Die Rolle des Parasympathikus in der Entstehung schlaganfallassoziierter Infektionen

Abstract

Within the first three months after stroke onset up to 95% of stroke patients experience at least one relevant complication which has an important impact on survival. Infection is the most relevant complication with frequencies between 21 – 65%. Among infections, stroke-associated pneumonia has the highest attributable mortality in stroke patients and is considered as the most common serious medical complication in stroke care. Moreover, infection has a tremendous negative impact on the neurological outcome after stroke, and prevention of infection might improve functional recovery. The first aim of this PhD thesis was to establish a suitable tool to assess long-term functional outcome after experimental stroke in mice. As patients might suffer from severe motor deficits after stroke, and as automated gait analysis is a reliable tool to measure motor function in small rodents, mice were tested before and after experimental stroke for gait deficits. Ten days after 60 min Middle Cerebral Artery occlusion, the use of hind limbs was impaired. Additionally, interlimb coordination was disturbed. The second study aims to investigate whether preventive antibiotic treatment inhibits stroke-associated pneumonia and improves long-term outcome after stroke. Whereas preclinical research uses placebo as control, and clinical studies compare against standard antibiotic treatment after diagnosis of pneumonia, in this study current stroke care was modeled in mice, applying lung MRI and clinical scores to diagnose murine pneumonia. Standard antibiotic treatment reduced the post- stroke mortality as well as the preventive treatment approach, however at the cost of a worse neurological outcome in gait analysis compared to the preventive approach. In the third part, the reason for the increased risk for infection after stroke was examined. In addition to the sympathetic nervous system and the HPA axis, the parasympathetic nervous system is a major contributor in the intense bidirectional brain-immune communication. Applying heart rate variability as an indicator for parasympathetic activity, an increased parasympathetic activity within the first days after stroke was observed. After experimental stroke, vagotomised mice and mice deficient for α7 nicotinic acetylcholine (ACh) receptor did not develop pneumonia as shown by a lower bacterial burden in the lung. Parasympathetic signaling impairs both macrophages and alveolar epithelium cells after stroke. In summary, this thesis adds a small piece to the puzzle of disturbed brain-immune communication after stroke. I established a new method to assess long-term functional outcome in mice with stroke, tested the influnces of infection on functional outcome in a mouse model of standard stroke care and examined the influence of the parasympathetic nervous system on post-stroke infections.

Innerhalb der ersten drei Monate nach einem Schlaganfall erleiden bis zu 95% der Patienten mindestens eine relevante Komplikation, die einen Einfluss auf die Überlebensrate hat. Infektionen sind die relevantesten Komplikationen mit einer Prävalenz zwischen 21 und 65%. Aus der Gruppe der Infektionen ist die Schlaganfall assoziierte Pneumonie die häufigste Todesursache von Schlaganfall-Patienten und wird als häufigste schwere medizinische Komplikation in der Schlaganfallversorgung angesehen. Darüber hinaus haben Infektionen einen großen Einfluss auf die neurologische Prognose nach Schlaganfall, und die Prävention von Infektionen könnte die funktionelle Genesung verbessern. Das erste Ziel dieser Dissertation ist die Etablierung einer geeigneten Untersuchung des funktionellen Defizits nach experimentellem Schlaganfall in Mäusen. Da Schlaganfall-Patienten mitunter an schweren motorischen Störungen leiden, und da automatisierte Ganganalyse in kleinen Nagetieren schon erfolgreich eingesetzt wird, wurde das Gangbild von Mäusen vor und nach experimentellem Schlaganfall untersucht. Zehn Tage nach 60-minütigem Verschluss der Arteria cerebri media war die Nutzung der Hinterbeine eingeschränkt und die Koordination zwischen den Beinen gestört. Die zweite Studie untersucht ob die präventive Gabe von Antibiotika durch die Verhinderung von Infektionen einen positiven Einfluss auf die Langzeit- Prognose nach Schlaganfall hat. Gegenwärtig gibt es nur präklinische Studien mit Modellen, die Placebo-kontrolliert sind, oder klinische Studien, in denen in der Kontrollgruppe nach der Diagnose einer Infektion antibiotisch behandelt wurde. Daher modellierten wir die Standard-Pflege für Schlaganfall in Mäusen, in dem wir Lungen-MRTs und klinische Scores zur Diagnose der murinen Pneumonie nutzten. Die Standard-Therapie mit Antibiotika nach Diagnose reduzierte die Mortalität im gleichen Maße wie die präventive Gabe, allerdings auf Kosten eines schlechteren neurologischen Ergebnisses verglichen mit der präventiven Gabe. Im dritten Teil soll der Grund für das erhöhte Infektionsrisiko nach Schlaganfall näher untersucht werden. Zusätzlich zum Sympathischen Nervensystem und der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse spielt das parasympathische Nervensystem eine wichtige Rolle in der intensiven wechselseitigen Kommunikation zwischen Gehirn und Immunsystem. Mittels Herzfrequenzvariabilitätsmessungen als Indikator für parasympathische Aktivität konnte eine erhöhte parasympathische Aktivität in den ersten Tagen nach experimentellem Schlaganfall beobachtet werden. Mäuse mit Vagotomie und transgene Mäuse ohne α7 Acetylcholin (ACh) Rezeptor entwickeltem nach experimentellem Schlaganfall keine Pneumonie, wie sich an der geringeren Keimlast in der Lunge zeigte. Es zeigte sich, dass der Parasympatikus nach Schlaganfall sowohl Makrophagen als auch alveoläre Epithelzellen in ihrer Funktion hemmt. Zusammenfassend fügt diese Dissertation ein kleines Puzzleteil zu der nach Schlaganfall gestörten Kommunikation zwischen Gehirn und Immunsystem hinzu. Ich habe eine Methode etabliert, die in längeren Zeiträumen die Messung der neurologischen Funktion von Mäusen mit Schlaganfall erlaubt, habe den Einfluss von Infektionen auf die neurologische Funktion von Mäusen mit Schlaganfall gestestet und den Einfluss des parasympathischen Nervensystems auf Infektionen nach Schlaganfall charakterisiert.