Abteilung Pädiatrische Kardiologie und Pädiatrische Intensivmedizin

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KINDERHEILKUNDE,HUMANGENETIK UND DERMATOLOGIE
Abteilung Pädiatrische Kardiologie und Pädiatrische
Intensivmedizin
Direktor: Prof. Dr. med. Armin Wessel
Forschungsprofil
Die im Jahre 2003 angelaufenen Forschungsvorhaben zur Analyse der Entstehung kongenitaler Herzfehler wurden in 2004 weiter ausgebaut. Diese Forschungsvorhaben erfolgen in
Kooperation mit dem Mechatronik-Zentrum der Universität Hannover, dem Neonatal-Perinatal-Research-Institut der Duke Universität, Durham, NC, USA sowie dem Risø National
Laboratorium, Abteilung Optics und Fluid Dynamics, Roskilde, Dänemark. Nah angelehnt
an dieses Projekt sind die Forschungsvorhaben zur molekulargenetischen Charakterisierung
angeborener Herzfehler, die in enger Zusammenarbeit mit Herrn Prof. J. Borlak (Institut für
Pharmako- und Toxikogenomik der MHH und Institut für Toxikologie und experimentelle
Medizin des Frauenhofer Instituts Hannover) sowie Dr. T. Breymann (Abteilung THG der
MHH, Leiter des Bereichs Kinderherzchirurgie) durchgeführt werden. Nach mehreren Gesprächen mit Forschern an vier Instituten in Hannover, einem Institut in Braunschweig und
einer Institution in Göttingen wurden projektgebundene und freie Kooperationen begonnen.
Fernziel dieser Kooperationen ist es, ein „Niedersächsisches Zentrums/Netzwerks für Embryologie, Molekularbiologie und Genetik der Herzentwicklung (Cardiac Development Research
Institute)“ unter Federführung der Abt. Pädiatrische Kardiologie & Intensivmedizin an der
MHH zu etablieren. Das mittelfristige Ziel ist die Bildung einer Forschergruppe. In diesem
Netzwerk, dass von Ausrichtung und Kompetenz in Europa einmalig wäre, ließe sich durch
Bündelung aller Kompetenzen die Ergebnisqualität dieser modernen Forschungsrichtung
sowohl im Hinblick die Enststehungsmechanismen angeborener Herzfehler als auch im
Hinblick auf neue Therapien weiter verbessern.
Forschungsprojekte
Im Folgenden soll aus den o.g. angelaufenen Forschungsvorhaben exemplarisch ein im Jahre
2004 begonnenes Forschungsprojekt vorgestellt werden:
Analyse der kardialen Funktion und Visualisierung der Herzentstehung im frühen embryonalen Herzen im Hinblick auf die Entwicklung von kongenitalen Herzfehlern
Hintergrund:
Die Pädiatrische Kardiologie stand während des letzten Vierteljahrhunderts großen Veränderungen gegenüber: Kardiochirurgen haben neue Techniken zur Korrektur, Langzeitpalliation und Herztransplantation entwickelt, um Kindern mit angeborenen Herzfehlern ein
Überleben und später eine normale Lebensqualität zu ermöglichen. Darüber hinaus konnten
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durch Einsatz neuer Techniken der Bildgebung viele Herzfehler genauer und zunehmend
weniger invasiv diagnostiziert werden als früher. Neuere Kathetertechniken erlauben ferner
die Korrektur oder Palliation von Anomalien mit minimal invasiven Eingriffen vorzunehmen
während früher die Anwendung von chirurgischen Techniken im Vordergrund stand. Trotz
dieser beachtlichen Entwicklungen in der Diagnose und Therapie sind die basalen Mechanismen, die zu Fehlbildungen des Herzens führen, nach wie vor weitgehend ungeklärt.
Angeborene Herzfehler werden unverändert auch in Deutschland bei mindestens 1% von
Neugeborenen und 10% von Totgeburten beobachtet. Es wird angenommen, dass sie für
etwa 20% der spontanen Schwangerschaftsabbrüche verantwortlich sind. Bei angeborenen
Fehlbildungen, die im Säuglingsalter zum Tode führen, bildeten in Deutschland im Jahre
2002 angeborene Fehlbildungen des Kreislaufsystems mit 370 Todesfällen sogar die größte
Gruppe. Die meisten angeborenen Herzfehler haben ihren Ursprung in und während der
frühen embryonalen Entwicklung des Herzens.
