Untersuchungen zur vaskulären Pathophysiologie bei cerebraler Ischämie

Abstract

Die cerebrale Ischämie stellt mit ihrer hohen Morbidität und Mortalität eine hohe Herausforderung an behandelnde Ärzte, die sozialen Strukturen, aber auch an die Erforschung zugrunde liegender Pathomechanismen und neuer Therapieoptionen. Definitionsgemäß liegt allen Formen der cerebralen Ischämie eine Gefäßstenose oder Okklusion mit daraus resultierender Minderperfusion im Hirngewebe zugrunde. In verschiedenen Studien wurden daher vaskuläre pathophysiologische Aspekte und eventuell daraus resultierende Therapieoptionen untersucht. Für die akute, meist thrombembolisch bedingte, cerebrale Ischämie zeigen Blutflussmessungen mittels PET und Xenon- Computertomographie bislang widersprüchliche Ergebnisse, ob eine hämodynamische Penumbra einige Stunden nach der Entstehung des Schlaganfalls vorhanden ist. Problematisch bei diesen Untersuchungsmethoden ist die moderat gute räumliche Auflösung. Mittels der Indocyaningrün-Videoangiographie mit nachgeschalteter Berechnung relativer Blutfluss-Indizes und Erstellung einer Blutflußkartierung konnten wir bei Patienten mit dekompressiver Entlastungstrepanation aufgrund eines malignen Mediainfarkts die Penumbra hochauflösend nachweisen. 15-37% der freigelegten Hemisphäre zeigten typische Penumbra-Blutflusswerte. Diese Methode eignet sich weiterhin dazu, um direkt intraoperativ kritisch perfundiertes Gewebe zu identifizieren, um dieses spezifisch mittels verschiedener Verfahren (Sauerstoffpartialdruckmessung, Mikrodialyse, Blutflussmessung) kontinuierlich zu überwachen und um somit die nachfolgende Therapie zu optimieren. Die Induktion einer fokalen cerebralen Ischämie mittels der Fadenokklusionsmethode geht mit einem 10-40%igem Risiko für eine ungewollte Induktion einer Subarachnoidalblutung einher. Mittels Online-Erfassung des regionalen cerebralen Blutflusses durch Laser-Doppler- Flussmessung konnten wir über einen weiteren Abfall des cerebralen Blutflusses eine ungewollte Subarachnoidalblutung frühzeitig mit hoher Zuverlässigkeit detektieren. Dies ermöglicht für Therapiestudien das Protokoll frühzeitig abzubrechen. Weiterhin wurden drei verschiedene Okklusionsmodelle mit (I) Tandem-Okklusion der Arteria cerebri media, Arteria communicans posterior und Arteria carotis communis sowie (II) Tandem-Okklusion der Arteria cerebri media und Arteria carotis communis und schließlich (III) selektive Okklusion der Arteria cerebri media verglichen. Wir fanden in allen drei Modellen eine hohe Reproduzierbarkeit. Der Abfall des regionalen cerebralen Blutflusses war bei Tieren mit selektiver Okklusion der Arteria cerebri media in peripheren Regionen jedoch weniger ausgeprägt, was eine geringere Ischämieentwicklung bei diesen Tieren zur Folge hatte. Da eine Perfusionsverbesserung durch Anhebung des arteriellen Drucks oder durch Verbesserung der Hämodynamik bislang keine vielversprechenden Ergebnisse für die Behandlung der fokalen Ischämie zeigte und eine Stimulation des Kollateralwachstums aufgrund der zeitlichen Limitierung nicht erfolgversprechend erschien, wurde untersucht, inwiefern eine Erhöhung der intravasalen Sauerstofftransportkapazität zu einer Reduktion des Ischämievolumens führt. Hierzu verwendeten wir eine neue sogenannte 2. Generation Perfuorocarbon-Emulsion, welche eine sehr hohe Sauerstofftransportkapazität aufweist. Nach Behandlung mit 1 ml/100 g Körpergewicht zeigten die Tiere eine ca. 15%ige Reduktion ihres Schlaganfalls nach permanenter fokaler Ischämie. Im Gegensatz zu den akuten thrombembolischen Ischämien kann bei chronischen Verlaufsformen oder bei geplanten Ischämien im Rahmen von bevorstehenden operativen oder interventionellen Eingriffen das Kollateralnetzwerk stimuliert werden, um so die hämodynamische Situation zu verbessern. Die derzeit einzig zur Verfügung stehende Technik zur Induktion eines Kollateralkreislaufes ist die chirurgische Anlage eines extra-/intrakraniellen Bypasses. Die konventionelle Offenheitsrate wird für einen Standard extra-/intrakraniellen Bypass zwischen 90% und 96% beschrieben. Mit Hilfe der Indocyaningrün-Videoangiographie etablierten wir eine kosteneffektive und einfach zu handhabende Methodik, um die Funktion eines extra-/intrakraniellen Bypasses