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In Lungengewebsproben von Patienten mit pulmonaler Hypertonie - gegliedert nach Hypertonieform - wurde die ACE- Expression entlang der pulmonalen Strombahn untersucht und mit den Ergebnissen gesunder Patienten verglichen. Des Weiteren wurde die ACE-Expression anhand unter hypoxischen Bedingungen kultivierter Zellkulturen überprüft. Die Präparate wurden mittels der APAAP-Methode gefärbt und die ACE-Immunreaktivität semiquantitativ ausgewertet. Als Zellkulturmodelle wurden HUVEC und HPMEC verwendet. Ergebnisse: 1. ein gefäßtypspezifisches, nicht durch Alter und Geschlecht beeinflusstes, ACE-Antigenexpressionsmuster für pulmonale Endothelzellen. 2. für verschiedene pulmonale Hypertonieformen eine vermehrte ACE-Antigenexpression der Arterien 3. für die verschiedenen pulmonalen Hypertonieformen eine unterschiedliche Steigerung der ACE-Antigenexpression 4. HUVEC nur bedingt als Zellkulturmodell für die Überprüfung der hier gefundenen in vitro-Befunde geeignet.

I.Bekanntermaßen erfolgen die vasodilatierenden Reaktionen der Prostanoide über eine Aktivierung der Adenylatzyklase und der nachfolgenden Bildung von cAMP. Das Resultat des Substanzvergleichs von erstmals inhaliertem UT 15 und dem gut untersuchten Iloprost legte unterschiedliche Rezeptorspezifitäten und affinitäten nahe. Zusätzlich verlängerte UT 15 signifikant den PAP im Vergleich zu Iloprost. Es stellt damit eine interessante neue Therapieoption dar. II. Am Modell der PH beim Ganztier wurde in der vorliegenden Arbeit als neue Methode die MIGET etabliert und charakterisiert. Die Methode ermöglichte die Erhebung von Daten über die Gasaustauschbedingungen, etwa die Ventilations- und Perfusionsverhältnisse. Sildenafil erwies sich als potentes Therapeutikum, sowohl bei intravenöser als auch bei inhalativer Applikation, wobei es zu keinen signifikanten Unterschieden zwischen beiden Darreichungsformen kam. Zudem konnte belegt werden, dass Sildenafil eine pulmonale und eine intrapulmonale Selektivität hat. III. Der Vergleich sowohl der beiden Versuchsgruppen Iloprost/Sildenafil und Iloprost/8MM-IBMX als auch der Vergleich jener mit der Dreifach- Kombination der Substanzen ergab keine signifikanten Unterschiede im Hinblick auf das Wirkpotenzial. Die Ergebnisse legen die Vermutung nahe, dass Sildenafil außer der PDE 5/6 auch die PDE 1 inhibiert. Zudem könnte akkumulierendes cGMP die PDE3 hemmen, die wiederum einen Abbau von cAMP zu 5 AMP verhindert könnte. Das Zusammenspiel beider Wirkungen ergäbe eine verlängerte Vasodilatation., In catheterized rabbits with acute pulmonary hypertension induced by continuous infusion of the stable thromboxane analogue U46619, we compared the prostacyclin analogues UT 15 and Iloprost. A significant pulmonary vasodilatatory response was noted for both prostanoids, but UT 15 was more effective. Second, we established the multiple inert gas elemination technique (MIGET) in catheterized rabbits with acute pulmonary hypertension induced by continuous infusion of U46619. We compared the effects of inhaled versus intravenous Sildenafil in experimental acute pulmonary hypertension on vascular tone and gas exchange. We demonstrated that aerosolization of sildenafil is as effective as infusion in relieving pulmonary hypertension. When administered via this route instead of being infused intravasculary, sildenafil is capable of improving ventilation-perfusion matching, suggesting selective vasodilation in well-ventilated lung areas. Third, we combined inhaled Iloprost with intravenous 8-Methoxymethyl IBMX (PDE1 inhibitor) and Sildenafil. Strong amplification of the iloprost-induced vasodilatation was noted when iloprost was combined with sildenafil and/or 8MM-IBMX. We conclude that coadministration of selective PDE inhibitors markly enhance and prolongs the pulmonary vasodilatory response to inhaled iloprost, with maintenance of pulmonary selectivity and ventilation perfusion matching. The prominent effect of sildenafil may operate via both PDE1 and PDE5 or possibly by PDE 3 which is inhibitable by cGMP.

Die hypoxisch pulmonale Vasokonstriktion (HPV) beschreibt einen essentiellen Mechanismus, der es der Lunge erlaubt, den lokalen Blutfluss der lokalen Ventilation anzupassen. Dies geschieht durch gezielte Vasokonstriktion und somit Drosselung der Perfusion in den schlecht ventilierten Bereichen. Störungen der HPV finden sich u. a. bei Pneumonie, dem akuten Lungenversagen und Leberversagen und führen zu schweren Hypoxämien. Weiterhin ist bekannt, dass chronisch alveoläre Hypoxie zu chronisch pulmonaler Hypertonie führt. Seit der Beschreibung durch von Euler und Liljestrand im Jahr 1946 war die HPV Gegenstand intensiver Forschung. Dennoch sind die ihr zu Grunde liegende Regulationsvorgänge nicht vollständig geklärt. Fraglich ist z.B., welche Zellen und Zellstrukturen an den Regulationsprozessen der HPV beteiligt sind und welche als biochemische Sauerstoffsensoren fungieren. Diskutiert werden hier u.a. NAD(P)H-Oxidasen, Mitochondrien und Ionenkanäle. Mehrere Untersuchungen konnten zeigen, dass die unter Hypoxie in den Lungengefäßen stattfindende Vasokonstriktion einen biphasischen Verlauf aufweist. Bei der ersten oder akuten Phase kommt es mit Beginn der Hypoxie zu einem schnellen Anstieg des Gefässwiderstandes, der nach etwa 5 Minuten sein Maximum erreicht und sich anschließend wieder partiell verringert. In der zweiten, protrahierten Phase, ca. 20 Minuten nach Beginn der Hypoxie, steigt der Gefäßwiderstand erneut und kontinuierlich an. In der hier vorliegenden Arbeit sollte der Einfluss verschiedener Inhibitoren auf diese beiden Phasen der HPV untersucht werden, um festzustellen, ob diese gleichen oder unterschiedlichen Regulationsmechanismen unterliegen. Untersucht wurden: - Verapamil, ein Kalzium Antagonist - AEBSF (Pefabloc), ein NADH-Oxidase-Inhibitor - Inhibitoren der mitochondrialen Atmungskette (angegeben jeweils mit Ansatzort der Hemmung): Rotenon (Komplex I) MPP+ (Komplex I) 3-NPA (Komplex II) Antimycin A (Komplex III) Cyanid (Komplex IV) In Versuchen mit repetitiven 10-minütigen Hypoxien, die die akute Phase repräsentieren, wurde für jede Substanz ein Applikationsschema ermittelt, bei dem repetitive, akute Hypoxiereaktionen gleich stark gehemmt wurden. Danach wurden Versuchsreihen mit Lungen durchgeführt, die bei gleichem Applikationsschema einer protrahierten, 120-minütigen Hypoxie ausgesetzt wurden, wobei sich die Auswirkungen auf die protrahierte Phase der HPV beobachten ließen. Kontrollreihen wurden sowohl mit durchgehend normoxisch beatmeten Lungen, als auch mit Lungen, die mit dem gleichen Hypoxie-Intervallen beatmet wurden, denen aber nur die für die Substanzen verwendeten Lösungsmittel entsprechend den Applikationsschemata zugesetzt wurden, durchgeführt. Es zeigte sich, dass Verapamil und 3-NPA beiden Phasen der HPV etwa gleich stark hemmten. AEBSF wirkte auf die akute Phase stärker inhibitorisch als auf die protrahierte. Rotenon und MPP+ und Cyanid dagegen inhibierten die protrahierte Phase stärker. Insbesondere die Applikation von Cyanid hatte eine vollständige Suppression der protrahierten Phase der HPV zur Folge. Somit konnte gezeigt werden, dass der akuten und protrahierten Phase der HPV (partiell) unterschiedliche Regulationsmechanismen zu Grunde liegen. Potentiell sind NADH-Oxidasen stark an der Regulation der akuten Phase beteiligt, wo hingegen Mitochondrien, und hier insbesondere Komplex IV, eine stärkere Rolle für die Regulation der protrahierten HPV spielen. Hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV) is an essential mechanism of the lung, which adapts local blood flow to local alveolar ventilation. This is achieved by local vasoconstriction and thereby restricted perfusation in poorly ventilated areas. Disturbance in HPV, as it occurs in pneumonia, the adult respiratory distress syndrome and liver failure may result in severe hypoxemia. Further on, generalized chronic alveolar hypoxia is known to induce chronic pulmonary hypertension. HPV was first described by von Euler and Liljestrand in 1946 and has hence been a subject of intensive investigations. However, the underlying mechanisms are yet poorly understood. It is still uncertain which cells and cell-structures are involved in HPV and which ones act as a biochemical oxygen sensor. Among other things, NAD(P)H-oxidases, mitochondria and ion-channels are under discussion for it. Recent studies showed that HPV is biphasic. Typically, hypoxia provokes an initial rapid vasoconstriction with a maximum approximately 5 minutes after the onset of hypoxia, followed by a partial relaxation. Secondary, a more or less pronounced sustained vasoconstriction occurs. In this present study, the influence of several inhibitors on both phases of HPV was observed to find out, whether acute and sustained HPV are differently regulated. Following substances have been used: - Verapamil, a calcium-antagonist - AEBSF (Pefabloc), an inhibitor of NADH-oxidase - inhibitors of the mitochondriale electron transport chain (given with their localisation of investigation): rotenone (complex I) MPP+ (complex I) 3-NPA (complex II) antimycine a (complex III) cyanide (complex IV) In a protocol with repetitive 10-minute hypoxia, representing the first phase of HPV, a pattern of application for each substance was ascertained, by which a series of following, repetitive HPV-reactions were depressed to a similar degree. Afterwards, employing the same pattern of application, lungs were challenged with 120-minute hypoxia. In doing so, influence on the second phase could be observed. Controls were performed by using only normoxic ventilated lungs and lungs with an identical ventilation-scheme but only application of the used solvents. Verapamil and 3-NPA decreased acute and sustained phase of HPV by an identical degree. AEBSF inhibited the acute phase more than the sustained one. Rotenone, MPP+ and cyanide on the other hand had a more prominent influence on the sustained phase. Especially cyanide totally suppressed the sustained vasoconstriction under prolonged hypoxia. Consequently, it could be shown that first and second phase of the HPV are regulated differently. NADH-oxidase is investigated in the regulation of the acute phase, whereas mitochondria, especially complex IV, are strongly involved in the regulation of the sustained phase of HPV.