Die Erforschung des dynamischen Prozesses der Herzentwicklung und die Klärung der
Frage, wie aus einem muskelumhüllten Schlauch ein komplexes vierkammeriges Organ entsteht (Abb. 1), hat in den letzten Jahren eine beachtliche Renaissance erfahren.
Abb. 1 : Wie entsteht aus einem singulären muskelumhüllten Schlauch ein komplexes Organ wie das Herz? Warum entsteht
das Herz wie es entsteht, und wann und wie kommt es zu einer Fehlsteuerung der Herzentwicklung? Was sind die zugrunde
liegenden Mechanismen von angeborenen Herzfehlern? Fragen, die weltweit in mehr als 150 Forschungsgruppen bearbeitet
werden, die sich mit der Embryologie, Genetik und Molekularbiologie der Herzentwicklung beschäftigen. Abkürzungen: RA,
rechter Vorhof; Ao, Aorta (Hauptschlagader), La, linker Vorhof; RVOT, rechtsventrikulärer Ausflusstrakt; TV, Trikuspidalklappe;
MV, Mitralklappe; RV, rechter Ventrikel; LV, linker Ventrikel.
Dennoch steht ein umfassendes Verständnis von kritischen Prozessen während der
Herzentwicklung wie z.B. der Herzschleifenbildung (Looping), Konvergenz, Alignment,
Wedging (d.h. Verkeilung der Aorta zwischen den Atrioventrikulärklappen) und Septierung
von Herzkammern und –Vorhöfen sowie des Ausflusstraktes aus.
Die Herzentwicklung ist ein sehr dynamischer Vorgang, der in einer hoch komplexen Art
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und Weise abläuft und bei dem alle Entwicklungsschritte (“Töne”) „orchestermäßig“ strikt im
Einklang sein müssen. Die einzelnen Entwicklungsschritte, vom primären singulären muskelumhüllten Schlauch bis hin zum komplexen vierkammerigen Organ Herz, gehen sowohl
mit strukturellen als auch funktionellen Veränderungen einher. Bereits mit acht Wochen ist
die vorgeburtliche Periode der Herzentwicklung abgeschlossen und das Herz voll ausgebildet.
Schon kleinste, scheinbar unbedeutende Einflüsse und Fehlsteuerungen können kritische
Prozesse während der Herzentstehung so stören, dass verschiedene Formen von Herzfehlbildungen resultieren. Um langfristig angeborene Herzfehler verhindern zu können, ist es
unumgänglich und zwingend, dass wir lernen, die Ursache dieser Defekte zu verstehen.
Abb. 2: 3 Tage altes Herz eines
Hühnerembryos in Enddiastole
(A) und Endsystole (B), at=
Ausflusstrakt, v= Ventrikel. In C
ist der Prototyp der Klimakammer
wiedergegeben (s.a. Bilder der
fertig konstruierten Klimakammer in Abb. 3). D zeigt einen 3
Tage alten Hühnerembryo in einer
Wägeschale, welche in einer Petrischale mit Wasser eingelegt ist
(s.a. Abb. 3 F).
Ziele dieses Forschungsprojektes sind:
1) Etablierung einer „Schalenlosen Kultur“ in der Klimakammer
Der Aufbau und die Inbetriebnahme einer Klimakammer („Environmental Chamber“) schafft
die Voraussetzungen zur Beobachtung der Herzentwicklung in Hühnerembryonen über einen
Zeitraum von bis zu 120 Stunden (Abb. 2 und 3). Die Klimakammer soll gewährleisten, dass
der Hühnerembryo in ovo, d.h. in seiner natürlichen Umgebung, ohne externe Störeinflüsse
wie Temperatur-, Sauerstoff- oder Feuchtigkeitsschwankungen gedeihen kann. Zum anderen
soll die Kammer zusammen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera eine präzise Visualisierung und Dokumentation der einzelnen Entwicklungsschritte: Herzschleifenbildung (Looping)
? Konvergenz ? Alignment ? Wedging ? Septierung von Herzkammer und –Vorhöfen sowie des
Ausflusstraktes ermöglichen. Dazu wurde eine neuartige Klimakammer in Zusammenarbeit
mit dem Mechatronik-Zentrum der Universität Hannover konstruiert, als Prototyp gefertigt
und im experimentellen Gebrauch erprobt (die fertig konstruierte Klimakammer wurde
Mitte Oktober 2004 geliefert, siehe Abb. 3). Der erste Schritt der Erprobung sieht vor, die
Herzentwicklung (wie oben beschrieben) in ovo zu untersuchen. Im zweiten Erprobungsschritt wird geprüft werden, ob die Klimakammer die Durchführung der o.g. Experimente in
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„Schalenlosen Kulturen“ erlaubt (Abb. 2). Nach Etablierung des Systems „Schalenlose Kultur
in der Klimakammer“ sollen dann in Zukunft weitere Experimente zur visuellen Darstellung
des Herzens mit Techniken der 3-dimensionalen Bildgebung zur Anwendung kommen.
