Die Rolle des Gehirnblutflusses bei Schlaganfall, Hypothermie und intrakranieller Drucksteigerung

Abstract

Das Gehirn besitzt nur minimale lokale Energiereserven und ist deshalb von einer kontinuierlichen Blutversorgung abhängig. Der zerebrale Blutfluss (CBF) wird über globale und lokale Regulationsebenen gesteuert, deren Mechanismen nur zum Teil verstanden sind und über deren dynamische Veränderungen bei lokalen Störungen der Homöostase bislang wenige Untersuchungen existieren. In der vorliegenden Arbeit wurden magnetresonanz-tomographische, laseroptische, spektroskopische und autoradiographische Methoden eingesetzt, um den CBF zu messen und sein Verhalten unter externen Stressoren zu untersuchen. Die CBF- Messung mit FAIR-MRT wurde in einem Schlaganfallmodell der Maus (Okklusion der Arteria cerebri media) etabliert und ihre Quantifizierung mit 14C- Iododantipyrin-Autoradiographie validiert. Eine Supplementierung mit Kreatin führte in diesem Tiermodell zu einer Reduktion der Hirninfarktvolumina im Vergleich zu Kontrolltieren. CBF-Messungen mit FAIR-MRT zeigten zudem, dass behandelte Tiere eine verbesserte Reperfusion aufwiesen. Weiterhin wiesen isolierte Präparate der Arteria cerebri media in behandelten Tieren eine höhere Kapazität zur Vasodilatation auf. In Zusammenschau konnte so eine verbesserte Reperfusion als wahrscheinliche Ursache der Neuroprotektion durch Kreatin ausgemacht werden. Bei einer Neuroprotektionsstudie mit dem PDE-V-Inhibitor Vardenafil zeigte sich hingegen wider Erwarten kein Effekt auf den CBF und allenfalls ein minimaler Effekt bei der Neuroprotektion. Im Rattenmodell der neurovaskulären Kopplung im somatosensorischen Kortex wurde der Einfluss von Hypothermie und Erhöhung des intrakraniellen Druckes (ICP) auf globale und funktionelle CBF-Veränderungen untersucht. Der CBF wurde mit Laser Doppler Flowmetry gemessen, mit simultaner optisch-spektroskopischer Erfassung des lokalen zerebralen Blutvolumens (CBV) und der lokalen Konzentration des deoxygenierten Hämoglobins (deoxy-Hb), die das Signalkorrelat der BOLD-fMRT darstellt. Die CBF-Antwort konnte in beiden pathophysiologischen Zuständen neuronale Aktivierung im somatosensorischen Kortex signalisieren. Unter Hypothermie blieben die funktionellen Antworten auch im deoxy-Hb-Signal detektierbar. Die Ermittlung der zerebralen Sauerstoffverbrauchsrate (CMRO2) aus CBF, CBV und deoxy-Hb konnte durch den Temperaturabhängigkeitsquotienten Q10 validiert werden. So konnte gezeigt werden, dass der deoxy-Hb-Erhöhung nach dem Stimulationsende (Korrelat des BOLD Post-Stimulus-Undershoot) keine erhöhte CMRO2 zugrunde liegt. Gleichzeitig zeigte sich diese Post-Stimulus-Antwort unter zunehmender ICP- Erhöhung amplitudenreduziert. Zusammen mit einer trägen Rückbildung des CBV nach dem Stimulationsende spricht dies dafür, dass dem BOLD Post-Stimulus- Undershoot ein compliancebedingtes Missverhältnis bei der Rückbildung von funktionellen CBF- und CBV-Veränderungen zugrundeliegt. Auch das funktionelle deoxy-Hb-Signal während der Stimulation wurde durch die ICP-Erhöhung grundlegend verändert. Es zeigte mit zunehmendem ICP eine allmählich Signalumkehr mit Amplitudenreduktion (ICP 7 mmHg), eine Nivellierung (ICP 14 mmHg) und schließlich eine Signalumkehr (ICP 28 mmHg), bei der die deoxy-Hb- Konzentration während der Stimulation einen Anstieg statt eines Abfalls zeigte. Die BOLD-fMRT ist möglicherweise bei Patienten mit erhöhtem ICP nicht valide, was Fragen hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit bei der prächirurgischen Diagnostik von Hirntumorpatienten zur Lokalisierung von eloquenten Hirnarealen aufwirft. Das funktionelle deoxy-Hb-Signal hält im Gegensatz zum funktionellen CBF-Signal einer ICP-Erhöhung nicht stand. Mittels der CBF-Messung mit Laser Speckle Contrast Analysis konnte gezeigt werden, dass das CBF-Signal mikrovaskuläre Areale hervorhebt und somit eine bessere räumliche Auflösung bei der Darstellung der neuronalen Aktivität erlaubt. Um die im Vergleich zur BOLD-fMRT größere Robustheit und räumliche Genauigkeit des neurovaskulär gekoppelten CBF-Signals zu nutzen, sollten CBF-basierte fMRT – Verfahren für den Routineeinsatz optimiert werden. Die Veränderung des deoxy-Hb-Signals unter ICP-Erhöhung eröffnet wiederum die Perspektive, mit einer solchen Signalerfassung umgekehrt auf den ICP im Patienten schließen zu können. Die Erforschung der komplexen Regulation des CBF unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen erfordert insbesondere im Bereich der MRT die weitere Verbesserung und Angleichung der perfusionsmessenden Verfahren, mit dem Ziel, über die parallele Verwendung an Mensch und Tier eine translationale Brücke in der präklinischen Forschung zu bauen.

