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Kapitel 1. Einleitung

Die Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen zerebralen Perfusion ist eine Vitalfunktion und ihre Beeinträchtigung durch eine Ischämie oder Blutung führt zum klinischen Syndrom des akuten Schlaganfalls (Apoplexia cerebri, stroke [engl.], apoplektischer Insult).

Abb. 1. Links: T2-gewichtete Magnetresonanztomographie (MRT)-aufnahme einer 45jährigen Frau 8 Stunden nach Einsetzen eines fokalen neurologischen Defizits (rechtsseitige Hemiparese, Dysarthrie). Das von der A. cerebri media versorgte Gebiet der linken Hemisphäre zeigt zu diesem Zeitpunkt mit der verwendeten Aufnahmetechnik nur geringe Signalveränderungen. Rechts: Präsentation des akuten Gefäßverschlusses im Versorgungsgebiet der A. cerebri media 4 Tage nach Beginn der neurologischen Symptomatik mit deutlichen T2-Signalveränderungen in der linken Hemisphäre (aus: www.med.harvard.edu, 1998).

Der klinische Begriff umschreibt den meist abrupten Beginn („vom Schlag getroffen“) eines charakteristischen neurologischen Defizits, welches die gestörte Funktion des betroffenen Hirnareals widerspiegelt. Der zerebrale Insult ist nach der koronaren Herzkrankheit und den malignen Tumoren die dritthäufigste Todesursache der über 60jährigen in den Industriestaaten. Ursache der akuten Hirndurchblutungsstörung beim Schlaganfall ist in 85 % ein arterieller embolischer oder thrombotischer Gefäßverschluß, in den verbleibenden 15 % eine spontane Gefäßruptur mit nachfolgender intrazerebraler oder subarachnoidaler Blutung (Fieschi et al. 1989). Die Inzidenz dieser Erkrankung ist stark altersabhängig und beträgt durchschnittlich 42,4-88/100000 Einwohner/Jahr und steigt in Deutschland von 10,1/100000 in der Altersgruppe der 30-39jährigen auf 159,2/100000 Einwohner/Jahr bei den über 60jährigen (Berger et al. 1998). Die allgemeine Prävalenz wird in den westlichen Ländern mit 500-600/100000 Einwohner angegeben und weist eine seit Jahren sinkende Mortalität auf. Unabhängige Risikofaktoren, die die Wahrscheinlichkeit,

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1.1 Pathogenese und Mechanismen der ischämischen Zellschädigung

Eine immer genauere Erforschung der zellulären Mechanismen bei akuter fokaler Ischämie ist von Bedeutung, da nur so eine rationale Methode bei der Suche nach neuen, potentiell neuroprotektiven Strategien möglich ist.

Grundlage gegenwärtiger Vorstellungen zur Pathophysiologie der zerebralen Ischämie ist das Konzept der ischämischen Penumbra (Astrup et al. 1981). Inzwischen ist allgemein akzeptiert, daß in der Peripherie einer ischämischen Zentralzone (engl. ischemic core) mit irreversibel geschädigten Zellen, abhängig von Kollateralgefäßen und lokalem Perfusionsdruck, eine weitere Zone mit gestörter Perfusion, die Penumbra, existiert. Positronenemissionstomographie (PET)- Studien ergaben, daß die Penumbra hämodynamisch durch einen reduzierten Blutfluß bei erhöhter Sauerstoffextraktionsfraktion gekennzeichnet ist, da das Gewebe bestrebt ist, die Sauerstoffstoffwechselrate

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Klinisch wird ein ischämischer Schlaganfall durch die neurologischen Folgen der embolischen oder thrombotischen Gefäßokklusion im Versorgungsgebiet der häufig betroffenen A. cerebri media manifest. Das Ausmaß der Blutflußreduktion, Grad der Kollateralisierung und die Dauer des Gefäßverschlusses bestimmen die Größe der ischämischen Region. Dabei können der Hauptstamm, zentrale Äste (Aa. centrales, lenticulo-striate arteries) oder oberflächliche kortikale Endäste betroffen sein. In jedem dieser Fälle sind es jedoch insbesondere neokortikale Strukturen, die infolge spärlicher pialer Kollateralen von einer kritischen Reduktion des zerebralen Blutflusses („misery perfusion“) betroffen sind (Hatashita et al. 1990). Bei einem Drittel der Patienten tritt eine Eigen-Rekanalisation des okkludierten Gefäßes eines Mediainfarktes innerhalb von 6 Stunden nach Einsetzen der klinischen Symptomatik ein (Fieschi et al. 1989). Minderperfundiertes Gewebe bei erhaltener Sauerstoffstoffwechselrate - die Penumbra - existiert bei der Hälfte der Patienten bis zu 17 Stunden. Es kann vom endgültigen Infarktvolumen einen Anteil von 6 -50 % ausmachen und bietet deshalb eine Möglichkeit therapeutischer Interventionen (Marchal et al. 1996; Heiss et al. 1999). Das Volumen von nicht-infarziertem, ehemaligem Penumbragewebe korreliert direkt mit der möglichen Verbesserung der neurologischen Symptomatik und steht deshalb im Zentrum therapeutischer Bemühungen (Furlan et al. 1996). Ohne Behandlung wird das variable Volumen der Penumbra im Verlaufe der Zeit jedoch kleiner - das Gebiet der Infarzierung breitet sich aus.

Was sind die Faktoren des ischämischen Zelltodes? Anhand von Tierexperimenten ist deutlich geworden, daß die transiente fokale zerebrale Ischämie eine kurzzeitige und langfristige Modulation zahlreicher Zellfunktionen auslöst, die zu ischämisch-hypoxisch induzierten zellulären Dysfunktionen und zum akuten oder verzögerten Zelltod führen können. Die Zellveränderungen beginnen innerhalb weniger Minuten und halten bis zu 10 Tagen beim Menschen an (Saunders et al. 1995). Verschiedene Mechanismen scheinen daran beteiligt: Exzitotoxizität, Periinfarktdepolarisationen, freie Radikale und Stickstoffmonoxid, mitochondriale Dysfunktion, immunologische Faktoren, Serotonin, spezieller Bedarf an neurotrophen Wachstumsfaktoren, apoptotischer Zelltod - die Schädigungskaskade des ischämischen Zelltodes ist multifaktoriell. Um die Querverbindungen und teilweise positiven Feed-back Schleifen dieser Mechanismen untereinander aufzuzeigen, soll auf die Konsequenzen dieser Faktoren eingegangen werden.

1.1.1 Exzitotoxizität

Nach einem Gefäßverschluß führen Sauerstoff- und Glukosemangel in der ischämischen Zentralzone zu einem intrazellulären Energiemangel, der den Erhalt des zellulären Membranpotentials

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1.1.2 Spreading depression (SD) und Periinfarktdepolarisationen

Am Rand der ischämischen Zentralzone - der Penumbra - treten unter experimentellen Bedingungen nach Verschluß der A. cerebri media oder photothrombotischer Infarzierung im Rattenkortex wellenförmige Erhöhungen des extrazellulären Kaliums (Branston et al. 1977) sowie repetitive, temporäre starke Depolarisationen auf (Nedergaard, Astrup, 1986; Back et al. 1994), die sich in kortikale Regionen ausbreiten, die nicht direkt von der akuten Infarzierung betroffen sind (Dietrich et al. 1994) und in vielen Merkmalen Leao´s „spreading depression“ (SD)-Depolarisationen (Leao, 1944) ähneln. Die massiven SD-Depolarisationen werden in zunehmenden Maße als ein entscheidender Faktor angesehen, der zum neuronalen Zelltod in der Penumbra und zum Ausbreiten der Hirninfarzierung nach fokaler zerebraler Ischämie beiträgt (Nedergaard, 1996).

