Akuter Herzinfarkt1 tritt auf, wenn die Blutzufuhr zu einem Teil des Herzmuskels stark reduziert oder unterbrochen ist. Überlebende nach einem großen Myokardinfarkt haben ein hohes Risiko für eine chronische Herzinsuffizienz (CHF) mit schlechter Prognose. CHF ist ein klinisches Syndrom, das durch eine kardiale Dysfunktion eingeleitet wird und auf das eine Aktivierung von Kompensationsmechanismen wie dem sympathoadrenalen und dem Renin-Angiotensin-Aldosteron-System folgt. Offenbar hilft die Aktivierung der Kompensationsmechanismen in der Frühphase der Herzinsuffizienz dem Herzen, die nachlassende Pumpfunktion zu kompensieren. Eine übermäßige und anhaltende Aktivierung hat jedoch nachteilige Auswirkungen auf die Herzfunktion. Sobald eine solche übermäßige Aktivierung die Herzfunktion verschlechtert, löst sie eine weitere Aktivierung dieser Kompensationsmechanismen aus, was wiederum die Herzfunktion weiter verschlechtert. Dieser positive Rückkopplungsmechanismus führt zu einem dekompensatorischen Umbau des Herzens und im Endstadium zu einem Herzversagen. Daher ist der Prozess der Fehlanpassung ein Schlüssel zur Pathophysiologie der Herzinsuffizienz.

Im Prozess der Fehlanpassung spielt auch das kardiale autonome Nervensystem2,3 eine wichtige Rolle. Klinische Erkenntnisse aus der Autonomic Tone and Reflexes After Myocardial Infarction Study (ATRAMI)4 und der Cardiac Insufficiency BIsoprolol Study II (CIBIS II)5 zeigen, dass eine verminderte kardiale vagale Aktivität und eine erhöhte Herzfrequenz eine hohe Sterblichkeitsrate bei Herzinsuffizienz vorhersagen. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wäre es logisch zu klären, ob eine Steigerung der vagalen Aktivität das kardiale Remodeling und den Tod verhindert. In Bezug auf das Auftreten lebensbedrohlicher Arrhythmien bei akuter Ischämie wurde berichtet, dass die vagale Stimulation bei Hunden Kammerflimmern verhindert.6 Die antianginöse Wirkung der vagalen Stimulation wurde auch bei Patienten mit koronarer Herzkrankheit nachgewiesen.7 Ihre Wirkung auf die Herzinsuffizienz bleibt jedoch unbekannt. Daher untersuchten wir in der vorliegenden Studie die Auswirkungen der vagalen Stimulation auf das kardiale Remodeling nach einem großen Myokardinfarkt und auf die Langzeitprognose von Herzinsuffizienz bei Ratten.

Methoden

Experimentelle Herzinsuffizienz

Die Behandlung und Verwendung der Tiere erfolgte in strikter Übereinstimmung mit den Richtlinien der Physiological Society of Japan. Bei 8 Wochen alten männlichen Sprague-Dawley-Ratten (SLC, Hamamatsu, Japan) wurde durch Ligatur der Koronararterien ein linksventrikulärer Myokardinfarkt ausgelöst. Die Sterblichkeitsrate der Tiere mit Myokardinfarkt betrug innerhalb der ersten 24 Stunden ≈60%. Eine Woche später überprüften wir die Infarktgröße mittels Echokardiographie (SSA-380A, Toshiba), wie zuvor beschrieben.8 Die Ratten mit einer Infarktfläche >40% der linken Ventrikelwand wurden in die vorliegende Studie aufgenommen. Bei scheinoperierten Ratten banden wir eine Naht locker ab, um einen Koronararterienverschluss zu vermeiden. Wir bestätigten die Infarktgröße durch eine postmortale Untersuchung.

Vagusnervstimulation

Um den Vagusnerv zu stimulieren und den Blutdruck und die Herzfrequenz bei sich frei bewegenden Ratten zu überwachen, entwickelten wir ein ferngesteuertes System, das von einem Computer gesteuert wird (Abbildung 1). Der Computer steuert einen implantierbaren und funkgesteuerten Impulsgeber (ISE1010C, Unimec) zur Stimulierung des Vagusnervs, während Blutdruck und Herzfrequenz über einen implantierbaren Sender (TA11PA-C40, Data Sciences International) gemessen werden. Der Miniatur-Impulsgenerator und der Sender wurden 7 Tage nach dem Myokardinfarkt subkutan in den Bauchraum implantiert. Ein Paar teflonbeschichteter Edelstahldrähte zur elektrischen Stimulation wurde um den rechten Vagusnerv im Nacken geschlungen; ein Teflonschlauch zur Blutdruckaufzeichnung wurde in die Bauchaorta gelegt.

