Genexpressionsanalysen zur Hämokompatibilität von Fremdoberflächen bei Operationen mit extrakorporaler Zirkulation

Abstract

Einleitung: Die extrakorporale Zirkulation (EKZ) führt zu einer Ganzkörperentzündungsreaktion. Leukozyten spielen eine zentrale Rolle bei entzündlichen Reaktionen. Methoden: In einer prospektiven, randomisierten und doppelblinden Vergleichsstudie wurden die Auswirkungen der Beschichtung der EKZ mit Heparin (Bioline-Coating; Gruppe H) und Protein (Safeline-Treatment; Gruppe P) auf den perioperativen Verlauf sowie auf die Genexpression in Leukozyten analysiert. Hierfür wurden 65 männliche Patienten, die sich einer elektiven aortokoronaren Bypassoperation mit EKZ unterzogen, per Zufall in Gruppe H (n = 34) und Gruppe P (n = 31) eingeteilt. Zusätzlich zur Erfassung klinischer und laborchemischer Parameter wurde bei jeweils sechs Patienten einer Gruppe leukozytäre Gesamt-RNA prä- und 6 h postoperativ extrahiert und auf DNA-Microarrays (Affymetrix U133A) inkubiert, die die Analyse von 22.283 Genen ermöglichten. Die Microarray-Ergebnisse wurden mit RealTime-PCR (RT-PCR) für NR1/2, MATN3, PXN und LEF1 verifiziert. Des Weiteren wurde bei diesen Patienten die monozytäre Expression von IL-1ß, IL-6, IL-8 und TNF-alpha mit RT-PCR perioperativ zu verschiedenen Zeitpunkten erfasst. Die konventionelle statistische Auswertung wurde durch die neu entwickelte Software MAPPFinder ergänzt. Ergebnisse: Die demographischen Daten zeigten keine signifikanten Unterschiede. Die CRP-Konzentration zeigte bei Ende der EKZ signifikant höhere Werte in Gruppe H. Die leukozytäre Genexpression zeigte für mehrere Tausend Gene signifikante Veränderungen im Vergleich sowohl innerhalb als auch zwischen den Gruppen. Verglichen mit der präoperativen Expression auf einem Signifikanzniveau von p < 0.01 zeigte die postoperative Expression 814 hochregulierte und 1187 herunterregulierte Gene in Gruppe H, verglichen mit 99 hochregulierten und 231 herunterregulierten Genen in Gruppe P (p < 0.001). Fünfzig Gene zeigten eine > 4-fache und signifikante (p < 0.05) Erhöhung und 27 eine > 4-fache und signifikante Verringerung der Expression in Gruppe H, wobei nur jeweils 7 Gene entsprechend dieser Kriterien in Gruppe P hoch- bzw. herunterreguliert wurden. In Gruppe H fielen Gene auf, die eine bedeutende Rolle in der extrazellulären Signaltransduktion (MAPK12), Zell-Zell-Interaktion (CDH6) sowie im Rahmen der neutrophilen Chemotaxis (CCL8) einnehmen. In Gruppe P wurden Gene eruiert, die als Reaktion auf den oxidativen Stress (PIG11) auftreten und in Zusammenhang mit der Cytochrom P-450 Regulierung (NR1/2) stehen. In Gruppe H wurden 1405 "Gene Pathways" hochreguliert und 1454 herunterreguliert, im Vergleich zu Gruppe P mit 552 hochregulierten und 818 herunterregulierten "Gene Pathways" (p < 0.01). Die MAPPFinder Analyse verdeutlichte die einheitliche Expression von "Gene Pathways" in Gruppe H: "inflammatory response" (z = 6,3), "innate immune response" (z = 6,1) und "response to biotic stimulus" (z = 5,6) wurden hochreguliert, wobei "response to external stimulus" (z = 5,9) und "cellular defense response" (z = 4,7) deutlich herunterreguliert wurden. Die monozytäre Expression von IL-8 und TNF-alpha zeigte sowohl innerhalb als auch zwischen den Gruppen signifikante Unterschiede. Schlussfolgerung: Die EKZ führt zu ausgeprägten Veränderungen der leukozytären Genexpression in direkter Abhängigkeit von der Art der Fremdoberfläche. Derartige Untersuchungen eröffnen neue Wege zur Bestimmung und Beeinflussung von Fremdoberflächen-assoziierten inflammatorischen Reaktionen auf molekularer Ebene.

Objective: Extracorporeal circulation leads to a systemic inflammatory reaction, wherein leukocytes play an important role. Methods: In a prospective, randomized, and double blinded clinical trial the effects of two different surface coatings were studied. 65 male patients scheduled for CABG were randomized into either group H (n=34, Heparin-coating) or group P (n=31, Protein-coating). Demographic data was not significantly different between groups. Clinical and perioperative data was collected. Further leukocytes and monocytes were isolated from blood at several timepoints and gene expression was analyzed using RT-PCR and DNA-Microarrays (Affymetrix U133A). Conventionel statistical analyses were performed. In addition the newly developed software MAPPFinder was applied. Results: Leukocyte gene expression was significantly different within (pre- vs. postoperatively) and between groups (H vs. P) expression. Compared with preoperative expression at a threshold value of p<0.01, postoperative expression revealed 814 upregulated and 1187 downregulated genes in group H, compared to 99 upregulated and 231 downregulated in group P (p<0.001). Fifty genes exhibited a >4-fold increase and 27 a >4-fold decrease in group H, whereas only 7 genes exhibited upregulation and 7 revealed downregulation in group P. Micro-array-pathway-profile-finder (MAPPFinder) analyses determined 1405 upregulated and 1454 downregulated pathways in group H, compared to 552 upregulated and 818 downregulated pathways in group P (p<0.01). Pathways related to inflammatory response exhibited highest z scores in group H, reflecting cellular inflammatory activation. Conclusion: Heparin coating resulted in a more profound alteration in leukocyte gene expression when compared to protein coating. Microarray analyses present an innovative approach for evaluation and understanding of inflammatory reactions associated with CPB.