Massive rezidivierende Lungenembolien beim Hund ohne pulmonale Hypertonie

Res Exp Med (Bed) 177, 43-52 (1980)

Research in

Experimental Medicine © Springer-Verlag 1980

Massive rezidivierende Lungenembolien beim Hund ohne pulmonale Hypertonie

J. Schneider 1, I. Seidl, W. H. Weihe, O: M. Hess und H. P. Krayenbiihl

11nstitut ftir Pathologie (Prof. Dr, Chr. Hedinger, Dr. J. R. RiJttner), Biologisches Zentrallaboratorium (Dr. W. H. Weihe) und Medizinische Poliklinik des Departments fiir Innere Medizin (Prof. Dr. W. Siegenthaler) des Universit~itsspitals Ziirich, CH-8091 Zfirich, Schweiz

Massive Pulmonary Embolism in Dogs Without Pulmonary Hypertension

Summary. Copolymer granules (diameter 35-300 lain) were injected i.v. in 10 dogs to produce pulmonary hypertension. Not in a single dog, however, pulmonary pressure arose permanently, though up to 15g of granules had been embolized over several months. Histological examination of the lung revealed that the granules are situated mainly outside the arteries. Necrotizing arteritis destroys the vessel wall and allows the emboli to leave the lumen. Abundant granulation tissue prevents severe hemorrhage. The inflammatory process decreases after months, leaving the vessel wall patent and free of emboli.

Key words: Pulmonary embolism - Copolymer granules - Dog - Pulmonary hypertension - Arteriitis

Zusammenfassung. Mit dem Ziel, eine pulmonale Hypertonie zu erzeugen, wurden 10 Hunden Kopolymer-Kiigelchen (Durchmesser 35-3001.tm) i.v. injiziert. Obwohl fiber Monate hinweg bis zu 15g Granulate embolisiert wurden, stieg bei keinem Tier der Druck im kleinen Kreislauf dauerhaft an. Die histologische Untersuchung der Lunge ergab, dab die Kfigelchen nach kurzer Zeit vorwiegend extravasal liegen. Eine nektrotisierende Entzfindung zerst6rt die Arterienwand und erlaubt den Kiigelchen, das Gef~B zu verlassen. Das entziindliche Granulationsgewebe verhindert eine wesentliche Blutung. Die Entzfindung klingt nach einigen Monaten ab und hinterlfi6t ein freies und intaktes Geffi6.

SehliisselwSrter: Lungenembolie - Kopolymergranulate - Hund - pulmonale Hypertonie - Arteriitis

In einer vorausgegangenen Serie yon Experimenten an Hunden zur Erzeugung einer Rechtshypertrophie des Herzens war unter anderem die Verlegung der kleinen Lungengef~i6e durch wiederholte Injektionen tolerierbarer Mengen aufge-

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s chwemmter G r a n u l a t e von K o p o l y m e r versucht worden. Tro tz A u s d e h n u n g der Versuche fiber mehrere Wochen hinweg gelang es nicht, einen Druckans t i eg im kleinen Kre i s lauf zu erzeugen (Hess et al., in Vorbere i tung) . Es e rhob sich deshalb die Frage , ob die Hunde lunge die Ffihigkeit zur A b s o n d e r u n g der G r a n u l a besitzt , Die ext rem hohe Belas tbarke i t der Hunde lunge bei Luf t in jek t ionen legte eine derar t ige exkre tor ische F u n k t i o n nahe.

Zur Prtffung der Frage , ob die Hunde lunge Kuns t s to f fg ranu la abscheiden kann, soll ten H u n d e n m6gl ichs t grol3e Mengen G r a n u l a i.v. in regelm~igigen Abst f inden injiziert und anschl iegend die Lungen h i s topa tho log isch untersucht werden, f i be r die Ergebnisse dieser Un te r suchung wird nachfo lgend berichtet .

