Serielle Genexpressionsanalyse der Neointimabildung nach Ballonangioplastie im humanen Organkulturmodell mittels DNA Array-Technologie: Neue Erkenntnisse zur Wirkung von Rapamycin

Hintergrund und Fragestellung Eines der schwerwiegenden Probleme
der interventionellen Kardiologie stellte bislang die koronare
Restenose im Stent dar. Erst durch die Einführung eines Rapamycin-
freisetzenden-Stents konnte die Restenoserate erheblich gesenkt
werden. Trotz dieses therapeutischen Erfolges sind die
transkriptionellen pathophysiologischen Mechanismen der
Neointimahyperplasie, die zu über 90% für den Lumenverlust nach
koronarer Stentimplantation verantwortlich ist, sowie deren
Beeinflussung durch Rapamycin nur teilweise verstanden. Methodik
Die vorliegende Arbeit untersuchte deshalb in einem humanen
Organkulturmodell auf genregulatorischer Ebene die molekularen
Mechanismen, die der Neointimaformation im Menschen zu Grunde
liegen, sowie die Beeinflussung dieser Mechanismen durch eine
Behandlung mit Rapamycin. Ergebnisse Es konnte gezeigt werden, dass
(1) die Veränderungen in der Genexpression einem zeitlichen Muster
folgen mit maximalen Veränderungen 21 Tage nach Ballondilatation;
(2) die inflammatorische Komponente zu den frühen Zeitpunkten eine
wichtigere Rolle spielt während Proliferation und Apoptose die
späteren Veränderungen in der Genexpression dominieren; (3) die
Ballonangioplastie ein Genexpressionsprofil induziert, welches die
Rekrutierung und Aktivierung sowohl inflammatorischer als auch
hämatopoetischer Vorläuferzellen erleichtert; (4) Rapamycin die
Induktion eines solchen pro-adhäsiven, proinflammatorischen
Genexpressionsmusters als auch die Induktion von HPC-stimulierenden
Genen verhindert. Diskussion Eine zeitlich gestaffelte
Genexpressionsanalyse menschlicher Arterien nach Ballonangioplastie
ist bisher nicht veröffentlicht worden. In dieser Arbeit zeigte
sich, dass die Veränderungen in der Genexpression einem zeitlichen
Muster folgen mit einer maximalen Alteration nach 21 Tagen und nur
wenigen ausschließlich nach 56 Tagen regulierten Genen. Somit lässt
sich schlussfolgern, dass eine spätere Restenose die Folge einer
frühen, gestörten Wundheilung ist. Diese Auffassung wird durch die
beeindruckende Verminderung der In-Stent-Restenose durch
Rapamycin-freisetzende Stents unterstützt, da diese Stents etwa 80%
der totalen Medikamentendosis innerhalb der ersten 30 Tage
freisetzen. Während die Proliferation bekanntermassen eine wichtige
Rolle für die Neointimaformation spielt, wurde die Bedeutung
inflammatorischer Prozesse, welche zur Rekrutierung von Leukozyten
und hämatopoetischen Vorläuferzellen führen, erst später vermehrt
beschrieben. Die koordinierte Induktion eines in dieser Arbeit
nachgewiesenen proinflammatorischen Genexpressionsmusters stellt
eine beeindruckende Rationale für eine umfangreiche Rekrutierung
von Leukozyten nach Ballondilatation dar. Zytokine wie IL-8,
EMAP-II, NAP-2 oder GCP-2 waren nach Angioplastie vermehrt
exprimiert und verstärken die Migration von Granulozyten. Die
mechanisch induzierte Aktivierung dieses Genexpressionsmusters
begünstigt somit die Leukozytenrekrutierung und dadurch auch die
Restenose, da die Dichte inflammatorischer Zellen in der Neointima
mit dem Ausmass der Restenose korreliert. Als weiterer Mechanismus
der Neointimaformation wurde kürzlich die Rekrutierung
hämatopoetischer Vorläuferzellen im Tiermodell nachgewiesen. Es war
jedoch bisher nicht bekannt, ob sich diese Beobachtungen auf den
Menschen übertragen lassen. Im Organkulturmodell zeigte sich nach
Angioplastie die vermehrte Expression von einigen mit
hämatopoetischen Vorläuferzellen assoziierten Genen. Dies weist
daraufhin, dass diese Mechanismen auch im Menschen eine Rolle
spielen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss des
Makrolidantibiotikums Rapamycin auf die transkriptionellen
Mechanismen nach Ballonangioplastie untersucht. Zunächst spiegelten
sich die bekannten antiproliferativen Effekte von Rapamycin in
einer deutlich verminderten Expression von wachstumsassoziierten
Genen wie verschiedenen Transkriptionsfaktoren und Kinasen wie JAK1
oder AKT1 wieder. Darüberhinaus führte die Rapamycinbehandlung zu
einer koordinierten Hemmung der CXC Chemokine 6-8 (GCP-2, β-
Thromboglobulin, IL-8) und von EMAP-II, welche alle eine wichtige
Rolle in der Adhäsion, der Migration und der Aktivierung von
Neutrophilen und Monozyten spielen. Folglich könnte eine durch
Rapamycin veminderte Rekrutierung und Aktivierung dieser Zellen ein
wesentlicher Mechanismus in der Reduktion der Neointimaformation
sein. Zusätzlich unterstützt diese Arbeit die Hypothese, dass
Rapamycin auch direkte Effekte auf hämatopoetische Vorläuferzellen
hat. Im Organkulturmodell führte eine Rapamycinbehandlung zur
veminderten Expression verschiedener Gene wie des Oncostatin M
Rezeptors beta und JAK1, welche das Wachstum immaturer, noch
differenzierender Zellen in der Gefässwand fördern. Es lässt sich
zusammenfassen, dass Rapamycin neben seiner anti-proliferativen
Wirkung nach Ballonangioplastie tiefgreifende hemmende Effekte auf
das pro-inflammatorische Genexpressionsmuster und auf Promotoren
hämatopoetischer Vorläuferzellen verübt. Somit zeigt diese Arbeit
erstmals eine Rationale auf, wie Rapamycin auch im Menschen die
Rekrutierung hämatopoetischer Vorläuferzellen in die Gefässwand
verhindern könnte. Dies vermag möglicherweise seine hohe
Effektivität in der Reduzierung der Restenose erklären.