Die Rolle von Vitalparametern im Zusammenhang von Spreading Depolarization und Infarktprogression nach ischämischem Schlaganfall

Abstract

Spreading depolarisations (SDs) occur after brain injuries such as malignant hemispheric stroke, subarachnoid hemorrhage or traumatic brain injury, are characterised by a negative potential change of neurons and glia and represent a high metabolic burden. Furthermore, the occurrence of SDs is associated with suppression of spontaneous neuronal activity (spreading depression) and changes in regional cerebral blood flow (spreading ischemia) and can thus lead to secondary ischemic lesions, such as delayed cerebral ischemia (DCI) after subarachnoid hemorrhage. Using a translational approach, the aim of this study was to clarify whether the occurrence of SDs after ischemic stroke is associated with secondary stroke progression and if occurrence and properties of SDs may be influenced by changes of physiological variables (temperature, mean arterial blood pressure, intracranial pressure and cerebral perfusion pressure). In patients with malignant hemispheric stroke, SDs and physiological variables have been continuously recorded for several days after insertion of a subdural strip electrode during hemicraniectomy. Sequential MRI imaging was performed at the beginning and end of the recording to evaluate secondary stroke progression. On a mouse model of experimental stroke, SDs were induced repetitively 24 h after distal middle cerebral artery occlusion (dMCAo) in C57Bl/6J mice and changes in cerebral blood flow were analyzed under the influence of hypo-/hyperthermia and hypo-/hypertension. MRI imaging was performed to investigate secondary stroke progression. During 9000 hours of neuromonitoring in 72 patients, a total of 2161 SDs were analysed. The SD-induced depression duration correlated with secondary infarct progression. All physiological variables analyzed showed significant changes in relation to SD. Occurrence of SD was associated with a decrease in mean arterial pressure (−1.04 mmHg; p=.02) and cerebral perfusion pressure (−1.04 mmHg; p=.03), amongst others. Repetitive SDs in the late phase of experimental stroke resulted in significant secondary stroke progression (15.9 vs. 14.8 mm3; p<.01). Interestingly, when induced under hypothermia, SDs were associated with prolonged hyperperfusion (+2.8 min; p<.05) and did not lead to secondary infarct progression. This work is the first to demonstrate an association between SD and secondary infarct progression as well as a significant influence of physiological variables on SD in patients with MHS and in the late phase of experimental stroke. These findings emphasize the relevance of SDs in the development of secondary ischemia and suggest that recording of SDs should be integrated in neurocritical care monitoring, which is facilitated by minimal invasive electrode insertion.

Spreading depolarizations (SDs) treten nach intrazerebralen Schädigungen wie malignem Schlaganfall, Subarachnoidalblutung (SAB) oder Schädelhirntrauma (SHT) auf, sind durch eine negative Potentialänderung kortikaler Neurone gekennzeichnet und stellen eine hohe metabolische Belastung für das neuronale Gewebe dar. Weiterhin geht das Auftreten von SDs mit einer Unterdrückung der neuronalen Grundaktivität und einer Änderung des lokalen Blutflusses einher und kann zu sekundären ischämischen Läsionen führen, wie sie beispielsweise nach SAB beschrieben sind. Ziel dieser Arbeit war es, in einem translationalen Ansatz zu klären, ob das Auftreten von SDs auch nach ischämischem Schlaganfall zu sekundärer Infarktprogression führt und welchen Einfluss Vitalparameter (Temperatur, mittlerer arterieller Blutdruck, intrakranieller Druck und zerebraler Perfusionsdruck) hierbei haben. An Personen mit malignem Mediainfarkt erfolgte die mehrtägige Aufzeichnung von SDs und Vitalparametern nach Einlage einer subduralen Streifenelektrode im Rahmen der Hemikraniektomie. Die sekundäre Infarktzunahme wurde mittels sequentieller MRT-Bildgebung zu Beginn und Ende der elektrophysiologischen Aufzeichnung ermittelt. Experimentell wurden 24 h nach Induktion des ischämischen Schlaganfalls durch distale Okklusion der Arteria cerebri media (dMCAo) an C57Bl/6J Mäusen repetitiv SDs induziert und Änderungen des zerebralen Blutflusses unter dem Einfluss von Hypo-/Hyperthermie sowie Hypo-/Hypertension analysiert. Mittels MRT-Bildgebung wurde weiterhin die sekundäre Infarktprogression untersucht. Insgesamt konnten an 72 Studienteilnehmenden 2161 SDs analysiert werden, wobei die Dauer der SD-induzierten Unterdrückung der neuronalen Aktivität mit sekundärer Infarktprogression korrelierte. Alle Vitalparameter zeigten einen signifikanten Zusammenhang zum Auftreten von SDs, welches unter anderem mit einem Abfall des mittleren arteriellen Drucks (−1.04 mmHg; p=.02) und des zerebralen Perfusionsdrucks (−1.04 mmHg; p=.03) einherging. Repetitive SDs in der Spätphase des experimentellen Schlaganfalls führte zu signifikanter sekundärer Infarktprogression (15.9 vs. 14.8 mm3; p<.01). Unter Hypothermie waren repetitive SDs mit einer verlängerten Hyperperfusion (+2.8 min; p<.05) assoziiert und führten nicht zu sekundärer Infarktprogression. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmalig ein Zusammenhang zwischen SDs und sekundärer Infarktprogression sowie eine signifikante Beeinflussung durch Vitalparameter bei Personen mit malignem Mediainfarkt und in der Spätphase des experimentellen Schlaganfalls gezeigt werden. Die Erkenntnisse dieser Arbeit betonen die Relevanz von SDs bei der Entstehung sekundärer Ischämien und legen nahe, die Aufzeichnung von SDs standardmäßig in die neurointensivmedizinische Überwachung zu integrieren, was durch ein minimalinvasives Monitoring erleichtert wird.