Die pulmonalarterielle Hypertonie (PAH) ist eine schwere, lebensbedrohliche Erkrankung, die durch eine deutliche, anhaltende Erhöhung des pulmonalarteriellen Druckes, charakteristische Umbauprozesse der Pulmonalarterien (Remodelling) und der Entwicklung eines Cor pulmonale gekennzeichnet ist. Das Voranschreiten der pulmonalen Hypertonie ist unter anderem verbunden mit gesteigerter Proliferation und Migration glatter Gefäßmuskelzellen der Lunge. Platelet derived growth factor (PDGF) ist ein starkes Mitogen und an diesem Prozeß beteiligt. In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß des PDGF Rezeptorantagonisten STI 571 (Imatinib, Glivec®) untersucht. Wir konnten zeigen, dass STI 571 in der Lage ist, in einem experimentellen Tiermodell der Monocrotalin-induzierten pulmonalen Hypertonie den schweren Krankheitsprozeß nicht nur zu stoppen sondern vielmehr sogar fast vollständig rückgängig zu machen. Die Therapie der Ratten begann 28 Tage nach Injektion von Monocrotalin, das heißt, nach Etablierung einer schweren pulmonalen Hypertonie. Eine zweiwöchige Behandlung resultierte in einer 100% Überlebensrate, im Vergleich zu 50% bei den mit Placebo behandelten Ratten. Die pathologischen Veränderungen im rechtsventrikulären Druck (am narkotisierten Tier sowie auch kontinuierlich am wachen Tier vermittels telemetrischer Sensoren gemessen) und die Rechtsherzhypertrophie der pulmonalhypertensiven Tiere erreichten nach zweiwöchiger Therapie mit Imatinib wieder Werte, die mit denen gesunder Ratten vergleichbar sind. Der systemisch-arterielle Druck unterschied sich in keiner Gruppe signifikant, wodurch rein vasodilative Eigenschaften von Imatinib ausgeschlossen werden können. Die schweren Gefäßumbauprozesse, hier durch den Muskularisierungsgrad, die Wandstärke und die Lumenfläche peripherer Lungenarterien charakterisiert, regenerierten sich fast vollständig. Weiterhin wurde immunhistochemisch die Überexpression des PDGF-ß Rezeptors und seines Liganden PDGF-B in den Lungen der Monocrotalin-stimulierten Ratten sowie in Lungenschnitten pulmonalhypertensiver Patienten gezeigt. Obwohl für viele gängige Therapien postuliert, fehlt bislang der direkte Beweis für eine antiproliferative Wirkung. Die meisten Behandlungsformen der PAH zielen eher auf eine Vasodilation und dadurch verminderten Gefäßwiderstand in den Lungenarterien. Die vorliegende Arbeit stellt den ersten kurativen Ansatz in einem experimentellen Modell der pulmonalarteriellen Hypertonie dar, der durch die gezielte Hemmung der PDGF-Rezeptoren vermittels eines klinisch zugelassenen Tyrosinkinasehemmers zu einem deutlichen, antiproliferativ bedingten Therapieerfolg führt und keine vasodilative Komponente aufweist. Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a severe, life-threatening disease characterised by a sustained elevation in pulmonary arterial pressure, remodelling of the pulmonary arteries and development of Cor pulmonale. The progression of pulmonary hypertension is paralleled by an increased proliferation and migration of pulmonary vascular smooth muscle cells. Platelet derived growth factor (PDGF) is a potent mitogen and is a key mediator of these processes. The aim of the present study was to investigate the impact of STI 571 (Imatinib) on hemodynamics, gas exchange, histology and survival in Monocrotaline-induced PAH. We demonstrated that STI 571 is capable of not only arresting but also reversing the disease progression in this experimental rat model of PAH. Treatment of rats with STI 571 was initiated 28 days after MCT administration, after severe pulmonary hypertension was fully established. Two weeks of treatment with STI 571 resulted in a 100% survival compared to 50% survival in placebo-treated rats. Pathological changes in right ventricular pressure (measured in anaesthetised, as well as in fully conscious animals by implanted telemetric sensors) and right heart hypertrophy were significantly decreased after two weeks of treatment with Imatinib down to values comparable with those of normal healthy rats.

This thesis describes the development and characterization of a variety of polymeric and liposomal drug delivery systems for use in pulmonary aerosol therapy. A variety of polyethylenimines (PEIs) were studied in depth in an attempt to develop biocompatible gene vectors for efficient non-viral gene therapy for the lung (Chapter 2-5). Another study (Chapter 6) investigates a number of lipid-based nanoparticles that were specifically designed to act as sustained release formulations for pulmonary drug delivery. The investigations presented in Chapter 2 form the foundations of this thesis by evaluating the general suitability of PEI as a gene vector in an aerosol therapy. Four different PEI modifications (branched, linear, polyethylenglycol-grafted and biodegradable PEI) copolymer were utilized as carriers for plasmid DNA (pDNA), with the resulting polyplexes displaying diameters of approximately 100 nm. These were extensively characterized with respect to identifying any structural and/or physico-chemical alterations that occurred during aerosolization with both air-jet and ultrasonic nebulizer. A number of techniques including atomic force microscopy (AFM), dynamic light scattering (DLS) and laser Doppler anemometry (LDA) were employed to determine the various morphologies, diameters and zeta-potentials of the polyplexes pre- and post-aerosolization. The PEI modifications and displaying stronger DNA condensation were shown to form more stable polyplexes, due to the reduced level of damage observed post- aerosolization. The poly (ethylene glycol) PEI copolymer (PEGPEI) was shown to have the superior carrier properties regarding DNA condensation and protection. Furthermore, our results suggested that improved stability for PEI/DNA polyplexes can be attained using the ultrasonic nebulizer in preference to the air-jet apparatus. Thus, we concluded that ultrasonic nebulization is a milder aerosolization method for PEI-based gene delivery systems. Additionally, PEGPEI appeared to display the most promising properties as a pulmonary gene carrier, due to its stability. Therefore, we decided to employ the PEGPEI copolymer in addition to the commonly used branched 25 kDa PEI (BPEI) in the subsequent studies. Our primary aim in Chapter 3 was the development of a gene vector that achieves both high transgene expression and biocompatibility in the pulmonary epithelium. To accomplish this aim, a low molecular weight (5 kDa) PEI (LMWPEI) and a PEGPEI copolymer were employed as pDNA vectors and compared with the commonly utilized BPEI. Investigations of the polyplex morphologies (using AFM), sizes (by DLS) and zeta-potentials (using LDA) revealed that all three polymers are able to condense pDNA, forming small, positively charged particles of approximately 100 nm diameter. Cytotoxicity studies, performed using the MTT- and LDH-assay, indicated LMWPEI had the superior biocompatibility of the three polymers investigated. The transfection efficiencies of the three polyplexes were studied both in vitro (cell cultured lung epithelia) and in vivo (intratracheally instillation to the mouse lung). Whilst LMWPEI polyplexes were shown to be inefficient in transfecting lung epithelial cells in vitro, they caused the highest transfection rate in the mouse lung. Interestingly, the opposite behaviour was observed when PEGPEI polyplexes were investigated, with a high gene expression in vitro not being reproduced in vivo. We hypothesized that the polyplexes relative stability in the lung environment might explain this observation. In order to investigate the polyplex stability, natural lung lining fluid and lung surfactant were utilized, and a decreasing trend of DNA encapsulation in the order: PEGPEI > BPEI > LMWPEI was observed. Therefore, we concluded that stronger interactions between the carrier and the pDNA may hinder the DNA release under in vivo conditions, thus reducing the transfection efficiency. Our results indicated that LMWPEI fulfils the key requirements of low cytotoxicity and high gene expression in the mouse lung. Based upon the promising results of Chapter 3 the biocompatibility of LMWPEI/DNA in the mouse lung was further investigated, and the results are presented in Chapter 4. Polyplexes were applied via instillation, and after 48 hours lung lavages were performed. The bronchial alveolar lining fluid (BALF) obtained was subsequently investigated for total cell counts, quantity of neutrophils and macrophages as well as total protein and cytokine concentrations. These parameters are hallmarks of acute lung inflammation, and increased values were observed for all investigated systems in comparison to the control mice. In the case of pDNA and LMWPEI/DNA, only minor alterations were detected whereas BPEI/DNA caused stronger inflammation and surprisingly PEGPEI/DNA led to the most severe inflammation. When considering these findings together with the transfection results obtained in vivo (Chapter 3), we concluded that increasing cytotoxicity in the mouse lung (LMWPEI < BPEI < PEGPEI) causes decreasing transfection efficiency (LMWPEI > BPEI > PEGPEI). As such, LMWPEI was chosen as our preferred pDNA carrier for inhalation therapy. In parallel to this work, we developed a novel aerosol inhalation device for mice. Unfortunately, the transfection rate in the mouse lung decreased dramatically post- LMWPEI/DNA aerosolization in comparison to the instilled polyplexes. In an attempt to identify the reasons for this failure, we employed double-labeled polyplexes in order to compare the lung distribution of inhaled versus instilled polyplexes. The nebulized LMWPEI polyplexes were shown to be uniformly localized throughout the mouse lung in small quantities. In contrast, the instilled polyplexes were detected in much higher concentrations, in bronchial and alveolar regions, but were not evenly distributed. Interestingly, polyplexes were observed in epithelial and endothelial cells. Consequently, LMWPEI represents a highly efficient and biocompatible gene vector for the lung and is superior to the more commonly used BPEI. Another study (Chapter 5) describes the development and characterisation of a novel gene vector that is based upon BPEI covalently linked to a TAT peptide (a protein transduction domain) via a PEG spacer. The oligopeptide TAT was chosen to enhance cell uptake into lung cells, since reports had demonstrated high translocation ability of TAT by direct crossing biological membranes. In keeping with the two previous studies, the TAT-PEG-PEI conjugate was extensively investigated in terms of DNA condensation, DNA protection in the intra- and extracellular lung environment, polyplex size, stability, zeta-potential, in vitro and in vivo toxicity, transfection efficiency and polyplex distribution in the mouse lung. Since our key aim had been to develop a non-toxic, highly efficient carrier for the epithelial cells of the conducting and respiratory airways, this new carrier fulfilled the majority of our requirements. It was able to form very small and stable particles with pDNA. A ~600% improved gene expression in the mouse lung was observed for TAT-PEG-PEI polyplexes in comparison to BPEI and a ~300% improved gene expression in comparison to LMWPEI. Furthermore, only minor effects upon the lung function were observed, with no additional inflammation compared to pDNA instillation alone. A particular advantage of this carrier is its ability to transport DNA safely into the different