Neuroprotektion durch tiefe Hypothermie im neonatalen Hirngewebe

Abstract

Die großen Fortschritte in der Senkung der Mortalitätsraten während kardiochirurgischer Eingriffe bei Kindern, haben die Aufmerksamkeit auf die Morbidität gelenkt. Neurologische Komplikationen nach solchen Operationen im Kindesalter sind auf Grund ihrer Konsequenzen bei den Überlebenden solcher Operationen von enormer Bedeutung. Tiefe Hypothermie ist eine gängige Methode zur Protektion neuronaler Schäden. Die genauen Mechanismen auf zellulärer Ebene sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss dynamischer Temperaturveränderungen an primären neuronalen und glialen Zellen sowie an Hirnschnitten in vivo zu untersuchen. Dazu wurden die Zellen nach einem Protokoll, das am Temperaturverlauf eines kardiochirurgischen Eingriffes orientiert ist, gekühlt: 2 Stunden Kühlung bei 17 °C und langsame Wiedererwärmung auf 37 °C. Bei allen Zellen wurden die LDH- Rate sowie die Freisetzung des proinflammatorischen IL-6 gemessen. In den Hirnschnitten wurde das neuronale Überleben nach NMDA-Schädigung ausgewertet. Das astrogliale Protein S100B wird mit neuronalen Schäden nach kardiochirurgischen Eingriffen in Verbindung gebracht, in dieser Arbeit wurden die Zellreihen mit S100B behandelt und die Veränderung der Interleukinfreisetzung gemessen. Eine andere bedeutende Methode zur Neuroprotektion ist der Einsatz von Steroiden vor und während der operativen Eingriffe. Aus diesem Grund wurde ebenfalls der Einfluss der Gabe von Methylprednisolon (MP) auf die Zellen vor Kühlung und Wiedererwärmung untersucht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass tiefe Hypothermie die Freisetzung von IL-6 induziert, was durch die Applikation von MP unterdrückt wird. In Hirnschnitten, also im Zellverband, zeigte sich, dass sowohl tiefe Hypothermie als auch MP-Gabe den neuronalen Zelltod verringern.

The mortality rate of children with congenital heart disease has been significantly reduced during the last decade due to substantial progress in diagnostics and cardiac surgery. However, neurological complications are serious risk factors for the long-term development of children after corrective surgery. Deep hypothermia is a standard method for neuroprotection during cardiac surgery in children. However, the cellular mechanisms of neuroprotection have not been clearly established. The aim of this study was to investigate the impact of dynamic temperature changes mimicking temperature variation during cardiopulmonary bypass in vivo on neonatal primary astrocytes, BV-2 microglial cells and primary neurons as well an organotypic neonatal brain slice cultures. Primary astrocytes, BV-2 microglial cells, primary neurons and OSCs were treated according to a hypothermia protocol used during cardiac surgery in children: deep hypothermia (2h at 17 °C, phase 1), slow rewarming (2h up to 37 °C, phase 2), normothermia (20h at 37 °C, phase 3). In all brain cells LDH release (cytotoxicity) and the release of the pro- inflammatory cytokine IL-6 awere investigated. In brain slices neuronal survival after NMDA-damage was quantified by propidium iodide staining. In OSCs, axonal outgrowth modulation as well as axonal attraction or repulsion were analyzed microscopically. S100B is releated to cerebral damage after cardiac surgery, it is produced by astrozytes and known as stimulator for Il-6 release in neuronal cells. Therefor the cells were pretreated with S100B and the Il-6 levels were detected. An other major method for neuroprotection during CPB is the administration of steroids before and during corrective surgery. Therefore, we have investigated the impact of methylprednisolone (MP) administration. In conclusion deep hypothermia induces the secretion of the pro-inflammatory cytokine IL-6 by astrocytes, microglial cells and neurons, which is suppressed by MP application. Furthermore, deep hypothermia and MP suppress NMDA-induced excitotoxicity in neonatal brain slices.