Experimentelle Protokolle

14 Tage nach dem Myokardinfarkt wurden die Überlebenden nach dem Zufallsprinzip in Gruppen eingeteilt, die mit Schein- und aktiver Stimulation behandelt wurden. In der aktiv behandelten Gruppe stimulierten wir den Vagusnerv mit elektrischen Rechteckimpulsen von 0,2 ms Dauer bei 20 Hz für 10 Sekunden jede Minute über 6 Wochen. Die Stromstärke der Impulse wurde für jede Ratte so eingestellt, dass die Herzfrequenz um 20 bis 30 Schläge pro Minute gesenkt wurde. Dies ergab einen Bereich von 0,1 bis 0,13 mA. Der mittlere Blutdruck und die Herzfrequenz wurden 6 Wochen lang jede Minute aufgezeichnet. In einer vorläufigen Studie bestätigten wir, dass die chronische vagale Stimulation in dieser Intensität das Fressverhalten nicht veränderte und keine Anzeichen einer Schmerzreaktion, wie z.B. einen Anstieg des Plasma-Epinephrinspiegels, hervorrief.

Hämodynamische und Remodeling-Studie

Um die Wirkung der vagalen Stimulation auf das kardiale Remodeling zu bewerten, haben wir am Ende der 6-wöchigen Stimulationsperiode die Hämodynamik und das Herzgewicht von scheinoperierten und scheinstimulierten Ratten, unbehandelten Ratten mit CHF und behandelten Ratten mit CHF gemessen. Die Narkose wurde durch die Verwendung von 1,2 % Halothan während der chirurgischen Eingriffe und 0,6 % Halothan während der Datenaufzeichnung aufrechterhalten. Der linksventrikuläre und arterielle Druck wurde mit einem 2F-Mikromanometer mit Katheterspitze (SPC-320, Millar Instruments) gemessen. Die Drucksignale wurden mit einer Rate von 1 kHz für 5 Minuten digitalisiert. Nach der hämodynamischen Messung wurde das Herz für die anschließende Bestimmung der Infarktgröße exzidiert.

Prognose und Neurohormonstudie

Um die Auswirkung der 6-wöchigen vagalen Stimulation auf die Prognose zu untersuchen, beobachteten wir die Überlebensrate nach 20 Wochen bei behandelten und unbehandelten Ratten mit Herzinsuffizienz. Aufgrund der Lebensdauer der Batterie des implantierbaren Impulsgenerators war der Behandlungszeitraum auf 6 Wochen begrenzt. Jeder Käfig wurde täglich auf verendete Ratten untersucht. Dem toten Tier wurde das Herz entnommen, um anschließend die Infarktgröße zu bestimmen.

Am Ende des Beobachtungszeitraums wurde eine Blutprobe für Neurohormonuntersuchungen entnommen. Die überlebende Ratte wurde in ein Glasgefäß gelegt, wo sie 5 bis 10 Minuten lang ein Gemisch aus 1,2 % Halothan in mit Sauerstoff angereicherter Luft einatmete. Um eine Beeinflussung der neurohumoralen Zustände durch invasive Manipulationen zu vermeiden, entnahmen wir unmittelbar nach der Narkoseeinleitung über einen transthorakalen Zugang 3 ml einer Blutprobe aus der linken Herzkammer, ohne die Hämodynamik zu messen. Nach der Blutentnahme wurde das Herz für die anschließende Bestimmung der Infarktgröße entnommen.

Die Plasmakonzentrationen von Noradrenalin wurden mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie mit elektrochemischer Detektion gemessen. Die Plasmakonzentration des natriuretischen Peptids im Gehirn wurde mit einem Radioimmunoassay bestimmt.

Bestimmung der Infarktgröße

Wie zuvor beschrieben,9 wurden die rechte und die linke Herzkammer einschließlich des interventrikulären Septums präpariert, getrennt und gewogen. Das Herz wurde in 10% gepuffertem Formalin fixiert. Der linke Ventrikel wurde von der Spitze zur Basis in 4 Querschnitte geschnitten. Es wurden 4 μm dicke Schnitte geschnitten und mit der Masson-Trichrom-Methode gefärbt. Die histologischen Bilder wurden mit einem Framegrabber digitalisiert und ausgewertet. Die Infarktgröße wurde aus den 4 Schnitten berechnet, indem die Summe der Endokardlängen der infarzierten Regionen durch die Summe der gesamten Endokardumfänge geteilt wurde.