2) Quantitative Analyse der embryonalen Herzfunktion in verschiedenen Stadien der Herzentwicklung mittels eines Speziellen Video- und Analysesystems
Hierzu sollen die Embryonen in der Klimakammer mit einem aufmontierten Video-Mikroskop-System mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, welche 125 Bilder/s aufnimmt, über Zeit
gefilmt werden. Die Aufnahmen (Abb. 2) werden dann mit speziell hierfür vom Projektleiter in
Abb. 3: Bilder der Klimakammer
(Stand Dez. 2004). Ansicht von vorne
(A). Nahaufnahme des integrierten
Video-Mikroskop-Systems von oben
(B). Nahaufnahme der Kammer (C)
und (E). Positionierungsgestell (D)
für Hühnerembryo in „schalenloser
Kultur“ (F).
Zusammenarbeit mit der Firma Physimetrics (Roswell, Georgia, USA) entwickelter Software im
Hinblick auf die ventrikuläre und myokardiale Funktion analysiert werden (Basisparameter:
Durchmesser (D), Umfänge (C), Ventrikelschnittflächen (F), Myokardschnittfläche (MyF),
Mittlerer Umfang (Um); abgeleitete Funktionsparameter (Fkt = (ED – ES)/ED): Verkürzungsfraktion (SF) des Durchmessers, systolische Flächenverkleinerung (Fractional Area Change
(FAC)), Ejektionsfraktion, mittlere systolische Umfangsverkürzung (= midwall circumferential
shortening), Schlag (SV)- und Herzzeitvolumen (HZV)). Dies ist deshalb so bedeutend, da
es Hinweise gibt, dass viele Herzfehler, wie z.B. die Gruppe der konotrunkalen Anomalien,
schon im Embryonalstadium eine myokardiale Dysfunktion aufweisen, der kaskadenartig
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weitere Fehlentwicklungen folgen und die ihrerseits die adäquaten Drehungen, Krümmungen,
Wendungen in der Zusammenführung der Ein- und Ausflussbahn des Herzens während der
Herzschleifenbildung verhindern.
Nach Etablierung der Analysesysteme und des Referenzkollektives im 1. Jahr sollen in der
2. Förderperiode in erster Linie folgende Untersuchungen im Vordergrund stehen:
Echzeit („Live“)-Visualisierung und quantitative funktionelle Charakterisierung der pathologischen Herzentwicklung in der Klimakammer in verschiedenen Modellen zur Produktion
von Herzfehlern im Hühnerembryo.
Hierzu sollen insbesondere chemische, mechanische und mikrochirurgische Manipulationen, die zu Herzfehlern führen, im Vergleich untersucht und die genauen Entstehungsmechanismen der Herzfehler „live“ dokumentiert werden: Ablations- und Transplantationsexperimente, lokale Applikation biologisch aktiver Substanzen, Ligatur der vitellinen
Gefässe, Abschnürung der Vorhöfe zur Produktion von hypoplastischen Ventrikeln. In diesem
Zusammenhang sollen primär folgende Anomalien des Herzens näher betrachtet werden:
Ventrikel- und Vorhofseptumdefekte, Fallot’sche Tetralogie, Double outlet right ventricle,
Truncus Arteriosus Communis, Transposition der Grossen Arterien, Hypoplastisches Linksund Rechtsherzsyndrom.
