Microvascular dysfunction in ischemia-reperfusion in cardiac and kidney allografts

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0344-4
Title: Microvascular dysfunction in ischemia-reperfusion in cardiac and kidney allografts
Author: Tuuminen, Raimo
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Institute of Biomedicine
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2014-11-14
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0344-4
http://hdl.handle.net/10138/136332
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Transplant ischemia/reperfusion injury (Tx-IRI) remains among the major clinical challenges in organ transplantation. Tx-IRI may result in deleterious short-term consequences such as primary graft dysfunction and increased immunogenicity of the allograft, both of which enhance the propability for late vascular remodeling and fibroproliferative processes, ultimately leading to untreatable chronic allograft dysfunction and compromised long-term survival. The underlying mechanisms in primary graft dysfunction involve microvascular dysfunction culminating in increased vascular permeability, perfusion defects, and leukocyte infiltration into the allograft, which may lead to pro-inflammatory and pro-fibroproliferative prosesses. The pleiotropic, cholesterol-independent vasculoprotective effects of statins, 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase inhibitors, have been well described. Statins improve microvascular integrity and perfusion through endothelial cell (EC) and pericyte function. Statins attenuate the expression and secretion of angiogenic growth factors and microvascular reactivity at the site of vascular injury. Statins seem to have also anti-inflammatory, -oxidative, and -thrombotic effects. They are widely used for primary and secondary prevention of cardiovascular disease. In the transplant recipients, statin treatment decreases allograft inflammation and vasculopathy and cardiovascular morbidity. However, the therapeutic potential of donor statin treatment against Tx-IRI and microvascular dysfunction remains undelineated. The majority of potential cardiac allograft donors from brain-dead donors do not have previous medical track record of cardiovascular diseases nor statin medication. The heart is especially susceptible to donor brain death that elicits cardiotoxic pro-inflammatory cytokine release, cardiovascular disintegration and poor organ perfusion, which often lead to disqualification of a transplant. On the other hand, shortage of donors and different donor-related factors limit the availability of transplants, and thus lead to the use of organ donors with extended criteria such as older age. Aggressive donor management could not only improve the quality of donated organs, but also expand the donor pool by increasing suitability of donors with extended criteria and thus reduce costs of transplantation affecting e.g. need for inotropic support and stay at intensive care unit. Based on these clinically relevant issues, we chose pharmacological approaches to treat donors to improve allograft resistance to Tx-IRI and primary and and chronic allograft dysfunction. Donor rats without brain death were treated with a single peroral dose of lipophilic simvastatin two hours before heart and kidney removal, which is the clinical time-window to treat a brain-dead organ donor. The cardiac allografts were subjected to 4-h and kidney allografts to 16-h cold-ischemic preservation to mimic clinical situation and transplanted to fully major histocompatibility complex (MHC)-mismatched WF rat recipients. As our current clinical practice includes donor treatment with high dose of methylprednisolone, that modulates inflammatory state after brain death, we also investigated whether combined donor simvastatin and methylprednisolone treatment could be superior to either treatment alone on Tx-IRI and allograft survival. Here, we report that the expression of 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A (HMG-CoA) reductase, a target molecule of statins, was abundant in endothelial cells (ECs) and pericytes of normal hearts as well as in glomerular and peritubular microvascular structures of normal kidneys. Rat cardiac and kidney allograft Tx-IRI resulted in profound microvascular dysfunction; leakage, perfusion defects and increased adhesivity. Donor, but not recipient treatment with peroral single-dose simvastatin two hours before graft procurement