| Wolf, Tilo: Nichtinvasive Messung von regionalen cerebralen Oxygenierungsänderungen während Leão´s ”cortical spreading depression“ und spontanen Depolarisationen bei fokaler cerebraler Ischämie mit der Nah-Infrarot-Spektroskopie. |
Aus der Klinik für Neurologie des Universitätsklinikums Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin
Direktor Prof. Dr. med. Karl Max Einhäupl
zur Erlangung des akademischen Grades doctor medicinae (Dr. med.)
Dekan: Prof. Dr. med. M. Dietel
Gutachter:
PD Dr. med. habil. U. Dirnagl, Berlin
Prof. Dr. med. habil. R. Haberl, München
Prof. Dr. med. habil. O. Kempski, Mainz
Eingereicht im November 1997
Datum der Promotion: 11. Mai 1998
Schlagwörter:
Nah-Infrarot-Spektroskopie, fokale zerebrale Ischämie, regionale zerebrale Blutoxygenierung, Ratte
Keywords:
Near-Infrared-Spectroscopy, Cortical Spreading Depression, Cerebral Blood Oxygenation, Ischemia
In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential der optischen Methode der Nah-Infrarot Spektroskopie für die nichtinvasive Beobachtung von Leãos ”cortical spreading depression“ (CSD) und spontanen Periinfarktdepolarisationen (PID) evaluiert. In 9 Ratten in Thiopentalanästhesie wurden regionale cerebrale Oxygenierungsänderungen bei CSD, in 10 Ratten bei PID gemessen. Die Methode, die auf der sauerstoffabhängigen Absorption des Hämoglobins und des terminalen Atmungskettenenzyms Cytochrom aa3 und der guten Penetranz des Gewebes für Licht im nahen Infrarotbereich (~700-100nm) basiert, hat sich tierexperimentell als geeignet erwiesen, beide Phänomene anhand charakteristischer Veränderungen der Oxygenierung der Hämoglobins nichtinvasiv zu erkennen und zu unterscheiden. Die Unterscheidung beruht dabei auf einer robusten regionalen Konzentrationsabnahme des Deoxy- bei Zunahme des Oxyhämoglobins (relative Hyperoxämie) in der CSD, während die PID durch einen initialen Anstieg der Deoxyhämoglobinkonzentration und Abfall der Oxyhämoglobinkonzentration (relative Hypoxämie) gekennzeichnet ist. Zukünftige mit NIRS beim Menschen erhobene Befunde während der Migräneaura (CSD) und in der akuten Phase des Schlaganfalles können sich an diesen Mustern orientieren, wenngleich man nicht von einer völligen Analogie der vermuteten menschlichen Äquivalente für die in der lyssencephalen Ratte gemachten Beobachtungen ausgehen darf.
Die pathophysiologische Interpretation der mit dem NIRO 500 erhobenen Daten ist, insbesondere wegen der geringen Zuverlässigkeit der Konzentrationsberechnung anhand der Extinktion bei nur vier Wellenlängen, für das in geringen Konzentrationen vorhandene Cytochroms aa3 problematisch. Eine Validierung dieses Signals und verbesserte Quantifizierung aller Chromophorenkonzentrationen durch Verwendung eines Spektroskopes, das im gesamten Nah-Infrarot-Bereich mißt, ist wünschenswert und könnte mit Hilfe der Messung der mittleren optischen Weglänge im streuenden Medium anhand der Wasserabsorption auch für physiologisch bedingte Veränderungen der optischen Eigenschaften des Gewebes korrigieren. Mit ähnlichen Verbesserungen kann die Methode auch für das weitergehende Studium physiologischer und pathophysiologischer Mechanismen von hohem Wert sein, da sie über die einzigartige Möglichkeit verfügt, simultan zur Blutoxygenierung auch den Redox-Zustand der mitochondrialen Cytochromoxydase zu messen.
In this thesis the optical method of Near-Infrared-Spectroscopy (NIRS) is evaluated with regards to its capability of non-invasive detection of Leão´s cortical spreading depression (CSD) and spontaneous peri-infarct-depolarizations (PID).
With the NIR-spectrometer NIRO 500 (Hamamatsu, Japan) regional cerebral oxygenation (rCBO) changes were measured during CSD in 9, and during PID in 10 barbiturate anesthatized rats.
The method if NIRS that relies on oxygen-dependent absorption changes of hemoglobin and cytochrome oxydase as well as the high penetrability of biologic tissues for light in the range between 700 and 1000 nm proved suitable to detect and to distinguish both CSD and PID experimentally.
