Blood-brain barrier disruptions in the acute phase of ischemic stroke in human patients

Abstract

Introduction: In acute ischemic stroke, magnetic resonance imaging (MRI) is a valuable tool for diagnosis, treatment decisions, and assessment of outcome. Baseline and early follow-up MRI examinations can help us predict and understand tissue fate. Until now, blood-brain barrier (BBB) permeability changes after stroke have been poorly studied in humans. However, they might be a risk factor for worse outcome and hemorrhagic transformation, especially after thrombolytic therapy. Methods: Acute stroke patients received an MRI examination with contrast agent based perfusion imaging within 24 h after stroke onset, as well as on day 2. In a subgroup of patients, repetitive MRI examinations every two hours were performed on the first day. Volumes of hypoperfusion were assessed automatically with three different software packages and compared to a rater-based approach. Development of lesion size and vessel status was assessed in thrombolysed patients who received follow-up MRI examinations after therapy. On fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) images, the natural signal-intensity-time course of the lesion within the first 24 h of stroke onset was determined relative to the contralateral side. Furthermore, the hyperintense acute reperfusion marker (HARM) was evaluated as a sign for BBB disturbances. Results: We found that vessel recanalization up until 24 h after treatment is still associated with a good clinical outcome and only moderate lesion growth. We also found that volumes of hypoperfused tissue were substantially overestimated when using an automated approach. We were able to show, that the natural time course of relative signal intensities on FLAIR images is significantly influenced by the presence of HARM, since HARM seems to go along with markedly increased contrast agent enhancement in the brain parenchyma. In a proportion of stroke patients, HARM was seen as early as a few hours after stroke onset. Conclusions: MRI is a suitable and highly sensitive tool to monitor tissue fate in the acute phase of cerebral ischemia. We showed that HARM as a marker for blood-brain barrier permeability changes is a frequent and early occurring phenomenon. It might be associated with worse clinical outcome and is therefore worth monitoring.

Einleitung: Im Fall eines akuten ischämischen Schlaganfalls ist Magnetresonanztomographie (MRT) ein wertvolles diagnostischen Instrument und gut geeignet, um Therapieentscheidungen zu vereinfachen und die Entwicklung der Schlaganfallläsion zu überwachen. MRT Untersuchungen in der akuten Phase und als Verlaufskontrollen können dabei helfen, das Schicksal des betroffenen Gewebes vorherzusehen und zu verstehen. Darüber hinaus kann man mit MRT Permeabilitätsstörungen der Blut-Hirn-Schranke untersuchen. Diese könnten einen Risikofaktor für schlechteres Outcome und hämorrhagischen Transformationen darstellen. Methodik: Akute Schlaganfallpatienten wurden im MRT mit Kontrastmittel-unterstützter Perfusionsbildgebung bis zu 24 h nach dem Einsetzen der Schlaganfallsymptomatik untersucht. Eine Subgruppe der Patienten wurde repetitiv alle zwei Stunden am ersten Tag gemessen; alle Patienten erhielten jedoch mindestens eine Verlaufsuntersuchung an Tag 2. Die Größe des minderperfundierten Gewebes wurde in einem automatisierten Ansatz mit drei verschiedenen Softwarepaketen bestimmt und mit einem manuelle Ansatz verglichen. Die Entwicklung von Läsionsgröße und Gefäßstatus wurde für thrombolysierte Patienten bestimmt, die eine frühe Verlaufskontrolle nach der Therapie bekommen hatten. Die natürliche Entwicklung der Signalintensitäten in den ersten 24 h nach dem Symptombeginn wurde auf fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) Bildern relativ zur Gegenseite bestimmt. Darüber hinaus wurde der ”hyperintense acute reperfusion marker” (HARM) als Zeichen für Störungen der Blut-Hirn-Schranken beurteilt. Ergebnisse: Wir konnten zeigen, dass eine Rekanalisation des betroffenen Gefäßes bis zu 24 h nach Therapie mit einem guten Outcome und geringen Läsionswachstum assoziiert ist. Die Volumina des minderperfundierten Gewebes wurden mit den automatisierten Ansätzen grob überschätzt. In unserer Studie war die natürliche Entwicklung von FLAIR Signalintensitäten signifikant durch das Auftreten von HARM beeinflusst, da HARM offenbar zusätzlich mit einem Kontrastmittelübertritt in das Gewebe einher geht. Bei einigen Patienten konnte HARM schon wenige Stunden nach dem Beginn der Schlaganfallsymptomatik nachgewiesen werden. Schlussfolgerung: MRT ist eine gut geeignete und hochsensitive Untersuchungsmethode, um Gewebeschicksale bei akuter zerebraler Ischämie zu untersuchen. HARM als Indikator für Permeabilitätsstörungen der Blut-Hirn-Schranke ist ein häufiges und früh auftretendes Phänomen. Die klinische Relevanz von HARM ist nicht genau geklärt, da aber eine Assoziation mit schlechterem Outcome angenommen werden kann, sind genaue Untersuchungen angebracht.