Die Ausbreitung einer SD-Welle ist von (1) einer starken Depolarisation des Membranpotentials neuronaler und glialer Zellen, (2) einer Negativierung des extrazellulären DC-Potentials zwischen ca. -10 und -40 mV, (3) einer gravierenden Störung der Ionenhomöostase sowie von Veränderungen auf (4) metabolischer und (5) genetischer Ebene begleitet. Die Anzahl, Amplitude und Dauer von SD-Wellen korreliert dabei mit dem endgültigen Infarktvolumen (Mies et al. 1993; Back et al. 1996). Die eingetretene Umverteilung extra- und intrazellulärer Ionen erhöht den Energiebedarf ATP-abhängiger Ionenpumpen und stimuliert die Glukoseverwertung (Shinohara et al. 1979). Der Anstieg des Glukosemetabolismus ist unter Zellkulturbedingungen in Neuronen und Astrozyten nachweisbar und mit Ouabain (g-Strophanthin), einem Herzglykosid mit hochaffiner Hemmung der Na⁺/K⁺-ATPase, zumindest in Astrozyten blockierbar (Sokoloff et al. 1996). Unter adäquater Blutversorgung erhöhen SD-Wellen den Glukosebedarf im Kortex um 77 % (Kocher, 1990) sowie den Sauerstoffverbrauch um 45 % (Mayevsky, Weiss, 1991), dem mit reaktiver Hyperperfusion entsprochen wird, um das Glukoseangebot und die Sauerstoffträger (das oxygenierte Hämoglobin der Erythrozyten) zu erhöhen. Dennoch reicht die metabolische Aktivierung auch unter normoxischen und physiologischen hämodynamischen Bedingungen nicht aus: es kommt während der SD zu einem Anstieg des Laktatgehalts um 66% und einer Abnahme des pH-Werts um 0,3 Einheiten (Kocher, 1990) im Sinne einer Gewebsazidose bei anaerober Glykolyse (Csiba et al. 1985) mit geringer Energieausbeute. Weiterhin verbleibt im Verlauf einer SD ein Teil des intramitochondrialen NADH⁺ und Cytochroms im reduzierten Zustand, so daß der ATP-Gewinn in der Atmungskette vermindert ist (Haselgrove et al. 1990). Unter ischämischen Bedingungen ist jedoch diese metabolische Entkopplung nach SD-induzierten Ionenumverteilungen drastisch verstärkt, da die reaktive Blutflußerhöhung in der Penumbra auf die hämodynamische Kapazität vorhandener Kollateralkreisläufe begrenzt ist: die limitierte Sauerstoff- und Glukosezufuhr führt durch zusätzlich ausgelöste SDs und den dadurch erhöhten Energiebedarf in der Penumbra zu transienten Hypoxien (Back et al. 1994). Die Dauer einer SD ist unter ischämisch-hypoxischen Bedingungen deutlich verlängert, was die beeinträchtigte Funktion der Na⁺/K⁺-ATPase, die veränderten Ionengradienten wieder auszugleichen, widerspiegelt. Die

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Es treten in den neokortikalen Strukturen an mehreren Stellen weitere Periinfarktdepolarisationen auf - die Hypoxie-induzierte plötzliche anoxische Depolarisation, bei der es ähnlich wie bei der SD auch zu einem Natrium- und Kalziumeinstrom in die depolarisierten Zellen kommt (Luhmann, 1996).Dies erhöht den Energiebedarf in der Penumbra weiter und verändert das kritische Verhältnis zwischen Aufrechterhaltung eines basalen zellulären Membranpotentials bzw. ischämischen Zelltods in Richtung einer Zerstörung der zellulären Energiehomöostase und eines irreversiblen Zellschadens weiter, da die depolarisierten Zellen in der Penumbra die für die zelluläre Integrität notwendigen energieabhängigen Transportprozesse zur Repolarisation nicht bewältigen können (Riepe et al. 1995). Besonders Neurone der Schicht II/III sind für hypoxisch-ischämische Schädigungen sensibel (Nedergaard, Diemer, 1987). Ein Natrium- und Kalziumeinstrom erfolgt u.a. auch am NMDA-Glutamatrezeptor, der durch SD-Wellen, einem verminderten spannungsabhängigen Mg²⁺-Block unter ischämischen Bedingungen oder durch extrazelluläres Glutamat aktiviert werden kann (Obrenovitch, 1995). Es konnte gezeigt werden, daß unter in vivo Bedingungen der globalen Ischämie als auch der MCA-Okklusion Glutamatantagonisten am N-Methyl-D-aspartat- (NMDA-) Rezeptor (Iijima et al. 1992) sowie am (±)-Alpha-Amino-3-hydroxy-5-methyl-isoxazol-4-propionsäure (AMPA-) Rezeptor (Gill et al. 1992) neuroprotektiv wirken und das Infarktvolumen verringern. Die Ergebnisse und auch der Effekt einer kombinierten NMDA- und AMPA-Rezeptor Blockade waren z.T. jedoch auch widersprüchlich, da verschiedene Autoren der NMDA- oder AMPA-Rezeptorblockade eine größere neuroprotektive Wirkung bei der zerebralen Ischämie zuschreiben (Sheardown et al. 1993; Buchan et al. 1993; Swan, Meldrum, 1990). Im zeitlichen Verlauf gesehen, ist exzitotoxisches Glutamat in der Penumbra jedoch nur gering erhöht und im MCA-Okklusionsmodel der transienten fokalen zerebralen Ischämie auf die Zeit der Ischämie begrenzt - dennoch setzen sich die Gewebeschäden auch nach Reperfusion fort (Obrenovitch et al. 1993; Margaill et al. 1996).

1.1.3 Stickstoffmonoxid (NO) und freie Radikale

Unter hypoxisch-ischämischen Bedingungen kommt es in Neuronen, Mikroglia, Astrozyten und vaskulären Endothelzellen infolge der aus verschiedenen Quellen erhöhten intrazellulären Kalziumkonzentration zu einer gesteigerten Produktion von NO^. über die Stickstoffmonoxidsynthase (NOS) als auch zur Bildung reaktiver Sauerstoffderivate (ROS) wie O₂^- , ONOO^-, OH^. und H₂O₂ (Peters et al. 1998). Der Einstrom von extrazellulärem Kalzium u.a. über die geöffneten Ionenkanäle des NMDA-Rezeptors stimuliert dabei sowohl die Kalzium-/Calmodulin-regulierte neuronale NOS (nNOS) als auch die endotheliale Isoform (eNOS) dieses Enzyms, welche daraufhin das Substrat L-Arginin verstärkt zu NO^. und L-Citrullin umwandeln (Pieper et al. 1999). Zur erhöhten NO^. -Synthese im Ischämiegebiet trägt auch eine neugebildete, induzierbare Isoform der NOS (iNOS) bei, deren Bildung unter diesen pathophysiologischen Bedingungen durch Zytokine wie Interleukin-1Beta (IL-1Beta) und Interferon-Gamma (IFN-Gamma) in vaskulären Endothelzellen sowie in infiltrierenden

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Obwohl die ROS-Produktion unter ischämischen Bedingungen zeitlich nicht mit auftretenden SD-ähnlichen Periinfarktdepolarisationen korreliert (Peters et al. 1998), scheint der schädigende Einfluß von NO^. und seiner Nitrosoverbindungen zu überwiegen, da die experimentelle Ausschaltung des NOS I Gens in Knockout-Mäusen zu einer geringeren Anzahl von SD-Depolarisationen, einem verminderten exzitatorischen Neurotransmitterefflux und verkleinerten finalen Infarktvolumen führt (Shimizu-Sasamata et al. 1998).