cell types of the lung. Hence, it could be employed in the treatment of pulmonary diseases that attack the entire lung, such as lung cancer. Consequently, the TAT-PEG-PEI conjugate and to a lower extend also LMWPEI represent promising new approaches in pulmonary gene therapy of various lung disorders. Further work is necessary to decrease the cytotoxicity to a level where no inflammation is observed. This might be achieved by using either a highly branched PEGPEI copolymer or a LMWPEI in place of BPEI for the synthesis of TAT-PEG-PEI. Since a number of recent studies have reported conflicting results regarding the cellular uptake and pathway of TAT peptides, a study should be performed in order to track the pathway of TAT-PEG-PEI polyplexes into the cells and nucleus. Further work should focus on the development of a cell specific gene vector for pulmonary gene therapy. In this respect, the synthesis of LMWPEI modifications carrying target moieties such as lectin, folate, peptides (e.g. RGD) or antibodies would be of particular interest. The next major set of experiments should focus on the delivery of therapeutic genes such as IL-12, p53, prostacyclin or nitric oxide synthase, via optimized TAT-PEG-PEI or LMWPEI vehicles. Additionally, the challenge of efficient polyplex administration to mice via aerosol inhalation remains. Improvements of the nebulization system developed here may be achieved by employing a so called drying spacer , a development recently reported by Rudolph et al. Currently the drug iloprost is approved for the aerosol therapy of pulmonary hypertension. However, the effectiveness of this formulation is limited by the short half live of iloprost in vivo. As such, the aim of the study presented in Chapter 6 was to develop a sustained releasing formulation for iloprost. A variety of lipid combinations were studied in order to find a formulation that accomplish both, encapsulate high quantities of iloprost and is stable throughout the aerosolization process. Initially, the model drug Carboxyfluorescein was encapsulated in liposomes consisting of Dipalmitoyl-phosphatidylcholin (DPPC) and Cholesterol (CH), or DPPC, CH and PEG-dipalmitoyl-phoshatidylethanolamine (DPPE-PEG). Liposomal morphology was studied using AFM and the liposome phase transition temperatures were investigated using differential scanning calorimetry. Their stability during aerosolization was investigated using air-jet, ultrasonic and micro pump nebulizers. These nebulizers were compared in terms of mass output, aerosol droplet size and their effects upon the liposome stability. Regarding liposome size and drug loading pre- and post-nebulization, the DPPC/CH liposomes were shown to be the most stable formulation, particularly during ultrasonic and micro pump nebulization. In a second study, Iloprost-loaded liposomes were prepared and we were able to show that the DPPC/CH liposomes again displayed the highest encapsulation efficiency and stability during ultrasonic and micro pump nebulization. We concluded that DPPC/CH liposomes are well suited to act as a sustained release formulation for the treatment of pulmonary hypertension. This study highlights the clear possibilities that exist for the development of a pulmonary sustained release formulation for the treatment of pulmonary hypertension. The next steps would focus on drug release and cellular uptake studies in lung epithelial cells, followed by pharmacokinetic studies in an ex vivo animal model. The effectiveness of the liposomal iloprost formulation should be further investigated by employing an animal pulmonary hypertension model, e.g. holding mice under hypoxia conditions. The novel approaches and technologies described in this thesis represent small but important advances in the application of aerosol therapy to the treatment of acquired diseases. Hopefully formulations similar to those described here will one day offer significantly improved treatments for people suffering from a range of illnesses., Inhalt dieser Arbeit war die Entwicklung und Charakterisierung verschiedener polymer- und lipid-basierter nanopartikulärer Formulierungen mit dem Ziel, diese bei der inhalativen Behandlung von Lungenerkrankungen einzusetzen zu können. Eine Reihe von Polyethyleniminen (PEI) wurde auf ihre Verwendbarkeit als nicht-virale biokompatible DNA- Transporter für eine Lungen-Gentherapie untersucht (Kapitel 2-5). Eine weitere Studie (Kapitel 6) verfolgte das Ziel Liposomen zu entwickeln, die für eine kontrollierte Wirkstofffreigabe nach Inhalation geeignet sind. Die Untersuchungen des Kapitels 2 stellen in dieser Dissertation, die Grundlage der Evaluierung von PEI als inhalierbare DNA Transporter zu dienen, dar. Es wurden vier verschiedene PEI-Modifikationen (verzweigtes, lineares, bioabbaubares & Polyethylenglycol-modifiziertes PEI) ausgewählt, die mit plasmidischer DNA (pDNA) Partikel in der Größenordnung von ca. 100 nm formten. Diese so genannten Polyplexe wurden hinsichtlich ihrer strukturellen und physikochemischen Veränderung während der Vernebelung mit einem Düsen- bzw. einem Ultraschallvernebler charakterisiert. Für diese Untersuchungen fanden verschiedene Techniken Anwendung, wie die Rasterkraftmikroskopie, die dynamische Lichtstreuung und die Laser Doppler Anemometrie. Damit konnten die Parameter Polyplex-Morphologie, Größe bzw. Zeta-Potential vor und nach den Vernebelungen bestimmt werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten, dass die PEI Modifikationen, die am stärksten die pDNA komplexierten, die geringsten Veränderungen während der Vernebelung erfuhren. Dabei hatte das Polyethylenglycol-PEI (PEGPEI) die besten Eigenschaften hinsichtlich, DNA Komplexierung und Schutz bei der Vernebelung. Ein Vergleich der beiden Verneblersysteme ergab, dass alle Polyplexe am stabilsten während der Ultraschallverneblung waren. Als Schlussfolgerung dieser Studie, stellten wir die Ultraschall-Vernebelung als die geeignetere Methode für die Verabreichung von PEI-basierten Gentransfersystemen in die Lunge heraus. Des Weiteren sind die guten Stabilitätseigenschaften des PEGPEI hervorzuheben, auf Grund dessen wir in den darauf folgenden Studien PEGPEI als Vektor, neben dem Standartvektor verzweigtes 25 kDa PEI (BPEI), für die Pulmonale DNA Applikation verwendeten. Das Ziel der zweiten Studie (Kapitel 3) war die Entwicklung eines biokompatiblen und effizienten Systems für den Gentransport in die Lungen Epithelzellen. Dafür wurden zwei PEI Modifikationen verwendet, ein niedermolekulares PEI (LMWPEI) und das schon beschriebene PEGPEI, die mit dem Standart-Vektor BPEI verglichen wurden. Die Untersuchungen der Polyplex Morphologie (Rasterkraftmikroskopie), Größe (Dynamischer Lichtstreuung) und Zeta-Potential (Laser Doppler Anemometrie) zeigten, dass alle drei Polymere die pDNA vollständig kondensierten und mit dieser kleine, positiv geladene Partikel von ca. 100 nm formten. Zur Untersuchung der Polymer-Toxizität in vitro wurden MTT- und LDH-Assays durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass das LMWPEI die beste Biokompatibilität aufweist. Die Transfektionseffizienz der drei verschiedenen Vektoren wurde in vitro an einer Lungenepithelzelllinie und in vivo in Mäuselungen nach intratrachealer Instillation untersucht. Dabei wurde für LMWPEI im Vergleich zu BPEI und PEGPEI in vitro die geringste Genexpression detektiert, während die Transfektionsrate in der Mäuselunge für das LMWPEI am höchsten war. Interessanterweise beobachteten wir für PEGPEI ein genau gegensätzliches Verhalten und die sehr hohe Genexpression in der Zellkultur konnte in den Tierversuchen nicht reproduziert werden. Auf Grund dieser Beobachtungen stellten wir die Hypothese auf, dass eine gute Stabilität der Polyplexe im Mucus, im Surfactant und im Zellplasma, die Transfektion in vivo verändern könnten. Um dies zu untersuchen, wurden die Polyplexe mit Lavagen von Mäuselungen und mit natürlichem Surfactant inkubiert. Es konnte eine abnehmende Stabilität der Polyplexe in der Reihenfolge: PEGPEI > BPEI > LMWPEI beobachtetet werden. Daraus schlussfolgerten wir, dass starke Wechselwirkungen zwischen dem Polymer und der DNA in vivo zu einer schlechteren Freigabe der DNA führt und somit die Transfektionseffizienz verringert. Die Ergebnisse der Studie in Kapitel 3 zeigten, dass mittels LMWPEI im Tiermodel ein biokompatibler und effizienter Genvektor für die Lungentherapie entwickelt werden konnte. Diese viel versprechenden Ergebnisse gaben Anlass zu weiterführenden Studien über die Verträglichkeit von LMWPEI in der Mäuselunge (Kapitel 4). Dazu wurden die Polyplexe von LMWPEI im Vergleich zu BPEI und PEGPEI via Instillation in die Mäuselunge verabreicht und nach 48 Stunden wurden die Lungen lavagiert. Diese Lavagen wurden dann hinsichtlich Entzündungsfaktoren wie Gesamtzellzahl, Anzahl der Neutrophilen und der Makrophagen, Konzentration der Gesamtproteine und der Zytokine untersucht. Dabei wurden sowohl für die pDNA als auch die Polyplexe erhöhte Werte gemessen, diese konnten eingestuft werden in leichte Entzündungen bei der DNA und LMWPEI/DNA, mittlere Lungenentzündung bei BPEI/DNA und starke Lungenentzündung bei PEGPEI/DNA. Die Betrachtung dieser Ergebnisse im Zusammenhang mit den Transfektionsraten führte uns zu der Schlussfolgerung, dass mit zunehmender Toxizität in der Mäuselunge (LMWPEI < BPEI < PEGPEI) die Transfektionseffizienz (LMWPEI > BPEI > PEGPEI) abnimmt. Folglich wählten wir das LMWPEI für weitergehende Versuche zur Aerosolapplikation in die Lunge aus. Dafür entwickelten wir ein neues Inhalationssystem für Mäuse. Bedauerlicherweise nahmen die Transfektionsraten von LMWPEI/DNA nach der Vernebelung im Vergleich zur Instillation um den Faktor 50 ab. Um den Grund für diese drastische Abnahme zu erkunden, stellten wir Polyplexe her, bei denen sowohl die pDNA als auch das LMWPEI fluoreszenzmarkiert waren und verglichen deren Lungenverteilung nach Instillation mit der nach Inhalation. In den Konfocale Fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen der Lungenschnitte zeigte sich, dass die vernebelten Polyplexe gleichmäßig in der Lunge verteilt waren, jedoch in sehr geringen Mengen. Im Gegensatz dazu waren die Polyplexe nach der Instillation in sehr hohen Konzentrationen sowohl in den Bronchien als auch in den Alveolen vorhanden, jedoch wurden nicht alle Abschnitte der Lunge erreicht. Des Weiteren beobachteten wir erstmalig, dass LMWPEI/DNA auch in die Lungenendothelzellen aufgenommen wurde. Zusammenfassend ergibt sich, dass LMWPEI ein sehr effizienter sowie biokompatibler Genvektor für die Lungentherapie ist, und diesbezüglich auch viel bessere Eigenschaften als das häufig eingesetzte BPEI aufweist. In einer weiteren Studie (Kapitel 5) ist die Entwicklung eines neuen Genvektors beschrieben, der mit einem TAT-Peptid (eine Proteintransduktionsdomaine) modifiziert wurde. Dazu wurde das TAT Peptid an BPEI über eine PEG-Kette kovalent gebunden. Dieses neue PEI Konjugat wurde, wie schon die zuvor beschriebenen Vektoren, hinsichtlich Kondensation der pDNA, Schutz der pDNA im extra- und intrazellulärem Lungenmilieu, Polyplexgröße, Stabilität, Zeta-Potential, in vitro und in vivo Transfektionseffizienz sowie Toxizität und Verteilung der Polyplexe in der Mäuselunge untersucht. Unser Ziel war es gewesen, einen nicht toxischen und sehr effizienten Genvektor zu entwickeln. Dies konnte mit dem neuem TAT-PEG-PEI weitgehend erreicht werden. Dieses Konjugat war in der Lage, sehr kleine und stabile Partikel mit pDNA zu formen. In der Mäuselunge