Statistische Analyse

Für die Daten der Hämodynamik- und Remodeling-Studie wurden Unterschiede zwischen den 3 Gruppen durch ANOVA mit einem Scheffé-Mehrfachvergleichstest getestet. Unterschiede in den Herzfrequenzen vor und während der Behandlung in jeder Gruppe wurden durch eine 1-fache ANOVA mit wiederholten Messungen, gefolgt von einem Post-hoc-Dunnett-Test, untersucht.

Für neurohormonelle Daten wurden Unterschiede zwischen zwei Gruppen durch einen Mann-Whitney-U-Test untersucht. Die Überlebensdaten werden als Kaplan-Meier-Kurven dargestellt; die Auswirkung der Behandlung auf das 140-Tage-Überleben wurde mit einem exakten Fisher-Test analysiert. Unterschiede wurden bei einem Wert von P<0,05 als signifikant angesehen.

Ergebnisse

Hemodynamik- und Remodeling-Studie

Obwohl CHF-Ratten (unbehandelt, n=13; behandelt, n=11) vor der Behandlung eine höhere Herzfrequenz als scheinoperierte Ratten (n=9) hatten, verlangsamte die vagale Stimulation die Herzfrequenz der CHF-Ratten signifikant (Abbildung 2). Der Unterschied in der Herzfrequenz zwischen unbehandelten und behandelten CHF-Ratten erreichte ≈40 Schläge pro Minute am Ende der Behandlung (P<0,05). Die CHF-Ratten hatten einen signifikant niedrigeren Blutdruck, aber die vagale Stimulation hatte keinen Einfluss auf den Blutdruck während der 6-wöchigen Behandlungszeit (Tabelle).

Im Vergleich zu schein-operierten Ratten, hatten unbehandelte Ratten mit Herzinsuffizienz einen niedrigen Blutdruck (Abbildung 3a), einen hohen linksventrikulären enddiastolischen Druck (LVEDP) (Abbildung 3b), ein erniedrigtes maximales dp/dt des linksventrikulären Drucks (LV+dp/dtmax) (Abbildung 3c) und ein erhöhtes Herzgewicht (Abbildung 3d). Andererseits hatten CHF-Ratten, die mit vagaler Nervenstimulation behandelt wurden, einen signifikant niedrigeren LVEDP (17,1±5,9 versus 23,5±4,2 mm Hg, P<0,05) und einen höheren LV+dp/dtmax (4152±237 versus 2987±192 mm Hg/s, P<0,05) als unbehandelte CHF-Ratten. Die Verbesserung der Pumpfunktion bei den behandelten Ratten mit Herzinsuffizienz ging mit einer signifikanten Abnahme des normalisierten biventrikulären Gewichts einher (2,75±0,25 versus 3,14±0,22 g/kg, P<0,01). Es gab keinen signifikanten Unterschied in der Infarktgröße zwischen behandelten und unbehandelten CHF-Ratten (53±7% versus 53±6%).

Prognose- und Neurohormonstudie

Obwohl 60 Ratten mit Herzinsuffizienz nach großem Myokardinfarkt in die Prognosestudie aufgenommen wurden, wurden 8 der 30 Ratten, die der behandelten Gruppe zugeordnet waren, von den Ergebnissen ausgeschlossen, weil die Elektrodenkabel während der 6-wöchigen Vagusstimulation abbrachen. Die Stimulation des Vagusnervs reduzierte die Sterblichkeitsrate der Ratten mit Herzinsuffizienz deutlich (Abbildung 4); es gab nur 3 Todesfälle bei den 22 behandelten Ratten gegenüber 15 Todesfällen bei den 30 unbehandelten Ratten (14 % gegenüber 50 %, P=0,008). Die Vagalstimulationstherapie führte zu einer 73%igen Verringerung des relativen Sterberisikos.

Abbildung 5 zeigt, dass die Verbesserung der Überlebensrate bei den behandelten Ratten mit Herzinsuffizienz mit einem signifikanten Rückgang des normalisierten biventrikulären Gewichts einherging (2,63±0,38 versus 3,17±0,42 g/kg, P<0,01). Im Vergleich zu den unbehandelten Ratten mit CHF wiesen die behandelten Ratten mit CHF niedrigere Werte von Norepinephrin im Plasma (426±102 versus 1182±260 pg/mL, P<0,01) und natriuretischem Peptid im Gehirn (251±31 versus 363±82 pg/mL, P<0,01) auf. Es gab keinen signifikanten Unterschied in der Infarktgröße zwischen behandelten und unbehandelten CHF-Ratten (54±8% versus 53±7%).