1.1.4 Mitochondriale Dysfunktion

Die erhöhte [Ca²⁺]_i führt auch zu einer Kalziumüberladung der Mitochondrien. Hinzu kommt die Anhäufung freier Fettsäuren als Folgen der PLA₂ Aktivierung, die zur mitochondrialen Dysfunktion und Schädigung des oxidativen Stoffwechsels beiträgt (Siesjö, 1991). Die Folge ist eine Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung von der Atmungskette und Störung des ATP/ADP Transporters. Die Mitochondrien sind unter hypoxisch-ischämischen Energiemangel („oxidativer Stress“) dilatiert, das mitochondriale transmembranale Potential verringert sich und sie produzieren

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1.1.5 Entzündung und immunologische Faktoren

Die akute fokale zerebrale Ischämie löst innerhalb weniger Stunden eine starke Entzündungsreaktion im Hirnparenchym aus (Stoll et al. 1998). In der Peripherie eines Hirninfarktes der Maus oder Ratte kommt es nach MCA-Okklusion unter Wirkung von NO^. zur verstärkten Expression der Cyclooxygenase II (COX-II), dem Schlüsselenzym der proinflammatorischen Prostaglandinbiosynthese (Nogawa et al. 1998). Das Substrat der COX-II - Arachidonsäure - wird unter ischämischen Bedingungen über kalziumaktivierte Phospholipasen (z.B. PLA₂, PLC) verstärkt aus Membranen freigesetzt. Weitere Folgen der PLA₂ Aktivierung ist die Anhäufung freier Fettsäuren, die zur mitochondrialen Dysfunktion infolge Entkopplung der oxidativen Phosphorylierung von der Atmungskette führt sowie die Generierung von Thrombozyten-aktivierenden Faktor (engl. platelet activating factor, PAF) aus Membranlipiden (Katsura et al. 1993). Das Phospholipid PAF bindet als Transskriptionsfaktor an eine PAF-sensitive Domäne und bewirkt ebenfalls eine verstärkte Expression von COX-II (Bazan, Allan, 1996). Die Reaktionsprodukte des COX-II Enzyms- Prostaglandin E₂ (PGE₂), freie Radikale (O₂^-), Thromboxan A ₂ (TXA₂)- entstehen im perinukleären endoplasmatischen Retikulum, modulieren die Glutamatfreisetzung und wirken proinflammatorisch bzw. vasokonstriktorisch sowie plättchenaggregierend auf das umgebende Hirnparenchym und sind darüber hinaus eine weitere ROS-Quelle (Katsuki, Okuda, 1995). Im Ergebnis umgeben nach einigen Stunden neutrophile Granulozyten, aktivierte Mikroglia und reaktive Astrozyten das Infarktterritorium (Lin et al. 1998). Die Granulozyten sind über einen speziellen Mechanismus eingewandert: Ischämische Neurone, Gliazellen und Endothelzellen der nekrotischen Zentralzone als auch der Penumbra setzen Zytokine wie Interleukin-1Beta (IL-1Beta), Interleukin-6 (IL-6), Interleukin-8 (IL-8), PAF, Tumornekrosefaktor-Alpha (TNF-Alpha) frei, die proinflammatorisch die Infiltration mit neutrophilen Granulozyten fördern. Diese Zytokine führen zur endothelialen Expression von Adhäsionsmolekülen (AM). Auf den Endothelzellmembranen erscheinen P-Selektin, E-Selektin, interzelluläres-AM-1 (ICAM-1), ICAM-2, vaskuläres-AM-1

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1.1.6 Thrombozyten und Serotonin

Im Hirnparenchym humaner post-mortem Spezimen konnte ein verminderter Serotoningehalt nach zerebraler Ischämie nachgewiesen werden (Jellinger et al. 1978). Den Namen erhielt diese Substanz, nachdem man frühzeitig feststellte, daß aktivierte Thrombozyten zur Blutstase in das Serum (Sero-) eine Substanz freisetzen, die den Tonus (-tonin) von Blutgefäßen erhöht und so die Blutstase fördert. In vivo entfaltet Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) intravasale und zelluläre Wirkungen als Neurotransmitter über gegenwärtig 14 klassifizierte 5-HT-Rezeptoren (Alexander, Peters, 1999). Aktivierte Thrombozyten, die sich intravasal an Endothelläsionen aufgelagert haben (Thrombozytenadhäsion), setzen ADP, TXA₂ und Serotonin frei, die die weitere Thrombozytenaggregation fördern. Auf aktivierten Thrombozyten erscheint der Glykoprotein (GP)-Integrinrezeptor GP II_B/III_A, der die Bindung von Fibrinogen ermöglicht, als auch P-Selektin (Simoons, Deckers, 1995). Damit fördern aktivierte Thrombozyten die Fibrinformation und die Einbeziehung von Erythrozyten in den wachsenden Thrombus. Die Thrombozytenakkumulation im gesamten ipsilateralen Kortex nach Verschluß der A. cerebri media führt über eine Fibrinogenbindung am GP II_B/III_A-Rezeptor der Thrombozyten auch nach Reperfusion des ischämischen Gebietes zur fortgesetzten Fibrinformation, neuer Mikrothrombenbildung und anhaltenden postischämischen Hypoperfusion. Die Gabe von Inhibitoren des Glykoprotein II_B/III_A-Rezeptors reduziert experimentell drastisch die Infarktgröße und verbessert den postischämischen Blutfluß (Choudhri et al. 1998).

Unter physiologischen Bedingungen vermitteln die zahlreichen Serotoninrezeptoren sehr unterschiedliche Wirkungen. Auf die größeren Hirngefäße wirkt Serotonin über den 5-HT₂-Rezeptor vasokonstriktorisch, während es piale Gefäße dilatiert (Auer et al. 1985). Darüber hinaus ist der größte Serotoningehalt in den enterochromaffinen Zellen des Gastrointestinaltrakts zu finden, wo es über den 5-HT₄-Rezeptor motilitätsfördend wirkt. Die Verhinderung der serotonergen Vasokonstriktion und damit Wirkung von 5-HT₂ Antagonisten wie Ketanserin haben sich in Tiermodellen der transienten zerebralen Ischämie als wenig neuroprotektiv herausgestellt (Piera et al. 1995). Die Aktivierung des 5-HT_1A-Rezeptors im ZNS ist möglicherweise ein neuer attraktiverer

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1.1.7 Genetische Veränderungen