bereits intraoperativ präzise zu überprüfen. Durch die Möglichkeit einer direkten chirurgischen Revision erreichten wir bei insgesamt 45 durchgeführten Bypass-Prozeduren eine Offenheitsrate von 100%. Nebenwirkungen – wie allergische Reaktionen – wurden nicht beobachtet, so dass die Methodik zur erfolgreichen chirurgischen Revaskularisierung und zur Vorbeugung von operationsassoziierten Ischämien hilfreich erscheint. Alternativ zum chirurgischen Vorgehen kann endogen das Wachstum eines Kollateralgefäßnetzes stimuliert werden. Für Patienten mit einem vorbestehenden Eingriff, welcher eine temporäre Ausschaltung der cerebralen Perfusion beinhaltet, ist seit langem experimentell der protektive Effekt eines Preconditionings beschrieben. Hierbei wird das cerebrale Gewebe einem Stimulus unterhalb der schädigenden Schwelle – wie Ischämie oder Hypoxie – ausgesetzt, welcher anschließend vor einem nachfolgenden Schaden schützt. Der primäre protektive Mechanismus wird bislang metabolischen Prozessen auf neuronaler und glialer Ebene zugeschrieben. Einige neuere Arbeiten konnten jedoch auch einen Effekt auf hämodynamischer Ebene zeigen. Daher untersuchten wir, inwiefern nach einem hypoxischen Preconditioning die leptomeningealen Anastomosen, welche die Hauptkollateralversorgung nach Okklusion einer Arterie distal des Circulus arteriosus Willisii darstellen, beeinflusst werden und fanden eine deutliche Zunahme der Gefäßdurchmesser, ohne dass hierbei die Gefäßwand strukturelle Veränderungen aufwies. Die gefundenen strukturellen Veränderungen mit Zunahme der Gefäßdurchmesser der leptomeningealen Anastomosen mögen zur Kollateralisierung und damit zur besseren Perfusion, welche nach Preconditioning bei der fokalen Ischämie beschrieben wird, beitragen. Bei der meist arteriosklerotisch bedingten stenookklusiven cerebrovaskulären Erkrankung unterliegt das cerebrale Gefäßnetz einer ständigen Adaptation, um sich dem benötigten Blutbedarf anzupassen. Einer der hier entscheidenden Mechanismen ist neben der Angio- und Vaskulogenese die Arteriogenese, welche die Ausbildung eines Kollateralnetzwerkes auf dem Boden von vorbestehenden Mikrogefäßen beschreibt. Das strukturelle Remodellieren der Gefäße wird hierbei vornehmlich durch Veränderungen des Shear-Stresses und einer Hochregulation von Adhäsionsmolekülen induziert. Eine bislang identifizierte Schlüsselrolle wird hierbei den Makrophagen, welche im perivaskulären Raum vaskulotrophe Faktoren sezernieren, zugeschrieben. An einem Zweigefäß-Okklusionsmodell zur chronischen Ischämie konnten wir zeigen, dass sich durch Stimulation der Anzahl von zirkulierenden Monozyten mittels GM-CSF die chronisch eingeschränkte cerebrovaskuläre Reservekapazität komplett erholte. Diese funktionellen Veränderungen gingen mit einer Zunahme der basalen Gefäße des Circulus arteriosus Willisii, aber vor allem auch der leptomeningealen und intraparenchymalen Mikrogefäße, einher. Diese präkapillären Gefäßsegmente machen mehr als 50% des gesamt-peripheren Widerstands aus. Damit scheint für die Wiederherstellung der Hämodynamik eine Zunahme des Kollateralnetzwerks und eine Senkung des gesamtperipheren Widerstands nach Behandlung mit GM-CSF verantwortlich zu sein. Eine weitere Sonderform der cerebralen ischämischen Läsionen betrifft das Auftreten von verzögerten ischämischen Defiziten nach Subarachnoidalblutung. Bislang wurde das Auftreten dieser verzögerten ischämischen Defizite ausschließlich dem Auftreten eines proximalen Vasospasmus zugeschrieben. Tierexperimentelle Studien konnten jedoch zeigen, dass spontan auftretende Spreading Depolarizations in Verbindung mit Blutabbauprodukten im Subarachnoidalraum einen ausgeprägten und anhaltenden Spasmus der Mikrogefäße induzieren können. Mittels subduraler 6-Kontakt-Streifenelektroden konnten wir bei 13 von 18 untersuchten Patienten (27%) ein spontanes Auftreten von Spreading Depolarizations nach stattgehabter Subarachnoidalblutung finden. Häufig auftretende Spreading Depolarizations und vor allem eine anhaltende Auslöschung der elektrokortikographischen Aktivität waren hierbei mit einer klinischen Verschlechterung und dem Auftreten von verzögerten Ischämien assoziiert. Der positive prädiktive Wert von Spreading Depolarizations für das Auftreten eines verzögerten ischämischen Defizits lag bei 85%, was damit deutlich über dem Aussagewert der transkraniellen Doppler-Sonographie oder einer digitalen Subtraktionsangiographie liegt. Somit mag das Auftreten von Spreading Depolarizations nach Subarachnoidalblutung neben dem proximalen Vasospasmus ein wichtiger Pathomechanismus für das Auftreten von verzögerten ischämischen Defiziten sein.

