Background: Spreading depolarizations (SDs) are waves neuronal and glial mass-depolarization that occur spontaneously after brain injury and are associated with detrimental effects in ischemic stroke and subarachnoid hemorrhage. In clinical and experimental intracerebral hemorrhage (ICH), SDs are observed. However, triggers for SD in ICH are poorly understood. In a mouse model, we investigated spatiotemporal characteristics and causes of SD occurrence in acute and subacute stages of ICH. We focused on ischemia, mechanical tissue distortion, and blood constituents or blood breakdown products as potential triggers.
Methods: After cannulating the femoral artery to track systemic physiology, ICH was induced by cortical injection of bacterial collagenase VII-S. Immediately, 8h, 24h, or 48h after injection, intrinsic optical signals, laser speckle flowmetry (LSF), and electrocorticography were recorded for 240 min to follow hematoma expansion, cortical blood flow changes, and SD occurrence over time. Subgroups of animals were assigned to normobaric hyperoxia or induced hypertension in the early stages of ICH. In another subset of animals, focal cortical ischemia was induced instead of ICH using the distal Middle Cerebral Artery occlusion model (dMCAo). Brains were collected at the end of the experiment for tissue analysis.
Results: During acute stages of ICH (0–4h), 45% of mice developed SDs, that often occurred in couplets and invariably emerged from the hematoma. SD frequency observed in primary hemorrhagic lesions was three-fold lower than in size-matched is-chemic cortical infarcts. Arguing against blood constituents or breakdown products as a trigger for SD in ICH, hematoma size did not correlate with SD occurrence. Further, SDs were only detected 29 to 221 min after ICH induction, whereas not a single SD was recorded at later time points, 8–52h after ICH induction. Likely excluding ischemia as a potential trigger, perihematomal perfusion monitored using LSF did not predict SD occurrence. In line with this, normobaric hyperoxia, known to decrease SD fre-quency by 60% in focal ischemic brains, did not reduce SD occurrence. Instead, SDs always arose during phases of rapid hemorrhage growth, which was doubled immediately preceding an SD, compared with the peak growth recorded in animals that did not develop any SD. Inducing hypertension in a separate cohort of mice yielded severely accelerated hemorrhage growth and increased SD frequency by four-fold com-pared with normotensive controls.
Conclusion: Our data provide novel mechanistic insights into the origins of SDs in ICH. They suggest that spontaneous SDs are caused by the mechanical tissue distor-tion of rapidly growing hematomas, with ischemia and blood constituents or breakdown products not contributing to a relevant extent.
Hintergrund: Spreading depolarizations (SDs) sind Wellen neuronaler und glialer Massen-Depolarisation, die spontan nach Hirnverletzungen auftreten und mit schädlichen Effekten bei ischämischen Schlaganfällen und Subarachnoidalblutungen in Verbindung gebracht werden. Sie können im Rahmen klinischer und experimenteller int-razerebraler Blutungen (ICH) beobachtet werden. Ihre Auslöser hier sind jedoch unbekannt. In einem Mausmodell analysierten wir das Auftreten und die Ursachen von SDs in akuten und subakuten ICH-Stadien und untersuchten Ischämie, mechanische Gewebsverdrängung und Blutbestandteile oder -abbauprodukte als mögliche Auslöser.
Methodik: Nach Kanülierung der Femoralarterie zur Überwachung der systemischen Physiologie wurde durch kortikale Injektion von bakterieller Kollagenase VII-S eine ICH induziert. Unmittelbar, 8h, 24h, oder 48h nach der Injektion wurden intrinsische optische Signale, Laser-Speckle-Flussmessung (LSF) und Elektrokortikographie 240 min lang aufgezeichnet, um die Ausdehnung der Blutung, Veränderungen des kortikalen Blutflusses und das Auftreten von SDs im Zeitverlauf zu beurteilen. Untergruppen von Tieren wurden im Frühstadium der ICH einer normobaren Hyperoxie oder einer induzierten Hypertension unterzogen. In einer anderen Subgruppe wurde anstelle der ICH mit Hilfe des dMCAo Modells eine fokale Ischämie induziert. Am Ende der Experimente wurden die Gehirne zur Gewebsanalyse entnommen.
Ergebnisse: In der akuten Phase der ICH (0-4h) entwickelten 45 % der Mäuse SDs, die oft in Paaren auftraten und ausnahmslos von der Blutung ausgingen. Primär hämorrhagische kortikale Läsionen zeigten eine, im Vergleich zu gleich großen kortikalen ischämischen Infarkten, um das dreifach reduzierte SD-Frequenz. SDs traten lediglich 29 bis 221min nach ICH-Induktion auf, nicht jedoch später, 8-52h nach ICH-Induktion, und korrelierten in ihrem Auftreten nicht mit der Blutungsgröße, was gegen Blutbestandteile oder Abbauprodukte als Auslöser der SDs sprach. Weiterhin konnte der peri-hämatomale Blutfluss das Erscheinen von SDs nicht vorhersagen und auch normobare Hyperoxie, die das Vorkommen von SDs in fokal ischämi-schen Gehirnen um 60 % reduziert, beeinflusste die SD-Frequenz nicht. Dies machte eine fokale Ischämie als Auslöser der SDs ebenso unwahrscheinlich. Im Gegensatz dazu zeigte sich, dass SDs immer in Phasen starken Blutungswachstums auftraten, das unmittelbar vor dem Erscheinen einer SD doppelt so hoch war wie das maximale Blutungswachstum in Tieren, die keine SDs entwickelten. Verglichen mit normotensi-ven Tieren führte induzierte Hypertension zu einem stark beschleunigtem Blutungs-wachstum und einer Vervierfachung der SD-Frequenz.
Zusammenfassung: Unsere Daten liefern neue pathophysiologische Erkenntnisse zur Entstehung von SDs bei ICH. Sie legen nahe, dass SDs durch mechanischen Druck schnell wachsender Blutungen ausgelöst werden, während Ischämie und Blut-bestandteile, oder -abbauprodukte das Auftreten von SDs nicht relevant beeinflussen.