Kooperationspartner in diesem Forschungsvorhaben sind: Prof. Dr.-Ing. Bodo Heimann
(Geschäftsführender Leiter des Mechatronik-Zentrums der Universität Hannover) und seine
Mitarbeiter Dipl.-Ing. O. Hornung, Dipl.-Ing. Holger Blume und Dipl.-Ing. Stephan Baron.
Beteiligte Mitarbeiter aus der Abt. Pädiatrische Kardiologie und Pädiatrische Intensivmedizin
der MHH: Oktay Tutarel, Dr. med. Kambiz Norozi, Gülay Orhan, Petra Wübbolt-Lehmann,
und Prof. Dr. med. Armin Wessel. Projektleiter: PD Dr. med. Talât Mesud Yelbuz. Laufzeit des
Projektes: 01.04.04 bis 30.04.06. Projektförderung: Braukmann-Wittenberg-Stiftung (120.000
Euro für das 1. Jahr; Anschlussfinanzierung für die 2. Förderperiode über DFG beantragt (DFG,
YE 42/2-1; Begutachtung läuft) sowie Maximilian-Forschungs-Förderpreis 2004 (HERZKIND
e.V.) der Deutschen Gesellschaft für Pädiatrische Kardiologie (25.000 Euro).
Weitere Forschungsprojekte
Lebenschancen nach der Operation angeborener Herzfehler: Vergleich zwischen Jugendlichen
und Erwachsenen mit operiertem Herzfehler und Bevölkerungsdaten (Klinische Studie,
multizentrisch)
Projektleiter: Prof. Dr. A. Wessel. Kooperation mit Professor Dr. Siegfried Geyer, Arbeitsbereich Medizinische Soziologie der MHH und Abt. für Pädiatrische Kardiologie und Pädiatrische
Intensivmedizin der Universität Göttingen. Finanzierung: DFG.
Therapie der Sepsis im Kindesalter mit aktiviertem Protein C (Klinische Studie, multizentrisch)
Projektleiter: OA Dr. M. Sasse. Finanzierung: Industrie (Fa. Lilly).
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Evaluation der rechtsventrikulären Funktion mittels Conductance-Technik (Experimentelle und klinische Studie)
Projektleiter: OA Dr. H. Bertram, Dr. C. Beck. Kooperation mit Prof. Kramer, Abt. Kinderkardiologie und Biomedizinische Technik Universität Kiel. Finanzierung: Förderverein
Deutsche Kinderherzzentren St. Augustin.
Biokompatibilität kardiovaskulärer Implantate (Experimentelle Studie)
Projektleiter: OA Dr. H. Bertram. Kooperation mit Medimplant Hannover, Tierärztliche
Hochschule Hannover, und Kinderkardiologie, Universität Göttingen. Finanzierung: Industrie.
Mitwachsende Herzklappen (Experimentelle Studie)
Verantwortlicher Mitarbeiter: OA Dr. D. Böthig. Kooperation mit Prof. A. Haverich (Projektleiter), THG der MHH und Dr. T. Breymann, Abteilung THG der MHH, Leiter des Bereichs
Kinderherzchirurgie. Finanzierung: Fördergemeinschaft Deutscher Kinderherzzentren.
Rekonstruktion des rechtsventrikulären Ausflußtraktes bei Patienten mit kongenitalen
kardialen Fehlbildungen (Klinische/Experimentelle Studie)
Verantwortlicher Mitarbeiter: OA Dr. D. Böthig. Kooperation mit Dr. T. Breymann (Projektleiter), Abteilung THG der MHH, Leiter des Bereichs Kinderherzchirurgie. Finanzierung:
Industrie.
E-Learning für Kinderherzchirurgie
Verantwortlicher Mitarbeiter: OA Dr. D. Böthig. Kooperation mit Dr. T. Breymann (Projektleiter), Abteilung THG der MHH, Leiter des Bereichs Kinderherzchirurgie. Finanzierung:
Preussag-AG.
CD mit multimedialer Illustration von Contegra-Implantationstechniken.
Verantwortlicher Mitarbeiter: OA Dr. D. Böthig. Kooperation mit Dr. T. Breymann (Projektleiter), Abteilung THG der MHH, Leiter des Bereichs Kinderherzchirurgie. Finanzierung:
Fa. Medtronic, Minneapolis, USA.