Die neuen Genprodukte der Infarkt- und Periinfarktzone sind Ausdruck von zeitlich aufeinanderfolgenden Wellen neuer Genexpression, die in den hypoxisch-ischämisch veränderten Neuronen, Glia- und Endothelzellen in unterschiedlichem Ausmaß und nicht einheitlicher Sequenz ablaufen (Feuerstein et al. 1996). Die schnellste und auch wieder rasch abfallende genetische Reaktion ist die Expression der „sehr frühen Gene“ (immediate early genes, IEG) c-jun, jun B, c-fos, die zum Teil als Transkriptionsfaktoren für andere Gene wirken. Innerhalb eines Tages ist die Immunoreaktivität von Hitzeschockproteinen (heat shock proteines, hsp) wie hsp-70 und hsp-72 nachweisbar. Eine erhöhte Expression der Zytokine TNF-Alpha, IL-1Beta, Il-6 und IL-8; der Adhäsionsmoleküle ICAM-1, ICAM-2, VCAM-1; der Selektine und Wachstumsfaktoren (growth factors) NGF (nerv growth factor), BDNF (brain-derived nerv growth factor), NT-3, -4/5 (Neurotrophin-3,-4/5), bFGF (basic fibroblast growth factor), p53, insulin-like growth factor, CNTF (ciliary neurotrophic factor), PDGF (platelet derived growth factor) sind über mehrere Tage nachweisbar, aber jeweils in verschiedenen Hirnregionen, Infarktsubkompartimenten und nichtischämischen Zellpopulationen unterschiedlich (Feuerstein et al. 1996). Neben der chemotaktischen, neutrophile Granulozyten und Makrophagen anziehenden Wirkung von Zytokinen, verstärkt IL-1 über eine Induktion der NOS auch die Bildung von NO^.. Eine andere Gruppe von verstärkt gebildeten

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1.1.8 Wachstumsfaktoren

Neurotrophe Wachstumsfaktoren entfalten ihre neuroprotektiven Wirkungen über eine Rezeptor-Protein-Tyrosin-Kinase (TrkA, TrkB, TrkC) oder Rezeptor-Serin/Threonin-Kinase. Zellulär verstärkt produzierte oder therapeutisch applizierte Wachstumsfaktoren können in verschiedenen Modellen der zerebralen Ischämie neuroprotektive Wirkungen entfalten (Lindvall et al. 1992; Tanaka et al. 1995). Wachstumsfaktoren aktivieren zum einen Transkriptionsfaktoren, die Gene von DNA-Reparaturproteinen vermehrt exprimieren. Darüber hinaus sind sie an anabolen Prozessen, wie der verstärkten Expression von antioxidativen Enzymen wie der SOD, des calciumbindenden Proteins Calbindin und der Expression des antiapoptotischen Bcl-2 Proteins beteiligt und können über einen Erhalt der intrazellulären Kalziumhomöostase und des mitochondrialen Membranpotentials neuroprotektiv wirken. Wachstumsfaktoren können darüber hinaus auch die Expression von Rezeptoren der exzitatorischen Aminosäuren modulieren (Nikolics et al. 1996).

1.1.9 Apoptose

Nach transienter fokaler zerebraler Ischämie konnte neben dem akuten, nekrotischen Zelltod des Infarktkern auch ein verzögerter, apoptotischer Zelltod von Neuronen und Gliazellen insbesondere der kortikalen Penumbraregion nachgewiesen werden (Du et al. 1996). Apoptose ist als Form des programmierten Zelltods im Gegensatz zum nekrotischen Zelluntergang ultrastrukturell von (1) Zytoplasmaschrumpfung, (2) Erhalt der Membran- und Mitochondrienintegrität, (3) Abwesenheit einer Entzündungsreaktion, (4) kondensiertem, randständigen Chromatin im Zellkern, (5) oligonukleosomaler DNA-Fragmentation sowie möglicher finaler Zelldesintegraion durch Zytoplasmafragmente (Apoptosekörperchen) gekennzeichnet (Thompson, 1995). Apoptosekörperchen können von umgebenden Mikroglia und Makrophagen ohne Entzündungsreaktion phagozytiert werden (Rupalla et al. 1998). Das Vorkommen von Apoptose nach zerebraler Ischämie konnte in neuronalen Zellen mit vergleichbaren morphologischen Kriterien auch für humane Proben gezeigt werden (Guglielmo et al. 1998). Apoptose kann am Zelltod nach ischämischen Hirninfarkt dahingehend beteiligt sein, daß, abhängig von der Intensität des zytotoxischen Stimulus, Zellen mit starken Schäden, wie sie im Infarktzentrum vorliegen, überwiegend einem akuten, nekrotischen Zelltod erliegen, während leichtere pathophysiologische Prozesse beispielsweise in der Penumbra überwiegend einen verzögerten, programmierten, apoptotischen Zelltod induzieren können (Bonfoco et al. 1995). Für die Ausführung des zellulären Apoptoseprogramms

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1.2 Spreading depression (SD)

Repetitive kortikale Depolarisationen vom SD-Typ, wie sie in der Penumbra eines ischämischen Hirninfarktes von Tiermodellen auftreten (Nedergaard, Astrup, 1986), sind ein sehr wichtiger Faktor in der Schädigungskaskade des ischämischen Zelltods (Parsons, 1998). SD Episoden spielen unter ischämischen Bedingungen eine entscheidende Rolle in der Ausbreitung der irreversiblen Hirninfarzierung, da sie die Schwelle einzelner Neurone, in einem irreversiblen Zelltod während oder nach einer akuten fokalen zerebralen Ischämie unterzugehen, erheblich absenken. Da das Penumbragewebe vor der Infarzierung therapeutisch potentiell geschützt werden kann, sind die mit einer SD-assoziierten Veränderungen auf elektrophysiologischer, metabolischer, vaskulärer und genetischer Ebene von Interesse.

SD-Depolarisationen im Neokortex sind mit drastischen Ionenströmen, einem transienten Zusammenbruch transmembranaler Ionengradienten und erhöhtem ATP-Verbrauch verbunden. SD beschreibt nach Initiierung eine plötzliche Negativierung des extrazellulären DC-Potentials (des EEG-Potential) um 10 - 40 mV, welches unter normoxischen Bedingungen nach 1-2 min repolarisiert (Abb. 2) (aus (Lauritzen, 1994)). Diese lokale, zeitweise Auslöschung der neuronalen und glialen Aktivität, die mit einer starken Membrandepolarisation der beteiligten Zellen (Neurone, Astrozyten) verbunden ist, breitet sich mit einer Geschwindigkeit von 3-5 mm/min wellenförmig innerhalb der ipsilateralen Hemisphäre aus (Leao, 1944). Das Phänomen wurde 1944 erstmals am Kaninchen beschrieben und ist inzwischen für viele Nagetierspezies nachgewiesen sowie in vitro (Avoli et al. 1995) und in Einzelfällen in vivo (Mayevsky et al. 1996) vom humanen Kortex abgeleitet worden. Unter experimentellen Bedingungen kann eine SD durch elektrische Stimulation, mechanische Verletzung, Verschluß der A. cerebri media, 4-Aminopyridin, verminderte extrazelluläre Mg²⁺-Konzentration oder erhöhte extrazelluläre K⁺-Konzentration ausgelöst werden (Leao, 1944; Back et al. 1996; Psarropoulou, Avoli, 1993; Mody et al. 1987; Amemori et al. 1987). Grafstein postulierte 1956, daß ein Anstieg der [K⁺] _e, 1959 van Harrefeld, daß extrazelluläres

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Abb. 2. Typische extrazelluläre elektrophysiologische Veränderungen während einer spreading depression (SD) im Rattenhirn. Die Veränderungen der interstitiellen Ionenkonzentration nach Auslösung einer SD im frontalen Kortex von Natrium (Na⁺), Kalium (K⁺), Kalzium (Ca²⁺) und Wasserstoff (H⁺) können mit ionenselektiven Elektroden im parietalen Kortex aufgenommen werden. Die Aktivität einer „einzelnen Einheit“ (single unit activity) sowie Änderung des extrazellulären Potentials (Ve; entspricht DC-Potential, siehe Methoden) wird jeweils mit einer einzelnen Mikroelektroden registriert. Beachte die nach transientem Verlöschen der neuronalen Aktivität (unit act.) einsetzende starke Negativierung des extrazellulären DC-Potentials (Ve), die von einem drastischen Anstieg der [K⁺]_e von 3mM auf 50 mM bei gleichzeitigem Abfall der [Na⁺]_e und [Ca²⁺]_e verbunden ist. Aus (Lauritzen, 1994).