Cerebral ischemia has a high morbidity and mortality. It is thus a major challenge for physicians, society, and also for the research of underlying pathomechanisms and new therapy options. By definition, the cause of all forms of cerebral ischemia is a vessel stenosis or occlusion resulting in reduced perfusion of brain tissue. So vascular pathophysiological aspects and possible related therapy options have been investigated in various studies. For acute cerebral ischemia, which is mostly thrombembolic, cerebral blood flow measurements by PET and xenon computer tomography have long shown contradictory results about whether a hemodynamic penumbra is present a few hours after the occurrence of the stroke. The moderate spatial resolution of these investigative methods is problematic. Using indocyan-green video angiography with downstream calculation of relative cerebral blood flow indices and compilation of a blood flow mapping, we were able to demonstrate the penumbra with high-resolution in patients with decompressive craniectomy. Typical penumbra blood flow values were seen in 15-37% of the exposed hemisphere. This method is also suitable for directly identifying critically perfused tissue intraoperatively, in order to monitor them specifically by means of various procedures (oxygen partial pressure measurement, microdialysis, cerebral blood flow measurement), and then to optimize the subsequent therapy. The induction of a focal cerebral ischemia by means of the thread occlusion method carries a 10-40% risk for an undesired induction of a subarachnoid bleeding. By means of online recording of the regional cerebral blood flow by laser doppler flow measurement, we were able to detect an undesired subarachnoid bleeding (via a further drop of the cerebral blood flow) with high reliability. This enables early discontinuation of the protocol in therapy studies. Furthermore, three different occlusion models were compared: 1) tandem-occlusion of the Arteria cerebri media, Arteria communicans posterior, and Arteria carotis communis; 2) tandem-occlusion of the Arteria cerebri media and Arteria carotis communis; 3) selective occlusion of the Arteria cerebri media. We found high reproducability in all three models. The drop of regional cerebral bloodflow was less pronounced though in animals with selective occlusion of the Arteria cerebri media in peripheral regions, which led to a lesser development of ischemia in these animals. Improvement of perfusion by increasing arterial pressure or by improving the hemodynamics has never shown very promising results for treatment of focal ischemia. Stimulation of the collateral vessel growth also does not seem promising, due to the temporal limitation. So we investigated how much an increase of the intravasal oxygen transport capacity leads to a reduction of the ischemia volume. For this, we used a new, so-called 2nd generation, perfuorocarbon emulsion that has a very high oxygen transport capacity. After treatment with 1ml / 100g body weight, the animals showed a ca. 15% reduction of their stroke after permanent focal ischemia. In contrast to acute thrombembolic ischemias, the collateral network can be stimulated in chronic forms or in planned ischemias in the context of immanent operative or interventional invasions, in order to improve the hemodynamic situation. The only currently available technique for the induction of a collateral circulation is the surgical installation of an extracranial / intracranial bypass. The postoperative patency rate for a standard extracranial / intracranial bypass is reported between 90% and 96%. With the aid of the indocyan-green video angiography, we established a method that is cost- effective and simple to operate to precisely check the functioning of an extracranial / intracranial bypass intraoperatively. Through the possibility of a direct surgical revision, we attained an