Aspekte der neurovaskulären Kopplung, cerebralen Durchblutungsmessung und frühen ischämischen Hirnschädigung im Tiermodell

Abstract

Die hier vorgestellten Arbeiten untersuchen Aspekte der Durchblutungsregulation im Gehirn, der Techniken zur Darstellung von Durchblutung und Blutoxygenierung im Gehirn sowie der Darstellung der Folgen einer Verminderung des CBF. Wesentliche Erkenntnisse sind: Eine kombinierte Blockade bekannter Signalkaskaden der neurovaskulären Kopplung konnte den CBF- Anstieg um etwa zwei Drittel reduzieren, eine physiologische Zunahme des Sauerstoffverbrauchs im Hirngewebe war dennoch möglich. Die neurovaskuläre Kopplung ist daher wahrscheinlich nicht in ihrem ganzen Ausmaß zur Sicherstellung der Sauerstoffversorgung notwendig. Eine mögliche Erklärung ist ein Sicherheitsmechanismus, um eine Minderversorgung auch für den Fall pathologisch verminderten Sauerstoffangebotes zu gewährleisten. Die Hypothese einer Kopplung der Hirndurchblutung an die Deoxygenierung von Hämoglobin stellte sich als nicht zutreffend heraus, da die CBF-Antworten unter hyperbarer Oxygenierung mit Versorgung des Gewebes ausschließlich über physikalisch gelösten Sauerstoff unverändert vorhanden sind. Eine Quantifizierung der cerebralen Durchblutung über die Fluss-sensitive FAIR-MRT im murinen Schlaganfallmodell ist möglich, die errechneten Blutflusswerte liegen etwa 30% über denen durch Autoradiografie ex-vivo bestimmten. Der Verteilungskoeffizient für Wasser zwischen Hirn und Blut unterscheidet sich nicht relevant zwischen Maus und Mensch. Nach Blutflussverminderung durch Verschluss einer großen hirnversorgenden Arterie im experimentellen Schlaganfallmodell lassen sich früh Diffusionsstörungen von Wasser im Gehirn mittels MRT nachweisen, die, abhängig vom Zeitpunkt der MRT und Dauer der Ischämie, eine sehr genaue Vorhersage des späteren Hirninfarktvolumens ermöglichen. Die frühe Darstellung der ischämischen Gewebeveränderungen mittels MRT könnten unter anderem genutzt werden, um in experimentellen Schlaganfallstudien gleiche große Volumina der induzierten Ischämien von Placebo und Behandlungsgruppe zu belegen.

The presented articles investigate aspects of brain perfusion regulation, techniques to image perfusion and oxygenation of the brain and consequences of critical reduction of cerebral blood flow (CBF). Main findings are: A combined inhibition of known pathways of neurovascular coupling reduced the CBF increase by two thirds, the physiological increase in cerebral metabolic rate of oxygen was unaffected. Therefore, neurovascular coupling is most likely not necessary in its full extent to safeguard oxygen delivery to brain tissue. One potential explanation is a safety mechanism which prevents critical perfusion reduction in case of pathologically reduced oxygen availability. The hypothesis of a coupling of brain perfusion to deoxygenation of hemoglobin was found not to be true, as CBF responses were unaffected by hyperbaric oxygenation with tissue oxygen supply exclusively via physically dissolved oxygen. Quantification of CBF via flow sensitive FAIR-MRI was possible in a murine stroke model. The calculated CBF values were about 30% higher compared to those measured using an ex-vivo autoradiography technique. Die brain-blood partition coefficient of water did not relevantly differ between mouse and human brain. After perfusion reduction induced by occlusion of a major brain supplying artery in an experimental stroke model, diffusion restrictions of water can be determined early via MRI and may allow - depending on timing of MRI and duration of ischemia – accurate prediction of final stroke volumes. Early imaging of ischemic changes in brain tissue via MRI may be used to demonstrate equal early lesion volumes of placebo and treatment groups in experimental stroke studies.