Material und Methoden

Verwendet wurden mfinnliche und weibliche Sennenbastard-Hunde, die nach einer drei- w6chigen Vorbereitungsperiode mit Quarantfine unter standardisierten Bedingungen in Einzel- kgfigen mit 2-3 h Bewegung in Gemeinschaftsausl~iufen gehalten wurden. Das Gewicht der Tiere bei Versuchsbeginn betrug durchschnittlich 24,0 kg (zwischen 20 und 27 kg). Die Tiere erhielten i.v. jeweils vormittags mehrere Stunden vor dem Ffittern steigende Mengen einer 2 g% Aufschwemmung von Kopolymergranulat in physiologischer Kochsalzl6sung mit Gummi arabicum-Zusatz zur Viskositfitserh6hung. Pro Woche wurden 2-3 Injektionen gegeben. Die Injektionszeit ffir 20 ml betrug 3 min. Pro Woche erhielt jedes Tier 2-3 Injektionen. Infolge Auftretens von Beschwerden, Atemnot mit Tachykardie nach der Injektion und Futterver- weigerung, wurde der Abstand zwischen den Injektionen um einige Tage ausgedehnt.

Wfihrend der Behandlungszeit wurde der Druck in der rechten Herzkammer ein bis mehr- reals gemessen. Die fSbersicht fiber die Behandlungsdauer gibt Tabelle 1. Nach Abschlug der Behandlung, die im l~ingsten Fall 222 Tage betrug, wurden die Tiere mit T61 eingeschlfifert und anschliegend Herz und Lungen entfernt und in 4% Formalin fixiert.

Bei den Herzen begnfigten wir uns mit der Bestimmung des Ventrikelquotienten nach der Methode yon Fulton [2].

Aus jedem Lungenlappen wurden subpleurale Stficke von 2/3 cm Fl~che und 0,5 cm Dicke entnommen und in fiblicher Weise zu Paraffinschnitten verarbeitet. Meistens begnfigten wir uns mit Hfimatoxylin-Eosin und van Gieson-Elastin-Ffirbungen. In einzelnen F~illen ffihrten wir zus~itzlich eine Berlinerblau-Reaktion durch. Die Schnitte wurden lichtmikroskopisch quanti- tativ und qualitativ beurteilt.

Quantitative Auswertung der Lungenschnitte: Mit einem Planimeter MOP-AMO3 (Kon- tron) wurde der Fl~ichenanteil der Kfigelchen an der Gesamtschnittflfiche gemessen. Von jedem Tier wurden drei Schnitte aus verschiedenen Lungenlappen beurteilt, in jedem Schnitt 19 quadratische Felder gemessen und daraus der Mittelwert errechnet. Qualitative Auswertung der Lungenschnitte: Anhand der gleichen und zum Teil zusfitzlicher Schnitte wurde versucht die Frage zu beantworten, wo die Kfigelchen liegen und wie das Gewebe auf ihre Anwesenheit reagiert.

Resultate

Funktionelle Befunde

Die Versuche waren d a r a u f angelegt , eine pu lmona le Hype r ton i e zu erzeugen. Die Drucke in der rechten H e r z k a m m e r normal i s ie r ten sich aber bei allen Tieren schon wenige Minu ten nach der In jekt ion .

Lungenembolien beim Hund 45

Abb. 1. Graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Gesamt- menge tier injizierten Kopolymer- granulate in Gramm (Abszisse) und dem Volumenanteil der Ktigelchen in Prozent des Lungengewebes (Ordinate)

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Tabelle 1. Gegenfiberstellung der Applikationsdaten und der histologischen Ver~inderungen

Applikation Histologie

KOgelchen Zeit (Tage) quantitativ qualitativ

Gesamt Anzahl Applik. Interv. Kiigelchen Gewebs- Menge Injekt. Dauer bis Tod F 1 / i c h e n Durchmesser reaktion

g % gm

1 0,8 2 2 0,3 0,21 +0,70 200 + 150 (intravasal)

2 3,6 9 48 1 0,36-+ 0,53 200_+ 70 entzt~ndlich

3 4,2 11 38 1 1,09 _+ 1,20 90 _+ 40 entzt~ndlich

4 5,1 9 20 198 1,03 _+ 0,77 42_+ 20 blande

5 5,2 16 85 1 0,3 _+0,81 200_+ 60 entzfindlich

6 9,5 24 120 124 4,9 _+3,02 73_+ 30 blande

7 9,6 24 129 7 0,86 _+ 0,97 78 _+ 30 entzfindlich

8 10,3 25 154 73 1,64_+ 1,03 67 _+ 30 gemischt

9 10,4 26 121 123 5,14_+2,53 52_+ 40 blande

10 14,4 36 222 125 6,94 _+ 3,06 50 _+ 20 blande

Morphologische Befunde

Herz . Die Ventrikelquotienten aller Herzen waren im Normbereich.