wurde für die TAT-PEG-PEI Polyplexe ein Anstieg der Genexpression von ~600 % im Vergleich zu BPEI und ~300 % im Vergleich zu LMWPEI beobachtet. Weiterhin konnten wir eine hervorragende Verträglichkeit in vivo feststellen, und die Werte der Indikatoren eine Entzündungsrektion lagen im Bereich derer von pDNA. Ein weiterer Vorteil von TAT-PEG-PEI war der sichere Transport der pDNA in die verschiedenen Zellentypen der Lunge. Aus diesem Grund könnte dieser neu Genvektor für die Behandlung verschiedener Lungenerkrankungen eingesetzt werden, bei der verschiedenste Zelltypen betroffen sind, wie z.B. beim Lungenkrebs. Das wichtigste Ergebnis dieser vier beschriebenen Studien ist, dass TAT-PEG-PEI undim geringerem Maße auch LMWPEI als gut verträgliche und effiziente Vektoren das Potential besitzen, in der Gentherapie verschiedener Lungenerkrankungen Anwendung zu finden. Selbstverständlich sind weitergehende Studien notwendig, um die zwar geringe aber doch vorhandene Toxizität der Polyplexe weiter zu reduzieren. Dieses Ziel könnte beispielsweise erreicht werden, indem man für die Synthese von TAT-PEG-PEI das LMWPEI oder ein hochsubstituiertes PEGPEI verwendet. Des Weiteren sollte die Aufnahme von TAT-PEG-PEI Polyplexen in die Zelle genauer untersucht werden, da bisher widersprüchliche Studien über die Aufnahme und den Weg des TAT Peptides in der Zelle existieren. Weitergehende Studien hinsichtlich zellspezifischer Genvektoren sollten durchgeführt werden. Es wäre z.B. möglich, das LMWPEI mit einer zielgerichteten Struktur zu modifizieren, wie z.B. Lectin, Folat, einem Antikörper oder Peptiden wie z.B. das RGD. Der nächste Schritt sollte dann darin bestehen, therapeutische Gene (IL-12, p53, NO oder Prostacyclin Produzenten) mittels der optimierten Vektoren TAT-PEG-PEI und LMWPEI in die Lungenzellen zu transportieren. Des Weitern sollte versucht werden, das Vernebelungssystem für die in vivo Versuche zu verbessern, z.B. durch einen so genannten Trocknenden Spacer , wie er kürzlich von Rudolph et al. (2005) beschrieben wurde. Die fünfte Studie dieser Arbeit (Kapitel 6) beschreibt lipid-basierte Formulierungen als inhalierbare Drug Delivery Systeme. Der Wirkstoff Iloprost ist zugelassen in der Aerosoltherapie der Arteriellen Pulmonalen Hypertonie. Jedoch ist die Wirksamkeit dieses Stoffes begrenzt durch seine kurze Halbwertszeit. Infolgedessen war das Ziel der Studie die Entwicklung einer Formulierung, die Iloprost über einen verlängerten Zeitraum freisetzt. Solch eine Formulierung sollte beides gewährleisten: eine hohe Wirkstoffverkapselung und Stabilität während der Vernebelung. Dazu wurden verschiedene Lipidkombinationen für die Herstellung von Liposomen untersucht. Zuerst wurde die Modellsubstanz Carboxyfluorescein in Liposomen verkapselt, die aus Dipalmitoyl-phosphatidylcholin (DPPC) und Cholesterol (CH), oder aus DPPC, CH und PEG-dipalmitoyl-phoshatidylethanolamine (DPPE-PEG), bestanden. Die Stabilität dieser Liposomen wurde an drei verschiedenen Verneblern untersucht: Düsen-, Ultraschall- und Mikropumpenvernebler. Diese Systeme wurden hinsichtlich der Menge an produziertem Aerosol, der Aerosoltropfengröße und deren Einfluss auf die Liposomen verglichen. Dabei wurde die Stabilität der Liposomen in Bezug auf Liposomengröße und der Wirkstoffverkapselung, jeweils vor und nach der Vernebelung beurteilt. Es stellte sich heraus, dass die DPPC/CH Liposomen am stabilsten waren, insbesondere nach der Vernebelung mit dem Ultraschall- und dem Mikropumpenverneblern. In einer zweiten Versuchsreihe wurden die Liposomen mit Iloprost beladen. Dabei wurde die höchste Stabilität und Verkapselungseffizienz ebenfalls für die DPPC/CH Liposomen vor allem nach der Mikropumpenverneblung gefunden. Demzufolge schlussfolgerten wir, DPPC/CH Liposomen sind als eine Formulierung mit verlängerter Wirkstofffreigabe in der Behandlung der pulmonalen Hypertonie gut geeignet. Bis dieses Ziel erreicht werden kann, sind jedoch noch viele weiterführende Untersuchungen notwendig, und die hier präsentieren Ergebnisse stellen erst den Grundstein dafür dar. Als nächste Schritte sollten die Aufnahme der Liposomen in Lungenepithelzellen bzw. die Wirkstofffreisetzung untersucht werden, gefolgt von pharmakokinetischen ex vivo Studien. Danach sollte die Wirksamkeit der Iloprost-Liposomen an einem Tiermodel untersucht werden, bei dem, z.B. ausgelöst durch die Haltung in Hypoxie, eine pulmonale Hypertonie besteht. Die neuen Formulierungen und Technologien, die in dieser Dissertation beschrieben sind, stellen zwar nur einen kleinen, aber dennoch wichtigen Fortschritt in der Entwicklung von neuen Therapieformen für die Behandlung von Lungenerkrankungen dar. Derartige Formulierungen geben Anlass zur Hoffnung eines Tages die Behandlung von schwerkranken Patienten deutlich zu verbessern.

Das Herzzeitvolumen ist einer der wichtigsten prognostischen Faktoren bei Patienten mit pulmonaler Hypertonie. Bisher scheitert die routinemäßige Messung des HZV bei diesen Patienten an dem Fehlen einer nicht- invasiven Messmethode. Für die nicht- invasive Acetylenauswaschmethode existieren verschiedene Studien, die vergleichbare Ergebnisse zu den etablierten Messmethoden (Messungen nach dem Fickschen Prinzip, Thermodilutionsmethode) bei Gesunden und bei verschiedenen Patientenkollektiven aufzeigen. Das Prinzip der Acetylenauswaschmethode beruht darauf, dass sich das Acetylen als inertes Gas im Blut der Lungenstrombahn löst und zwar mit einem konstanten Löslichkeitskoeffizienten. So kann vereinfacht ausgedrückt anhand des Konzentrations-unterschiedes des Acetylens in der Ein- und Ausatemluft das HZV bestimmt werden. Die wichtigste Fragestellung unserer Studie bezog sich auf den Einfluss, den die Ätiologie einer pulmonalen Hypertonie auf die Messergebnisse der Acetylenauswaschmethode nehmen kann. Dazu haben wir Patienten zum einen mit präkapillar und zum anderen mit postkapillar bedingter pulmonaler Hypertonie untersucht. Während bei der präkapillaren Form durch eine Reduktion des Gefäßdurchmessers in der Lunge das Blutvolumen der Lunge insgesamt eher vermindert ist, kommt es bei der postkapillaren PH durch einen Rückstau des Blutes vor dem linken Herzen zu einer Zunahme des Blutvolumens in der Lunge. Bei insgesamt 18 Patienten mit PH haben wir Messungen des HZVs in Ruhe, unter leichter Belastung (10 Watt) und während eines Ausbelastungstest auf dem Fahrradergometer durchgeführt. Davon hatten 9 Patienten eine präkapillare PH, bei der es sich entweder um eine primäre PH oder um eine chronisch thrombembolische PH handelte (PPH/CTEPH-Gruppe). Die anderen 9 Patienten wiesen eine postkapillare PH auf, die durch eine dilatative oder ischämische Kardiomyopathie bedingt war (PVH-Gruppe). Unsere Ergebnisse zeigten eine relativ gute Korrelationen zwischen den Messungen nach dem Fick schen Prinzip und der Thermodilutionsmethode (r= 0,482-0,948). Dies galt auch für den Vergleich zwischen der Thermodilutionsmethode und der Acetylenauswaschmethode (r = 0,609-0,949). Bei der Thermodilutionsmethode war ein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Patientengruppen auszumachen (ANOVA p =0,002). Dieser könnte dadurch bedingt gewesen sein, dass in der PPH/CTEPH- Gruppe insgesamt sieben Patienten eine Trikuspidalinsuffizienz aufwiesen, während dies in der PVH-Gruppe nur bei drei Patienten der Fall war. Zwischen der Acetylenauswaschmethode und den Messungen nach dem Fick schen Prinzip zeigte sich eine schlechtere Korrelation (r = 0,227-0,710). Außerdem war bei den HZV- Bestimmungen nach dem Fick schen Prinzip kein Unterschied zwischen den beiden Patientengruppen auszumachen (ANOVA p =0,743), wohl aber bei den Messungen mit der Acetylenauswaschmethode (ANOVA p =1*10-10). Diese Unterschiede lassen sich durch das unterschiedliche pulmonale Blutvolumen in den beiden Patientengruppen erklären. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass mit auch mit Acetylenauswaschmethode das HZV bestimmt werden kann. Allerdings kann diese Methode bei allen Erkrankungen, die zu einer Zunahme des pulmonalen Blutvolumens führen, nur mit Vorbehalt in ihrer jetzigen Form angewandt werden. Außerdem sollte weiter untersucht werden, ob der CO-Transferfaktor dazu benutzt werden kann, den systematischen Fehler der Methode zu verkleinern., The cardiac output is one of the most important prognostic factors in patients with pulmonary hypertension. Repeated measurement of cardiac output is difficult in these patients, because a non-invasive measuring method has not been established. For the non-invasive acetylene rebreathing method several studies exist, showing comparable results to the established methods (Fick method, thermodilution) in control subjects and various groups of patients. The principle of the acetylene rebreathing method relies on the fact, that the inert gas acetylene is rapidly diluted in the blood of the pulmonary vessels. This happens with a constant coefficient of solubility and is limited by the available blood volume. So, simplified, the cardiac output can be determinated from the differences in concentration of acetylene in the in- and exhaled air.The most important question of our study was which influence the etiology of pulmonary hypertension might have on the measurements of the acetylene rebreathing method. For that we examined patients with precapillary and with postcapillary pulmonary hypertension. While the blood volume of the lung is reduced in the precapillary form, it comes to a congestion of blood in the lung due to left heart disease in the postcapillary form of pulmonary hypertension. Altogether, in 18 patients with pulmonary hypertension we measured cardiac output at rest, at light physical work load (10 watt) and at maximal work using a bicycle ergometry. Of these, 9 patients suffered from precapillary pulmonary hypertension, caused by a primary pulmonary hypertension or by a chronic thrombembolic pulmonary hypertension (PPH/CTEPH- group). The other 9 patients suffered from postcapillary pulmonary hypertension, which was caused by a congestive or ischemic cardiomyopathy (PVH- group). Our results showed a good correlation between the measurements with the Fick method and the thermodilution method (r = 0,482-0,948). It was similar for the comparison of the thermodilution with the acetylene rebreathing method (r = 0,609-0,949). The Thermodilution method suggested a difference between the patientgroups (ANOVA p =0,002). This could be explained by the fact that in the PPH/CTEPH- group, seven patients suffered from tricuspid insufficiency, while in the PVH- group only three patients were concerned. Between the acetylene rebreathing method and the Fick method there was a bad correlation (r = 0,227-0,710). There was no difference between the patientgroups with the Fick method (ANOVA p =0,743), but with the acetylene rebreathing method there was a significantly higher cardiac output in the PVH-group than in the PPH/CTEPH-group(ANOVA p =1*10-10). These differences can be explained by the different pulmonary blood volume in the both patientgroups. In conclusion our results show that with the acetylene rebreathing method the cardiac output may be estimated. This method can be used in its present form with some restrictions in diseases, which cause an increase of the blood volume in the lung. It should be further examined, if a change in the CO-transfer capacity of the lung could allow a correction of the systematic error of the acetylene rebreathing method that is associated with differences in pulmonary blood volume.