patency rate of 100% in a total of 45 bypass procedures. Side-effects – such as allergic reactions – were not observed, so the method appears helpful for successful surgical revascularization for prevention of ischemia associated with the operation. As an alternative to the surgical procedure, the growth of a collateral vascular network can be endogenously stimulated. The protective effect of preconditioning has long been reported experimentally for patients with an immanent intervention that includes a temporal elimination of cerebral perfusion. In this, the cerebral tissue is exposed to a stimulus below the threshold for damage such as ischemia or hypoxia, and this then provides protection against subsequent damage. The primary protective mechanism has been ascribed to metabolic processes on the neuronal and glial level. Some more recent studies though were able to also show an effect on the hemodynamic level. So we investigated how much, after a hypoxic preconditioning, the leptomeningeal anastomoses are influenced, as they represent the main collateral supply after occlusion of an artery distal of the Circulus arteriosus Willisii. We found a clear increase of the vessel diameter yet without showing structural changes of the vessel wall. The structural changes found with increase of the vessel diameter of the leptomeningeal anastomoses tends toward collateralization and thereby contributes to better perfusion, as described after preconditions for focal ischemia. In the steno-occlusive cerebrovascular diseases, which are mostly arteriosclerotic, the cerebral vascular network undergoes constant adaptation, in order to adapt itself to the necessary blood demand. Besides angiogenesis and vasculogenesis, one of the decisive mechanisms here is arteriogenesis, which refers to the formation of a collateral network on the base of the pre-existing microvessels. The structural remodelling of the vessels here is induced primarily through changes of the shear-stress and an up-regulation of adhesion molecules. A key role in this has long been ascribed to macrophages, which secrete vasculotropic factors in the perivascular space. In a two-vessel occlusion model of chronic ischemia, we were able to show that the chronically reduced cerebrovascular reserve capacity completely recovers through stimulation of the number of circulating monocytes by means of granulocyte-macrophage colony- stimulating factor. These functional changes accompany an increase of the basal vessels of the Circulus arteriosus Willisii but above all also an increase of the leptomenigeal and intraparenchymal microvessels. These precapillary vessel segments constitute more than 50% of the total peripheral resistance. Thus an increase of the collateral network and a decrease of the total peripheral resistance after treatment with granulocyte-macrophage colony-stimulating factor appears to be responsible for the restoration of the hemodynamic. A further special form of the cerebral ischemic lesions is related to the appearance of delayed ischemic deficits after subarachnoid bleeding. To date the appearance of these delayed ischemic deficits have been ascribed exclusively to the occurrence of a proximal vasospasm. Animal experiments have shown though that spontaneously occurring spreading depolarizations in connection with blood decomposition products in the subarachnoid space can induce a pronounced and lasting spasm of the microvessels. Using subdural 6-contact stripe-electrodes, we were able to find a spontaneous occurrence of spreading depolarization after subarachnoid bleeding in 13 of 18 (72%) patients examined. Frequently arising spreading depolarizations and above all a persistent extinction of electrocorticographic activity were associated here with clinical deterioration and the occurrence of delayed ischemia. The positive predictive value of spreading depolarizations for the occurrence of a delayed ischemic deficit was 85%, which is clearly higher than the predictive value of transcranial doppler sonography or a digital subtraction angiography. So the occurrence of spreading depolarization after subarachnoid bleeding may, along with proximal vasospasm, very well be an important pathomechanism for the occurrence of delayed ischemic deficits.