Untersuchungen zur Atherosklerose  bei D374Y-PCSK9-Yucatan-Minipigs als Beitrag für  biomedizinische Forschungsansätze

Zibell, Miriam

Dissertation 2022 CC BY 4.0

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Untersuchungen zur Atherosklerose bei D374Y-PCSK9-Yucatan-Minipigs als Beitrag für biomedizinische Forschungsansätze

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Für die Atheroskleroseforschung ist ein Tiermodell zur Ausprägung fortgeschrittener humanähnlicher Plaques mit einer Gain-of-function-Mutation der Serinprotease Proprotein-Convertase-Subtilisin/Kexin Typ 9 als „D374Y-PCSK9-Yucatan-Minipig“ verfügbar. Bislang liegen nur wenige systematische Studien vor, die Veränderungen innerhalb des kardiovaskulären Systems von diesem Tiermodell in Abhängigkeit von anderen atherosklerotischen Risikofaktoren als einer fett- und cholesterinreichen Ernährung beschreiben. Die Zielsetzung der Studie war deshalb die Untersuchung des Tiermodells in Bezug auf die Ausprägung der Atherosklerose, wenn neben einer atherogenen Diät ein moderat intensives Bewegungstraining durchgeführt wird. Zu diesem Zweck wurden die arteriellen Blutgefäße (Arteria carotis communis, Arcus aortae, Aorta ascendens und descendens) auf mikromorphologische Veränderungen untersucht. Sechs D374Y-PCSK9-Yucatan-Minipigs (♀ 4, ♂ 2) wurden nach dem Zufallsprinzip in eine Kontrollgruppe (G-C, n = 3), die mit einer fett- und cholesterinreichen Diät (zunächst 20 w/w% Fett, 2 w/w% Cholesterin für sechs Monate, erhöht auf 40 w/w% Fett, 4 w/w% Cholesterin für weitere sechs Monate) gefüttert wurden und einer weiteren Gruppe (G-A, n = 3), die zusätzlich zur Diät ein leichtes Laufbandtraining bei Gehgeschwindigkeit (1,7 km, fünfmal pro Woche bei 1,5-4,5 km/h) erhielt, aufgeteilt.

Die fett- und cholesterinreiche Fütterung über zwölf Monate führte sowohl bei Tieren mit einem Bewegungstraining in Form eines forcierten Spaziergangs als auch bei untrainierten Tieren zu stetigen Körpergewichtszunahmen. Es wurde kein signifikanter Effekt auf die Aktivitäten der Leberenzyme AST und AP festgestellt, jedoch stieg die GGT bei den Kontrolltieren an, während ein Bewegungstraining als positiven Effekt einen Anstieg der GGT verhinderte. Der Serumgehalt der Blutlipide (Gesamtcholesterin, LDL-Cholesterin, HDL-Cholesterin und non-HDL-Cholesterin) war tendenziell in beiden Gruppen zwar erhöht, jedoch nicht signifikant unterschiedlich, während die Triglycerid-Konzentrationen unverändert blieben. Dabei machte eine Verdopplung der Anteile der atherogenen Diät einen Unterschied im Blutlipidkonzentrationsprofil aus, da eine Verschiebung der Konzentrationen zugunsten von Tieren mit Bewegungstraining festgestellt wurde. Während sich die Konzentration des HDL erhöhte, blieb die LDL-Konzentration bei Tieren mit induzierter Bewegung konstant und dies lässt auf einen positiven Effekt des Laufbandtrainings auf das Blutlipidprofil schließen.

