Exploring the use of cell-free nucleic acids as biomarkers for ex vivo heart function

Abstract

Hart- en vaatziekten zijn wereldwijd doodsoorzaak nummer één en resulteren vaak in hartfalen, waarbij verminderde toevoer van zuurstof naar organen optreedt. Voor patiënten met eindstadium hartfalen blijft harttransplantatie de beste behandeling voor lange-termijn overleving met goede levenskwaliteit. Helaas zijn er meer patiënten die een harttransplantatie nodig hebben, dan beschikbare donorharten. Momenteel worden donorharten op ijs bewaard tot de transplantatie. Deze donorharten moeten binnen vier uur na overlijden getransplanteerd worden, omdat het complicatierisico daarna groot is door ondervonden schade. Om de bewaartijd van donorharten met behoud van hartfunctie te verlengen worden nieuwe bewaringstechnieken ontwikkeld. In dit onderzoek werden varkensharten vier uur bewaard op ijs of in een machine met een daarvoor ontwikkelde vloeistof die door het hart werd gepompt. Koude doorstroming van het hart zorgt, net zoals bewaring op ijs, voor verlaagde energiebehoeften van het hart, maar vermindert ook ophoping van schadelijke stoffen. Deze bewaarmethode staat het toe om hartfunctie indirect te beoordelen via stoffen vrijgekomen in de doorstroomvloeistof. Lactaat is de belangrijkste bepalende factor tijdens machine perfusie voor het kiezen van te gebruiken harten voor transplantatie, omdat dit in eerder onderzoek voorspellend is gebleken voor harttransplantatieuitkomsten. De betrouwbaarheid van lactaat als indicator voor harttransplantatie-uitkomsten wordt nog in twijfel getrokken, dus het is belangrijk dat nieuwe indicatoren worden onderzocht. In dit onderzoek hebben we bestudeerd of cel-vrij DNA en RNA (cf-DNA en cf-RNA), welke voorkomen in de doorstroomvloeistof, gebruikt kunnen worden voor het voorspellen van hartfunctie. Na koude bewaring werden de harten vier uur lang gekoppeld aan een warme perfusiemachine voor hart reperfusie. Hiermee werd de situatie na transplantatie nagebootst en was functionele beoordeling mogelijk. Tijdens koude en warme perfusie werden niveaus van zowel cf-DNA en cf-RNA als andere markers voor hartschade en ontsteking gemeten. Cf-DNA is hoogstwaarschijnlijk afkomstig van stervende cellen. We hebben gekeken cf-DNAniveaus afkomstig uit celkernen of mitochondriën. Dit zijn respectievelijk markers voor algemene cellulaire en mitochondriële schade. Cf-RNA, daarentegen, wordt voornamelijk door levende cellen vrijgelaten. Hierdoor wordt gedacht dat cf-RNA-niveaus de genexpressieprofielen van de cellen die het uitscheiden weerspiegelen. Hiermee kunnen we voorspellen welke cellen het RNA uitscheiden en of die cellen beschadigd zijn. Het onderzoek toonde aan dat totale en mitochondriële cf-DNA niveaus afnamen tijdens koude perfusie en toenamen tijdens warme perfusie, terwijl de nucleaire niveaus redelijk gelijk bleven. We zagen positieve correlatietrends van mitochondriële cf-DNA levels tijdens koude perfusie met lactaat levels tijdens warme perfusie. Ook zagen we negatieve correlatietrends tussen warme perfusie cf-DNA levels en linker atrium druk, wat een maat is voor de voorbelasting van het hart. Het gebrek aan sterke correlaties is verklaarbaar door het minimale verschil van functionele waardes tussen harten van verschillende kwaliteit. We zagen dat hartspiercellen de voornaamste bron waren van cf-RNA en dat biologische processen betrokken in energieproductie en metabolisme verslechterden tijdens zowel koude als warme perfusie. Genregulatie processen en immuunreacties werden opgewerkt tijdens koude en warme perfusie, respectievelijk. Ons onderzoek indiceert dat cf-DNA- en/of cf-RNA levels mogelijk voorspellend zijn voor hartfunctie. Wellicht kunnen therapieën die mitochondriële schade beperken, het energiemetabolisme behouden, en/of een immuunreactie voorkomen, een mogelijke uitkomst bieden om donorharten langer te kunnen bewaren met hart machine perfusie.