Die Rolle der Aktivierung des renalen sympathischen Nervensystems auf die Entwicklung eines atrialen proarrhythmischen Substrates in einem hypertensiven Rattenmodell mit chronischer Niereninsuffizienz

Abstract

1 Zusammenfassung Die arterielle Hypertonie und die chronische Nierenerkrankung (CKD) sind durch gemeinsame Risikofaktoren und pathophysiologische Vorgänge eng miteinander verbundene Erkrankungen. Dabei führt die arterielle Hypertonie wie die chronische Nierenerkrankung zu einer Überaktivität des sympathischen Nervensystems. Diese erhöhte sympathische Aktivität spielt eine relevante Rolle bei der Entstehung von Vorhofflimmern und erhöht durch strukturelle, biochemische und elektrische Remodeling-Vorgänge die Inzidenz atrialer Arrhythmien. Aufgrund weltweit hoher Prävalenz der betrachteten Erkrankungen und einem gesteigerten Einfluss auf Morbidität und Mortalität war das Ziel dieses experimentellen Modells der kardiovaskulären Komorbiditäten bei CKD, den Einfluss der Aktivierung des renalen sympathischen Nervensystems auf die Entwicklung eines atrialen proarrhythmischen Substrates in einem Hypertensiven Rattenmodel mit CKD eingehend zu untersuchen. Methoden: Männliche Spontan Hypertensive Ratten (SHR) erhielten für insgesamt 16 Wochen ausschließlich 0,25 % Adenin-haltiges Spezialfutter, um eine CKD zu induzieren. Nach vier Wochen Fütterung mit Adenin-Futter erfolgte bei der Hälfte der Tiere (n=4) eine beidseitige renale Denervation zur Modulation des sympathischen Nervensystems (Ad+RDN: Interventionsgruppe). Die verbleibenden SHR (n=4) wurden einer Sham-Operation unterzogen (Ad). Als Kontrolltiere (Ko) dienten vier SHR, welche mit einer normalen Haltungsdiät ernährt wurden und nach vier Wochen einer Sham-operation unterzogen wurden. Die Entwicklung des Blutdrucks über den Versuchszeitraum wurden wöchentlich mittels Katheter-basierter Telemetrie durchgeführt. Zur Überprüfung der Nierenparameter wurde alle zwei Wochen die Konzentration von Kreatinin und Harnstoff jeweils im Serum und Urin erfasst. Zur Bestimmung des elektrischen Remodelings wurden EKG-Aufzeichnungen verwendet. Zur Erfassung des strukturellen und biochemischen Remodelings wurde nach 16 Wochen das Gewebe von Niere und Herz mittels Western Blots, Polymerase-Kettenreaktion und Gewebe-Histologie untersucht. Ergebnisse: Die Fütterung mit 0,25 % Adenin-haltigem Spezialfutter führte zu Versuchsende hin zu deutlich erhöhten Plasma Harnstoff und Kreatinin Werten im Vergleich zur Kontrolle, was auf die Ausbildung einer Nierenschädigung schließen lässt. Diese Adenin-induzierte Nephropathie war mit einer erhöhten renalen Expression der Xanthin-Oxidase, der Häm-Oxigenase 1 (HO-1) sowie reduzierten Katalase-Level assoziiert, was auf eine schwere Schädigung der Nieren schließen lässt. Die renale Denervation führte in den Adenin-gefütterten Tieren zu keiner Verbesserung dieser Nierenparameter. In Adenin-gefütterten Tieren führte eine renal Denervation zu einem deutlich reduzierten renalen Norepinephrin-Gehalt (Ad: 89,47±16,06 ng/mg vs. Ad+RDN: 29,08±13,31 ng/mg, p=0,007) als auch zu einer 2 verringerten Expression der renalen Tyrosin-Hydroxylase (TH) (Ad: 1,53±0,26 IOD/GAPDH vs. Ad+RDN: 0,73±0,26 IOD/GAPDH, p=0,05). Der mittlere arterielle Druck und die Herzfrequenz blieben trotz bestehender Niereninsuffizienz auf dem Niveau der SHR-Kontrollgruppe. Die Auswirkung der chronischen Nierenerkrankung auf das pro-arrhythmische atriale Remodeling zeigte sich in Form einer deutlich erhöhten interstitiellen Fibrose im linken Vorhof der Adenin-Gruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe (Ad: 12,82±2,87 % vs. Ko: 6,1±0,75 %, p=0,06), einer erhöhten Anzahl atrialer TH-positiver Zellen (Ad: 10,19±1,18 vs. Ko: 4,69±0,23, p=0,01) und einer verlängerter P-Wellen Dauer (Ad: 29,6±1,9 ms vs. Ko: 25,7±0,7 ms, p=0,13). Die renale Denervation führte in den Adenin-gefütterten Tieren zu einer numerischen, aber nicht signifikanten Reduktion der links atrialen interstitiellen Fibrose (Ad+RDN: 8,80±1,29%, p=0,99 vs. Ad), einer verringerten Anzahl an TH-positiven Zellen (Ad+RDN: 6,87±0,89, p=0,42 vs. Ad) und einer Tendenz zur Verkürzung der P-Welle (Ad+RDN: 27,0±0,4 ms, p=0,99 vs. Ad). Das strukturelle und elektrische Remodeling des Vorhofs war unabhängig von Veränderungen des linken Ventrikels. Hier konnten kein Einfluss einer CKD auf Herzgewicht, den linksventrikulären Kardiomyozyten Diameter, die linksventrikuläre BNP-Expression oder die linksventrikuläre interstitielle Fibrose im Vergleich zur SHR-Kontrolle festgestellt werden. Fazit: Die Adenin-induzierte Nephropathie führte in spontan hypertensiven Ratten zu einer Zunahme der interstitiellen atrialen Fibrose, einer vermehrten sympathischen Innervation des linken Vorhofs und einer Verlängerung der P-Welle. Demnach begünstigt eine Nierenerkrankung die Ausbildung eines pro-arrhythmischen Substrates im Vorhof hypertensiver Ratten. In Adenin-gefütterten SHR führte eine renale Denervation zu erniedrigten Norepinephrin-Konzentrationen und reduzierter TH-Expression in den Nieren. Diese Modulation des sympathischen Nervensystems war verbunden mit einer numerisch deutlich erniedrigten Fibrotisierung, einer verminderten Anzahl an TH-positiven Zellen im linken Vorhof und einer tendenziellen Verkürzung der P-Welle. Demzufolge könnte die renale Denervation bei Bluthochdruck-Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz das Auftreten von Vorhofflimmern reduzieren.