This distinction relies on the robust decrease of deoxy- and increase of oxyhemoglobin concentrations (i.e. a relative hyperoxemia) during CSD while PID is characterized by an initial increase of deoxy- and decrease of oxyhemoglobin (relative hypooxemia).
Despite the profound anatomical differences between gyrencephalic humans and lyssencephalic rats, the observed patterns of rCBO changes may guide the interpretation of future NIRS measurements in patients with migraines with aura (CSD) or stroke (PID).
However, for concentration changes of oxydized cytochrome aa3 with its low concentration compared to the hemoglobins, the pathophysiological interpretation of the data obtained with NIRO 500 is confounded by the limits of attenuation measurements at only four wavelengths.
A validation of the cytochrome oxydase signal and an improved quantification of all concentration changes is highly desirable and may be achieved by employment of a continuous-wavelength device measuring the full spectral range of the near infrared. It would also allow to measure the mean optical pathlength in the highly scattering tissue and to correct for its physiologically occuring changes e.g. by measurements at the water absorption peak.
Similar improvements would enhance the value of the method for further physiological and pathophysiological studies because NIRS provides the unique opportunity to obtain simultaneous data on blood oxygenation as well as the redox state of the mitochondrial cytochrome oxydase.
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Inhaltsverzeichnis | |
| Titelseite | Nichtinvasive Messung von regionalen cerebralen Oxygenierungsänderungen während Leão´s ”cortical spreading depression“ und spontanen Depolarisationen bei fokaler cerebraler Ischämie mit der Nah-Infrarot-Spektroskopie. |
| 1 | Einleitung |
| 1.1. | Leão´s ”cortical spreading depression“ |
| 1.1.1. | Auslöser der ”cortical spreading depression“ |
| 1.1.2. | Elektrocorticographie |
| 1.1.3. | Langsame Summenpotentiale (DC Potentiale) |
| 1.1.4. | Aktivität neuronaler Einheiten |
| 1.1.5. | Ionenverschiebungen |
| 1.1.6. | Neurotransmitter |
| 1.1.7. | Energiestoffwechsel |
| 1.1.8. | Blutflußveränderungen |
| 1.1.9. | Proteinsynthese |
| 1.2. | Periinfarkt-Depolarisationen als Spezialfall der ”cortical spreading depression“ |
| 1.3. | Die ”optische Methode“ |
| 1.3.1. | Die Nah-Infrarot Spektrometrie |
| 1.3.1.1. | Die Chromophoren |
| 1.3.1.2. | Die optische Geometrie für die NIRS |
| 1.3.1.3. | Das NIRO 500 von Hamamatsu |
| 1.3.2. | Laser-Doppler Blutflußmessung |
| 1.3.3. | Sauerstoffmessungen |
| 1.3.3.1. | Polarografische Sauerstoffmessung |
| 1.3.3.2. | Sauerstoffmessung mit ”phosphorescence life-time quenching“ |
| 2 | Die Studien dieser Arbeit |
| 2.1. | Hypothesen |
| 2.2. | Die Modelle |
| 2.2.1. | Präparation und Messungen |
| 2.2.1.1. | Grundpräparation |
| 2.2.1.2. | Tierpräparation und Messungen bei ”cortical spreading depression“ |
| 2.2.1.3. | Präparation der fokalen Ischämie |
| 2.2.1.4. | Präparation und Messungen bei fokaler Ischämie |
| 2.3. | Ergebnisse |
| 2.3.1. | ”cortical spreading depression“ bei normaler Perfusion |
| 2.3.2. | Periinfarkt-Depolarisationen |
| 3 | Diskussion |
| 3.1. | Nichtinvasive Detektion der ”cortical spreading depression“ mit NIRS (Hypothese 1) |
| 3.2. | Sauerstoffbedarf und -bereitstellung während der ”cortical spreading depression“ (Hypothese 2) |
| 3.2.1. | Die Blutoxygenierung |
| 3.2.2. | Die Gewebsoxygenierung |
| 3.2.3. | Die mitochondriale Oxygenierung |
| 3.2.4. | Meßfehler des NIRO 500 |
| 3.3. | Unterscheidung von Periinfarkt-Depolarisation und ”cortical spreading depression“ (Hypothese 3) |
| 4 | Zusammenfassung |
| Bibliographie | Literatur |
| Selbständigkeitserklärung | |
| Lebenslauf | |
| Danksagung | |
Tabellenverzeichnis | |
| Tabelle 1: | Physiologische Daten der Versuchstiere Parameter unmittelbar vor der gemessenen CSD. |