Das Herzzeitvolumen ist einer der wichtigsten prognostischen Faktoren bei Patienten mit pulmonaler Hypertonie. Bisher scheitert die routinemäßige Messung des HZV bei diesen Patienten an dem Fehlen einer nicht- invasiven Messmethode. Für die nicht- invasive Acetylenauswaschmethode existieren verschiedene Studien, die vergleichbare Ergebnisse zu den etablierten Messmethoden (Messungen nach dem Fickschen Prinzip, Thermodilutionsmethode) bei Gesunden und bei verschiedenen Patientenkollektiven aufzeigen. Das Prinzip der Acetylenauswaschmethode beruht darauf, dass sich das Acetylen als inertes Gas im Blut der Lungenstrombahn löst und zwar mit einem konstanten Löslichkeitskoeffizienten. So kann vereinfacht ausgedrückt anhand des Konzentrations-unterschiedes des Acetylens in der Ein- und Ausatemluft das HZV bestimmt werden. Die wichtigste Fragestellung unserer Studie bezog sich auf den Einfluss, den die Ätiologie einer pulmonalen Hypertonie auf die Messergebnisse der Acetylenauswaschmethode nehmen kann. Dazu haben wir Patienten zum einen mit präkapillar und zum anderen mit postkapillar bedingter pulmonaler Hypertonie untersucht. Während bei der präkapillaren Form durch eine Reduktion des Gefäßdurchmessers in der Lunge das Blutvolumen der Lunge insgesamt eher vermindert ist, kommt es bei der postkapillaren PH durch einen Rückstau des Blutes vor dem linken Herzen zu einer Zunahme des Blutvolumens in der Lunge. Bei insgesamt 18 Patienten mit PH haben wir Messungen des HZVs in Ruhe, unter leichter Belastung (10 Watt) und während eines Ausbelastungstest auf dem Fahrradergometer durchgeführt. Davon hatten 9 Patienten eine präkapillare PH, bei der es sich entweder um eine primäre PH oder um eine chronisch thrombembolische PH handelte (PPH/CTEPH-Gruppe). Die anderen 9 Patienten wiesen eine postkapillare PH auf, die durch eine dilatative oder ischämische Kardiomyopathie bedingt war (PVH-Gruppe). Unsere Ergebnisse zeigten eine relativ gute Korrelationen zwischen den Messungen nach dem Fick’schen Prinzip und der Thermodilutionsmethode (r= 0,482-0,948). Dies galt auch für den Vergleich zwischen der Thermodilutionsmethode und der Acetylenauswaschmethode (r = 0,609-0,949). Bei der Thermodilutionsmethode war ein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Patientengruppen auszumachen (ANOVA p =0,002). Dieser könnte dadurch bedingt gewesen sein, dass in der PPH/CTEPH- Gruppe insgesamt sieben Patienten eine Trikuspidalinsuffizienz aufwiesen, während dies in der PVH-Gruppe nur bei drei Patienten der Fall war. Zwischen der Acetylenauswaschmethode und den Messungen nach dem Fick’schen Prinzip zeigte sich eine schlechtere Korrelation (r = 0,227-0,710). Außerdem war bei den HZV- Bestimmungen nach dem Fick’schen Prinzip kein Unterschied zwischen den beiden Patientengruppen auszumachen (ANOVA p =0,743), wohl aber bei den Messungen mit der Acetylenauswaschmethode (ANOVA p =1*10-10). Diese Unterschiede lassen sich durch das unterschiedliche pulmonale Blutvolumen in den beiden Patientengruppen erklären. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass mit auch mit Acetylenauswaschmethode das HZV bestimmt werden kann. Allerdings kann diese Methode bei allen Erkrankungen, die zu einer Zunahme des pulmonalen Blutvolumens führen, nur mit Vorbehalt in ihrer jetzigen Form angewandt werden. Außerdem sollte weiter untersucht werden, ob der CO-Transferfaktor dazu benutzt werden kann, den systematischen Fehler der Methode zu verkleinern. The cardiac output is one of the most important prognostic factors in patients with pulmonary hypertension. Repeated measurement of cardiac output is difficult in these patients, because a non-invasive measuring method has not been established. For the non-invasive acetylene rebreathing method several studies exist, showing comparable results to the established methods (Fick method, thermodilution) in control subjects and various groups of patients.The principle of the acetylene rebreathing method relies on the fact, that the inert gas acetylene is rapidly diluted in the blood of the pulmonary vessels. This happens with a constant coefficient of solubility and is limited by the available blood volume. So, simplified, the cardiac output can be determinated from the differences in concentration of acetylene in the in- and exhaled air. The most important question of our study was which influence the etiology of pulmonary hypertension might have on the measurements of the acetylene rebreathing method. For that we examined patients with precapillary and with postcapillary pulmonary hypertension. While the blood volume of the lung is reduced in the precapillary form, it comes to a congestion of blood in the lung due to left heart disease in the postcapillary form of pulmonary hypertension.Altogether, in 18 patients with pulmonary hypertension we measured cardiac output at rest, at light physical work load (10 watt) and at maximal work using a bicycle ergometry. Of these, 9 patients suffered from precapillary pulmonary hypertension, caused by a primary pulmonary hypertension or by a chronic thrombembolic pulmonary hypertension (PPH/CTEPH- group). The other 9 patients suffered from postcapillary pulmonary hypertension, which was caused by a congestive or ischemic cardiomyopathy (PVH- group).Our results showed a good correlation between the measurements with the Fick method and the thermodilution method (r = 0,482-0,948). It was similar for the comparison of the thermodilution with the acetylene rebreathing method (r = 0,609-0,949). The Thermodilution method suggested a difference between the patientgroups (ANOVA p =0,002). This could be explained by the fact that in the PPH/CTEPH- group, seven patients suffered from tricuspid insufficiency, while in the PVH- group only three patients were concerned. Between the acetylene rebreathing method and the Fick method there was a bad correlation (r = 0,227-0,710). There was no difference between the patientgroups with the Fick method (ANOVA p =0,743), but with the acetylene rebreathing method there was a significantly higher cardiac output in the PVH-group than in the PPH/CTEPH-group(ANOVA p =1*10-10). These differences can be explained by the different pulmonary blood volume in the both patientgroups.In conclusion our results show that with the acetylene rebreathing method the cardiac output may be estimated. This method can be used in its present form with some restrictions in diseases, which cause an increase of the blood volume in the lung. It should be further examined, if a change in the CO-transfer capacity of the lung could allow a correction of the systematic error of the acetylene rebreathing method that is associated with differences in pulmonary blood volume.

Es wurde bei 121 Patienten der Einfluss einer transthorakalen Echokardiographie auf die Minderung der Erwebsfähigkeit (MdE) untersucht. Acht Personen hatten eine unauffällige Lungenfunktionsprüfung und subjektiv stärkste Dyspnoe. Hier konnte bei zwei Personen eine kardiale Ursache der Dyspnoe festgestellt werden. 29 Personen hatten einen erhöhten pulmonalarteriellen Mitteldruck über 20 mmHg. Hiervon zeigten 13 Patienten Anzeichen einer Linksherzinsuffizienz. Hier wäre eine Herabstufung der MdE in Betracht gekommen. Bei 7 Probanden wäre es zu einer Anhebung der MdE gekommen. Wir stellten eine neue Empfehlung zur Bemessung der MdE unter Berücksichtigung des echokardiographisch ermittelten pulmonalarteriellen Mitteldrucks auf. Bei Druckwerten von 20 - 24,9mmHg soll die MdE 40% betragen. Drücke zwischen 25 - 29,9mmHg entsprechen einer MdE von 50%. Drücke von 30-39,9mmHg bedingen eine MdE von 60-80%. Ab 40mmHg soll die MdE 80- 100% betragen.

Die Spiroergometrie ist eine nichtinvasive Messmethode, die ein Verfahren bezeichnet, bei dem unter ergometrischer Belastung die Ventilation und der Gasaustausch gemessen wird. Mit dieser Untersuchungsmethode können die allgemeine körperliche Leistungsfähigkeit und die Zusammenhänge zwischen der Belastung und der Herzförderleistung, dem Sauerstoffverbrauch und der Ventilation der Lunge aufgezeigt werden. Wir haben 11 Patienten mit einer pulmonalen Hypertonie infolge einer Lungenfibrose (LF) mit 11 „gematchten“ gesunden Kontrollpersonen, 39 Patienten mit einer cystischen Fibrose (CF) mit 13 „gematchten“ gesunden Kontrollpersonen und 21 Patienten mit einer primären pulmonalen Hypertonie (PPH) mit 16 Patienten mit einer chronisch thromboembolischen pulmonalen Hypertonie (CTEPH) mittels Spiroergometrie und Blutgasanalyse untersucht und miteinander verglichen. So konnten wir die leistungslimitierenden Faktoren kardialer, ventilatorischer, metabolischer oder kardiorespiratorischer Art bei den untersuchten Gruppen vergleichen. Durch Korrelationsanalysen mit Lungenfunktions- bzw. Hämodynamikparametern wurde geprüft, welche Ruheparameter einen Vorhersagewert für die maximale Sauerstoffaufnahme (peak VO2) haben. Darüberhinaus wurden die komplexen Gasaustauschstörungen der Erkrankungen beschrieben und es wurden die Unterschiede zwischen Patienten mit primärer pulmonaler Hypertonie (PPH) und Patienten mit chronisch thromboembolischer pulmonaler Hypertonie (CTEPH) untersucht. Bei LF Patienten war die peak VO2 auf 46% der Norm signifikant gegenüber den Kontrollpersonen reduziert. Die Leistungslimitierung beruhte überwiegend auf ventilatorischen Faktoren, weiterhin aber auch auf zirkulatorische Faktoren, eingeschränkte Atmungseffektivität, erniedrigte Diffusionskapazität und Ventilations-Perfusions-Verteilungsstörungen Diese schweren Störungen im Gasaustausch führen zu enormer Totraumventilation einerseits und Hypoxämie andererseits, die beide zu der stark eingeschränkten peak VO2 beitragen. Bei unseren CF Patienten war die peak VO2 auf 73% der Norm signifikant gegenüber den Kontrollpersonen reduziert. Die Leistungslimitierung beruhte auf eingeschränkte Lungenfunktionsparameter (Einsekundenausatmungskapazität, Vitalkapazität und Resistance), erniedrigte Körpergröße und Körpergewicht und erniedrigter Diffusionskapazität. Weiterhin zeigten die Patienten eine erhöhte Totraumventilation und ein erhöhtes Atemäquivalent für CO2. CF Patienten weisen also erhebliche Gasaustauschstörungen auf, die zu gesteigerter Totraumventilation und zu Hypoxämie führen. Bei den PPH Patienten war die peak VO2 auf 55% der Norm und bei den CTEPH Patienten auf 43% der Norm reduziert. Die Patienten wiesen eine zirkulatorische Leistungslimitierung auf. Bei unseren PPH Patienten korrelierten der mittlere pulmonal-arterielle Druck, der zentral venöse Druck, die zentral venöse Sauerstoffsättigung, die arterielle Sauerstoffsättigung, und der Cardiac Index als hämodynamische Ruheparameter signifikant mit der peak VO2. Bei den CTEPH Patienten korrelierte dagegen keiner der hämodynamischen Ruheparameter signifikant mit der peak VO2. CTEPH Patienten wiesen eine signifikant höheres EQCO2 auf als PPH Patienten. Bei den PPH Patienten korrelierte dieser Parameter am besten mit der peak VO2. Dahingegen korrelierte dieser bei den CTEPH Patienten nicht mit der peak VO2. Als bester Parameter zur Unterscheidung zwischen PPH und CTEPH Patienten erwies sich die alveolo-arterielle CO2-Differenz (AaDCO2). PPH Patienten zeigten eine AaDCO2 von ca. 0,57% und CTEPH Patienten von 1,15% in Ruhe. Wenn eine AaDCO2 von >1% als Marker einer CTEPH zugrundegelegt wird, so erlaubt dieser die Abgrenzung von einer PPH mit einer Spezifität von 95% und einer Sensitivität von 75%. Bei maximaler Belastung betrug die AaDCO2 bei den PPH Patienten 0,52% und bei den CTEPH Patienten 1,31%. Wenn nun eine AaDCO2 ebenfalls von >1% als Marker einer CTEPH zugrundegelegt wird, so erlaubt dieser die Abgrenzung von einer PPH mit einer Spezifität von 90% und einer Sensitivität von 88%. So lassen sich PPH Patienten und CTEPH Patienten in Ruhe und unter maximaler Belastung mit relativ hoher Sensitivtät und Spezifität voneinander unterscheiden. Insgesamt erwies sich die Spiroergometrie bei Patienten mit schweren bronchialen, parenchymatösen und vaskulären Lungenkrankheiten als sichere und zuverlässige Methode zur Erfassung der maximalen Sauerstoffaufnahme und der leistungslimitierenden Faktoren.

