Untersuchungen zum zerebralen Kollateralgefäßwachstum und intraoperativen Laser Speckle Imaging

Abstract

Hämodynamische Perfusionsminderungen des Gehirns tragen in 10% der Fälle zur Entstehung eines ischämischen Schlaganfalls bei. Die Fähigkeit zur Kompensation dieser chronisch zerebralen Ischämie durch ein Auswachsen von präformierten Kollateralgefäßen ist naturgemäß begrenzt und gegenwärtige Strategien zur operativen Verbesserung des zerebralen Kollateralblutflusses sind durch ein hohes perioperatives Schlaganfallrisiko oder eine unbeständige hämodynamische Effektivität limitiert. Vor diesem Hintergrund wurde in der aktuellen Arbeit anhand experimenteller Modelle zur chronisch zerebralen Ischämie bei der C57BL/6 Maus und der Sprague-Dawley Ratte der Einfluss des Alters auf die chronisch zerebrale Ischämie und die Möglichkeit eines therapeutischen zerebralen Kollateralgefäßwachstums erforscht. Erstens gelang zu zeigen, dass ein hohes Alter einen negativen Einfluss auf das spontane, zerebrale Kollateralgefäßwachstum und die zerebrovaskuläre Reaktivität ausübt, was eine Erklärung für das gesteigerte Risiko eines hämodynamischen Schlaganfalls bei älteren Patienten liefert. Zweitens wurde am prä-klinischen Modell demonstriert, dass endotheliale Vorläuferzellen als Grundlage für eine nicht-operative Behandlungsstrategie bei Patienten mit insuffizienter Kollateralisierung und hämodynamischer Erschöpfung erfolgreich zur therapeutischen Stimulation des spontanen, zerebralen Kollateralgefäßwachstums eingesetzt werden könnten. Drittens wurde am experimentellen Mausmodell das Behandlungskonzept einer myoblasten-vermittelten Gentherapie in Kombination mit einer Encephalomyosynangiose (EMS) entwickelt und gezeigt, dass eine myoblasten-vermittelte VEGF Bereitstellung im Bereich der Muskel / Gehirn Grenzschicht einer EMS die unbeständigen klinischen Ergebnisse nach indirekter EMS Revaskularisierung durch eine effektive Stimulation der extra- intrakraniellen Kollateralisierung verbessern könnte. Der zweite, klinische Teil der Arbeit hat sich mit der intraoperativen Validierung von Laser Speckle Imaging (LSI) im neurochirurgischen Anwendungsbereich beschäftigt, da intraoperatives LSI (iLSI) aufgrund seiner technologischen Vorteile ein attraktives jedoch am menschlichen Gehirn unerforschtes Verfahren zur nicht- invasiven Perfusionsüberwachung darstellt. Anhand von Patienten mit der klinischen Indikation zu einer direkten Bypass-Revaskularisierung und hämodynamisch gesunden Kontrollpatienten konnte zunächst die grundsätzliche Verlässlichkeit, Sensitivität und Dynamik von iLSI im Rahmen der Routineanwendung am menschlichen Gehirn demonstriert werden. Zur weiteren Validierung der pseudo-quantitativen iLSI Perfusionsmessungen wurden anschließend iLSI-spezifische Perfusionsschwellen zur Vorhersage und zum Ausschluss von infarziertem Hirngewebe identifiziert, um den zerebralen Blutfluss während neurochirurgischen Operationen einfach, sicher und zuverlässig mittels iLSI überwachen zu können.

Hemodynamic compromise is responsible for ischemic stroke in about 10% of all cases and the endogenous capacity to compensate this chronic cerebral ischemia through outgrowth of preexisting collaterals is naturally limited. Currently, treatment strategies for surgical augmentation of collateral flow remain hampered by a high perioperative stroke risk or hemodynamic inefficacy. Against this background, the present study investigated the influence of age on chronic cerebral ischemia and strategies for therapeutic stimulation of cerebral collateral vessel growth in a C57BL/6 mouse and Sprague-Dawley rat model of chronic cerebral hypoperfusion. For the first time, we were able to demonstrate that high age is associated with a negative outgrowth of preexisting cerebral collaterals and delayed cerebral hemodynamic rescue, which may explain the increased hemodynamic stroke risk in the elderly. Secondly, a pre-clinical model was used to successfully demonstrate that endothelial progenitor cells may serve as a novel, non-surgical treatment for stimulation of cerebral collateral growth and hemodynamic rescue. Thirdly, an experimental mouse model was developed to investigate the potential of a myoblast-mediated gene therapy in combination with an encephalomyosynangiosis (EMS) as a novel, safe and effective treatment for chronic cerebral ischemia. Here, the effective stimulation of extra- intracranial collateralization demonstrated that myoblast-mediated VEGF growth factor supplementation at the muscle / brain interface of the EMS could help to improve the limited clinical results following indirect surgical EMS revascularization in patients with hemodynamic compromise and insufficient collateralization. The clinical part of the present study focused on the validation of intraoperative Laser Speckle Imaging (iLSI) as a non-invasive tool for continuous monitoring and visualization of cerebral perfusion during neurosurgical procedures. On the basis of patients with the clinical need for direct surgical bypass revascularization and hemodynamically healthy control patients, the general applicability, sensitivity and response dynamics of iLSI for routine measurement and visualization of cortical perfusion were successfully demonstrated. For further validation of the pseudo-quantitative perfusion assessment through iLSI, iLSI-specific perfusion thresholds for reliable prediction and exclusion of cortical infarction were identified, which helped to establish iLSI as a simple, safe and reliable tool for cortical perfusion monitoring in the human brain.