Ausgezeichnet – Der Doktorandenpreis 2016

Im Rahmen des 57. DGP-Kongresses in Leipzig wurde Anfang März der mit insgesamt 6000 € dotierte Doktorandenpreis der Deutschen Lungenstiftung e. V. verliehen. Der Preis wurde vom Pharmaunternehmen Boehringer Ingelheim gesponsert. Ausgezeichnet wurden Dr. rer. nat. Sabine Bartel, Norderstedt, für die beste experimentelle Arbeit sowie Dr. med. Franziska Farquharson und Dr. med. Hannes Klenze, beide Konstanz, für die beste klinische Arbeit. Die Preisträger stellen nachfolgend die Inhalte ihrer Arbeiten vor.

MicroRNA-based Identification of Pulmonary Signaling Pathways in experimental Asthma – The Role of the cAMP responsive Element Binding Protein (Creb1)

PD Dr. Thomas Glaab, Boehringer Ingelheim, Dr. med. Hannes Klenze, Dr. med. Franziska Farquharson, Dr. rer. nat. Sabine Bartel und Prof. Dr. Gerhard W. Sybrecht, Vorsitzender des Kuratoriums der Deutschen Lungenstiftung (v. l. n. r.). (© C photography Mike Auerbach)

Asthma bronchiale ist die häufigste chronische Erkrankung bei Kindern und sie ist in ihrer Prävalenz und Inzidenz über die letzten Jahrzehnte stark angestiegen. Das Krankheitsbild an sich ist bis zum heutigen Zeitpunkt intensiv erforscht worden, wobei über die Entstehung von Asthma im Kindesalter noch wenig bekannt ist. Aus diesem Grund ist es wichtig, neue Signalwege zu identifizieren, die für die Asthma-Entstehung relevant sind, auch um daraus eventuell neue therapeutische Ansätze oder präventive Strategien zu entwickeln.

Dafür haben wir microRNAs (miRNA) verwendet, die oft mehrere Schlüsselfaktoren in denselben Signalwegen regulieren. In vorangegangener Arbeit hat unsere Gruppe herausgefunden, dass pulmonale miR-17 und miR-144 bei Ovalbumin (OVA) -induziertem experimentellen Asthma in Mäusen erhöht sind, und dass sie den Transkriptionsfaktor „cAMP-responsive element binding protein“ (Creb) regulieren können.

In dieser Arbeit haben wir nun weitere Bindestellen für miR-17 und -144 sowie auch für die neu miteinbezogene miR-21, in den 3’UTRs von Creb1 Co-Aktivatoren (Crtc1-3) gefunden und in In-vitro-Experimenten validiert. Sowohl Creb1 als auch die 3 Crtcs waren im Lungengewebe von Tieren mit experimentell induziertem Asthma durch OVA und Hausstaubmilben (HDM) verringert. Weiterhin haben wir die Expression eines möglichen Creb1- Zielgens, Sec14-like 3 (Sec14l3), untersucht, welches ebenfalls in beiden Asthma- Mausmodellen im Lungengewebe herunterreguliert war. Außerdem war der Verlust an Sec14l3-Protein in der Lunge mit der Hyperplasie von Mucus produzierenden Becherzellen assoziiert. In der Kultur von primären humanen Bronchialzellen (NHBE) führte eine Behandlung mit IL-13 zu einer transienten Herunterregulierung von Creb1, den Crtcs und Sec14l3. miR-17, -144 und -21 wurden nach IL-13 von diesen Primärzellen vermehrt in Exosomen sekretiert. Diese konnten von Bronchialepithelzellen und T-Zellen aufgenommen werden. Die 3 miRNAs konnten auch in Exosomen aus Nasenspülungen von Kindern mit allergischem Asthma und in bronchoalveolarer Lavage in Mäusen mit experimentellem Asthma gefunden werden. In nasalen Epithelzellen von Kindern mit allergischem Asthma waren miR-17, -144 und -21 stark erhöht und das Zielgen SEC14L3 herunterreguliert.

Zusammenfassend haben wir in dieser Arbeit eine neue molekulare Achse (miRNACreb/ Crtc-Sec14l3) gefunden, die für die Asthmaentstehung bei der Maus aber auch bei Kindern relevant sein könnte. Die Sekretion der miRNAs in Exosomen könnte die Reaktion der Zellen auf asthmatische Stimuli auf mehrere, verschiedene Zelltypen verteilen.

