Arteriogenese im Gehirn der Ratte: Entwicklung und Charakterisierung eines Infarktmodells sowie Untersuchung der durch den Granulozyten-Makrophagen Kolonie-Stimulierenden-Faktor akzelerierten Arteriogenese

Abstract

Der Schlaganfall zählt in Deutschland zur der dritthäufigsten Todesursache. Die Therapie stützt sich vor allem auf eine symptomatische Behandlung, da die Behandlung mit Thromben auflösenden Medikamenten das Risiko von Blutungen in sich birgt. Die operativen Maßnahmen wie Endarterieektomie der A. carotis oder eine Bypassoperation sind sehr aufwendig und teils mit einem deutlichen Risiko behaftet. Als prophylaktische Maßnahme bietet sich die therapeutisch akzelerierte Arteriogenese an. Im Modell der Drei-Gefäß-Okklusion (3-VO) wurde die Arteriogenese, das rasche adaptive Wachstum prä-existent angelegter Kollateralarterien, im Gehirn untersucht. Durch einseitige Karotis- und beidseitige Vertebralisokklusion kommt es zur Umleitung des Blutstroms über die ipsilaterale A. cerebri posterior, die innerhalb einer Woche um 39 % im Durchmesser wächst. Durch die stimulierende Gabe des Granulozyten-Makrophagen Kolonie-Stimulierenden-Faktors (GM-CSF) wird das einwöchige Wachstum des Gefäßes auf 72 % gesteigert. Zudem wird die zerebrovaskuläre Reaktivität, die unmittelbar nach 3-VO nahezu komplett unterdrückt ist, zu 97 % rekonstituiert. Die vorliegende Arbeit zeigt die Entwicklung eines Tiermodells zur Auslösung eines hämodynamischen Schlaganfalls auf Basis einer bestehenden 3-VO. In diesem Modell wurde dann der arteriogene Einfluss von GM-CSF auf einen hämodynamischen Schlaganfall untersucht. Zur Entwicklung eines Tiermodells zur Auslösung eines hämodynamischen Schlaganfalls wurde eine Woche nach 3-VO der Blutdruck mittels Blutentzug auf 50 - 20 mmHg für 15 oder 30 Minuten gesenkt. Der Schwellenwert zur Auslösung eines ipsilateralen ATP-Defizits, dargestellt mittels ATP-spezifischer Biolumineszenz, lag bei fünfzehnminütiger Hypotension von 20 mmHg. In diesem Modell wurden mit GM-CSF behandelte Ratten (40µg kg-1 d-1) im Vergleich zu mit Ringerlösung behandelten Ratten untersucht. Durch die einwöchige Behandlung mit GM-CSF sank das gemessene Infarktvolumen, definiert durch einen zerebralen ATP-Gehalt < 0,5µMol g-1, von 48,8  44,2 % auf 15,8  17,4 % signifikant ab (p < 0,05). Der autoradiographisch gemessene ipsilaterale zerebrale Blutfluss (CBF) während der Hypotension lag bei den mit Ringerlösung behandelten Tiere im Bereich des von der A. cerebri media und posterior versorgten Kortex, des N. caudatus putamen und des Hippocampus signifikant unter den Flusswerten von gleich behandelten Tieren ohne Hypotension. Durch die Behandlung mit GM-CSF wurde ein starkes Absinken des CBF während der Hypotension gegenüber behandelten Tieren ohne Hypotension verhindert. Der positive Effekt der GM-CSF Behandlung auf die metabolische Situation sowie den CBF während Hypotension ist auf die gesteigerte zerebrale Arteriogenese mit rascher Erholung der zerebrovaskulären Reaktivität zurückzuführen. Das hier aufgezeigte Modell spiegelt die Situation beim Patienten mit bestehender Gefäßstenose unter plötzlichem Blutdruckabfall, wie er in den frühen Morgenstunden auftritt, wider. Übertragen in die Klinik ist die hier dargestellte Arteriogenese fördernde Behandlung mit GM-CSF bei hämodynamischen Schlaganfall ein neuer Behandlungsansatz zur Schlaganfallprophylaxe bei Risikopatienten.

In Germany stroke is one of the most often causes of death. Therapy of stroke is carried out mainly symptomatic as treatment with antithrombotic medicaments often causes bleedings. Surgical methods such as carotid endarterectomy or percutaneous transluminal balloon angioplasty are very complex and include some certain risks. Therapeutic accelerated arteriogenesis provides a prophylactic treatment of stroke. In the model of three-vessel occlusion (3-VO) arteriogenesis, the fast adaptive growth of pre-exisisting collateral arteries, in the brain was investigated. By occlusion of one carotid and both vertebral arteries blood flow is redistributed through the posterior cerebral artery that grows about 39 % in diameter within one week. By the stimulating treatment with granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) the growth within one week is accelerated to 72 %. Moreover cerebrovascular reactivity which is nearly completely suppressed immediately after 3-VO recovers to 97 %. The work shows the development of an animal model of hemodynamic stroke on basis of a persisting 3-VO. In that model the arteriogenic influence of GM-CSF on hemodynamic stroke should be investigated. For developing an animal model of hemodynamic stroke blood pressure was lowered by bleeding down to 50 - 20 mmHg for 15 - 30 minutes one week after 3-VO. The threshold value for evoking an ipsilateral ATP deficit measured by ATP specific bioluminescence was hypotension of 20 mmHg for 15 minutes. In that model rats treated with GM-CSF (40µg kg-1 d-1) were compared with rats treated with Ringer s solution. By one week treatment with GM-CSF infarct volume defined as cerebral decline of ATP below 0.5µMol g-1 significantly decreased from 48.8  44.2 % to 15.8  17.4 % (p < 0.05). Autoradiographically measured ipsilateral cerebral blood flow (CBF) in cortex supplied by the middle and posterior cerebral arteries, caudate-putamen and hippocampus in rats treated with Ringer s solution was significant lower than in rats without hypotension. By treatment with GM-CSF a strong decline of CBF during hypotension compared to GM-CSF treated rats without hypotension was prevented. The positive effect of GM-CSF treatment on the metabolic situation and CBF during hypotension is attributed to accelerated arteriogenesis with fast recovery of cerebrovascular reactivity. The developed model reflects the situation in patients with arterial stenosis under sudden decline of blood pressure, such as during the early morning. Transferred to clinic the showed pro-arteriogenic treatment of hemodynamic stroke with GM-CSF may be a new concept of prophylactic treatment of patients with high risk to suffer from stroke.