Glutamat zur Auslösung und Ausbreitung einer SD-Welle führt. Die Beteiligung der ionotropen Glutamatrezeptoren wie NMDA- oder AMPA-Rezeptoren an der Induktion und Ausbreitung der SD-Wellen wird durch die unterschiedlichen Effekte entsprechender selektiver Rezeptorantagonisten wie MK-801 und NBQX kontrovers beurteilt (Mies et al. 1994; Nellgård, Wieloch, 1992). Neuerdings werden im SD-Ausbreitungsmechanismus interzelluläre elektrische

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Die großen Ionenströme über aktivierte Ionenkanäle und Rezeptor-assoziierte Ionenkanäle während der räumlichen und zeitlichen Ausbreitung einer SD im Hirnparenchym sind von einem vorübergehenden Abfall der extrazellulären Na⁺-, Cl^-- und Ca²⁺- Ionenkonzentration und einem transienten Anstieg der extrazellulären K⁺- und interstitiellen H⁺- (= Abfall des pH-Wertes) Ionenkonzentration gekennzeichnet (Lauritzen, 1994) und erfordern mit der Stimulierung der Na⁺/K⁺ ATPase einen erheblichen metabolischen Aufwand (Kocher, 1990), um die stark depolarisierten Neurone und Gliazellen zu repolarisieren (Sugaya et al. 1975). Astrozyten sowie Mikroglia nehmen über geöffnete spannungsabhängige Ionenkanäle K⁺, Cl^- und HCO₃^--Ionen auf (Walz, 1997), während in den Neuronen NaCl akkumuliert und das Zytoplasma azidotisch wird. Die gliale Kaliumaufnahme aus dem Extrazellulärraum sowie die sinkende extrazelluläre NaCl-Konzentration sind für das zu registrierende negative extrazelluläre Potential mit verantwortlich (Hossmann, 1996). Gleichzeitig führt die NaCl-Akkumulation in den Neuronen sowie die Kaliumaufnahme durch Glia-Zellen zu einem passiven Einstrom von Wasser in die entsprechenden Zellen. Die Umverteilung extra- und intrazellulärer Ionen sowie von interstitiellem Wasser läßt Neurone und gliale Zellen auf Grund intrazellulärer impermeabler Makromoleküle osmotisch massiv schwellen und verkleinert den Extrazellulärraum auf etwa 50 % des Ausgangswertes (Hansen, 1985). Die veränderte Zusammensetzung und das geschrumpfte Volumen des Extrazellulärraums, die erhöhte zelluläre Membranpermeabilität, die geänderte synaptische Transmission sowie intrinsische Chromophore verändern auch die Lichtbrechung an der Hirnoberfläche und sind insgesamt als verstärktes intrinsisches optisches Signal (IOS) durch die Reflektionszunahme (bzw. Transmissionsabnahme) als eine sich in Raum und Zeit ausbreitende Welle mit optischen Methoden ebenfalls registrierbar (Yoon et al. 1996). Unter normoxischen Bedingungen und adäquater Glukoseversorgung ist nach 1 - 2 min die extrazelluläre K⁺- Konzentration wieder

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Trotz der DC-Potentialänderung assoziierten Blutflußerhöhung wird auch im normoxischen Hirn während einer SD ein Teil der Glukose anerob verstoffwechselt: es kommt zu einem Anstieg von Laktat, Absinken des zytoplasmatischen pH-Wertes und NADH Gehalts der Mitochondrien (Mayevsky, Weiss, 1991; Csiba et al. 1985). Die Erhöhung der interstitiellen K⁺-Ionenkonzentration auf 40 - 60 mM während der Ausbreitung einer SD (Lauritzen, Hansen, 1992) führt zu einer Aktivierung präsynaptischer Ca²⁺- Kanäle an exzitatorischen Terminalen, die nach einem Einstrom von Ca²⁺- Ionen Glutamat exozytotisch freisetzen (Nicholls, 1993). Mit modernen Mikrodialysemethoden wurde ermittelt, daß dies einem leichten, vorübergehenden Anstieg der interstitiellen Glutamatkonzentration von 6 mM auf 30 - 40 mM entspricht (siehe Abb. 7 und 8 in Zilkha et al. 1995). Die SD-assoziierte Glutamatfreisetzung führt zu einer Aktivierung postsynaptischer Glutamatrezeptoren, so daß es u.a. über den NMDA-Rezeptor zu einem zusätzlichen Kalziumeinstrom in die Zelle kommt: die Ausbreitung einer SD wird von extrazellulärem Ca²⁺ und einer NMDA-Rezeptor Aktivierung gefördert. Der Abfall der [Ca²⁺] _e von 1,5 mM auf 0,08 mM im Kortex (Lauritzen, 1994) während einer SD legt neben einem nahezu Ausgleich der extra- und intrazellulären [Ca²⁺] eine zusätzliche intrazelluläre Kalziumbindung oder Sequestrierung nahe (Herreras, Somjen, 1993). Dem würde die Aktivierung der Proteinkinase C (PKC) während einer SD entsprechen (Krivanek, Koroleva, 1996). Die PKC wird durch eine Kalziumbindung aktiviert und transloziert danach von der zytosolischen PKC Form zur Plasmamembran, wo sie Substratproteine phosphoryliert. Da die Aktivierung der PKC die Aktivität des NMDA-Rezeptorproteins über einen verringerten Mg²⁺-Block verstärken kann (Chen, Huang, 1992), ist dies möglicherweise ein Faktor zur autokatalytischen Verstärkung der Zelldepolarisation nach NMDA-Rezeptoraktivierung während einer SD, die so zusammen mit Zelldiffusionspotentialen