| Tabelle 2: | mittlere maximale Deflektionen der NIRS während der gemessenen CSD. |
| Tabelle 3: | Physiologische Daten der Versuchstiere mit fokaler Ischämie bei Beginn und 45 min nach Beginn der fokalen Ischämie. |
| Tabelle 4: | Maximale Konzentrationsänderungen während der 2 Phasen der PID |
Abbildungsverzeichnis | |
| Abbildung 1: | Das Flimmerskotom der Migräneaura als elektrophysiologisches Phänomen des primären visuellen Cortex´: links die Ausbreitung des Flimmerskotoms nach [Lashley, 1941] , der rechte Teil der Abbildung bezieht sich auf Durchblutungsmessungen während einer Migräneattacke [Lauritzen, 1987a]. |
| Abbildung 2: | Corticale spreading depression in der Ratte. Bipolare EEG-Ableitungen zwischen den Elektroden 1 und 2, 2 und 3 etc. (Kurven sind unten fortgesetzt) und Messungen des langsamen Summenpotentials zwischen der kontralateralen Referenzelektrode B und den Elektroden A´ und A´´. Mit der von occipital nach rostral verzögert einsetzenden EEG-Abflachung korreliert die wandernde Negativierung des langsamen Summenpotentials (siehe unten). Aus [Bures et al., 1974]. |
| Abbildung 3: | DC-gekoppelte Aufzeichnung prodromaler ”neuronal bursts“ bei der ”cortical spreading depression“ (CSD) in ihrer zeitlichen Beziehung zur Negativierung des DC-Potentials. Die drei Kurven stellen Messungen derselben Episode einer CSD dar, nacheinander an verschiedenen Orten in verschiedenen Cortextiefen gemessen. Nach [Herreras et al., 1994] |
| Abbildung 4: | Absorptionsspektra von Deoxyhämoglobin (Hb), Oxyhämoglobin (HbO2) und oxydierter Cytochromoxidase (aa3). Nach [Jöbsis, 1992]. |
| Gleichung 1: | Lambert-Beer´sches Gesetz (A: Absorption, e: Absorptionskoeffizient, c: Konzentration, r: optische Weglänge |
| Gleichung 2: | modifiziertes Lambert-Beer´sches Gesetz (A: Absorption, e: Absorptionskoeffizient, c: Konzentration, r: optische Weglänge (Optodenabstand), DPF: Weglängenfaktor, G: Geometriefaktor) |
| Abbildung 5: | Computersimulation für Wahrscheinlichkeitsräume detektierter Photonen in einem runden Modell, das optisch homogen (links) oder geschichtet (rechts) ist; der Optodenabstand beträgt 5 cm. (nach Delpy, University College London, persönliche Mitteilung) |
| Abbildung 6: | Blockschaltplan des Prototyps des NIRO 500; als Meßobjekt soll der Kopf eines Neugeborenen vorgestellt werden. Aus [Cope, Delpy, 1988a]. |
| Gleichung 3: | Die chemische Reaktion bei der polarografischen Sauerstoffmessung. |
| Abbildung 7: | Schaltprinzip der solid state Elektrode zur polarografischen Sauerstoffmessung. 1 gas- und wasserpermeable Membran, 2 Kathode aus Edelmetall, 3 Isolierung, 4 Anode mit 5 elektrolytischer Ankopplung. In der von uns verwendeten Nadelelektrode stellt eine Metallkanüle, die die Isolierung der Anode umschließt, die Anode dar. Aus Benutzerhandbuch der Fa. Licox. |
| Gleichung 4: | Berechnung des Sauerstoffpartialdruckes aus dem Sondenstrom bei der polarografischen Sauerstoffmessung. Legende: |
| Gleichung 5: | Abhängigkeit der Phosphoreszenz-Lebensdauer von der anwesenden Sauerstoffkonzentration. Legende: |
| Abbildung 8: | Blockschaltplan eines Gerätes zur Sauerstoffmessung mit der ”phosphorecence life-time quenching“ Methode (Oxyspot, Fa. GMS) |
| Abbildung 9: | Schematische Versuchsanordnung für die Messungen in normaler CSD: Die CSD wurde gleichzeitig analog in beiden Hemisphären mit Kaliumchloridlösung ausgelöst. In der rechten Hemisphäre wurde das DC-Potential differentiell über zwei Kalomelelektroden im Abstand von 5 und 10 mm von der Auslösestelle gemessen. An der letzteren Stelle wurde gleichzeitig der corticale Sauerstoffpartialdruck (pO2) und die cerebrale Oxygenierung mit NIRS gemessen, während in der analogen CSD der anderen Hemisphäre der regionale Blutfluß mit Laser-Doppler-Flußmessung bestimmt wurde (beide Techniken interferieren, wenn sie in derselben Hemisphäre eingesetzt werden). Anders als im Schema war der Schädelknochen bis auf zwei kleine Trepanationen für die Elektroden intakt. |