inhibited microvascular EC and pericyte RhoA/Rho-associated protein kinase activation and inter-EC gap formation, vascular leakage, the no-reflow phenomenon, danger-associated ligand hyaluronan induction, leukocyte infiltration and myocardial and tubulointersitital injury. In the chronic rejection model, donor simvastatin treatment inhibited cardiac allograft inflammation, TGF-β1 signaling and myocardial fibrosis, vasculopathy and improved long-term allograft survival. Furthermore, donor treatment with a combination of simvastatin and methylprednisolone was superior in the prevention of Tx-IRI and significantly prolonged acute survival of non-immunosuppressed major MHC-mismatched cardiac allograft. In conclusion, donor treatment may target microvascular dysfunction, immunomodulation and the initiation of pro-inflammatory and pro-fibroproliferative pathways in cardiac and kidney allografts subjected to prolonged ischemia time using a protocol relevant for clinical cadaveric transplantation. Minimizing microvascular injury and the activation of innate immunity by combined donor simvastatin and methylprednisolone treatment may offer a novel therapeutic strategy to expand the donor pool and furthermore improve the function of donor organs with extended criteria. We have therefore initiated a randomized clinical trial to investigate the effect of combined donor simvastatin and methylprednisolone treatment as an adjunct therapy on short- and long-term results of cardiac and kidney allografts.YHTEENVETO (FINNISH SUMMARY) Mikrovaskulaari dysfunktio sydän- ja munuaissiirteen iskemia-reperfuusiovauriossa Sydän- ja munuaissiirteiden lyhyt- ja pitkäaikainen eloonjäämisennuste on viime vuosikymmeninä parantunut huomattavasti ja sen vuoksi potilaita listataan sydän- ja munuaissiirtoihin yhä enenevissä määrin. Aikaisemmmin elinluovuttajat olivat nuoria ja terveitä lukuunottamattta aivokuolemaan johtanutta tapahtumaa. Koska elinluovuttajien puute rajoittaa tehtävien elinsiirtojen määrää, elinluovuttajiksi joudutaan hyväksymään yhä iäkkäämpia ja monisairaita potilaista, joita aivokuolema on kohdannut. Kuitenkin, kaikista elinluovuttajista vain 20 40% päätyy sydänluovuttajiksi. Jotta sydänluovuttajien osuutta saataisiin kasvatettua, elinluovuttajien hoitoa tulisi kehittää. Sydänsiirrettä kuormittavat verenkiertosairauden ohella siirteeseen vaikuttavat ei-immunologiset (mm. iskemia-reperfuusiovaurio) ja immunologiset (mm. alloimmuunireaktio) vasteet sekä immunosuppressiivisen lääkityksen sivuvaikutukset. Nämä edesauttavat kroonisen hyljintäreaktion kehittymistä. Pitkäaikaishyljinnän vallitsevina piirteinä ovat sydänsiirteen valtimopuuston kiihtynyt ja diffuusi ahtautuminen, etenevä parenkyymin fibrotisoituminen sekä voimakas tulehdussoluinfiltraatio ja kudosnekroosi. Kylmäsäilytysajan pituus on merkittävimpiä ennustetekijöitä siirteen toimivuudelle. Viime vuosina on selvinnyt, että statiinihoidon sydän- ja verenkiertosairauksiin sairastavuutta ja kuolleisuutta vähentävä teho on selvästi sen kolesterolivälitteisiä vaikutuksia laajempi. Statiinilääkitys liitetään muun immunosuppresiivisen hoidon oheen elinsiirtopotilaille, mikäli heillä ei tätä ennestään ole käytössä. Statiinin on todettu parantavan sydän- ja munuaissiirteiden pitkäaikaisennustetta sekä kolesterolitasoa alentavien että suorien anti-inflammatoristen vaikutusten kautta. Elinsiirteen luovuttajat sitä vastoin ovat usein tapaturmaisesti aivokuolleita, eikä heillä yleensä ole ollut statiinilääkitystä. Tavoitteenamme oli selvittää elinluovuttajan simvastatiinihoidon vaikutusta sydän- ja munuaissiirteiden kylmä- ja lämminsäilytykseen, iskemia-reperfuusiovaurioon ja hyljintäreaktion käynnistymiseen. Koe-eläinmallissamme käytimme maksimaalisesti MHC-kudostyypiltään toisistaan poikkeavia sisäsiittoisia DA ja WF rottakantoja. Altistimme sydänsiirteet 4 tunnin kylmä- ja 1 tunnin lämminsäilytykselle ja munuaissiirteet 16 tunnin kylmä- ja 1 tunnin lämminsäilytykselle. Tutkimuksessa osoitettiin, että elinsiirteen luovuttajan simvastatiinihoidon hyöty perustui pääosin lääkkeen verisuonistoa suojaaviin vaikutuksiin. Kliinisesti soveltuva kerta-annos simvastatiinia annettuna 2 tuntia ennen sydän- ja munuaissiirteen irroitusta esti verisuonien endoteelissa ja perisyyteissä stressisäikeiden muodostusta, endoteeliväliliitosten aukeamista ja verisuonien läpäisevyyden kasvua sekä verisuonien tukisolujen (perisyyttien) supistuvuutta ja kudosperfuusiohäiriöitä. Havaitsimme, että