigste Pathologie der Herzklappen in den westlichen Ländern dar. Neben der Degeneration von nativen Aortenklappen sind auch die als Klappenersatz implantierten biologischen Aortenklappenprothesen von Degenerationsprozessen betroffen. Ein wesentlicher Risikofaktor für eine verstärkte und beschleunigte Degeneration von Aortenklappen, wie auch von biologischen Aortenklappenprothesen, ist die Komorbidität mit Diabetes mellitus Typ 2. Dabei ist der zur Beschleunigung der degenerativen Veränderungen führende molekulare Mechanismus weiterhin unklar. Neben zellulären Prozessen spielt auch die Veränderung der extrazellulären Matrix (EZM) eine Rolle. Es gibt Hinweise darauf, dass das Proteoglykan Biglykan dabei eine Schlüsselrolle einnehmen könnte.
Um die Zusammenhänge genauer zu verstehen, wurde mittels eines etablierten ektopen Degenerationsmodelles in Biglykan-defizienten(Bgn-/0) Mäusen und Wildtyp(WT)-Wurfgeschwistern der Einfluss einer Hyperglykämie auf biologisches Prothesenmaterial untersucht. Dafür wurde in Mäusen durch intraperitoneale Injektionen von Streptozotocin eine hyperglykäme Stoffwechsellage mit signifikant erhöhten Blutglukosespiegeln induziert. Die Vergleichstiere erhielten eine äquivalente Injektion Citratpuffer, sodass sich vier Gruppen mit insgesamt 33 Versuchstieren ergaben. Nach zwei Wochen erfolgte die subkutane Implantation von Stanzbiopsien aus glutaraldehydfixiertem Bioprothesenmaterial, das nach weiteren acht Wochen wieder entnommen wurde. Die Analyse dieser Proben im Hinblick auf inflammatorische Prozesse, Degeneration und Kalzifizierung erfolgte durch histologische und immunhistochemische Färbungen.
Mittels Übersichtsfärbungen (Hämatoxylin-Eosin-Färbung, DAPI-Zellkernfärbung, Movat-Pentachrom-Färbung) wurde die Morphologie der Proben untersucht. Es zeigte sich um die Patches herum eine zweischichtige Fremdkörperkapsel variabler Dicke mit einer zellreichen Schicht innen und einer zellarmen, kollagen- und glykosaminoglykanhaltigen Schicht außen als Korrelat der wirtseigenen Immunantwort. Zudem ergab sich im Vergleich der Bgn-/0-Gruppen für die hyperglykäme Gruppe eine im Vergleich zur normoglykämen Gruppe signifikant erhöhte relative Migrationstiefe muriner Zellen in das Fremdgewebe. Ein Teil dieser Zellen ließ sich mittels Immunhistochemie als Makrophagen sowie Fibroblasten charakterisieren. Unter normoglykämischen Bedingungen konnte dabei eine signifikant erhöhte Einwanderung von Makrophagen in die Prothesenstanzen aus den Bgn-/0-Mäusen im Vergleich zu den Prothesenstanzen der WT-Tiere detektiert werden. Myofibroblasten fanden sich nicht. Vereinzelt ließen sich in den Prothesenstanzen sowie der umgebenden Fremdkörperkapsel kleine Ansammlungen von Endothelzellen nachweisen.
Neben den zellulären Umbauprozessen wurde die Bildung von Kollagen Typ 1, Elastin, Biglykan und Decorin untersucht. Immunhistochemisch ließen sich diese EZM-Moleküle in den Prothesenstanzen sowie der umgebenden Fremdkörperkapsel darstellen. Signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Versuchsgruppen ergaben sich nicht. Tendenziell kam es in der hyperglykämen WT-Gruppe im Vergleich zur normoglykämen WT-Gruppe zu einer vermehrten Einlagerung von Kollagen Typ I. Die Signale für Biglykan, Decorin und Kollagen wiesen zudem eine enge räumliche Assoziation zueinander auf.
Zum Nachweis von Kalzifizierungsvorgängen wurden die Prothesenstanzen mit Alizarin-Rot sowie nach Von-Kossa gefärbt. Es ergab sich eine signifikant höhere Einlagerung von Kalzium in den Prothesenstanzen der hyperglykämen Bgn-/0-Mäuse im Vergleich zu denen der normoglykämen Bgn-/0-Tiere. Auch im Vergleich der WT-Mäuse zeigte sich in den mit Streptozotocin-behandelten Tieren tendenziell eine höhere Einlagerung von Kalzium. Dieses Ergebnis unterstreicht die prodegenerative Rolle einer mit Diabetes assoziierten Hyperglykämie.
