Insulinopenia and insulin-resistance delay liver regeneration in mice whereas diabetes mellitus is no independent risk factor for perioperative mortality following hepatic resection in humans

Von dem Wissen über die bemerkenswerte Fähigkeit der Leber, selbst nach ausgedehnten Traumata wieder vollständig zu genesen, ist bereits in Mythen des antiken Griechenland zu lesen. In den letzten Jahrzehnten haben sich aufgrund der hohen klinischen Relevanz vermehrt Wissenschaftler den Mechanismen der Leberregeneration gewidmet. Aufgrund der Komplexität der ineinander spielenden Mediatorkaskaden bleiben aber auch nach Jahren der Forschung essentielle Fragen unbeantwortet. Für Patienten mit bestehendem Diabetes mellitus (DM) wurde wiederholt eine erhöhte Mortalität und Morbidität nach Leberteilresektionen beschrieben. Ursächlich wurde eine durch die diabetische Stoffwechsellage gestörte Leberregeneration postuliert. Es liegen aber auch Studien vor, die für diabetische und nichtdiabetische Patienten von gleichen Ergebnissen berichten. Da die Patientenkollektive oft nach Grunderkrankungen selektiert wurden, könnten die widersprüchlichen Daten möglicherweise durch die Auswahl der Patienten bedingt sein und nicht primär durch Auswirkungen des Diabetes mellitus. Darum wurde eine multivariate Analyse eines großen, nicht selektierten Patientenstammes durchgeführt, um den unabhängigen, prognostischen Wert des Diabetes mellitus in der Leberchirurgie zu eruieren. Aus einer prospektiven Datenbank wurden 633 erwachsene Patienten ausgewählt, die einer Leberresektion unterzogen wurden und weder große Bauchoperationen noch Chemotherapien erhalten hatten. Neben dem Diabetes mellitus wurden sowohl demographische Daten, als auch Variablen der funktionellen Leberreserve, sowie der chirurgischen Technik auf ihre Auswirkungen auf Morbidität und Mortalität nach Leberteilresektion analysiert. 75 Patienten des Gesamtkollektivs hatten einen Diabetes mellitus (11,8 %) und 96 Patienten (15,2 %) litten an einer Leberzirrhose. Im Vergleich zu allen nichtdiabetischen Patienten zeigte sich, dass ein bestehender Diabetes mellitus in der univariaten Analyse mit einer erhöhten Mortalität korreliert (10,7 % vs. 5,3 % p = 0,047). Diabetische Patienten waren jedoch auch signifikant älter und hatten eine höhere Prävalenz an Leberzirrhose. Das multivariate Modell identifizierte als unabhängige Variablen mit Auswirkungen auf die perioperative Mortalität schließlich nur das Alter des Patienten, die Albuminkonzentration im Serum, den Zirrhosestatus, das Ausmaß des chirurgischen Eingriffs und die Ära des Eingriffs. Insgesamt wurden Komplikationen bei diabetischen und nichtdiabetischen Patienten in vergleichbarer Frequenz beobachtet (44 % vs. 36 %, p = 0,179). Ebenso wenig gab es signifikante Unterschiede bei der Dauer des stationären Aufenthaltes in den beiden Gruppen (18,5 ± 1,7 vs. 17,7 ± 1,0 Tage, p = 0,119). Die Raten postoperativen Nierenversagens, prolongierten Aszites und Pneumonien waren jedoch bei der Gruppe der diabetischen Patienten höher als in der Vergleichsgruppe. Folgt man etablierten kardiopulmonalen und chirurgischen Selektionskriterien, so ist der Diabetes mellitus kein unabhängiger Risikofaktor für eine erhöhte perioperative Mortalität nach Leberteilresektionen. Obwohl insgesamt die postoperative Morbidität bei diabetischen und nichtdiabetischen Patienten nicht unterschiedlich war, so fiel doch ein spezielles Komplikationsmuster der diabetischen Patienten auf. Für die genauere Untersuchung des Einflusses eines Diabetes mellitus (DM) auf die Leberregeneration wurden Leberresektionen in verschiedenen diabetischen Tiermodellen durchgeführt. Im Mausmodell des DM Typ I erfolgte die Diabetesinduktion durch Streptozotozin (STZ). Mäuse mit fehlender Expression von Insulinrezeptoren auf den Hepatozyten (LIRKO) dienten als Mausmodell der hepatischen Insulinresistenz. Diese Tiere und entsprechende Kontrollen wurden einer 2/3 Leberresektion unterzogen und die anschließende Leberregeneration zu unterschiedlichen Zeitpunkten (6 bis 96 Stunden postoperativ) beobachtet. Als Parameter der Leberregeneration wurden Mitoseindices mit Hilfe der Bromodeoxyuridin-Färbung (BrdU-Färbung) aufgestellt und zusätzlich das Verhältnis von Leber- zu Körpergewicht (L/B-weight ratio) bestimmt. Um Hinweise auf beteiligte Signalkaskaden zu erlangen, wurden im Serum die Konzentrationen von Interleukin-6 (IL-6), Wachstumshormon (GH) und Insulin- like growth factor-1 (IGF-1) bestimmt. Die mit STZ behandelten Mäuse zeigten 96h nach der Leberresektion vergleichbare L/B-weight ratios wie die unbehandelten Wildtypmäuse. Dennoch fand sich zu diesem Zeitpunkt bei den mit STZ behandelten Mäusen eine signifikant erhöhte Anzahl BrdU positiver Hepatozyten (4,6 ± 0,6%, p = 0,037) und sinusoidaler Endothelzellen (sEC, 11,0 ± 2.1%, p = 0,037). Die Kontrolltiere hatten ihre Ausgangswerte 96h postoperativ wieder erreicht. Damit konnte Insulin als Comitogen bestätigt werden. Bei den LIRKO-Mäusen zeigte die L/B-weight ratio den Trend einer inkompletten Regeneration 84h postoperativ (0,025 ± 0,002 nach 84h vs. 0,028 ± 0,001 präoperativ, p = 0,089). Die Kontrolltiere hatten zu diesem Zeitpunkt ihr initiales Verhältnis von Leber- zu Körpergewicht wieder erreicht. Korrespondierend zur verzögerten