Neuroprotektiver Effekt durch kontinuierliche Noradrenalin Infusion und Induktion von Glutamattransportern nach experimentellem Schädel-Hirn-Trauma in der Ratte

Abstract

Der Einfluß einer kontinuierlichen Infusion von Noradrenalin nach traumatischer Hirn-schädigung ist aufgrund beschriebener Vor- und Nachteile bisher nicht eindeutig ge-klärt. Nach traumatischer Schädigung des Gehirns kommt es zu einem exzessiven An-stieg der extrazellulären Glutamatkonzentration, welcher nach dem Modell der Exzitotoxizität für die sekundäre Größenzunahme der initialen Läsion mitverantwortlich gemacht wird. Ein Großteil des extrazellulären Glutamats wird durch Transportproteine für exzitatorische Aminosäuren (EAAT`s) aufgenommen. In Zellkulturen konnte eine α1 Rezeptor vermittelte Steigerung der Glutamataufnahme beobachtet werden. Weiterhin wurde nach der Behandlung hirntraumatisierter Patienten mit α1 Rezeptor Agonisten ein besseres neurologisches Ergebnis beschrieben. In der vorliegenden Studie wurde die Wirkung einer kontinuierlichen Noradrenalininfusi-on auf die Glutamat Transporter Expression, die extrazellulären Glutamatkonzentratio-nen, sowie das Kontusionsvolumen am Beispiel der Ratte untersucht. 148 Spraque-Dawley Ratten wurden in Inhalationsnarkose mit Isofluran mittels des Contolled Impact Injury (CCII) Trauma Modells traumatisiert oder scheinoperiert. Zu-nächst wurde in Versuchsreihen mit abnehmenden Noradrenalinkonzentration (1 μg/kg/min, 0,3 μg/kg/min, 0.15 μg/kg/min) die Auswirkung auf den arteriellen Mittel-druck (MABP) sowie die Traumagröße und das intraparenchymale Blutungsvolumen der Versuchstiere 48 Stunden nach dem Trauma untersucht (n=28). Anschließend wurden Kontusionsvolumen und Glutamattransporterexpression 48 Stunden, 7 Tage und 4 Wochen nach Kontusion und kontinuierlicher Noradrenalininfusion (0.15 μg/kg/min) über osmotische Minipumpen (ALZET®) bestimmt (n=108). Kontrolltiere er-hielten NaCl. MABP, Glucose und Blutgase wurden zu definierten Zeitpunkten gemes-sen. In 12 weiteren Tieren wurde die Auswirkung der Infusion auf den systolischen Blutdruck (SABP) durch nicht-invasive Blutdruckmessung bestimmt. In einem zusätzlichen Versuchsaufbau wurden die extrazellulären Konzentrationen von Glucose, Laktat, Pyruvat und Glycerol zu den Zeitpunkten 4, 24 und 48 Stunden nach der Kontusion mittels zerebraler Mikrodialyse gemessen (n=60). Das intraparenchymale Blutungsvolumen war in den Versuchstiergruppen mit mittlerer und hoher Noradrenalinkonzentration (0,3 bzw. 1,0 µg/kg/min) um 157% und 142% sig-nifikant erhöht im Vergleich zu traumatisierten Ratten, die NaCl erhielten (58,6 ± 14,2 mm3 und 55,2 ± 16,2 mm3 vs. 22,8 ± 5,8 mm3, p<0,02). Nur nach der Infusion von No-radrenalin in niedriger Konzentration (0.15 μg/kg/min) kam es zu einer signifikanten Re- duktion des Kontusionsvolumens um 40%. Das intraparenchymale Blutungsvolumen war in dieser Gruppe im Vergleich zu Tieren, die NaCl erhielten nicht erhöht. Allerdings war die Reduktion des Kontusionsvolumens nach 7 Tagen und 4 Wochen nicht mehr nachweisbar. Die Behandlung mit Noradrenalin führte zu einer signifikanten Reduktion der extrazellu-lären Konzentration von Glutamat (41,1 ± 16,1 µmol/l vs. 13,81 ± 5,05 µmol/l, p<0,05) and Laktat (3,29 ± 1,26 mmol/l vs. 1,99 ± 0,64 mmol/l, p<0,05) zu den Zeitpunkten 24 und 48 Stunden nach dem Trauma. Die Expression der Glutamattransporter EAAT1 und EAAT2 waren 48 Stunden und 7 Tage nach dem Trauma um 5-10% erhöht. Die kontinuierliche niedrigdosierte Noradrenalininfusion ist neuroprotektiv nach experi-mentellem Hirntrauma. Zumindest ein Teil dieses Effektes beruht auf der Induktion von Glutamattransportern und erniedrigten extrazellulären Glutamatspiegeln.

The role of Norepinephrine infusion following traumatic brain injury is still a matter of debate as it might have both beneficial and detrimental effects. Traumatic brain injury results in an excessive increase of extracellular glutamate concentration which is asso-ciated with expansion of necrosis. The clearance of extracellular glutamate is mediated by excitatory amino acid transporter proteins (EAAT). There is evidence for a α1 receptor mediated induction of glutamate transporter proteins in cell cultures as well as for better neurological outcome in brain injured patients receiv-ing α1 receptor agonists. Therefore, the goal of the present study was to elucidate whether continuous low dose NE infusion attenuates posttraumatic glutamate excitotoxicity by the induction of gluta-mate transporter protein expression in vivo. 148 adult male Spraque–Dawley rats, were anaesthetized with isoflurane before mod-erate CCII was produced to the right parietotemporal cortex or sham operation was per-formed. Starting at 4 hours following CCII rats were continuously infused with NE in three different Concentrations (1 μg/kg/min, 0.3 μg/kg/min, 0.15 μg/kg/min) or NaCl via ALZET® osmotic pumps. In these animals contusion volume, MABP and intraparen-chymal hemorrhage were determined 48 hours after trauma (n=28). In a second set of experiments only low dose NE (0.15 μg/kg/min) and NaCl was infused and animals were sacrificed after 48 hours, 7 days or 4 weeks and evaluated either for cortical con-tusion volume or glutamate transporter protein expression. MABP, blood glucose and blood gases were determined repetitively. The influence of NE infusion on blood pres-sure was double checked in 12 animals via non invasive systolic blood pressure meas-urement (SABP). Extracellular concentrations of glucose, glutamate, lactate, pyruvate and glycerol were determined 4, 24 and 48 hours following CCII via microdialysis in an additional group of animals after low dose NE infusion (n=60). Intraparenchymal hemorrhage was significantly increased by 157% and 142% in rats receiving NE in moderate and high doses (0.3 and 1.0 µg/kg/min). Contusion volume at 48 hours following CCII was significantly decreased by 40% after low dose NE infusion (0.15 μg/kg/min), but not 7 days and 4 weeks after CCII. Low dose NE treatment led to significantly reduced extracellular glutamate (41,1 ± 16,1 µmol/l vs. 13,81 ± 5,05 µmol/l, p<0,05) and lactate (3,29 ± 1,26 mmol/l vs. 1,99 ± 0,64 mmol/l, p<0,05) concentrations at 24 and 48 hours after trauma. Expression of glutamate transporter proteins EAAT1 and EAAT2 was significantly in-creased 48 hours and 7 days following CCII by 5-10%. Continuous low dose NE infusion is neuroprotektive following CCII. This effect is at least in part mediated by an increase in glutamate transporter protein expression, which re-sults in decreased extracellular glutamate concentrations.