Dr. Sabine Bartel, Norderstedt

Effekt von Hypoxie auf die Zwerchfellkraft während isolierter Belastung der Atemmuskulatur

Belastungsinduzierte Atemmuskelermüdung war in den letzten Jahren der Schwerpunkt zahlreicher Studien [1], [10], [16]. Nachdem man lange angenommen hatte, das Zwerchfell sei gemessen an seinen Aufgaben überdimensioniert angelegt [15], ist inzwischen bekannt, dass unter extremen Anforderungen oder eingeschränkten Versorgungsbedingungen eine Ermüdung des Zwerchfells auftritt. Zwerchfellermüdung kann zu einer Limitierung der körperlichen Leistungsfähigkeit führen [1]. Um diesem Effekt entgegenzuwirken wurden Atemmuskeltrainingsgeräte entwickelt, die sowohl an Patienten mit Atemmuskelschwäche [14], als auch im Leistungssport eingesetzt werden [12].

Zwerchfellermüdung tritt bei gesunden Probanden erst bei sehr hoher Ganzkörperbelastung [9], [4] oder starker isolierter Belastung der Atemmuskulatur auf [11], [13]. Hypoxie führt zu einer Zunahme der Zwerchfellermüdung während Ganzkörperbelastung [8], [17], wie sie bspw. beim Bergsteigen in Höhenlagen auftreten kann.

Hierfür werden mehrere Ursachen diskutiert:

• Hypoxie führt durch Zunahme der Ventilation zu mehr Atemarbeit [3].

• Es kommt zu einem verstärkten Wettbewerb um den Blutfluss zwischen Atemmuskulatur und der Muskulatur der Extremitäten [6].

• Belastung unter hypoxischen Bedingungen führt in höherem Maß zu einem Anstieg von zirkulierenden Metaboliten [3], die wiederum zu einer Zunahme der Zwerchfellermüdung führen können [7].

• Unabhängig von diesen Faktoren konnte nachgewiesen werden, dass Hypoxie auch bei isolierter Atemmuskelbelastung die Zwerchfellermüdung verstärkt [16].

Es ist bekannt, dass eine Zwerchfellermüdung während isolierter Atemmuskelbelastung in Normoxie im Laufe der Belastung früh auftritt und es im Abbruch zu keinem weiteren Verlust der Zwerchfellkraft kommt [11], [10]. Ziel der vorliegenden Studie war es, den Verlauf der Zwerchfellkraft während isolierter Atemmuskelbelastung in Hypoxie im Vergleich zum bereits bekannten Verlauf in Normoxie darzustellen.

An 20 gesunden Probanden wurde die Zwerchfellkraft mittels transdiaphragmaler Druckmessung nach Magnetstimulation der Nervus phrenici alle 45 Sekunden während einer atemmuskulären Widerstandsbelastung von mindestens 20 Minuten untersucht. 17 Probanden absolvierten vollständig die 2 Studienarme (Normoxie/normobare Hypoxie SpO2 80 %) verblindet und in randomisierter Reihenfolge. Durch Vormessungen konnte die Supramaximalität der Stimulationen bestätigt und individuelle Regressionsanalysen zwischen Lungenvolumen und Zwerchfellkraft durchgeführt werden, um im Nachhinein eine Volumenkorrektur der Messwerte vorzunehmen.

Es wurde ein unterschiedlicher Verlauf der Zwerchfellermüdung während Atemmuskelbelastung festgestellt: In Normoxie konnte der bereits bekannte nichtlineare Abfall reproduziert werden, in Hypoxie zeigte das Zwerchfell einen progressiven, linearen Kontraktilitätsverlust. Demnach konnte bestätigt werden, dass Hypoxie zu einer Verstärkung von Zwerchfellermüdung während isolierter Atemmuskelbelastung führt, unabhängig von den Effekten auf die Atemarbeit, Metabolitenproduktion der Arbeitsmuskulatur und die Rivalität verschiedener Muskulatur um das Herzzeitvolumen unter Ganzkörperbelastung.

Von Relevanz ist dieser Effekt für die Leistungslimitierung durch Atemmuskelermüdung. Diese spielt möglicherweise insbesondere dann eine Rolle, wenn zusätzlich zu starker Atemmuskelbelastung noch eine eingeschränkte Sauerstoffversorgung hinzukommt, wie es beim Ausdauersport in Höhenlagen [17], aber auch bei hypoxämischen Patienten der Fall sein kann [2]. Unter solchen Bedingungen werden vermutlich die Kompensationsmechanismen des Zwerchfells überschritten [5]. Es kommt zu einem fortschreitenden Kontraktilitätsverlust des Zwerchfells in Hypoxie.