Hepatozytenproliferation war 84h nach der Operation bei den LIRKO-Mäusen eine erhöhte Anzahl von BrdU-positiven Hepatozyten im Vergleich zur Kontrollgruppe (13,3 ± 3,5% vs. 2,6 ± 0,2%, p = 0,006) zu beobachten. Die Anzahl der BrdU-positiven sinusoidalen Endothelzellen (sEZ) unterschied sich nicht. Die Serumkonzentrationen von IL-6 und GH zeigten vergleichbare Werte sowohl bei den mit STZ behandelten diabetischen Mäusen als auch bei den LIRKO-Tieren, jeweils im Vergleich zu den entsprechenden Kontrollen. Während es keinen Unterschied der IGF-1 Serumkonzentrationen bei den mit STZ behandelten Tieren im Vergleich zu den Kontrolltieren gab (48h: 3349 ± 548ng/ml vs. 3725 ± 58ng/ml), zeigten die LIRKO-Mäuse signifikant erniedrigte Werte im Vergleich zu den Kontrollen (48 h: 580 ± 136ng/ml vs. 4209 ± 128ng/ml, p < 0,001). Obwohl sowohl der Insulinmangel als auch die Insulinresistenz im Tiermodell zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Leberregeneration im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe führte, zeigte sich in der klinischen Studie der Diabetes mellitus nicht als unabhängiger Risikofaktor für die Mortalität nach einer Leberteilresektion beim Menschen. Eine suffiziente perioperative Insulinbehandlung, wie sie die Patienten erhielten, scheint in der Lage, die im Tiermodell gezeigten Konsequenzen eines Diabetes mellitus zu verhindern.For patients with concomitant diabetes mellitus an increased perioperative mortality and morbidity in hepatic resections has repeatedly been described. Other studies, however, demonstrated equal outcome data in diabetic and non- diabetic patients. As patient populations were selected for underlying disease, conflicting results may reflect patient selection criteria rather than impact of diabetes mellitus on outcome measures. Therefore, a multivariate analysis in a largely unselected patient population has been performed to determine the independent prognostic value of diabetes mellitus in liver surgery. From a prospective database 633 adult patients undergoing hepatic resection without preceding major abdominal surgery or chemotherapy have been identified. Besides diabetes mellitus, demographic data, variables expressing the functional reserve of the liver, and parameters of surgical technique were analyzed for their impact on mortality and morbidity. In the univariate analysis, concomitant diabetes was associated with an increased mortality compared to all non-diabetic patients (10.7% vs. 5.3%, p = 0.047). Diabetic patients, however, were also significantly older and presented a higher prevalence of liver cirrhosis. Multivariate modeling finally identified only age, albumin, cirrhosis, extent of surgery, and era of surgery as independent variables with an impact on perioperative mortality. Overall, complications were detected in diabetic and nondiabetic patients with a comparable frequency (44% vs. 36%, p = 0.179). Rates of postoperative renal impairment, prolonged ascites or pneumonia, however, were higher in diabetics than in other patients. Following established cardiopulmonary and surgical selection criteria, diabetes mellitus is not an independent risk-factor for perioperative mortality in hepatic resections. Although the overall postoperative morbidity was not different in diabetic and non-diabetic patients, a specific pattern of complications has been identified, mandating particular attention in the postoperative course of diabetic patients. In a second step we investigated the role of insulin depletion or resistance on liver regeneration in mice. Insulin and insulin-like growth factor I (IGF-I) have been identified as hepatic comitogens but the impact of diabetes mellitus or insulin-resistance on liver regeneration is still unknown. 36 Streptozotocin (STZ) treated wildtype and 49 liver cell-specific insulin receptor knockout (LIRKO) mice and respective controls (20 and 43) underwent partial hepatectomy (PH). Values of liver-body-weight ratio (L/B) and bromodeoxyuridine (BrdU) incorporation into dividing cells were determined as measures of regeneration. Serum levels of interleukin 6 (IL-6), growth hormone (GH), and IGF-I were analyzed to detect involved pathways. The experiments showed that STZ mice had equal L/B ratios up to 96 h post-PH. At this time, however, significantly elevated numbers of hepatocytes (4.6 0.6%) and sinusoidal endothelial cells (sEC, 11.0 2.1%) stained positive for BrdU in STZ mice, while controls had already returned to baseline values (p=0.016 and p=0.006). In LIRKO mice, L/B ratios demonstrated a trend to incomplete regeneration at 84 h (0.025 0.002 vs. 0.028 0.001 at 0 h, p=0.089), while controls had reached initial values. Correspondingly, delayed kinetics of hepatocyte proliferation resulted in increased numbers of BrdU-positive hepatocytes at 84 h in LIRKO mice compared to controls (13.3 3.5% vs. 2.6 0.2%, p=0.027). Values of BrdU-positive sEC did not differ. Serum concentrations of IL-6 and GH demonstrated comparable values in STZ or LIRKO mice and respective controls. There were also no differences in STZ and control mice in IGF-I serum levels (48 h: 3349 548ng/ml vs. 3725 58ng/ml), while levels of IGF-I during liver regeneration were significantly decreased in LIRKO mice compared to controls (48 h: 580 136ng/ml vs. 4209 128ng/ml, p