Lunge. Quanti tat ive Beurteilung: Die histologischen MeBwerte sind in Tabelle 1 den Appl ikat ionsdaten gegentibergestellt. Die zugeftihrte Granula tmenge korre- liert gut mit dem im Lungengewebe nachgewiesenen und als Flfichenprozent aus- gedrt~ckten Kfigelchenvolumen ( r= 0,81) (Abb. 1).

Qualitative Beurteilung: Uberraschenderweise liegen die Kt~gelchen nur bei H u n d 1 in den kleinen muskutfiren Arterien und Arteriolen; in allen anderen F/illen finden wir sie augerhalb der Blutbahn, h/iufig in Grfippchen von 3-5 Kagelchen gleichm/iBig t~ber die Schnittfl~iche verteilt und kleineren Arterien/isten angelagert (Abb. 2). Die mittlere Kt~gelchendurchmesser schwankt zwischen 40 und 200 gm; der Durchmesser der umlagerten Geffige ist etwas kleiner.

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Abb. 2. Vier Monate nach Injektion yon Kopolymergranulaten liegen die Ktigelchen nahezu reaktionslos neben den Arterien (Hund 9, vG-E1, 125 x)

Abb. 3. Wfihrend der ersten Wochen nach Injektion der Kunststoffgranulate kennzeichnet eine massive nekrotisierende Entz~ndung die Austrittsstelle der Emboli (Hund 2, vG-E1, 125 x)

Lungenembolien beim Hund 47

Abb. 4. St~rkere Vergr61~erung von Abb. 3: Durch die nekrotisierende Entzt~ndung wird die Arterienwand so gesch~idigt, dab die Kiigelchen austreten k6nnen. Das Granulationsgewebe verhindert eine gr6gere Blutung (Hund 2, vG-EI, 300 x)

Abb. 5. Sieben Wochen nach Beginn der Embolisierung fibertrifft der Durchmesser der entzfmd- lichen Granulome den Durchmesser der Kiigelchen bei weitem (Hund 2, vG-EI, 30 x)

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Abb. 6. Kleine Eisendepots verraten auch nach abgeklungener Entziindungsreaktion die Aus- trittsstelle der Kiigelchen (Hund 3, Berlinerblau, 125 x)

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Abb. 7. Einzelne KiXgelchen gelangen in die Alveolen. Sie werden von Alveolarphagozyten um- schlossen und wahrscheinlich zum Teil tiber die Luftwege eliminiert (Hund 7, vG-EI, 300 x)

Lungenembolien beim Hund 49

Grob gesehen lassen sich zwei unterschiedliche Gewebsreaktionen auf die Kfigelchen unterscheiden, eine entzfindliche und eine blande.

Die entzfindliche Reaktion: Eine massive nekrotisierende oder granulomat6se Entz~indung kennzeichnet die Austrittsstelle der Kopolymergranula. Die Arterien- wand wird zerst6rt, kleine Blutungen treten auf. Die Lichtung der Gef~iBe ist eingeengt oder thrombosiert. In anderen F~tllen gleicht die Entzfindung mehr einer FremdkSrperreaktion mit Makrophagen und Riesenzellen. Der Durchmesser des entztindlichen Infiltrates kann den Durchmesser der Kfigelchen um ein Vielfaches tibertreffen (Abb. 3-5).

Bei den F~llen mit blander Reaktion liegen die Kagelchen nahezu reaktionslos neben den GeffiBen. Wo einzelne noch etwas in die Lichtung vorspringen, sind sie von Endothel fiberdeckt. Auch in diesen Ffillen finden wir in der Umgebung der Kt~gelchen kleine Eisendepots als Residuen abgelaufener Blutungen (Abb. 6). Nur ausnahmsweise liegen einzelne Ktigelchen in den Lichtungen der Alveolen und werden umringt von Alveolarmakrophagen (Abb. 7).