Die Studienergebnisse wurden im Juni 2016 publiziert: Walker DJ, Farquharson F, Klenze H et al. Diaphragmatic Fatigue during inspiratory Muscle Loading in Normoxia and Hypoxia. Respir Physiol Neurobiol 2016; DOI: 10.1016/j.resp.2016.01.006

Dr. Franziska Farquharson, Konstanz

Durchblutung peripherer Muskulatur während isolierter Atemmuskelbelastung in Hypoxie und Normoxie

Die Atemmuskulatur des Menschen kann, trotz ihrer außergewöhnlich hohen Ermüdungsresistenz, bei starker Belastung ermüden [25]. Ein Mechanismus, mit welchem die Atemmuskulatur möglicherweise ihrer Ermüdung entgegenwirkt, ist die Priorisierung der eigenen Blutversorgung durch den „respiratorischen Metaboreflex“: So kann das Zwerchfell bei Ermüdung über eine zentrale Verschaltung eine Erhöhung des Sympathikotonus in ruhender und arbeitender Skelettmuskulatur initiieren [21], [26]. Die hierdurch eintretende Vasokonstriktion führt zur Minderdurchblutung dieser Muskeln und deren Leistungseinschränkung – mutmaßlich soll so der Blutfluss zu den Atemmuskeln gesteigert und deren weitere Ermüdung verhindert werden [24], [30], [18], [29].

Neben einer möglichen Limitierung der Ausdauerleistung bei Gesunden wird für Patienten mit einer chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und chronischer Herzinsuffizienz ein „überaktivierter“, für viele der belastungsassoziierten Symptome ursächlicher respiratorischer Metaboreflex vermutet [19], [22], [27]. Grundlage dieser Überaktivierung könnte ein verminderter Sauerstoffgehalt im Blut sein, welcher bei diesen Patienten häufig zu finden ist [20], [28], und der die Zwerchfellermüdung während Atemmuskelbelastung verstärken kann [32].

Vor diesem Hintergrund sollten in dieser Studie die physiologischen Auswirkungen isolierter, ermüdender Atemmuskelbelastung in Hypoxie und Normoxie auf die periphere muskuläre Durchblutung untersucht werden. 10 Probanden absolvierten je 2 Läufe inspiratorischer Atemmuskelbelastung (verblindet, randomisiert) in Hypoxie und Normoxie. Die Messung der peripheren Durchblutung erfolgte durch

• kontrastverstärkten Ultraschall mit Bildaufzeichnung der ruhenden linken Wadenmuskulatur und

• Duplexsonografie der rechten Arteria poplitea.

Vor, während und nach der Atemmuskelbelastung erfolgten insgesamt 7 Kontrastmittelinjektionen. Parallel dazu wurde das Herzzeitvolumen kontinuierlich mittels Pulswellentransitzeit berechnet.

Durch die Anflutung von Kontrastmittel im Muskelgewebe können indirekt die Durchblutungsverhältnisse des Muskels abgebildet werden [23]. In dieser Studie stellte sich die Zeitspanne von Injektion des Kontrastmittels bis zur maximalen Anflutungsrate in einer kleinen Muskelarterie als wichtiger indirekter Marker heraus und erlaubte nach Kontextuierung mit dem Herzzeitvolumen Rückschlüsse auf die Muskeldurchblutung zum Zeitpunkt der Messung.

Während der Atemmuskelbelastung zeigte sich ein verzögert einsetzender Abfall der peripheren muskulären Durchblutung in Hypoxie und Normoxie. In vielen Aspekten ähnelten sich die Verläufe der Durchblutung ruhender Muskulatur während der Atemmuskelbelastung (in dieser Studie) und während der Belastung anderer Muskelgruppen [33]. In Hypoxie war das Herzzeitvolumen über alle Messzeitpunkte gesteigert, was einen bekannten Effekt darstellt [31]. Ein darüber hinausgehender spezifischer Einfluss von Hypoxie auf die Blutflussregulation während der Atemmuskelbelastung wurde allerdings nicht gefunden, auch nicht in den duplexsonografischen Messungen.

Die Studienergebnisse belegen insgesamt das Konzept eines respiratorischen Metaboreflexes und untermauern dessen Ähnlichkeit zum muskulären Metaboreflex. Sie werfen die Frage auf, wie genau die periphere Durchblutung speziell zu Beginn der Atemmuskelbelastung reguliert wird und welchem Zweck die Regulationen dienen. Ein direkter Einfluss arterieller Entsättigung auf die durch Atemmuskelermüdung bedingte periphere Blutflussverminderung konnte nicht nachgewiesen werden.

Dr. Hannes Klenze, Konstanz

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