Vergleichend erfolgte unter Modifikation der Methoden auch die Untersuchung der nativen Aortenklappen einiger Versuchstiere. Relevante degenerative Veränderungen ließen sich hier nicht darstellen.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass das verwendete Degenerationsmodell in der Lage ist, degenerative Veränderungen in Bioprothesenmaterial auf histologischer Ebene zu induzieren. Die Arbeit unterstreicht zudem den Einfluss von Diabetes mellitus auf die Degeneration von Bioprothesenmaterial. Die in der Literatur postulierte prodegenerative Wirkung von Biglykan konnte nur in Teilen durch die histologische Analyse der Proben abgebildet werden. Die Erkenntnisse können zu einem tieferen Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse beitragen, welches in Zukunft interessante Ansatzpunkte zur Entwicklung von verbesserten Bioprothesen liefern könnte.

Degenerative aortic valve disease is the most common pathology of heart valves in Western countries. In addition to the degeneration of native aortic valves, biological aortic valve prostheses implanted as valve replacements are also affected by degeneration processes. A significant risk factor for increased and accelerated degeneration of aortic valves, as well as of biological aortic valve prostheses, is the comorbidity with diabetes mellitus. The molecular mechanisms leading to this accelerated degenerative changes are still unknown. In addition to cellular processes, changes in the extracellular matrix (ECM) also play a role. There are several implications that the proteoglycan biglycan might be a key influencing factor in these processes.
In order to understand the relationships more precisely, the influence of hyperglycemia on biological prosthetic material was investigated by using an established ectopic degeneration model in biglycan-knockout(Bgn-/0)-mice and wild-type(WT)-littermates. For this purpose, hyperglycemia with significantly increased blood glucose levels was induced in mice by intraperitoneal injection of streptozotocin. Animals of control groups received an equivalent injection of citrate buffer, resulting in four groups with a total of 33 animals. After two weeks, punch biopsies of glutaraldehyde-fixed bioprosthesis material were implanted subcutaneously and removed after further eight weeks. The analysis of these samples with regard to inflammatory processes, degeneration and calcification was performed by histological and immunohistochemical staining.
Survey stainings (hematoxylin-eosin-staining, DAPI-nucleus-staining, Movats-pentachrome- staining) were used to examine the morphology of the samples. A bi-layered foreign body capsule of variable thickness with a cell-rich layer on the inside and a cell-poor, collagen- and glycosaminoglycan-containing layer on the outside as an indication of the host immune response was revealed around the tissue patches. In addition, a comparison of the Bgn-/0 groups showed a significantly increased relative migration distance of murine cells into the tissue patches for the hyperglycemic group compared to the normoglycemic group. Some of these cells could be defined as macrophages and fibroblasts by immunohistochemistry. Under normoglycemic conditions a significantly increased migration of macrophages into the tissue patches of the
Bgn-/0 mice compared to the tissue patches of the WT mice was detected. Myofibroblasts were not found. Occasional accumulations of endothelial cells could be seen in the tissue patches and the surrounding capsule.
In addition to the cellular remodelling processes, the formation of collagen type 1, elastin, biglycan and decorin was also investigated. These ECM molecules could be visualized in tissue patches as well as in the surrounding foreign body capsule by using immunohistochemical methods. There were no significant differences between the four groups. However, there was a trend of an increased accumulation of type I collagen in the hyperglycemic WT group compared to the normoglycemic WT group. Additionally the signals for biglycan, decorin and collagen showed a close spatial association.
In order to detect calcification processes, the samples were stained with alizarin-red-staining and Von-Kossas-stainig. There was a significantly higher accumulation of calcium in the tissue patches of the hyperglycemic Bgn-/0 mice compared to those of the normoglycemic Bgn-/0 mice. A comparison of the wild-type mice also showed a trend of higher calcium accumulation in the streptozotocin-treated mice. This result underlines the pro-calcific role of a diabetes associated hyperglycemia.
Comparatively, the native aortic valves of some mice were also examined with a modified methodology. Relevant degenerative changes could not be shown here.
Overall, the results of this work show that the used ectopic degeneration model is capable of inducing histological changes in bioprosthetic material. The work also underlines the influence of diabetes mellitus on the degeneration of bioprosthetic material. The pro-degenerative effect of biglycan postulated in the literature could only be partially detected by histological analysis of the samples. The findings of this work may contribute to a deeper understanding of the underlying processes, which could provide interesting starting points for the development of improved bioprostheses in the future.
Lizenz:Creative Commons Lizenzvertrag
Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:Medizinische Fakultät
Dokument erstellt am:03.01.2024
Dateien geändert am:03.01.2024
Promotionsantrag am:10.03.2023
Datum der Promotion:12.12.2023
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