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Die dramatischen Umverteilungen von Ionen im Verlauf einer SD lösen auf mehreren Ebenen weitere zelluläre Veränderungen aus. SD-Depolarisationen scheinen in Tiermodellen für einen Großteil der genetischen Veränderungen und neuen Genprodukten nach fokaler zerebraler Ischämie über eine Aktivierung des NMDA-Glutamatrezeptors verantwortlich (Siesjö et al. 1995; Miettinen et al. 1997). SD-Wellen tragen zur vorübergehenden verstärkten Expression der „sehr frühen Gene“ (immediate early genes, IEG) c-jun, jun B, c-fos, KROX 24 sowohl in der direkten Infarktregion als auch im gesamten ipsilateralen Kortex außerhalb der direkt von der Ischämie betroffenen Region bei (Hossmann, 1996). Während repetitive SD-Depolarisationen einen Großteil der Proteinsynthese vorallem in vulnerablen Neuronen der kortikalen Schicht II/III um ca. 37 % vermindern (Mies, 1993), erhöht sich die Immunoreaktivität von Streßproteinen: es kommt zu einem Anstieg der Hitzeschockproteine (heat shock proteine, hsp) hsp70 und hsp32 (= Hämoxygenase-1). Weiterhin werden durch SD-Wellen Wachstumsfaktoren wie NGF, BDGF, und bFGF, ihre entsprechenden Tyrosinkinaserezeptoren trkB und trkC als auch Gewebsplasminogen-aktivator (t-PA) induziert (Herrera et al. 1993; Kawahara et al. 1997; Kariko et al. 1998). Es ist gegenwärtig unklar, welche der genetischen Veränderungen zu einem zellulären Schutz dienen und welche eine Ausweitung neuronaler Schäden darstellen, da das hsp70 Hitzeschockprotein andere veränderte Zellproteine binden und so Zellen vor nachfolgenden Schäden schützen kann sowie verstärkt gebildeten Wachstumsfaktoren eine protektive Rolle für kortikale Neurone zugeschrieben wird (Kokaia et al. 1995). Andererseits kann t-PA postischämische neuronale Schäden unabhängig von seinen thrombolytischen Eigenschaften durch eine verstärkte Exzitotoxizität verstärken (Wang et al. 1998). Ebenfalls kontrovers werden erhöhte zelluläre BDNF-Konzentrationen einerseits in Zusammenhang mit dem Phänomen der partiellen ischämischen Toleranz von Neuronen gebracht („ischemic preconditioning“) (Kawahara et al. 1997), andererseits scheint BDNF auch an einer postischämischen neuronalen Hyperexzitabilität beteiligt (Scharfman, 1997). SD-Wellen sind auch in der Lage, Gliazellen zu aktivieren: es kommt zu einer Ansammlung reaktiver Mikrogliazellen (Gehrmann et al. 1993) und Astrozytose (Kraig et al. 1991), wobei Astrozyten während einer SD einen alkalischen pH-Wert im Zytoplasma aufweisen. SD-Wellen induzieren insbesondere in ischämievulnerablen Neuronen der kortikalen Schicht II/III das Schlüsselenzym der Prostaglandinbiosynthese - die Cyclooxygenase II (Miettinen et al. 1997). Insgesamt sind damit repetitive SD-Depolarisationen über eine Gliazellaktivierung und durch die COX II-Induktion an der massiven Entzündungsreaktion nach fokaler zerebraler

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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die pathogenetische Rolle der SD bei Ischämie-induzierten Zellschäden auf folgenden Mechanismen beruht: (1) während einer SD kommt es infolge massiver Überaktivierung des NMDA-Rezeptors zu einer kritischen Kalziumüberladung und nachfolgender „Kalziumtoxizität“ auf die Zelle, (2) SD-Episoden tragen zu einer starken Entzündungsreaktion bei, (3) SDs schädigen das Zytoskelett von entfernten, nicht von der Ischämie betroffenen Neuronen, (4) SD-Wellen verursachen unter hypoxisch-ischämischen Bedingungen eine metabolische Entkopplung im Hirnparenchym, die sich in einer Entgleisung des sensiblen Gleichgewichts von Energiebedarf und Energiebereitstellung ausdrückt und zu Gewebshypoxien führt. Diese Mechanismen verstärken eine Ausweitung des ischämisch-hypoxischen Hirnschadens und fördern eine allmählichen Einbeziehung der Penumbra in das infarzierte Hirngewebe.

Die Kausalkette der Beteiligung der SD an der Migräne ist nach wie vor wesentlich spekulativer. Nach Lauritzen (Lauritzen, 1994) startet eine Migräneattacke mit einer lokalen SD, d.h. mit einer Depolarisation von Neuronen und Gliazellen in der okzipitalen Hirnrinde. Die Ausbreitung der SD über den Kortex würde der Skotomsymptomatik einer Migräneattacke entsprechen. SD und nachfolgende Oligämie aktivieren Neurone im Hirnstamm vom Ncl. caudalis des N. trigeminus (Moskowitz et al. 1993). Die so im Hirnstamm generierte neuronale Dysfunktion kann über perivaskuläre Afferenzen zur späteren arteriellen Dilatation und über die Ausschüttung vasoaktiver Neuropeptide wie CGRP (calcitonin gene-related peptide) an vasalen Endigungen des N. trigeminus zur meningealen Entzündungsreaktion sowie Schmerzempfindung führen (Reuter et al. 1998; Hall, Smith, 1998). Ein Teil der vasalen Dysregulation kann durch Sumatriptan, einem klinisch verwendeten 5-HT_1B/5-HT_1D -Rezeptoragonisten in der Migränebehandlung, aufgehoben werden und den durch Vasodilatation induzierten Kopfschmerz beseitigen (Jansen et al. 1992). Die SD-induzierte Aktivierung des Hirnstammes bleibt jedoch erhalten und könnte so das häufige erneute Auftreten von Migränekopfschmerzen innerhalb von 24h nach initialer Sumatriptangabe erklären.

1.3 Rezeptoren und Funktion der synaptischen Transmission im Neokortex

Die kortikale Funktion wird zu einem großen Teil über chemische Synapsen realisiert, an denen der von der präsynaptischen Zelle ausgeschüttete Neurotransmitter eine Wirkung an der postsynaptischen Zelle über Rezeptorproteine der subsynaptischen Membran entfaltet. Da diese Rezeptoren neben ihrer physiologischen Bedeutung auch Grundlage einer pharmakologischen Strategie

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Die wichtigsten exzitatorischen Neurotransmitter im Neokortex sind Glutamat und Aspartat (Cotman et al. 1987), deren Wirkung auch durch selektive Rezeptoragonisten imitiert oder durch Antagonisten blockiert werden kann. Eine übermäßige Erregung von Nervenzellen durch L-Glutamat ist seit der Exzitotoxizitätshypothese von Olney (Olney, Sharpe, 1969) ein wichtiges hypothetisches Glied in der pathophysiologischen Kausalkette neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimersche Erkrankung, Amyotrophe Lateralssklerose (ALS), Morbus Parkinson, Morbus Huntington aber auch des Schlaganfalls und der traumatischen Hirnschädigung (Lipton, Rosenberg, 1994). Ihre Funktion der chemischen synaptischen Transmission entfalten die exzitatorischen Aminosäuren Aspartat und Glutamat über die Aktivierung von Glutamatrezeptorsubtypen, die nach dem jeweiligen bevorzugten Agonisten benannt wurden: den ionotropen (Liganden-gesteuerten) N-Methyl-D-aspartat-Rezeptor (NMDA-Rezeptor), Alpha-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsäure-Rezeptor (AMPA-Rezeptor) sowie Kainatrezeptor stehen metabotrope (G-Protein-gekoppelte) Glutamatrezeptoren (mglu1-mglu8) gegenüber (Watkins, Evans, 1981; Pin, Duvoisin, 1995). Alle Rezeptoren sind aus 5 spezifischen Untereinheiten aufgebaut, deren Komposition die Funktionalität des Rezeptors bestimmt. Der NMDA-Rezeptorkomplex hat eine postsynaptische Lokalisation an Synapsen, Zellsomata und Dendriten und ist nach Aktivierung für einen Einwärtsstrom von Na⁺- und Ca²⁺- sowie für einen Auswärtsstrom von K⁺- Ionen permeabel (Hollmann, Heinemann, 1994). Der NMDA-Rezeptor kann selektiv durch NMDA-aktiviert werden und besitzt eine Reihe von weiteren Bindungsstellen, die die Rezeptoraktivität modulieren. So besitzt der NMDA-Rezeptor im Kationenkanal eine Bindungsstelle für die Antagonisten MK-801 und PCP sowie eine allosterische Zink-, an der extrazellulären Domäne eine Glykolisierungs-, Redoxpotential-, pH-sensitive-, Glutamatbindende-, NMDA-bindende, APV- und CPP-bindende, Glycin- sowie Polyaminbindende und an der intrazellulären Domäne eine phosphorylisierungssensitive, die Kationenpermeabilität modulierende, Stelle (Hollmann, Heinemann, 1994). Die Glycinbindung ist eine Voraussetzung zur Rezeptoraktivierung. Der NMDA-Rezeptor zeichnet sich weiterhin durch einen spannungsabhängigen Mg²⁺- Block aus, der durch eine Membrandepolarisation aufgehoben werden kann und den Kationeneinwärtsstrom erhöht (Mori, Mishina, 1995). Gegenwärtige NMDA-Antagonisten wirken an der Glutamaterkennungsstelle, der Glycin-bindenden Stelle, der Polyaminuntereinheit oder - wie die nicht-kompetitive Antagonisten Phencyclidin (PCP, „angel dust“), Ketamin oder Dizocilpin (MK-801) am Ionenkanal, der mit dem NMDA-Rezeptor assoziiert ist (Rogawski, 1993). Nicht-kompetitive NMDA-Antagonisten wie Ketamin blockieren NMDA-Rezeptor-vermittelte Antworten nur bei geöffnetem Ionenkanal, d.h. ihre Wirkung setzt eine vorangegangene Aktivierung des Rezeptors voraus und kann nicht durch einen Überschuß des Agonisten (z.B. Glutamat) aufgehoben werden (= nicht-kompetitiver Antagonist). Das Phänomen der Langzeitpotenzierung (LTP) der synaptischen Transmission, das für plastische Prozesse des Gehirns wie Lernen und