2 Abstract Arterial hypertension and chronic kidney disease (CKD) are closely linked diseases due to shared risk factors and pathophysiological processes. Arterial hypertension, like chronic kidney disease, leads to overactivity of the sympathetic nervous system. This increased sympathetic activity plays a relevant role in the development of atrial fibrillation and increases the incidence of atrial arrhythmias through structural, biochemical and electrical remodeling processes. Due to the worldwide high prevalence of these two conditions and an increased impact on morbidity and mortality, the aim of this experimental model of cardiovascular comorbidities in CKD was to investigate the influence of renal sympathetic nervous system activation on the development of an atrial proarrhythmic substrate in a hypertensive rat model with CKD. Methods: Male spontaneously hypertensive rats (SHR) were exclusively fed a 0.25% adenine-containing diet for a total of 16 weeks to induce CKD. After four weeks, half of the animals (n=4) underwent bilateral renal denervation to modulate the sympathetic nervous system (Ad+RDN: intervention group). The remaining adenine-fed SHR (n=4) underwent sham surgery (Ad). Four SHR, which were fed a normal standard diet and underwent sham surgery, served as control animals (Ko). The development of blood pressure over the experimental period was monitored weekly using catheter-based telemetry. The concentration of creatinine and urea in serum and urine was recorded every two weeks to validate kidney function. ECG recordings were used to determine electrical remodeling. To determine structural and biochemical remodeling, kidney and heart tissue was examined after 16 weeks using western blots, polymerase chain reaction and tissue histology. Results: Feeding 0.25 % adenine-containing diet led to significantly increased plasma urea and creatinine levels after 16 weeks compared to the control, indicating the development of renal damage. This adenine-induced nephropathy was associated with increased renal expression of xanthine oxidase, heme oxigenase 1 (HO-1) and reduced catalase levels, indicating severe renal injury. Renal denervation did not improve these renal parameters in the adenine-fed animals. Renal denervation resulted in significantly reduced renal norepinephrine levels in adenine-fed animals (Ad: 89.47±16.06 ng/mg vs. Ad+RDN: 29.08±13.31 ng/mg, p=0.007) as well as a reduced expression of renal tyrosine hydroxylase (TH) (Ad: 1.53±0.26 IOD/GAPDH vs. Ad+RDN: 0.73±0.26 IOD/GAPDH, p=0.05). Mean arterial pressure and heart rate remained at the level of the SHR control group despite the presence of renal dysfunction. In SHR, 16 weeks of adenine-induced CKD was associated with significantly increased interstitial fibrosis in the left atrium compared to the control group (Ad: 12.82±2.87 % vs. Ko: 6.1±0.75 %, p=0.06), an increased number of atrial TH-positive cells (Ad: 10.19±1.18 vs. Ko: 4.69±0.23, p=0.01) and a prolonged P-wave duration (Ad: 29.6±1.9 ms vs. Ko: 25.7±0.7 ms, 4 p=0.13). In the adenine-fed animals, renal denervation resulted in a numerical but not significant reduction in left atrial interstitial fibrosis (Ad+RDN: 8.80±1.29%, p=0.99 vs. Ad), a reduced number of left atrial TH-positive cells (Ad+RDN: 6.87±0.89, p=0.42 vs. Ad) and a tendency to shorten the P-wave (Ad+RDN: 27.0±0.4 ms, p=0.99 vs. Ad). The structural and electrical remodeling of the atrium was independent of changes in the left ventricle. Here, no influence of CKD on heart weight, left ventricular cardiomyocyte diameter, left ventricular BNP expression or left ventricular interstitial fibrosis could be detected compared to SHR control. Conclusion: In spontaneously hypertensive rats, adenine-induced nephropathy led to an increase in interstitial left atrial fibrosis, increased sympathetic innervation and prolongation of the P wave. Thus, renal disease favors the development of a pro-arrhythmic substrate in the atrium of hypertensive rats. In adenine-fed SHR, renal denervation led to decreased norepinephrine concentrations and reduced TH expression in the kidneys. This modulation of the sympathetic nervous system was associated with a numerically significantly decreased fibrosis formation, a reduced number of TH-positive cells in the left atrium and a tendency to shorten the P-wave. Consequently, renal denervation could be therapy option to reduce the burden of atrial fibrillation in hypertensive patients with CKD.