Diskussion

Die Prognose von Patienten mit Herzinsuffizienz ist nach wie vor schlecht, obwohl verschiedene therapeutische Ansätze mit einem β-adrenergen Rezeptorblocker,10,11 Angiotensin-Converting-Enzyme-Hemmer,12 Angiotensin-Rezeptorblocker,13 Aldosteron-Antagonist,14 und implantierbarem Defibrillator15 derzeit zur Verfügung stehen. Daher wird eine wirksamere Therapie erwartet.

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Stimulation des Vagusnervs das Langzeitüberleben von Ratten mit Herzinsuffizienz deutlich verbessert, indem sie das Fortschreiten der Pumpleistung und des kardialen Remodelings verhindert. Das Hauptziel der vorliegenden Studie bestand darin, die Arbeitshypothese zu testen, dass eine langfristige vagale Stimulation das Überleben von Ratten mit Herzinsuffizienz nach einem großen Myokardinfarkt verbessern kann, und nicht darin, den Mechanismus zu klären. Dennoch sind einige Überlegungen zu diesem Thema angebracht.

Es ist denkbar, dass die vagale Stimulation den zum Tod führenden Teufelskreis durch eine hemmende Wirkung auf die präsynaptische Noradrenalinausschüttung und eine unterdrückende Wirkung auf die adrenerge Signalkaskade durch G-Protein-Interaktionen wirksam durchbrechen kann.16 Im menschlichen Herzen sowie in den Herzen verschiedener anderer Spezies sind die Muscarinrezeptoren überwiegend vom M2-Subtyp, der über ein Keuchhusten-Toxin-sensitives G-Protein die Adenylcyclase hemmt. Im Vorhof führt die Stimulation von M2-Muscarinrezeptoren zu direkten negativen inotropen und chronotropen Effekten; Im Ventrikel hingegen kann der negativ inotrope Effekt nur dann erzielt werden, wenn das Basalniveau von cAMP durch β-Adrenozeptor-Agonisten erhöht wird. Diese Mechanismen sind als akzentuierter Antagonismus bekannt.

Es wird auch postuliert, dass die ventrikuläre Effizienz durch eine Verlangsamung der Herzfrequenz verbessert wird.17 Burkhoff et al18 zeigten, dass die ventrikuläre Effizienz, d.h. das Verhältnis von ventrikulärer Schlagarbeit zu ventrikulärem Sauerstoffverbrauch, unter physiologischen Bedingungen maximal eingestellt ist und dass die Effizienz des versagenden Herzens empfindlicher auf Veränderungen der Herzfrequenz reagiert als die des normalen Herzens. Die Verhinderung einer Tachykardie nach einem Myokardinfarkt durch vagale Stimulation würde die Effizienz des versagenden Herzens optimieren und somit das Herz vor einem Remodeling schützen.

Anscheinend wird davon ausgegangen, dass die vagale efferente Stimulation auf den Ventrikel der Herzinsuffizienz wie ein β-adrenerger Blocker wirkt. Bei Ratten hatte die β-Blockade-Therapie jedoch keine positive Wirkung auf das kardiale Remodeling oder die Hämodynamik nach einem Myokardinfarkt (siehe Gaballa und Goldman19). Litwin et al20 zeigten, dass eine chronische Propranolol-Behandlung bei Ratten mit Herzinsuffizienz nach einem Infarkt das kardiale Remodeling nicht verbesserte und die Pumpfunktion verschlechterte. Wei et al.21 zeigten auch, dass Metoprolol das ventrikuläre Remodeling bei Ratten mit Herzinsuffizienz verschlechterte. Daher sind neben dem Antagonismus gegen die sympathischen Wirkungen auch die einzigartigen Wirkungen der vagalen Stimulation wichtig, um ein günstiges Ergebnis bei Ratten mit Herzinsuffizienz zu erzielen. Eine förderliche Wirkung der vagalen Stimulation auf die Freisetzung von Stickstoffmonoxid aus dem Koronarendothel könnte durch die Verbesserung der Lebensbedingungen des Herzmuskels ebenfalls eine antimodellierende Wirkung haben.22

