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 MHH Forschungsbericht 2004 199 KINDERHEILKUNDE,HUMANGENETIK UND DERMATOLOGIE 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 200 MHH Forschungsbericht 2004 KINDERHEILKUNDE,HUMANGENETIK UND DERMATOLOGIE 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 MHH Forschungsbericht 2004 201 KINDERHEILKUNDE,HUMANGENETIK UND DERMATOLOGIE „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 202 MHH Forschungsbericht 2004 KINDERHEILKUNDE,HUMANGENETIK UND DERMATOLOGIE 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). MHH Forschungsbericht 2004 203 KINDERHEILKUNDE,HUMANGENETIK UND DERMATOLOGIE 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. 204 MHH Forschungsbericht 2004 KINDERHEILKUNDE,HUMANGENETIK UND DERMATOLOGIE 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 Beierlein W, Freitag HP, Salehi-Gilani S, Kaulitz R, Pietsch B, Luhmer I, Hofbeck M, Ziemer G. Excision of the coronary orifices in arterial switch operation: „O“ like obst- MHH Forschungsbericht 2004 ructive and „U“ like unobstructive? Thorac Cardiovasc Surg. 2004 Jun;52(3):169-73. Boethig D, Breymann T. 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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 207