Findings of inflammatory infiltrates in vascular lesions of lungs displaying pulmonary arterial hypertension (PAH) emphasize the possible influence of inflammatory mechanisms under this condition. Chemokine RANTES and chemokine fractalkine are known to be important chemoattractants for monocytes and T-cells. We hypothesize that both chemokines could promote leucocytic recruitment in lungs of patients with PAH. The study demonstrates elevated expression of RANTES and fractalkine mRNA, as well as protein product in lung samples from PAH-patients as compared to controls, using \(\underline {RT-PCR}\), \(\underline {\textit {in situ hybridization}}\), and \(\underline {immunohistochemistry}\). Our experiments provide evidence for increased RANTES and fractalkine production in lungs of patients suffering from severe PAH. They support the concept that inflammatory mechanisms play a role in the natural history of PAH.

Findings of inflammatory infiltrates in vascular lesions of lungs displaying pulmonary arterial hypertension (PAH) emphasize the possible influence of inflammatory mechanisms under this condition. Chemokine RANTES and chemokine fractalkine are known to be important chemoattractants for monocytes and T-cells. We hypothesize that both chemokines could promote leucocytic recruitment in lungs of patients with PAH. The study demonstrates elevated expression of RANTES and fractalkine mRNA, as well as protein product in lung samples from PAH-patients as compared to controls, using RT- PCR, in_situ_hybridization, and immunohistochemistry. Our experiments provide evidence for increased RANTES and fractalkine production in lungs of patients suffering from severe PAH. They support the concept that inflammatory mechanisms play a role in the natural history of PAH.

Die Ultraschalldiagnostik des Herzens ist eine der wichtigsten nichtinvasiven Diagnostikmethoden in der Kardiologie, auf vielen Gebieten der Herzchirurgie, der Anästhesiologie und der Kinderkardiologie. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Darstellung der Möglichkeiten der Echokardiographie in der Diagnostik der Herzinsuffizienz mit Darstellung von Ischämie und Vitalität sowie der Therapieauswirkungen bei der ischämisch bedingten Herzinsuffizienz und der hämodynamischen Veränderungen. Ruhe und Stress Echokardiographie können in einem Untersuchungsgang ein großes Spektrum an Informationen über die Ruhe-Funktion, myokardiale Vitalität und Ischämie zu sammeln, die für die prognostische Einschätzung von Bedeutung sind. Die vorliegenden Untersuchungen ergaben eine regional unterschiedliche Wanddickenzunahme unter Dobutamin bei kardiovaskulär Gesunden in der 2D-Echokardiographie. Im Vergleich zu anderen Wandabschnitten zeigte die inferiore Wand eine reduzierte Wanddickenzunahme. Für die Interpretation in der Stress Echokardiographie sind diese Erkenntnisse von großer Bedeutung. Der Langzeitverlauf bei Patienten mit chronischer linksventrikulärer Dysfunktion wird durch klinische Faktoren, dem Grad der linksventrikulären Dysfunktion und wesentlich vom Vorhandensein ischämischen und/oder vitalen Myokards bestimmt. Die Kombination von Dipyridamol und Dobutamin zeigte in den ersten Untersuchungen eine erhöhte Sensitivität bei gleichbleibender Spezifität in der Vitalitätsdiagnostik bei chronisch ischämischer Herzkrankheit und reduzierter linksventrikulärer Funktion. Die Daten prospektiver Multicenter-Studien dokumentierten ein 1-Jahres Ereignis-Risiko von 2% bei Patienten mit einer negativen Stress-Echokardiographie und ergaben eine Verdopplung des Risikos bei einem positiven Testergebnis und eine Vervierfachung des Risikos, wenn der Test schon nach der ersten Dipyridamoldosis positiv ausfällt. Sowohl nach akutem Myokardinfarkt als auch bei chronisch hibernierendem Myokard mit reduzierter linksventrikulärer Funktion basiert der Nachweis vitalen Myokards mittels Kontrast-Echokardiographie auf der Demonstration einer intakten Mikroperfusion. In eigenen Untersuchungen konnte die Durchführbarkeit und gute diagnostische Genauigkeit der intravenösen Kontrast-Echokardiographie bei Patienten nach akutem Myokardinfarkt nach akuter perkutaner Koronar-Revaskularisation im Vergleich zur pharmakologischen Stress-Echokardiographie (Kombination aus niedrig dosiertem Dipyridamol und Dobutamin) und zur Myokardszintigraphie nachgewiesen werden. Die dreidimensionale Echokardiographie ermöglicht die plastische und räumliche Darstellung des Herzens und eine bessere topographische Zuordnung im Vergleich zur zweidimensionalen Echokardiographie. Besonders bei komplizierten pathologischen Veränderungen erleichtert die dreidimensionale Darstellung eine Einschätzung des jeweiligen Krankheitsbildes. Die Volumetrie der Herzhöhlen, die Bestimmung von Ejektionsfraktion und die Berechnung der linksventrikulären Masse, von Klappenöffnungsflächen oder intrakardialen Raumforderungen sind besonders bei pathologisch veränderten Zuständen und damit in geometrisch komplizierter Weise mit hoher diagnostischer Sicherheit möglich. Strukturveränderungen konnten sowohl bei sekundärer als auch bei primärer pulmonaler Hypertonie in Form von Wandverdickungen, Lumenreduktion, pathologischen Wandstrukturen und Einschränkung der systolisch-diastolischen Pulsatilität beschrieben werden. Es konnten derzeit bei Patienten mit pulmonaler Hypertonie im Vergleich zu einem Normalkollektiv verschiedene Befunde beschrieben werden: Wanddickenzunahme, Inhomogenität des Wandaufbaus, erhöhte Gefäßsteifigkeit und Plaques. Die Echokardiographie bleibt auch weiterhin ein Verfahren, das sich exzellent zur Verlaufbeobachtung bei den Patienten mit Koronarer Herzkrankheit und Herzinsuffizienz eignet und für die Diagnose und Therapieentscheidungen sowie für die Prognose entscheidende Informationen liefert. The echocardiography is the most important non-invasive diagnostic tool in cardiology and in many fields of cardiac surgery, anaesthesiology and paediatric cardiology. The aim of this collection of studies was to demonstrate the importance of echocardiography for the diagnosis and guidance for therapeutic decision making in patients with heart failure and to demonstrate the ability of diagnosis of ischemia, viability, and hemodynamic assessment. Resting and stress echocardiography is a one-stop shop , which enables a wide range of information to be collected on resting function, myocardial viability, and induced ischemia, all of which are useful for prognostic stratification. Heterogeneity of left ventricular wall thickening can be induced or magnified by dobutamine infusion even in subjects without coronary artery disease, with the inferior wall showing a lack of hyperkinesis. Caution in aggressive dobutamine stress echocardiography reading, especially in the inferior wall, might be warranted. Large scale, multicentre, prospectively collected data could show that the 1-year risk of cardiac death is as low as 2% in patients with negative dipyridamole stress echocardiography: it doubles if the test is positive at e high dose, and is almost four times higher if it is positive at a low dose. When functional recovery after successful revascularization is considered as the postoperative gold standard in patients with severe heart failure, thallium scintigraphy had a higher sensitivity than dipyridamole or dobutamine alone, this sensitivity gap was filled with combined dipyridamole-dobutamine. The specificity of all forms of pharmacologic stress echo was better than thallium-201. In severe left ventricular ischemic dysfunction, myocardial viability, as assessed by low dose dipyridamole echo, is associated with improved survival in revascularized patients. The wall motion response during combined dipyridamole-dobutamine echocardiography was useful in the prediction of recovery of regional and global ventricular function after revascularization in patients short after acute myocardial infarction. Combined intravenous myocardial contrast echocardiography and pharmacological stress echocardiography was more accurate inn the diagnosis of stunned myocardium than myocardial scintigraphy alone. Dynamic three-dimensional echocardiography can provide objective three-dimensional images of the heart. Three-dimensional image reconstruction and volumetry were proven to have the potential to link morphological and hemodynamic diagnostic assessment of cardiac pathology. Three-dimensional transesophageal echocardiography could yield important additional clinical information in patients with heart tumors and improved the operative planning. Intravascular ultrasound imaging (IVUS) of the pulmonary arteries had been demonstrated as reliable method of quantifying lumen area and pulsatility. IVUS allowed the description and comparison of the morphologic changes of the pulmonary artery vessel with hemodynamic findings and endothelially mediated vasodilation in pulmonary hypertension. Echocardiography allows an integrated assessment of cardiac structure function and hemodynamics with important informations regarding the prognosis and therapeutic consequences.