Prospektive, randomisierte Studie zur Wirksamkeit von inline Filtration bei kritisch
kranken Kindern (Klinische Studie)
Projektleiter: OA Dr. M. Sasse. Finanzierung: Firma PAL und B. Braun.
Auswirkungen von Infusionspartikeln auf menschliche Zelllinien (Experimentelle
Studie)
Verantwortlicher Projektleiter: OA Dr. M. Sasse. Kooperation mit dem Fraunhofer Institut
Hannover, Abt. Immunologie und Allergologie. Finanzierung: Firma PAL und B. Braun.
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Laufende Projekte ohne externe Förderung
Chronische Rechtsherzinsuffizienz (Klinische Studie, multizentrisch)
Projektleiter: Prof. Dr. A. Wessel. Kooperation mit dem Kompetenznetz „Angeborene
Herzfehler“ (Sprecher: Prof. Dr. med. P. Lange, Deutsches Herzzentrum Berlin).
Pulmonale Hypertension (Klinische Studie, multizentrisch)
Projektleiter: OA Dr. H. Bertram. Kooperation mit dem Kompetenznetz „Angeborene
Herzfehler“ (Sprecher: Prof. Dr. med. P. Lange, Deutsches Herzzentrum Berlin).
Nachuntersuchung der Funktion boviner klappentragender Transplantate zur Rekonstruktion des rechtsventrikulären Ausflusstraktes (Klinische Studie)
Projektleiter: OÄ Frau Dr. S. Lohrmann, OA Dr. D. Böthig. Kooperation mit Dr. T. Breymann, Abteilung THG der MHH, Leiter des Bereichs Kinderherzchirurgie.
Langzeitverlauf bei Patienten mit Williams-Beuren-Syndrom (Klinische Studie)
Projektleiter: Prof. Dr. A. Wessel
Molekularkardiologische Untersuchungen zur Embryologie und Genetik von angeborenen
Herzfehlern (Grundlagenforschung)
Projektleiter: OA PD Dr. T.M. Yelbuz. Kooperation mit Dr. T. Breymann, Abteilung THG
der MHH, Leiter des Bereichs Kinderherzchirurgie, und Prof. Dr. J. Borlak, Lehrstuhl für
Pharmako- und Toxikogenomik der MHH und Institut für Toxikologie und experimentelle
Medizin des Fraunhofer Instituts Hannover. Finanzierung: z.Z. Eigenmittel (DFG- bzw.
BMBF-Anträge in Bearbeitung).
Im Aufbau befindliche Projekte (noch) ohne externe Förderung
Einsatz und Weiterentwicklung der Optischen Kohärenztomographie zur Visualisierung
der Herz- und Koronargefässentwicklung (Grundlagenforschung)
Projektleiter: OA PD Dr. T.M. Yelbuz. In Kooperation mit Physikern des Risø National
Laboratoriums, Abteilung Optics und Fluid Dynamics, Roskilde, Dänemark.
Originalpublikationen
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Übersichten
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Kardiol. 2004 Aug;93(8):583-94.
Abstracts
In 2004 wurden 9 Abstracts publiziert.
Habilitationen
PD Dr. med. Talât Mesud Yelbuz: Studien
zur Morphogenese, Funktion und Visualisierung des frühen embryonalen Herzens im
Hinblick auf die Entwicklung konotrunkaler
Herzfehler. („Kinderheilkunde“)
Wissenschaftspreise
PD Dr. med. Talât Mesud Yelbuz: Maximilian-Forschungs-Förderpreis (HERZKIND e.V.)
der Deutschen Gesellschaft für Pädiatrische
Kardiologie OA für Experimentelle Pädiatrische Kardiologie, Leiter der Forschung &
Arbeitsgruppe Embryologie und Molekularbiologie der Herzfehler.
Weitere Tätigkeiten in der Forschung
Prof. Dr. A. Wessel: Vorsitzender der Wissenschaftskommission der Deutschen Gesellschaft für Pädiatrische Kardiologie (DGPK);
Gutachter für die Deutschen Gesellschaft für
Kardiologie - Herz- und Kreislaufforschung
eV. (DGK); Gutachter Zeitschrift für Kardiologie
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