Diskussion

Warum ftihrt eine so massive Verlegung der Lungenarterien durch wiederholte Injektionen aufgeschwemmter Kopolymergranulate nicht zu einer pulmonalen Hypertonie?

Die quantitative Analyse zeigt eindeutig, dab die Kiigelchen in der Lunge liegen. Bei Hund 10 machen die Granulate 7% des Lungenvolumens aus. Aber mit Ausnahme des noch am Tag der Injektion gestorbenen Hundes 1 liegen die Kfigelchen nicht mehr intravasal; sie mfissen die Blutbahn verlassen haben. Wie ist das mSglich?

Das Lungengewebe reagiert scheinbar uneinheitlich auf die Fremdk6rper. Einerseits finden wir massive granulomat6se Entztindungen um die ausgetretenen Kfigelchen, wfihrend sie in anderen Tieren reaktionslos neben den Gef~igen liegen. Setzen wir das Zeitintervall zwischen der letzten Injektion und dem Tod der Tiere mit der Reaktionsform des Lungengewebes in Beziehung, ergibt sich eine klare Abh~tngigkeit (Abb. 8). Die entzfindliche Reaktion kennzeichnet die Frfihphase, den Austritt der Kfigelchen aus der Blutbahn. Vier Monate nach der letzten Injektion ist diese Entzfindung in allen F~illen abgeklungen, die Ki)gelchen liegen jetzt reaktionslos neben den GeffiBen. Es handelt sich also nicht um unter- schiedliche Reaktionsformen, sondern um verschiedene Stadien des gleichen Prozesses.

Diese Beobachtungen erlauben den Schlug, dab die Kiigelchen am Ort, wo sie steckenbleiben, eine akute nekrotisierende Arteriitis ausl6sen (Abb. 4). Diese Ent- zfindung schfidigt die Arterienwand so, dab die Ktigelchen austreten k6nnen. Das entzfindliche Granulationsgewebe verhindert eine wesentliche Blutung. Nach 2-3 Monaten klingt die entzfindliche Reaktion ab. In den meisten Ffillen wird das GeffiB rekanalisiert. Dieser Ablauf wird in Abb. 9 schematisch dargestellt. Einzelne Kfigelchen gelangen in die Alveolen und werden fiber die Luftwege eliminiert (Abb. 7). Mengenm~tBig ffillt dieser Mechanismus aber nicht ins Gewicht, wie die quantitative Analyse zeigt.

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Abb. 8. Darstellung der zeitlichen Abhfingigkeit der Gewebsreaktion: Eine entzfindliche Frfih- reaktion l~i6t sich klar yon einer blanden Spfitreaktion unterscheiden

Abb.9. Schematische Darstellung des Austrittsmechanismus: (1) Das Kiigelchen bleibt im peripheren Strombett als Embolus stecken. (2) Es 16st an der Druckstelle eine nekrotisierende Entziindung aus. (3) Die Geffigwand gibt nach, und das Kfigelchen wandert ins Interstitium. Das Granulationsgewebe verhindert eine gr66ere Blutung. (4) Das Strombett wird rekanalisiert

Gilbert et al. [4] gelang es 1968 durch wiederholte Luf tembol ien dauerhafte pu lmona le Hyper ton ien zu erzeugen. Er n immt an, dab beim H u n d mindestens 50% des arteriellen Strombettes verlegt sein miissen, damit der Widers tand so stark ansteigt, dab eine pu lmonale Hyper tonie entsteht. Trifft dies zu, ist es nicht verwunderl ich, dab unsere Hunde keinen Hochdruck entwickelt haben. Wohl

Lungenembotien beim Hund 51

sind in den Ffillen mit den grogen Injektionsmengen nahezu alle Arterienfiste von Kfigelchen umgeben, d. h. sie sind einmal verschlossen gewesen, aber wahrschein- lich nie gent~gend viele zum selben Zeitpunkt.