Ziel dieser Arbeit war es, neue Therapieprinzipien zu entwickeln und zu überprüfen, ob diese geeignet sind, ein Rechtsherzversagen nach Implantation eines LVAD bei Patienten mit terminaler Herzinsuffizienz zu verhindern. Bei Patienten mit chronischem Linksherzversagen erhöht sich der pulmonalvaskuläre Widerstand. Als Ursache wird eine Dysregulation des pulmonalen Gefäßendothels verstanden, die mit einer gestörten Freisetzung von NO und einer erhöhten Expression von Endothelin einhergeht und die bei längerem Bestehen auch strukturelle Veränderungen der Lungenstrombahn nach sich zieht. Bei Patienten mit chronischem Linksherzversagen führt dies zu einer sekundären pulmonalen Hypertonie, die direkt die rechtsventrikuläre Funktion beeinträchtigt und durch eine Vasodilatantientherapie zunächst noch reversibel ist. Nach LVAD-Implantation bei terminaler Herzinsuffizienz steigt häufig der pulmonalvaskuläre Widerstand unter anderem infolge der extrakorporalen Zirkulation weiter an, so daß bei vielen Patienten ein Rechtsherzversagen aufgund der sekundären pulmonalen Hypertonie mit hoher Morbidität und Mortalität auftritt. Weder positiv inotrope Pharmaka noch systemische Vasodilatantien oder gar die sekundäre Implantation eines RVAD konnten das Problem bisher lösen. Einen völlig neuen Therapieansatz stellt die inhalative Verabreichung von NO dar, welches durch die direkte Wirkung auf die glatte Gefäßmuskulatur eine selektive Vasodilatation in der pulmonalen Zirkulation bewirkt und somit konsekutiv die rechtsventrikuläre Nachlast senkt, ohne dabei den systemischen Widerstand zu beeinflussen. Zunächst wurden die klinischen Effekte einer inhalativen NO-Therapie bei Patienten untersucht, die nach Implantation eines LVAD aufgrund einer rechtsventrikulären Dysfunktion bei sekundärer pulmonaler Hypertonie ein postoperatives low-cardiac-output-Syndrom entwickelt hatten. Im ersten Teil der Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß die ausgeprägtesten hämodynamischen Wirkungen bei einer individuellen NO-Dosis zwischen 25 und 40 ppm NO erreicht werden. Bis zu 40 ppm nahmen der pulmonalvaskuläre Widerstand und der pulmonalarterielle Mitteldruck progredient ab, während der Cardiac Index dosisabhängig signifikant stieg, ohne daß dabei eine Änderung der systemischen Druck- und Widerstandsverhältnisse zu bemerken war. Die pulmonalvaskuläre Selektivität der inhaltiven NO-Therapie sowie die teils dramatische hämodynamische Verbesserung waren somit bestätigt. Auch unter Dauerapplikation der jeweils individuell ausgetesteten optimalen NO-Dosierung zeigte sich über den gesamten Behandlungszeitraum die oben beschriebene signifikante hämodynamische Verbesserung mit Abnahme der rechtsventrikulären Nachlast bei gleichzeitiger Zunahme des Cardiac Index. Zusätzlich wurde mittels TEE ein stetiger Anstieg der RVEF und ein Abfall des RVEDV dokumentiert. Somit konnte bei den Patienten unter NO-Therapie zunächst die Katecholamingabe deutlich reduziert und die NO-Behandlung ausgeschlichen werden. Im Verlauf der Therapie kam es weder durch eine abrupte Unterbrechung der NO-Zufuhr bei täglich durchgeführten NO-Auslassversuchen noch bei Beendigung der Therapie zu einer hämodynamischen Verschlechterung, was indirekt die Erholung des rechten Ventrikels belegt. Trotz der insgesamt eindrucksvollen hämodynamischen Verbesserung unter Beatmung mit NO gab es einige Patienten, bei denen trotz hochdosierter Katecholamintherapie und adäquatem Volumenersatz die rechtsventrikuläre Dysfunktion persistierte. Dies wurde darauf zurückgeführt, daß durch Zunahme des Cardiac Index und somit des venösen Rückstromes nach LVAD-Implantation eine Erholung der Rechtsherzfunktion nicht möglich war. Um die Erholung der Rechtsherzfunktion über eine Minimierung der rechtsventrikulären Schlagarbeit zu ermöglichen, wurde ein zu sämtlichen anderen Therapiestrategien kontroverses Konzept entwickelt, das sowohl der rechtsventrikulären Vorlast und Nachlast als auch der inotropen Therapie Rechnung trägt. Statt wie bisher einen hohen Cardiac Index anzustreben wurde jetzt untersucht, ob nicht bei einem postoperativ recht niedrigen Cardiac Index von 2.5 L/min/m2 (( 2.3 L/min/m2 und ( 2.8 L/min/m2) mit daraus folgender Verminderung der Schlagarbeit eine Erholung des rechten Ventrikel möglich ist, ohne dabei jedoch die Organperfusion zu gefährden. Dies beinhaltete neben einer frühzeitig eingeleiteten NO-Beatmung eine minimale Katecholamintherapie und einen restriktiven Volumenersatz. Deshalb wurde mit der NO-Beatmung bereits intraoperativ bei Abgang vom kardiopulmonalen Bypass begonnen. Ein Cardiac Index von circa2.5 L/min/m2 erwies sich bei den analgosedierten und beatmeten Patienten für eine adäquate Organperfusion als ausreichend und zeigte sich darüber hinaus als geeignet, ein Rechtsherzversagen zu verhindern und eine Restitution der rechtsventrikulären Funktion sicherzustellen. Die inhalative NO-Therapie wurde auch hier bei allen Patienten ohne Auftreten eines Rebound-Phänomen beendet. Bekannt ist, daß Endothelin-1 als potenter endogener Vasokonstriktor (Produktion als auch Elimination hauptsächlich in der Lunge) eine pulmonale Hypertonie auslösen kann und damit als Antagonist zum wichtigsten endothelialen Mediator der pulmonalen Vasodilatation, dem NO, betrachtet wird. Zur Klärung weiterer pathophysiologischer Grundlagen wurden die Plasmaspiegel von ET-1 und Big ET-1 unter NO-Therapie nach LVAD-Implantation gemessen. Die präoperativen ET-1- und Big ET-1-Plasmaspiegel waren, wie bei terminaler Herzinsuffizienz zu erwarten, deutlich erhöht und korrelierten mit dem pulmonalvaskulären Widerstand. Dass die höchsten Plasmakonzentrationen von ET-1 intraoperativ gemessen wurden steht in Einklang mit anderen Untersuchungen und wurde mit einer durch den kardiopulmonalen Bypass ausgelösten endothelialen Dysfunktion erklärt. Unter inhalativer NO-Therapie fielen die Plasmaspiegel von ET-1 und Big ET-1 signifikant ab und waren nach Beendigung der Therapie am niedrigsten. Es bestand eine signifikante, inverse Korrelation zwischen der mittleren inhalativen NO-Dosis und den Plasmaspiegeln von ET-1 und Big ET-1. Simultan mit dem Abfall der Plasmaspiegel der Endotheline verbesserte sich die Hämodynamik. Der Abfall des pulmonalarteriellen Druckes korrelierte mit dem Abfall der ET-1-Plasmaspiegel. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, daß eine inhalative NO-Therapie, welche die bei sekundärer pulmonaler Hypertonie pathophysiologisch defiziente endogene NO-Produktion ausgleicht, neben einer pulmonalselektiven Vasodilatation auch zu einer NO-vermittelten Inhibition der Endotheline ET-1 und Big-ET-1 führt. Da auch die Linksherzinsuffizienz durch die mechanische Entlastung mit einem LVAD suffizient behandelt ist, kann sich erneut ein physiologisches Gleichgewicht zwischen den Antagonisten NO und Endothelin in der Lungenstrombahn einstellen, das eine Dysfunktion des pulmonalen Gefäßendothels behebt. Dies erklärt, dass eine NO-Beatmung nur vorübergehend erforderlich ist und nach Beendigung der NO-Inhalation ein Rebound-Phänomen mit Wiederanstieg des pulmonalvaskulären Widerstands und konsekutiver Rechtsherzbelastung ausbleibt. Zur Unterstützung der rechtsventrikulären Funktion nach Implantation eines LVAD wurden folgende Therapieprinzipien etabliert: - Eine inhalative NO-Therapie sollte frühzeitig bereits zum Abgang vom kardiopulmonalen Bypass eingesetzt werden. - Eine intraindividuelle Dosistitration von NO ist sinnvoll um einen optimalen Behandlungseffekt mit der geringst möglichen Dosis zu erzielen. - Die inhalative NO-Therapie senkt selektiv den pulmonalvaskulären Widerstand und verursacht keine systemische Hypotension. Die rechtsventrikuläre Nachlast fällt ab, ohne dass die linksventrikulären Füllungsdrucke pathologisch ansteigen, da der linke Ventrikel durch das LVAD entlastet ist. - Tritt trotz NO-Beatmung eine rechtsventrikuläre Dysfunktion auf, so ist zur weiteren Entlastung des rechten Ventrikels ein niedriger Cardiac Index von circa 2.5 L/min/m2 angezeigt, um den venösen Rückstrom gering zu halten. - Dies ist durch eine minimale Katecholamintherapie und einen restriktiven Volumenersatz zu erzielen. Die Reduktion der rechtsventrikulären Schlagarbeit erlaubt eine Erholung der rechtsventrikulären Funktion. - Die ET-1- und Big-ET-1-Plasmaspiegel fallen um so rascher ab, je langsamer die NO-Dosis reduziert wird, da zwischen den Plasmaspiegeln der Endotheline und der mittleren inhalativen NO-Dosis eine inverse Korrelation gefunden wurde. Daher ist eine schrittweise Entwöhnung der inhalativen NO-Therapie erforderlich, um ein Rebound-Phänomen zu verhindern. - NO-Auslaßversuche sind geeignet, um in kritischen Fällen die Abhängigkeit von einer NO-Beatmung in der Entwöhnungsphase zu überprüfen. - Da eine Dysfunktion des pulmonalen Gefäßendothels nach Beendigung der inhalativen NO-Therapie offensichtlich nicht mehr fortbesteht, ist im weiteren klinischen Verlauf in der Regel nicht mit einer erneuten Rechtsherzbelastung durch einen Anstieg des pulmonalvaskulären Widerstands zu rechnen., This thesis aimed to develop and evaluate new therapeutic principles to prevent right ventricular failure following LVAD implantation in patients with end-stage heart failure. Pulmonary vascular resistance increases in patients with chronic left ventricular failure. The mechanism is thought to be a dysregulation of the pulmonary vascular endothelium with an impaired release of NO and increased expression of endothelin, which in the long term leads to structural changes in the pulmonary circulation. In patients with chronic left ventricular failure this causes secondary pulmonary hypertension, directly compromising right ventricular function, but initially this is not fixed and is still reversible by vasodilator therapy. Following LVAD implantation in end-stage heart failure, pulmonary vascular resistance may further increase, partially due to cardiopulmonary bypass, and many patients develop frank right ventricular failure due to aggravation of secondary pulmonary hypertension, which is associated with a high morbidity and mortality. Neither positive inotropic drugs nor systemic vasodilators or even the secondary implantation of a RVAD were able to solve the problem. A novel therapeutic approach is the administration of inhaled NO, which directly acts on vascular smooth muscle cells causing selective pulmonary vasodilation and therefore decreases right ventricular afterload without altering systemic vascular resistance. The clinical effects of NO inhalation therapy were first studied in patients presenting with postoperative low cardiac output syndrome after LVAD implantation due to secondary pulmonary hypertension and right ventricular dysfunction. In this first study the greatest hemodynamic effects were demonstrated at individually titrated doses of 25 to 40 ppm NO. The pulmonary vascular resistance and the mean pulmonary artery pressure progressively decreased with increasing doses up to 40 ppm NO, as the cardiac index significantly increased dependent on dosage and without any noticeable change of the systemic arterial pressure or systemic vascular resistance. Thus a selective pulmonary vasodilating effect of inhaled nitric oxide along with a hemodynamic improvement, which in some patients was dramatic, was demonstrated. During continuous administration with the individually titrated optimal dose significant beneficial effects were shown during the entire treatment period with a decrease of the right ventricular afterload and a consequent increase of the cardiac index. In addition, a steady increase of the RVEF and a decrease of the RVEDV were demonstrated by TEE. This permitted us to first lower the catecholamine dose in these patients and then to wean them of the NO therapy. In the course of NO therapy