Etablierung eines in vivo Meerschweinchenmodells zur Risikostratifizierung medikamenteninduzierter LQT1 anhand von Isofluran, Sevofluran und Droperidol

Abstract

Dem Long-QT Syndrom (LQT) liegt eine Störung kardialer Ionenkanäle zugrunde, welche zu Herzrhythmusstörungen wie auch zum Tod führen können. Das LQT kann sowohl angeboren als auch durch diverse Faktoren wie zum Beispiel durch Medikamente (z. B. Isofluran, Sevofluran, Droperidol) induziert werden. Je nach Art der Dysfunktion der Ionenkanäle können unterschiedliche Subtypen mit verschiedenen klinischen Risiken und Therapieansätzen klassifiziert werden. <i>In vitro</i> Versuche legen nahe, dass unerwünschte Arzneimittelwirkungen ebenfalls subtypspezifisch sein könnten. In dieser Arbeit sollten Grundlagen zur Etablierung des Meerschweinchens als <i>in vivo</i> Tiermodell zur Risikostratifizierung eines medikamenteninduzieren LQT1 geschaffen werden. Die kardiale Repolarisation des Meerschweinchens ähnelt prinzipiell der des Menschen, das EKG dieser Tiere ist jedoch bisher unzureichend beschrieben. Hierzu wurden folgende Versuchsabschnitte durchgeführt: 1. Normwerterhebung: Die Charakterisierung der Normwerte der Erregungsrückbildung des herzgesunden Meerschweinchen-EKGs mittels telemetrischer Messung. Die Evaluierung gängiger QT-Korrekturformeln und ggf. die Entwicklung einer meerschweinchenspezifischen Formel. 2. LQT1-Induktion durch Iso- und Sevofluran im Meerschweinchen. 3. Applikation von Droperidol bei bestehendem LQT1 (durch Sevofluran) zur Überprüfung der Nettowirkung auf die QT-Zeit. EKG-Messungen wurden mittels implantierbarer Telemetriesender oder mittels 3-Kanal-Oberflächen-EKGs durchgeführt. Die Auswertung der Daten wurden mithilfe einer EKG-Auswertungssoftware mit tierspezifischen EKG-Schablonen durchgeführt. Basierend auf 22822 EKG-Komplexen wurden für die Herzfrequenz, die PQ-, QRS, QT_peak- und QT_end-Zeit Normbereiche definiert sowie geläufige QTc-Formel getestet und schließlich eine meerschweinchenspezifische QTc_GPsC-Formel entwickelt. Sowohl durch Isofluran als auch Sevofluran ließ sich konzentrationsabhängig ein LQT induzieren. Durch eine Applikation von Droperidol in neuroleptanalgetischer Dosierung bei bestehendem durch 3%ige Sevoflurannarkose induziertem LQT1 zeigte sich darüber hinaus ein additiver Effekt der QT-Verlängerung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch diese Arbeit mit sechs Wochen alten männlichen Dunkin Hartley Meerschweinchen ein Datenspektrum an QT-Zeiten geschaffen werden konnte, welches in dieser Ausführlichkeit, Form und Aussagekraft zuvor nicht beschrieben wurde. Darüber hinaus konnten im Meerschweinchen durch die verwendeten Medikamente vergleichbare Effekte auf die kardiale Repolarisation wie im Menschen induziert werden. Die vorliegende Arbeit zeigt somit, dass sich das Meerschweinchen prinzipiell gut als <i>in vivo</i> Modell für Untersuchungen zur kardialen Elektrophysiologie eignet. Durch die ausführliche Charakterisierung der kardialen Elektrophysiologie wurden wesentliche Voraussetzungen zur Etablierung des Meerschweinchens als <i>in vivo</i> Tiermodell zur perioperativen Risikostratifizierung geschaffen.

The Long-QT syndrome (LQT) is a disorder of the cardiac ion channels, which might result in arrhythmia with lethal outcome. The LQTs origin can be congenital as well as induced by various factors such as medications (eg. isoflurane, sevoflurane, droperidol). Depending on the the type of disorder, different subtypes can be classified with specific risk factors and therapeutic approaches. <i>In vitro</i> studies suggest that adverse drug reactions may also be subtype specific. Due to generally complex drug effects on cardiac ion channels and relevant limitations of previously used animal models, a prediction of subtype specific effects and a corresponding consequence in the therapeutic area are nearly impossible. The intent of this research is to create prerequisites to establish the guinea pig as an <i>in vivo</i> animal model for risk stratification of drug-induced LQT1. The cardiac repolarization of the guinea pig resembles that of humans. However, the guinea pigs ECG is hitherto inadequately described. For this reason, the following experimental sections have been defined: 1. Standard values: Characterization of the physiological guinea pig ECG. The evaluation of current QT correction formulas and, if necessary, the development of a guinea pig-specific formula. 2. LQT1 induction by iso- and sevoflurane in the guinea pig. 3. Test additional prolonging QT effects using a combined administration of sevoflurane (IK_s blocker) and droperidol. ECG measurements were performed using either implantable telemetry transmitters or 3-channel surfaces ECGs. The data was evaluated using an ECG evaluation software and animal-specific ECG templates. To characterize the physiological guinea pig ECG, the ECG was recorded continuously in 13 Guinea pigs. Based on 22822 ECG complexes, standard values for the heart rate as well as for the PQ, QRS, QT_peak and QT_end interval were detected. Moreover the guinea pig specific QTc_GPsC-formula were developed and tested. Both isoflurane and sevoflurane were able to induce a dose-dependent prolongation of the QT-interval. Furthermore, a combined administration of sevoflurane 3% and high dose droperidol showed an additive effect of QT prolongation. Therefore, for the first time, a detailed characterization of the physiological guinea pig ECG could be developed. In addition to that, comparable drug effects on cardiac repolarization as in humans could be induced in the guinea pig. The present research shows that guinea pigs are generally well suited as <i>in vivo</i> models for cardiac electrophysiology. The detailed characterization of the guinea pigs cardiac electrophysiology provides essential prerequisites for the establishment as an <i>in vivo</i> animal model for perioperative risk assessment.