Die Unm6glichkeit, mit dieser Methode eine dauerhafte pulmonale Hyper- tonie zu erzeugen, liegt darin, dab einerseit~ die einmalige Injektionsmenge durch die Leistungsf~ihigkeit der rechten Herzkammer begrenzt wird (Weidmann et al. [8] beschreiben Rechtsherzversagen, wenn der akute Druckanstieg w~ihrend der Injektion 70mm Hg systolisch fiberschritten hat), anderseits die kleinen akut tolerierten KSgelchenmengen innert wenigen Tagen aus der Blutbahn eliminiert werden, ohne dab dadurch das Gef~igsystem wesentlich bleibend geschfidigt wfirde. Das Narbengewebe ist so minimal, dab selbst bei Hund 10, bei dem 7% des Lungenvolumens durch Kfigelchen eingenommen werden, keine Funktions- st6rung auftritt, die fiber die Hypoventilation den Druck im kleinen Kreislauf erh6hen wt~rde. 1963 haben Weidmann et al. [8] ein fihnliches Experiment be- schrieben. Die Autoren injizierten Akrylatkfigelchen (Q 40-200 gm) in die Lungenarterien. W~ihrend der Injektion stieg der Druck wohl auf 70mm Hg systolisch an, normalisierte sich aber bei allen Hunden innerhalb einer Woche. Im Gegensatz zu unseren Beobachtungen finden sie die Kt~gelchen noch nach Wochen intravasal. Es f~illt den Autoren daher schwerer, eine Erklfirung ffir die Normalisierung des Druckes zu finden; sie diskutieren verschiedene Mechanis- men, wie initialer Vasospasmus, der allm~ihlich abklingt, oder Er6ffnung vorher nicht bentitzter Gef~il3abschnitte. In unserem Fall ist die Erkl~irung einfacher. Die Granulate haben die Arterien verlassen, die Strombahn ist wieder frei, der Druck normal.

Dagegen gelang es 1958 Kittle et al. [5], eine dauerhaftere pulmonale Hyper- tonie zu erzeugen. Sie injizierten Karborundum-Partikel, die eine granulomat6se Reaktion ausl6sten. Erst nach Monaten fiel bei ihren Hunden der Druck all- mfihlich wieder ab. Robertson et al. [7] sehen den wesentlichen Unterschied zwischen den Experimenten yon Weidmann und Kittle darin, dab Weidmann inerte Akrylat-Kfigelchen verwendet hat, wfihrend die Karborundum-Partikel von Kittle eine granulomat6se Reaktion ausgel6st haben. Wir beobachteten bei allen Tieren, die innerhalb einer Woche nach der letzten Injektion get6tet wurden, eine entztindliche Reaktion, die sehr massiv sein kann (Abb. 2 und 5), obwohl unsere Kopolymergranula auch als inert gelten. Diese granulomat6se Reaktion sehen wir aber nicht mehr bei Tieren, die vier Monate nach der letzten Injektion get6tet wurden. Wir deuten daher die Granulome als vorfibergehende Gewebsreaktion, als Begleitphfinomen des Kfigelchenaustritts. Im Schutz des Granulationsgewebes tritt das Kt~gelchen durch die nekrotische Wand, ohne dab eine wesentliche Blutung entsteht. So betrachtet, steht die granulomat6se Reak- tion im Dienste der Drucksenkung und nicht der Druckerh6hung, ist doch der Kt~gelchenaustritt aus der Blutbahn die wesentlichste Voraussetzung daffir, dab die Strombahn wieder frei, der Widerstand normal wird. Das schlieBt nicht aus, dag die massivere and anhaltendere granulomat6se Reaktion bei Karborundum- Embolien ftir den Druckanstieg monatelang verantwortlich ist.

Zwei Krankheitsbilder des Menschen sind mit den durchgeffihrten Versuchen einigermagen vergleichbar: die Bilharziose mit Lungenbefall und die Talk- embolien bei Heroinsfichtigen.