elinluovuttajien simvastatiinilla lääkityissä sydän- ja munuaissiirteissä akuutti sydänlihas- ja tubulusvaurio sekä fibroosia ja tulehdusta välittävien geenien tuotanto oli merkittävästi vähäisempää, mikä heijastui vähentyneeseen sydänsiirteen valtimopuuston ahtautumiseen ja parantuneeseen pitkänaikavälin ennusteeseen. Elinluovuttajan simvastatiini-esilääkityksen yhdistäminen metyyliprednisoloni-esilääkitykseen tarjosi tehokkaan sekä verisuonia suojaavan että tulehdusta rauhoittavan vaikutuksen, mikä heijastui parantuneeseen sydänsiirteiden ennusteeseen akuutin hyljintäreaktion aikana. Koeasetelma vastaa kliinistä sairaalatilannetta, jossa aivokuoleman jälkeen teho-osaston anestesialääkärille tarjoutuu muutaman tunnin aikaikkuna hoitaa elinluovuttajaa ennen elinten irrotusvaihetta. Perustutkimustulosten pohjalta olemme käynnistäneet HUS:n eettisen toimikunnan luvalla kliinisen randomisoidun tutkimuksen, jossa elinsiirteiden luovuttajia esilääkitään vastaavalla koeasetelmalla. Luovuttajan esilääkitys simvastatiinilla tarjoaa lupaavan hoitomahdollisuuden elinsiirtopotilailla ilman elinsiirteen vastaanottajaan kohdistuvia sivuvaikutuksia.SAMMANFATTNING (SWEDISH SUMMARY) Mikrovaskulär dysfunktion i hjärt- och njurtransplantat med ischemia-reperfusion skador Långtidsprognosen för hjärttransplantationer är rätt dålig trots flera framsteg som tagits under de senaste åren. Hjärttransplantaten belastas såväl av blodomloppssjukdomar, immunförsvar-relaterade (bl.a alloimmun-reaktioner) och -orelaterade (bl.a sk. ischemia-reperfusion skador) reaktioner såsom biverkningar förorsakade av immunosuppressiv medicinering. Dessa faktorer befrämjar utveklingen av en kronisk lågtidsrejektionsreaktion som karakterisesras av artärgrenarnas accelererade förträngning i transplantatet. Kylförvarning är en av de viktigaste enskilda prognosfaktorena för funktionen av transplantatet. Under de senaste åren har det påvisats att statiner förbättrar prognosen för hjärt- och njurtranslantationer, både via sin nedsättande effekt på kolesterolmetabolin och via sin anti-inflammatoriska påverkan. Statinmedicinering har tillämpats vid behandlingen av transplantationspatienter vid sidan om den immunosuppressiva medicineringen. Organdonorerna å andra sidan, är i allmänhet friska individer som blivit hjärndöda på grund av olycksfall, och därmed saknar ofta föregående statinmedicinering. Vårt mål var att utreda simvastatin-behandlingens inverkan på hjärt- och njurtransplantatens kall- och varmförvarning, iskemia-reperfusion samt initiering av rejektionsreaktionen. I vår försökskonstellation användes råttan som modell för hjärt- och njurtransplantationer. Hjärttransplantat utsattes för 4 timmars kall- och 1 timme varmförvaring medan njurtransplantat utsattes för 16 och 1 timme, respektive förvarningstyp. Resultaten påvisar att nyttan med transplantatdonorens statin förbehandling grundar sig främst på statinets skyddande inverkan på blodådrorna. Den kliniskt anpassade engångsdosen för simvastatin, 2h före lösgörning av hjärt- och njur transplantaten, förhindrade bildningen av stressfibrer i blodådrornas endotelceller, öppningen av endotelfogarna, ökning av blodådrornas permeabilitet samt perisytkontraktilitet och förstörningar i vävnadsperfusion. Våra resultat påvisar att simvastatin förbehandling av hjärt- och njurtransplantat, leder till en nedreglerad expression av gener som styr bildningen av fibros och inflammatonsreaktion, nedsatt förträngning av artärgrenar i hjärttransplaten och en förbättrad prognos för långtidsrejektioner. Då transplantatdonorens simvastatinförbehandling kombineras med en metylprednisolonförbehandling, uppnås en effekt som både skyddar blodådror och lindrar inflammationsreaktioner, och därmed förbättrar hjärttransplantatets prognos under en akut rejektion. Vår försökskonstellation motsvarar verkligheten i och med att i fall av patientens hjärndöd, kan förmedicinering tillämpas på donoren före lösgöring av transplantatet. Resultaten som uppnåtts genom denna basforskningen har tillämpats vid HUS till att starta ett kliniskt randomiserat försök, där transplantatdonorer förmedicineras i enlighet med vår forskningskonstellation. Simvastatin förmedicinering utgör ett lovande vårdalternativ, utan belastande biverkningar på transplantatacceptorn.
Subject: transplantaatioimmunologia, Patologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
microvas.pdf 5.177Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record