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Auch die ionotropen nicht-NMDA-Rezeptoren (AMPA-Rezeptor, Kainat-Rezeptor) sind wie der NMDA-Rezeptor postsynaptisch lokalisiert. Sie zeichnen für die schnelle exzitatorische synaptische Transmission verantwortlich (Lambert et al. 1989). Die AMPA-Rezeptoren sind nach Aktivierung für monovalente Kationen wie Na⁺ (einwärts) und K⁺ (auswärts) permeabel und durch GYKI53655 oder NBQX selektiv blockierbar (Alexander, Peters, 1999). Bei Abwesenheit der Rezeptoruntereinheit Glu2 exprimieren einige Neurone AMPA-Rezeptoren, die auch für Ca²⁺ permeabel sein können (Hollmann et al. 1991). Die Beteiligung des ionotropen Kainat-Rezeptors an der synaptischen Transmission wurde bisher im Hippocampus nachgewiesen, wo es nach Aktivierung dieses Rezeptors an der präsynaptischen Membran von inhibitorischen GABAergen Synapsen zur verminderten GABA Freisetzung kommt (Clarke et al. 1997), während seine Aktivierung an der postsynaptischen Membran von CA3 Pyramidenzellen eine exzitatorische postsynaptische Antwort auslöst (Vignes, Collingridge, 1997).

Glutamat aktiviert nicht nur Liganden-gesteuerte Rezeptor-Ionenkanalkomplexe sondern auch Rezeptoren, die an ein G-Protein gekoppelt sind (Nakanishi, 1994). Bisher sind 8 der sogenannten metabotropen Glutamatrezeptoren bekannt, die in 3 Gruppen (I: mglu1und mglu5; II: mglu2 und mglu3; III: mglu4, mglu6, mglu7, mglu8) unterteilt werden können (Pin, Duvoisin, 1995). G-Proteine sind Proteine, die nach ihrer Aktivierung GDP freisetzen und GTP an ihrer Guanin-nukleotidbindenden Domäne aufnehmen. Im nun GTP-gebundenen Zustand können G-Proteine die Aktivität von Ionenkanälen oder second messenger regulieren, bis die Signalwirkung durch eine GTP-Hydrolyse beendet ist. Präsynaptische metabotrope Glutamatrezeptoren sind möglicherweise an einer Inhibition der Transmitterausschüttung über die Inaktivierung spannungssensitiver Kalziumkanäle (VSCC) beteiligt (Pin, Duvoisin, 1995). Die Aktivierung postsynaptischer metabotroper Glutamatrezeptoren der Gruppe I führt über die Aktivierung der Phospholipase C (PLC) zu einer Erhöhung der intrazellulären second messenger Inositoltriphosphat (IP3) und Diacylglycerol (DAG). Neben einer Verminderung der K⁺-Leitfähigkeit erhöhen diese second messenger die [Ca²⁺] _i. Zum einen setzt IP3 Ca²⁺ aus intrazellulären Kompartimenten frei, zum anderen aktiviert DAG die Proteinkinase C, potenziert damit die NMDA-Rezeptor-Ionenströme und bewirkt so auch eine Erhöhung der [Ca²⁺] _i (Schoepp, Conn, 1993).

Neben diesen Rezeptoren für den exzitatorischen Transmitter Glutamat existieren auch Bindungsstellen für den inhibitorischen Neurotransmitter Gamma-Aminobuttersäure (GABA), die je nach dem ausgelösten Ionenstrom als GABA_A- oder GABA_B-Rezeptor bezeichnet werden (Matsumoto, 1989).

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Das serotonerge System entfaltet seine Wirkung über gegenwärtig 14 klassifizierte 5-Hydroxytryptamin-(5-HT-, Serotonin-)Rezeptoren (Alexander, Peters, 1999) und Störungen der serotonergen Neurotransmission sind an Erkrankungen wie Depressionen, Autismus oder Migräne beteiligt. Neben zahlreichen anderen Effekten wirkt Serotonin über den 5-HT_1A-Rezeptor modulierend sowohl auf die exzitatorische als auch inhibitorische Funktion von Neuronen (Schmitz et al. 1995b; 1995c). Der 5-HT_1A-Serotoninrezeptorsubtyp existiert im Säugetier-ZNS als präsynaptischer, inhibitorischer („somatodendritischer“) Autorezeptor an Dendriten oder Zellsoma serotonerger Neurone, als postsynaptischer Rezeptor an vielen nicht-serotonergen Neuronen (Fletcher et al. 1993) sowie an glutamatergen Terminalen (Raiteri et al. 1991) und ist zur Signaltransduktion an ein G-Protein gekoppelt. Die Aktivierung des 5-HT_1A-Rezeptors durch selektive Agonisten (8-OH-DPAT, BAY x 3702) führt zu einer verstärkten auswärtsgerichteten K⁺-Leitfähigkeit (Andrade et al. 1986; Araneda, Andrade, 1991) und zur Aktivierung verschiedener second messenger Systeme: der intrazelluläre cAMP Spiegel sinkt, während IP3 und DAG ansteigen (Liu, Albert, 1991). Insgesamt wird die Zellmembran hyperpolarisiert und die Entladungsschwelle des Neurons erhöht. Beispiel eines selektiven 5-HT_1A-Antagonisten ist (±)WAY 100635 (Alexander, Peters, 1999).