Alle Tiere entwickelten nach zwölf Monaten initiale Stadien einer Atherosklerose bei Fütterung einer und fett- und cholesterinreichen Diät. Es wurden vergleichbare Atherosklerosestadien innerhalb der untersuchten Arterien detektiert. Dabei waren die atherosklerotischen Ausprägungen der Aortenabschnitte gegenüber der Arteria carotis communis erhöht. In der Mehrzahl waren jedoch keine ausgeprägten komplizierten Läsionen beziehungsweise Fibroatherome nachweisbar. Innerhalb der Aortenabschnitte waren tendenzielle Unterschiede zwischen der trainierten und untrainierten Gruppe zu erkennen. Die Gefäßwanddicken waren bei Tieren mit einem Bewegungstraining für die Aorta ascendens um 18,3 % größer (Median 1633,5 µm; Q1 1465,3; Q3 1726,0) als bei den Kontrolltieren mit ausschließlich Spontanbewegung (Median 1335,1 µm; Q1 950,5; Q3 1404,4) und für die Aorta descendens bei Tieren mit Bewegung um 20,9 % größer (Median 1326,7 µm; Q1 1060,6; Q3 1542,9 µm) als bei den Tieren der Kontrollgruppe (Median 1049,9 µm; Q1 261,8; Q3 1259,0 µm). Die Studie deutet nunmehr darauf hin, dass die körperliche Aktivität als Stressfaktor in Kombination mit einer fett- und cholesterinreichen Diät einen beschleunigten Anstieg der Atheroskleroseentwicklung bei den D374Y-PCSK9-Yucatan-Minipigs verursachen könnte. Daher liegt die Vermutung nahe, dass dieser Stress die bekannten positiven therapeutischen Effekte der körperlichen Aktivität einer reduzierten Atheroskleroseausprägung außer Kraft gesetzt haben könnte.

For atherosclerosis research, an animal model for the expression of advanced human-like plaques with a gain-of-function mutation of the proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 is available as "D374Y-PCSK9-Yucatan-minipig." To date, there are few systematic studies describing changes within the cardiovascular system of this animal model in relation to atherosclerotic risk factors other than a high-fat and high-cholesterol diet. Therefore, the objective of the study was to examine selected arteries of the animals when they received moderate-intensity exercise training over spontaneous exercise in addition to an atherogenic diet. To this end, the arterial blood vessels (carotid artery, arcus aortae, ascending and descending aorta) were examined for micromorphological changes. Six D374Y-PCSK9-Yucatan-minipigs (♀ 4, ♂ 2) were randomly assigned to a control group (G-C, n = 3) fed a high-fat, high-cholesterol diet (initially 20 w/w% fat, 2 w/w% cholesterol for six months, increased to 40 w/w% fat, 4 w/w% cholesterol for another six months) and another group (G-A, n = 3) that received light treadmill training (1.7 km, five times per week) at walking speed (1,5-4,5 km/h) in addition to the diet.

High-fat and high-cholesterol feeding for twelve months resulted in steady body weight gains in both groups. No significant effect was found on the activities of liver enzymes AST and AP, but GGT increased in the control animals, whereas exercise training prevented an increase in GGT as a positive effect. Serum levels of blood lipids cholesterol, LDL, HDL and non-HDL tended to be increased in both groups but were not significantly different, while TG concentrations remained unchanged. Here, doubling the proportions of the atherogenic diet made a difference in the blood lipid concentration profile, as a shift in concentrations in favor of exercise-trained animals was noted. While HDL concentration increased, LDL concentration remained constant in animals with induced exercise. This suggests a positive effect of treadmill training on the blood lipid profile.

All animals developed initial stages of atherosclerosis within all arteries studied after twelve months when fed a high cholesterol and high fat diet. Thereby, the expressions within the aortic segments were increased compared to the common carotid artery. In the majority, no pronounced complicated lesions or fibroatheromas were detectable. Within the aortic sections, there was a difference between the trained and untrained groups. Vessel wall thicknesses were 18.3 % greater in animals with exercise training for the ascending aorta (1633.5 µm median; Q1 1465.3; Q3 1726.0) than in control animals with only spontaneous exercise (1335.1 µm; Q1 950.5; Q3 1404.4) and 20.9 % larger for the descending aorta in animals with motion (1326.7 µm median; Q1 1060.6; Q3 1542.9 µm) than in control animals (1049.9 µm median; Q1 261.8; Q3 1259.0 µm). This study now suggests that physical activity as a stressor may cause an accelerated increase in the development of atherosclerosis in pigs in addition to the HFHC-diet. Therefore, it is reasonable to speculate that this stress may have overridden the known beneficial effects of physical activity on atherosclerosis development.