hemodynamic deterioration was provoked neither by acute interruption of NO administration at daily performed "NO-off-trials", nor after weaning of NO therapy, which indirectly proved regeneration of the right ventricle. Although an overall impressive hemodynamic improvement was demonstrated with NO inhalation there were some patients in whom right ventricular dysfunction persisted despite maximal inotropic support and adequate volume replacement. This was thought to be due to the increase in cardiac index and thereby venous return after LVAD implantation preventing restoration of right ventricular function. To permit improvement of right ventricular function by minimizing right ventricular stroke work, a comprehensive concept contradictory to all other treatment strategies was developed, taking right ventricular preload, afterload and inotropic therapy into account. Instead of the intention being to generate a high cardiac index, it was studied whether a relatively low postoperative cardiac index of 2.5 L/min/m2 (= 2.3 L/min/m2 and = 2.8 L/min/m2) which decreases stroke work, enables the right ventricle to regenerate without compromising perfusion to vital organs. This meant early administration of inhaled NO, minimal catecholamine support and restrictive volume replacement. NO inhalation was initiated intraoperatively as soon as weaning from cardiopulmonary bypass had taken place. A cardiac index of 2.5 L/min/m2 proved to be sufficient in the analgosedated and ventilated patients to ensure sufficient organ perfusion and in addition proved to be successful in preventing right ventricular failure and permitting restitution of right ventricular function. Inhaled NO therapy was weaned successfully without rebound phenomena. The potent endogenous vasoconstrictor endothelin-1 (produced and eliminated primarily in the lungs) has been shown to cause pulmonary hypertension and is an antagonist of the most important endothelial mediator of pulmonary vasodilation, NO. To further elucidate the pathophysiology, plasma levels of ET-1 and big ET-1 were measured during NO therapy following LVAD implantation. As expected in end-stage heart failure, the preoperative ET-1 and big ET-1 plasma levels were considerably increased and correlated with the pulmonary vascular resistance. The highest plasma concentrations of ET-1 were measured intraoperatively, which is in keeping with other studies and has been explained by an endothelial dysfunction triggered by cardiopulmonary bypass. Plasma levels of ET-1 and big ET-1 fell significantly during NO therapy and were lowest after termination of inhaled NO. A significant inverse correlation was found between the mean inhaled NO dose and the ET-1 and big ET-1 plasma levels. Hemodynamics improved simultaneously with the drop in plasma levels of the endothelins. The decrease of the pulmonary artery pressures correlated with the decrease of the ET-1 plasma levels. It can be derived from the results that inhaled NO not only induces pulmonary selective vasodilation by replacing a deficient endogenous NO production in secondary pulmonary hypertension, but inhaled NO also inhibits the endothelins ET-1 and big ET-1. In addition, left ventricular failure is effectively treated by mechanical unloading through the LVAD, thus permitting a new physiologic balance to develop between the antagonists NO and endothelin in the pulmonary circulation and ameliorating dysfunction of the pulmonary vascular endothelium. This explains why NO inhalation is needed only as an intermediate therapy and the fact that a rebound phenomenon with increases in pulmonary vascular resistance and consecutive right ventricular constraint does not occur. To support right ventricular function after LVAD implantation, the following therapeutic principles have been established: - Inhaled NO therapy should be started early on weaning from cardiopulmonary bypass. - Intraindividual dose titration is useful to ensure maximal effects with minimal doses. - Inhaled NO selectively decreases pulmonary vascular resistance without inducing systemic hypotension. Right ventricular afterload decreases without pathologically increased left ventricular filling pressures, as the left ventricle is unloaded by the LVAD. - If right ventricular dysfunction presents despite NO inhalation, venous return should be lowered to relieve the right ventricle, by keeping the cardiac index low at around 2.5 L/min/m2. - This is accomplished by minimal inotropic support and restrictive volume replacement. Regeneration of right ventricular function is made possible by a reduction of right ventricular stroke work. - The slower the inhaled NO dose was lowered, the faster the ET-1 and big ET-1 plasma levels fell, as an inverse correlation was found between the plasma levels of the endothelins and the mean inhaled NO dose. Therefore stepwise weaning of inhaled NO therapy is essential in preventing rebound phenomena. - "NO-off-trials" are useful to monitor inhaled NO dependency during weaning from NO therapy in critical cases. - As dysfunction of the pulmonary vascular endothelium obviously does not persist after cessation of inhaled NO therapy, as a rule right ventricular compromise due to an increase in pulmonary vascular resistance does not occur during the further clinical course.

Die schwere pulmonale Hypertonie stellt ein bedrohliches Krankheitsbild mit eingeschränkter Prognose dar. Sie entsteht entweder auf dem Boden von Lungenerkrankungen oder liegt als primäre Form vor. Erfolgversprechende neue Therapieansätze, mit Inhalation vasodilatierender Agenzien werden augenblicklich in klinischen Studien getestet. Im Vordergrund stehen hier die Arachidonsäuremetaboliten Prostazyklin und sein stabiles Analogon Iloprost. Über deren Aktivierung der Adenylatzyklase erfolgt eine vermehrte Bildung von zyklischem Adenosinmonophosphat, das eine zentrale Rolle bei der Vasodilatation spielt. Durch Anwendung des transbronchialen Appliaktionsweges (Aerosolierung) dieser Substanzen kann eine auf das Lungengefäßbett begrenzte Blutdrucksenkung erzielt werden ohne eine systemische Hypotonie zu provozieren (pulmonale Selektivität). Außerdem besteht durch diese Applikationsform auch eine intrapulmonale Selektivität durch das Erreichen von Lungenarealen, die an der Ventilation teilnehmen. Auf diese Weise wird eine Zunahme bestehender Gasaustauschstörungen vermieden oder sogar, durch Umverteilung der Perfusion, eine Besserung derselben erzielt. Eingeschränkt wird diese Therapiemöglichkeit allerdings durch die nur kurz anhaltenden positiven hämodynamischen und den Gasaustausch betreffenden Wirkungen. Dies verhindert eine kontinuierliche pulmonalarterielle Drucksenkung und macht häufige Inhalationen nötig. Ziel der vorgelegten Arbeit war es, mögliche neue Ansatzpunkte für eine Therapie der akuten und chronischen pulmonalen Hypertonie zu finden. Dies galt insbesondere in Bezug auf die maximal erreichbare pulmonalarterielle Drucksenkung und auch auf die Zeitdauer der erzielbaren Effekte. Es galt die Hypothese zu prüfen, dass durch kombinierte Verabreichung eines Adenylatzyklasestimulus und eines Phosphodiesterase-Inhibitors eine Verbesserung der hämodynamischen Antwort zu erzielen ist. Dies geschah unter der Vorstellung, das Phoshodiesterasen das Abbausystem des vasodilatierenden zyklischen Adenosinmonophoshat bilden . Die Studien wurden an einer experimentell erzeugten akuten pulmonalen Hypertonie am etablierten Modell der isoliert ventilierten und blutfrei perfundierten Kaninchenlunge durchgeführt. Die gemessenen Parameter waren der pulmonalarterielle Druck, das relative Organgewicht als Maß der Ödementwicklung sowie Ventilations-/ Perfusionsverhältnisse zur Quantifizierung von Gasaustauschstörungen, die anhand der MIGET bestimmt wurden. In der vorliegenden Arbeit wurde die vasodilative Eigenschaft des dualen Phosphodiesterase-Inhibitors Zardaverin gezeigt. Inhalative Verabreichung von Prostazyklin und seinem stabilen Analogon Iloprost erbrachte eine intrapulmonal selektive Vasodilatation. Zur Kombinationstherapie wurde eine Dosis des Phosphodiesterase-Inhibitors etabliert, die per se keine Auswirkung auf die geprüften Parameter hatte. Durch die kombinierte Applikation des inhalativen Prostazyklin oder Iloprost mit Zardaverin konnte ein Synergismus hinsichtlich der Auswirkung auf die Hämodynamik, Ventilations-/ Perfusionsverteilung und die Ödementwicklung erzielt werden. Die zeitgleiche Verabreichung von Zardaverin und Iloprost stellte die wirksamste Therapiegruppe in unseren Versuchen dar. Diese Arbeit zeigt den Synergismus zwischen inhalativen Prostanoiden und dem gleichzeitig verabreichten dualselectiven Phosphodiesterase-Inhibitor Zardaverin in Bezug auf die pulmonalarterielle Drucksenkung, die Lungenödementstehung und den Gasaustausch in einem Modell der pulmonalen Hypertonie, Severe pulmonary hypertension is a life threatening disease with poor prognosis. Pulmonary hypertension develops from underlying lung disease or exists as a primary form. Promising new therapies, which include inhalation of vasodilators are under clinical investigation. The major substances, that are tested in this respect are prostacylin (epoprostenol) and its analogue iloprost. Both induce activation of adenylatcyclase, that in turn leads to production of cyclic adenosin monophosphat, which plays a central role in vasodilation. When these substances are applicated via the bronchial route (aerosolisation), vasodilation results that is restricted to the pulmonary vascular bed and does not cause systemic hypotension (pulmonary selectivity). Also, via aerosolisation intrapulmonary selectivity is given as lung areas are targeted that participate in ventilation. This can avoid an increase - or even lead to improvement - of existing gas exchange disturbances, via redistribution of perfusion. This new therapeutic option is limited through the short effects on hemodynamic and gas exchange. As a result, a continuous relief of pulmonary hypertension is not reached and makes repetitive inhalations necessary. Aim of these studies was to find starting points for new therapeutic options in the treatment of acute and chronic pulmonary hypertension. This included to increase the maximal decline of pulmonary artery pressure as well as prolongation of times of these effects. Hypothesis was, that combined application of a stimulus of adenylatecyclase and a phosphodiesterase-inhibitor leads to an improvement of the hemodynamic response. Basically, phosphodiesterases metabolise the vasodilatory cyclic adenosin monophoshat. The studies were performed in a model of artificial acute pulmonary hypertension in isolated ventilated and blood free perfused rabbit lungs. Main parameters included pulmonary artery pressure and lung weight gain as a parameter for formation of lung edema. The multiple inert gas elimination technique (MIGET) was used to measure of ventilation-/ perfusion distribution, to quantify gas exchange disturbances. As a result, the vasodilatory properties of the dualselective phosphodiesterase-inhibitor zardaverine were shown. Inhalative application of prostacyclin and iloprost led to intrapulmonary selective vasodilation. A dose of zardaverine was established, that per se did influence the measured parameters. As inhalative prostacyclin or iloprost were co-applicated with zardaverin a clear synergism with respect on hemodynamics, ventilation-/ perfusion distribution and lung edema formation was shown. The most effective combination was inhaled iloprost with zardaverin. These investigations demonstrate the synergistic effect of inhaled prostanoids and the dualselective phosphodiesterase-inhibitor zardaverin regarding relief of pulmonary artery pressure, lung edema formation and gas exchange in a model of pulmonary hypertension.