Zur physiologischen zellulären Kommunikation im Neokortex ist eine feine Balance von Rezeptorsystemen der exzitatorischer und inhibitorischer synaptischer Transmission notwendig. Die Aktivierung afferenter Fasern führt zur Ausbreitung eines Aktionspotentials bis zu den synaptischen Terminalen, die die Neurotransmitter in Speichervesikeln enthalten (Greengard et al. 1993). Bei Eintreffen des Aktionspotentials werden durch Depolarisation der präsynaptischen Endigung spannungssensitive Kalziumkanäle vom P- und N-Typ aktiviert, die daraufhin eine erhöhte Leitfähigkeit für Kalziumionen aufweisen (Dunlap et al. 1995). Die aus dem Einstrom extrazellulärer Kalziumionen resultierende erhöhte intraterminale Kalziumkonzentration löst über die Proteine Synaptobrevin und Syntaxin die Fusion synaptischer Vesikel mit der präsynaptischen

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Unter physiologischen Bedingungen wird die Exzitation von Neuronen durch eine starke inhibitorische Kontrolle begrenzt. Über ebenfalls exzitatorische glutamaterge Fasern werden dabei intrinsische GABAerge Interneurone des Neokortex erregt, die daraufhin den hemmenden Transmitter GABA aus präsynaptischen Terminalen freisetzen, die an Dendriten, Zellsoma oder Axonen Kontakt zu anderen Zellen aufnehmen. Über eine Aktivierung des GABA_A- oder GABA_B-Rezeptors wird analog den oben beschriebenen Mechanismen an der postsynaptischen Zelle ein inhibitorisches Potential ausgelöst, das zu einer Hyperpolarisation der subsynaptischen Membran führt. Die Lokalisation hemmender, GABAerger Synapsen ist verschieden (Sutor, Luhmann, 1995): (1) einerseits kann ein über Dendriten einer Pyramidenzelle einlaufendes exzitatorisches postsynaptisches Potential bereits vor Eintreffen am Pyramidenzellsoma mit einem inhibitorischen postsynaptischen Potential nach Aktivierung des GABA_A- und GABA_B-Rezeptors verrechnet werden (feed-forward inhibition). (2) Weiterhin stehen die Axonterminalen exzitatorischer als auch inhibitorischer Fasern über axoaxonische Synapsen mit dem Axon eines GABAergen Interneurons über den GABA_B-Rezeptor unter einer präsynaptischen Inhibition. (3) Die Anzahl der freigesetzten GABA-Vesikel einer hemmenden Synapse wird im Sinne einer Begrenzung der präsynaptischen Transmitterfreisetzung zusätzlich durch Erregung des GABA_B-Autorezeptors an der präsynaptischen Membran reguliert, der die GABA-Konzentration im synaptischen Spalt detektiert. (4) Schließlich erregt ein zum Pyramidenzellaxon fortgeleitetes Aktionspotential gleichzeitig austretende Axonkollateralen, die exzitatorische glutamaterge Synapsen mit inhibitorischen Interneuronen bilden, welche sie über den AMPA-Rezeptor erregen können. Das so erregte GABAerge Neuron kann hemmende Synapsen auch mit der Pyramidenzelle bilden, von der es ursprünglich erregt wurde. Nach der GABA-Freisetzung führt dann ein EPSP, das unter Ruhebedingungen an der postsynaptischen Pyramidenzelle ein Aktionspotential auslösen kann, auf Grund der GABAergen Hyperpolarisation zu keinem Aktionspotential mehr, da das Membranpotential weiter von der Schwelle der Aktionspotentialauslösung entfernt ist (rekurrente Hemmung). Unter extrazellulären Bedingungen kann mit Feldpotentialantworten

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1.4 Fragestellung

Die Komplexität der bei einer transienten akuten fokalen zerebralen Ischämie oder auch Migräne einsetzenden zellulären Abläufe macht zu einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden Pathophysiologie eine Isolierung einzelner potentiell zellschädigender Faktoren und den Ausschluß interferierender Variablen, die die Auswertung von Ergebnissen erschweren, wünschenswert. Diese im Tiermodell realisierten Vorteile kennzeichen jedoch auch gleichzeitig den Hauptnachteil, den Untersuchungen dieser Art aufweisen: es können nur mit Einschränkungen reale Verhältnisse eines klinischen Schlaganfalls oder einer Migräneattacke beim Menschen wiedergegeben werden. Die ergänzende direkte Untersuchung pathophysiologischer Konzepte am Menschen im Rahmen von Pilotstudien und unter Berücksichtigung ethischer Gesichtspunke ist unverzichtbar und an den Einsatz nichtinvasiver bildgebender Verfahren gebunden, mit denen eine immer bessere in vivo Darstellung von Prozessen bis auf zellulärer Ebene gelingt (Weiler,1999).

Bei den hier vorgestellten Untersuchungen sollten transiente DC-Potentialänderung nach Applikation einer Kaliumchlorid (KCl)- Lösung auf den Neokortex adulter Ratten unter normoxischen Bedingungen näher charakterisiert und auf eine potentielle Beeinflussung der kortikalen synaptischen Funktion untersucht werden. Obwohl SD-Wellen im Kortex und physiologischer Sauerstoffversorgung keine morphologischen Schäden verursachen (Nedergaard, Hansen, 1988), sind die elektrophysiologischen Eigenschaften repetitiver SD-Episoden und ihr Einfluß auf die kortikale Funktion unter normoxischen Bedingungen nicht untersucht. Zur Einschätzung der synaptischen Funktion wurden reizinduzierte elektrische Feldpotentialantworten herangezogen. Die Applikation einer KCl-Lösung gilt als eine Standardmethode zur SD-Auslösung im intakten Kortex zahlreicher Nagetierspezies und der Katze (Obrenovitch, 1995). Da die KCl-induzierte extrazelluläre DC-Potentialänderung einen Großteil der SD-assoziierten Ionen- und Wasserbewegungen widerspiegelt, wird SD hier deshalb synonym dafür gebraucht. Zur Isolierung des elektrophysiologischen Phänomens SD sollte deshalb zunächst ein geeignetes Modell zur reproduzierbaren SD-Auslösung im neokortikalen Hirnschnitt unter in vitro Bedingungen etabliert werden. Das in vitro System eines Hirnschnittpräparats erschien unter verschiedenen Gesichtspunkten als geeignet. Die Zusammensetzung des Extrazellulärraums von Zellen des Hirnparenchyms kann unter diesen Bedingungen kurzfristig beeinflußt werden, wichtige physiologische Parameter wie Temperatur, pH-Wert, Glukosekonzentration, Sauerstoffsättigung können standardisiert und konstant gehalten werden - interferierende kardiovaskuläre und syste-mische Wirkungen am Ganztier in vivo fallen weg. Elektroden werden hier nicht nach allgemeinen stereotaktischen Atlanten sondern unter exakter visueller Kontrolle für jeden Hirnschnitt individuell plaziert. Dies gewährleistet

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(1) Was kennzeichnet das Ausbreitungsmuster einer SD in vitro?

(2) Was sind die elektrophysiologischen Eigenschaften repetitiver SD-Episoden unter normoxischen Bedingungen ?

(3) Wie wird die kortikale Funktion anhand der exzitatorischen und inhibitorischen synaptischen Transmission unter adäquater Glukose und Sauerstoffversorgung von repetitiven SD-Wellen beeinflußt?

(4) Welche ionotropen Glutamatrezeptoren sind an einer SD unter in vitro Bedingungen beteiligt?

(5) Ist eine Beeinflussung typischer SD-Parameter durch selektive Serotoninagonisten am 5-HT_1A-Rezeptor möglich?

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