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Bei der Bilharziose k6nnen Schistosomen-Eier in die Lungen embolisieren. Diese Eier lassen sich in der Gr6Be mit unseren Ktigelchen vergleichen, sind aber oval und haben Stachel (Sch. haematobium: 135 pm mit Endstachel, Sch. man- soni: 150 gm mit Seitenstachel). Die Eier erreichen die Lunge fiber die Arterien, bleiben in den kleinen Asten stecken und verursachen eine nekrotisierende Arteriitis. Diese Wandsch~idigung erlaubt es den Eiern, die Blutbahn zu ver- lassen. Heilt die Entzfindung ab, wird das GeffiB oft rekanalisiert. E1-Gazayeril [3] weist darauf hin, dab bei der Lungenbilharziose eine pulmonale Hypertonie eher die Ausnahme als die Regel ist. Bei 94 Bilharziose-Ffillen mit nachge- wiesenem Lungenbefall findet er in 82 Ffillen lediglich parenchymatSse Lfisionen, in einzelnen Ffillen sind die Lungenarterien herdf6rmig befallen, und nut in sechs Ffillen (= 2,1%) sind die Lfisionen so ausgedehnt, dab ein Cot pulmonale entsteht. Bei Heroinstichtigen sind F~ille von pulmonaler Hypertonie beschrieben und auf Talkembolien zurtickgefiihrt worden. Talkembolien entstehen, wenn ftir oralen Gebrauch bestimmte Pr~iparate i.v. verabreicht werden. Wir haben einen solchen Fall untersucht, ohne einen Hinweis ftir eine pulmonale Hypertonie zu finden. FremdkSrpergranulome mit kristallinen Einschliissen (Magnesium Trisilikat = Talk) liegen im Interstitium oder verschlieBen Lungenarterien. In diesen Ffillen scheint die Auswirkung auf den Lungenv~iderstand ausgepr~gter zu sein als bei Kopolymergranulaten oder Schistosomen-Eiern, fanden doch Arnett et al. [1] in 13 von 21 Ffillen mit Talkembolien morphologische Hinweise ftir einen erh6hten Druck im kleinen Kreislauf. Talkembolien lassen sich also eher mit Karborun- dum-Embolien vergleichen, wfihrend der Lungen-Bilharziose das Modell mit den inerten Kunststoff-Kfigelchen n~iher kommt.

Schlugfolgerungen

Diese Versuche zeigen, dab es beim Hund nicht mSglich ist, durch Injektion von gefggverlegenden Granulaten eine pulmonale Hypertonie zu erzeugen. Wir sehen den Grund darin, dab die Hundelunge in der Lage ist, mittels einer nekrotisieren- den Arteriitis die Granulate aus dem Strombett zu eliminieren. Die sicherste Methode, um eine pulmonale Hypertonie zu erzeugen, bleibt weiterhin die Dauerexposition unter hypoxischen Bedingungen in der Unterdruckkammer.

Literatur 1. Arnett EN, Battle WE, Russo JV, Roberts WC (1976) Intravenous injection of talc-containing

drugs intended for oral use. Am J Med 60:711-718 2. Fulton RM, Hutchinson EC, Morgan JA (1952) Ventricular weight in cardiac hypertrophy.

Br Heart J 14:413-420 3. E1-Gazayeril M (1968) Pulmonary bilharziosis. In: Averill A, Smith Land DE (eds)The lung.

International academy of pathology monographs Nr 8. Williams & Wilkins, Baltimore 4. Gilbert JW, Berglund E, Dahlgren S, Oventors CO, Barnes R(1968) Experimental pulmonary

hypertension in the dog. J Thorac Cardiovasc Surg 55:565-571 5. Kittle CF, Bianchini L, Hostettler T et al (1958) The development of chronic pulmonary

hypertension. Surg Forum 9:360 6. Marschke G, Haber L, Feinberg M (1975) Pulmonary talc embolization. Chest 68:824-826 7. Robertson ChH, Reynolds RC, Wilson JE (1976) Pulmonary hypertension and foreign body

granulomas in intravenous drug abusers. Am J Med 61:657-664 8. Weidman WH, Marshall RJ, Wagenvoort CA, Shepherd JT (1963) Relation in dogs of

pulmonary vascular obstruction to pulmonary vascular "resistance". Lab Invest 12:821-829

Eingegangen am 4. M~irz 1980 / Angenommen am 24. M~irz 1980