Neue Screeningmethode: Gefäßschäden früher erkennen im CO₂-Wasserbad

Forschende der Medizinischen Fakultät der Universität Duisburg-Essen und des Universitätsklinikums Düsseldorf haben eine neue, einfache Methode zur Früherkennung von Gefäßerkrankungen entwickelt. Das Verfahren nutzt CO₂-angereichertes Wasser, das die Gefäßerweiterung stimuliert, mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) wird dann die Gefäßreaktion erfasst. Gesunde Blutgefäße erweitern sich schnell, bei Gefäßerkrankungen ist die Reaktion auch schon in frühem Stadium deutlich verlangsamt. Die neue Screeningmethode, abgekürzt NIRS-CO₂, zeigt Gefäßschäden nicht nur viel früher als andere Techniken, sondern ist außerdem das bislang einzige nicht-invasive Verfahren, das die Funktion der inneren Gefäßwand (Endothel) und der glatten Gefäßmuskulatur gleichzeitig messen kann. „Das macht NIRS-CO₂ besonders interessant für die Früherkennung von Gefäßschäden bei Diabetes und Autoimmunerkrankungen, bei denen sowohl Endothel als auch Muskelschicht betroffen sind“, so Prof. Dr. Hideo Baba, Stellv. Direktor des Instituts für Pathologie am Universitätsklinikum Essen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Cardiovascular Research erschienen.

Hintergrund: Ein seit über hundert Jahren genutztes Gas – mit bislang ungeklärtem Wirkmechanismus

CO₂ wird seit über hundert Jahren medizinisch eingesetzt, zum Beispiel in Kurbädern, bei Durchblutungsstörungen und Diabetes sowie in der Intensivmedizin zur Steuerung der Hirndurchblutung nach Verletzungen. Seit Neustem wird CO₂ in sozialen Medien für Hautverjüngung und Narbenbehandlung beworben, ohne dass bislang eine mechanistische Grundlage nachgewiesen war. Die nun veröffentlichte Studie liefert diese Grundlage: Sie zeigt, dass CO₂ drei verschiedene Mechanismen der Gefäßerweiterung gleichzeitig aktiviert.

Kohlenstoffdioxid wirkt auf drei Arten

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftler:innen des Universitätsklinikums Düsseldorf konnten die Autor:innen drei Wirkmechanismen von CO₂ auf die Gefäßwand aufklären:

• Erstens regt CO₂ das Endothel dazu an, den körpereigenen Botenstoff Stickstoffmonoxid (NO) freizusetzen, der die glatte Gefäßmuskulatur entspannt.
• Zweitens öffnet CO₂ spezielle Kaliumkanäle im Endothel (SKCa und IKCa) und wirkt damit wie der endotheliale Hyperpolarisationsfaktor (EDHF).
• Drittens wirkt CO₂ direkt auf die glatte Gefäßmuskulatur, indem es dort elektrische Kanäle aktiviert und die Muskelzellen unabhängig vom Endothel entspannt.

Die Wirkung ist an den Gewebestoffwechsel gekoppelt – vermittelt über vaskuläre Carboanhydrasen. Das erklärt zugleich, warum klinisch zugelassene Carboanhydrase-Hemmer bei Glaukom, Höhenkrankheit und Herzinsuffizienz wirksam sind.

Aufbau der Untersuchung

Der Unterarm der Testperson wird für mehrere Minuten in ein 32°C temperiertes Wasserbad gelegt. Zunächst wird der Ausgangswert ohne zusätzliches CO₂ gemessen, anschließend gegen CO₂-angereichertes Wasser ausgetauscht, das mit einem handelsüblichen Kartuschensystem auf eine Konzentration von etwa 4,2 g CO₂ pro Liter eingestellt wird. Eine NIRS-Sonde am Unterarm erfasst in Echtzeit den Anstieg des oxygenierten Hämoglobins (HbO₂) und den Abfall des desoxygenierten Hämoglobins (HHb) in der Haut. Als Surrogat-Parameter für die Vasodilatationskapazität dient die Time to Intersection (TTI) – die Zeit bis zum Schnittpunkt beider Kurven. „Je kürzer die TTI, desto schneller steigt der HbO₂-Anteil an und desto besser ist die Gefäßerweiterung. Bei Gefäßerkrankungen ist die TTI deutlich verlängert“, erklärt Prof. Dr. Baba.

Messbarer Unterschied – noch bevor Beschwerden auftreten

Menschen mit Risikofaktoren für Atherosklerose – Rauchen, Bluthochdruck, Diabetes, erhöhtes Cholesterin – sowie Patient:innen mit peripherer arterieller Verschlusskrankheit (pAVK) oder koronarer Herzkrankheit (KHK) zeigen in der Studie eine signifikant verlängerte TTI im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen. „Die Geschwindigkeit, mit der die Gefäße auf CO₂ reagieren, ist ein direkter Spiegel der Gesundheit des Gefäßsystems“, so Prof. Baba. „Ein verzögertes Ansprechen ist ein frühes Warnsignal – und zwar bevor Beschwerden auftreten und bevor klassische Verfahren Abweichungen zeigen.“

Überlegenheit gegenüber dem bisherigen Goldstandard

Im direkten Vergleich mit der Flow-Mediated Dilation (FMD) – dem bisherigen klinischen Goldstandard der nicht-invasiven Gefäßfunktionsdiagnostik – zeigte sich NIRS-CO₂ überlegen: Während FMD ausschließlich die Endothelfunktion prüft, erfasst NIRS-CO₂ zusätzlich die Funktion der glatten Gefäßmuskulatur. Diese myogene Komponente ist bei Bluthochdruck, Herzinsuffizienz und pulmonaler Hypertonie häufig gestört und war bisher mit keinem nicht-invasiven Verfahren quantifizierbar. „Wir sehen in NIRS-CO₂ ein besonders vielversprechendes Werkzeug für die Früherkennung von Gefäßschäden bei Diabetes und Autoimmunerkrankungen, zwei Erkrankungsbildern, bei denen sowohl das Endothel als auch die glatte Muskelschicht betroffen sind“, so Prof. Baba.

Ausblick

Die Autor:innen arbeiten derzeit an der Überführung des Laboraufbaus in ein integriertes, bedienerfreundliches Diagnosegerät und an der Vorbereitung einer größeren klinischen Validierungsstudie. Hierfür werden derzeit Fördermittel eingeworben.

Originalpublikation

Duse DA, Schröder NH, Akritidis S, Kälsch J, Möllmann D, Schlattjan M, Hopp J, Mergia E, Lainka M, Schmid KW, Hartmann S, Schaefer CM, Wichmann F, Polzin A, Erkens R, Jung C, Kelm M, Levkau B, Baba HA. Carbon dioxide as a triple vasodilator. Cardiovascular Research
https://academic.oup.c…34/8713800