The brain holds only minimal local energy resources and is therefore dependent on a continuous blood supply. Cerebral blood flow (CBF) is controlled by global and local regulation processes. The knowledge on their underlying mechanisms is incomplete and there are only few studies on their dynamic alterations during local disturbances of homeostasis. In this work methods involving magnetic resonance imaging, laser-optical, spectroscopic and autoradiographic techniques were employed to measure CBF and study its behaviour when exposed to external stressors. CBF measurement with FAIR-MRI was established in a mouse model of stroke (middle cerebral artery occlusion) and its quantification was validated with 14C-iododantipyrin autoradiography. Dietary supplementation with creatine reduced brain infarct volumes in this animal model when compared with control animals. CBF measurements with FAIR- MRI demonstrated a better reperfusion in treated animals. In addition, isolated middle cerebral artery preparations had a better vasodilatation capacity in treated animals. Taken together, these findings identify a better reperfusion as the most likely reason for neuroprotection by creatine. In contrast, a neuroprotection study on the PDE-V-inhibitor vardenafil did no show the expected effect on CBF and only minimal neuroprotection. In the rat model of neurovascular coupling within the somatosensory cortex the influence of hypothermia and elevation of intracranial pressure (ICP) on global and local CBF changes was investigated. CBF was measured with Laser Doppler Flowmetry, with a simultaneous optical spectroscopic measurement of local cerebral blood volume (CBV) and local concentration of deoxygenated hemoglobin (deoxy-Hb), the signal correlate of BOLD-fMRI. The CBF response maintained a signal function for neuronal activation in somatosensory cortex during both pathophysiological states. During hypothermia, functional responses could be detected within the deoxy-Hb signal. The calculation of cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2) from CBF, CBV and deoxy-Hb could be validated by the temperature coefficient Q10. Following this approach it could be demonstrated that the deoxy-Hb elevation after stimulation cessation (correlate of the BOLD post-stimulus undershoot) is not caused by an elevation of CMRO2. The amplitude of the post-stimulus response was reduced with ICP elevation. Together with a sluggish CBV normalization after stimulus cessation this finding suggests, that the BOLD post-stimulus undershoot is due to a compliance-related mismatch during normalization of functional CBF- and CBV- changes. In addition, the functional deoxy-Hb signal during stimulation was altered remarkably by ICP elevation. With increasing ICP it showed a gradual signal inversion starting with amplitude reduction (ICP 7 mmHg), levelling towards zero (ICP 14 mmHg) and finally signal inversion (ICP 28 mmHg) with an increase instead of a decrease of deoxy-Hb concentration. Possibly, BOLD fMRI is not valid in patients with increased ICP, which raises questions concerning its applicability to pre-surgical diagnostic imaging of patients with brain tumors to localize eloquent brain areas. The functional deoxy-Hb signal does not withstand an ICP elevation, in contrary to the functional CBF signal. By measuring CBF with Laser Speckle Contrast Analysis it could be shown that the CBF signal enhances microvascular regions and therefore allows for a better spatial resolution when imaging neuronal activation. To take advantage of the – when compared to BOLD fMRI – higher robustness and accuracy of the neurovascular coupling related CBF signal, CBF based fMRI techniques should be optimized for routine usage. The alteration of the deoxy-Hb signal during ICP elevation bears the possibility to deduce a patient’s ICP from this signal detection. Studying the complex CBF regulation during physiological and pathophysiological conditions requires methodological optimization, especially concerning an improvement and alignment of perfusion weighted techniques. By parallel application in humans and animals a translational bridge for pre- clinical research can be built.