Zusätzlich zu den Wirkungen der elektrischen Stimulation vagaler Efferenzen auf das Herz werden auch vagale afferente Wirkungen7,23 in Betracht gezogen, da eine afferente Stimulation den kardiopulmonalen Reflex auslösen und die neuronale Aktivität in mehreren hypothalamischen Kernen modulieren würde, die an der kardiovaskulären Regulation beteiligt sind. Wie in Abbildung 5c gezeigt, senkte die vagale Stimulation den Plasmanorepinephrinspiegel. Daher würde eine vagale Stimulationstherapie den Teufelskreis der Fehlanpassung bei Herzinsuffizienz durch die Unterdrückung der chronisch übermäßigen Aktivierung des sympathischen Nervensystems beenden.24,25

Eine neuere Studie von Guarini et al.26 hat gezeigt, dass die Stimulation der efferenten vagalen Fasern die Aktivierung des Nuklearfaktors-κB in der Leber durch Nikotinrezeptoren abschwächt und dann die hepatische Produktion und den Plasmaspiegel des Tumornekrosefaktors-α während eines akuten hämorrhagischen Schocks reduziert. Es wurde berichtet, dass diese Faktoren auch am kardialen Remodeling und der schlechten Prognose der Herzinsuffizienz beteiligt sind.27 Daher würde die hepatische Wirkung der vagalen Stimulation das kardiale Remodeling verhindern und das Überleben der Herzinsuffizienz verbessern.

Es wurde auch festgestellt, dass eine kurzfristige vagale Stimulation über 6 Wochen nach einem Myokardinfarkt das langfristige kardiale Remodeling verhindert (Abbildung 5a) und das langfristige Überleben verbessert. Möglicherweise gibt es einen kritischen Zeitraum, in dem eine kurzfristige Behandlung gegen kardiale Dysfunktion und Remodeling das langfristige Überleben der Herzinsuffizienz sichert.

Eine Pionierarbeit von Pfeffer et al28 untersuchte die Wirkung einer Langzeittherapie mit Captopril bei Ratten mit Herzinsuffizienz nach einem Myokardinfarkt. Ebenso wie die vagale Stimulation in dieser Studie begann die orale Captopril-Gabe 14 Tage nach der Ligatur der linken Koronararterie. Pfeffer et al. beobachteten das 1-Jahres-Überleben und stellten fest, dass das mediane Überleben bei unbehandelten und behandelten Ratten mit großem Infarkt 146 bzw. 181 Tage betrug. Die Überlebenskurve von unbehandelten Ratten mit großer Herzinsuffizienz in ihrer Studie war also unserem Ergebnis für unbehandelte Ratten mit Herzinsuffizienz recht ähnlich. Andererseits schien sich die Wirkung von Captopril auf das Überleben von CHF-Ratten mit großen Infarkten deutlich von derjenigen der vagalen Stimulation zu unterscheiden. Etwa 40 % der mit Captopril behandelten CHF-Ratten mit großen Infarkten starben nach 140 Tagen; die Vagusstimulation reduzierte die Sterblichkeitsrate auf <20 %. Daher könnte die vagale Stimulationstherapie bei schwerer Herzinsuffizienz nach großem Myokardinfarkt vielversprechend sein.

Grenzwerte

Die positive Wirkung der vagalen Stimulation auf die Herzfunktion, den Umbau und das Überleben von Ratten mit Herzinsuffizienz wurde in der vorliegenden Studie gezeigt. Die Sicherheit und die unerwünschten Wirkungen sind jedoch noch unklar. Auch das geeignete Behandlungsprotokoll ist noch nicht geklärt und sollte untersucht werden. Um die in dieser Studie gezeigte therapeutische Strategie zu etablieren, sind groß angelegte Langzeitversuche zur Stimulation des Vagusnervs an einem Tiermodell der Herzinsuffizienz erforderlich.

Klinische Implikationen

Unsere früheren Studien9,29 haben gezeigt, dass ein pharmakologischer Eingriff in das zentrale Nervensystem von Ratten mit Herzinsuffizienz das Fortschreiten der kardialen Dysfunktion und des Remodelings verhindert. Die in der vorliegenden Studie verwendete therapeutische Modalität brachte auch eine günstige Prognose der Herzinsuffizienz durch Manipulation des autonomen Tonus über vagale efferente und/oder afferente Mechanismen. Wir schlagen daher einen neuronalen Schnittstellenansatz zur Optimierung des kardialen autonomen Tonus für die Behandlung von Herzinsuffizienz vor. Technologien zur Verwirklichung dieser neuronalen Schnittstellenstrategie30 unter Verwendung vollständig implantierbarer, miniaturisierter Systeme sind bereits verfügbar.31,32

Fußnoten