| Abbildung 10: | Schematische Darstellung des Verschlusses der A. cerebri media mittels eines in die A.carotis communis eingeführten Vicryl-Fadens mit präparierter Spitze. Der Faden wurde zur Erzeugung der Ischämie unter Kontrolle des regionalen Blutflusses mit Laser-Doppler-Flußmessung vorgeschoben, bis der Abfall des Blutflusses die Verlegung des Abgangs der A.c.m. anzeigte. |
| Abbildung 11: | Sondenpositionierung während der Versuche mit fokaler cerebraler Ischämie: A Kalomelelektrode für Registrierung des DC-Potentials, B und C NIRS-Optoden, D Laser-Doppler-Sonde zur Messung des regionalen Blutflusses (rCBF). |
| Abbildung 12: | Typische Messung des Sauerstoffpartialdruckes mit ”phosphorescence life-time quenching“. |
| Abbildung 13: | regionaler cerebraler Blutfluß (rCBF) mit Laser-Doppler-Flußmessung (LDF), polarografisch gemessener corticaler Sauerstoffpartialdruck (pO2), die mit NIRS gemessenen Konzentrationsänderungen von Oxyhämoglobin [HbO2], Deoxyhämoglobin [Hb] und Cytochrom aa3 [CytO] sowie das corticale DC-Potential. Das DC-Potential zeig eine zweiphasige Auslenkung, weil es differentiell zwischen den beiden Kalomelelektroden in Ausbreitungsrichtung der CSD gemessen wurde, der erste, negative peak zeigt die CSD bei 5 mm, der zweite, positive bei 10 mm vom Ort der Auslösung. Der Pfeil indiziert die CSD-Auslösung. |
| Abbildung 14: | Regionaler cerebraler Blutfluß (rCBF) mit Laser-Doppler-Flowmessung (LDF) (obere Kurve) und DC-Potential (untere Kurve) während und kurz nach Induktion der fokalen Ischämie. Bei diesem Versuch wurde nicht unmittelbar von LDF auf NIRS- Messung umgeschaltet, so daß für die erste Periinfarktdepolarisation (PID, siehe Pfeil) noch das Ausbleiben der für CSD sonst typischen Hyperperfusion gezeigt wird. |
| Abbildung 15: | Typische Reihe von PID mit NIRS und DC. Die Depolarisationen sind mit über 5 min deutlich breiter als bei normaler CSD. Die NIRS-Antwort besteht in einer ersten Phase mit [HbO2]-Abfall und [Hb]-Anstieg, in der zweiten Phase kehrt sich das Muster um und ähnelt dem der normalen CSD. [CytO] zeigt eine einphasige Reduktion. |
| Gleichung 6: | Grob schematische Darstellung der Reaktionen der Atmungskette, d.h. des Elektronenflusses von den Substraten hin zum Sauerstoff. Dabei wird ein Redoxpotential von -0,32 bis+0,82 Volt ausgeglichen (siehe die Zahlenangaben unter den Reaktionspartnern). Die Querbalken deuten die jeweiligen Reaktionskomplexe und Phosphorylierungsorte an. Der dritte Phosphorylierungskomplex stellt das terminale membranständige Enzym der Atmungskette dar, das Cytochrom aa3 (Cytochromoxydase). Die a und a3 Komponente enthalten je einen Häm-Ring und sind je mit einem Kupferatom gekoppelt [Jöbsis, 1992]. |
| Abbildung 16: | Modell der Kompartimentierung des cerebralen Energiestoffwechsels: Das astrozytäre Synzytium nimmt Glucose aus den Kapillaren auf, die zum Großteil glycolytisch Energie für die Ionen- und Transmitterbereinigung aus dem synaptischenSpalt liefert und Lactat für die Atmungskette der Neuronen bereitstellt. Aus: [Magistretti et al., 1995] |
| Abbildung 17: | schematisierte Absorptionsspektra von Oxyhämoglobin [HbO2], Deoxyhämoglobin [Hb], oxydiertem Cytochrom aa3 [CytO] und Wasser (OD mit 10 multipliziert) im Nahinfrarotbereich. Der Wasserabsorptionsgipfel (zur besseren Anschauung mit Faktor 10 überhöht dargestellt) kann zur Messung mittlerer Weglängen der Photonen genutzt werden und damit die Quantifizierung der Daten ermöglichen. |
| Abbildung 18: | Schematische Darstellung der optischen Geometrie der NIRS bei PID: Das Meßvolumen der Optoden umfaßt neben der Penumbra auch Teile des Ischämiekerns und es intakten Cortex. Aus [Wolf, Lindauer et al. 1997] |
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