[Seite 10↓]

1.  Einleitung

1.1. Zerebrale Komplikationen in der Kinderherzchirurgie

Die enormen Fortschritte in den letzten knapp 50 Jahren auf dem Gebiet der Kinderherzchirurgie und Kinderkardiologie führten zu einer bedeutenden Abnahme der kardialen Morbidität und Mortalität, und es wurde das Interesse zunehmend auf die spätere Beurteilung der Lebensqualität und der psychomotorischen Entwicklung dieser Kinder gelenkt 1-5. Die Inzidenz einer zerebraler Komplikationen nach Herzoperationen mit Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie (KSTH) und cardiopulmonalem Bypass (CPB) im Säuglings- und Kindesalter wurde auf circa 30 % geschätzt 1;6;7. Heute stellen die Kinder mit schweren angeborenen Herzmalformationen, wie z.B. das hypoplastische Linksherzsyndrom (HLHS) und die Transposition der großen Arterien (TGA), eine besondere Risikogruppe dar, weil sie innerhalb der Neugeborenen-Periode mit Kreislaufstillstand und tiefer Hypothermie operiert werden. In den vergangenen Jahren entstand daher ein neues Patientenkollektiv mit Kindern, die in der Säuglingsperiode kardiochirurgisch unter Verwendung des CPB operiert wurden und nun das Schulalter erreicht haben. In diesem Kollektiv war es zum ersten Mal möglich, Langzeitresultate kardiochirurgischer Operationen bei Kindern, die zu einem frühem Zeitpunkt ihrer psychomotorischen Entwicklung stattfanden, zu eruieren. In klinischen Follow-up Studien z.B. nach Norwood-Operationen und nach Switch-Operationen konnte herausgefunden werden, dass insbesondere die Operationstechniken, die mit Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie (KSTH) einhergehen, ein ernstes Risiko für eine Beeinträchtigung der neurologischen, psychomotorischen und mentalen Entwicklung darstellen 8-12. Der Pathomechanismus neurologischer Morbidität und die Beeinträchtigung der psychomotorischen Entwicklung nach herzchirurgischen Eingriffen bei Kindern scheint multifaktoriell zu sein und zum einen auf der Besonderheit der zentralnervösen Strukturen in diesem Alter zu beruhen, zum anderen aber auch durch ischämische oder embolische Ereignisse während und nach dem cardiopulmonalen Bypass bedingt zu sein. Die Schwankungen der multiplen physiologischen Parameter während des cardiopulmonalen Bypasses können zur Aktivierung der inflammatorische Kaskade führen und eine Hochregulation der Adhäsionsmoleküle auf neutrophilen und endothelialen Zellen bewirken 13-15. Einige dieser immunologischen Prozesse können mit der Generation von Sauerstoffradikalen assoziiert sein und führen dann zu einer radikalinduzierten Lipidperoxidation auf mikrovaskulärer Ebene des ZNS 16;17.

Wichtige Unterschiede der Neugeboren und der Patienten im Kleinkindesalter zu den Erwachsenen sind vorwiegend die Größe und Unreife der Organsysteme, die Unreife des Stoffwechsels und der Blut-Hirn-Schranke, der hohe Metabolismus, die hohe Herzgrundfrequenz, die geringe Herzmuskelmasse und die geringen Compliance des linken Ventrikels. Pathophysiologisch kommen bei den angeborenen Vitien, die im neonatalen Alter mit CPB und KSTH operiert werden, meistens eine Zyanose zusammen mit einer Herzinsuffizienz vor.


[Seite 11↓]

Der derzeitige Stand der Forschung zeigt die Probleme der Kinder auf, die mit KSTH und CPB operiert worden sind, er gibt aber durch klinische und experimentelle Studien nur ungenügend Auskunft über die pathophysiologischen Ursachen einer neurologischen Schädigung nach KSTH und CPB, und das Schädigungsmuster bleibt weiterhin unklar. Ebenso gibt es nur sehr wenige erprobte Ansätze für eine zerebrale Protektion zum Schutz der Säuglinge und Kinder während CPB und KSTH 18-22.

1.2. Geschichte der Kinderherzchirurgie

Die ersten chirurgischen Korrekturen angeborener Herzfehler fanden in den Jahren 1940 bis 1950 statt. 1944 wurde z.B. die erste Blalock-Taussig-Anastomose bei einem Kind mit ausgeprägter Pulmonalarterienstenose im Rahmen der damals erstmals beschriebenen Fallot’schen Tetralogie angelegt. Ebenfalls 1944 folgte dann die erste Resektion einer Aortenisthmusstenose 23.

Die Kinderherzchirurgie entwickelte sich vor allem mit der Entwicklung der Herz-Lungen-Maschine (HLM) weiter und es wurden dadurch vor allem ganz neue Operationstechniken möglich. Im Jahre 1937 entwickelten Gibbon et al eine experimentelle Maschine, die es ermöglichte, die Lungenstrombahn zu umgehen und die Herz- und Lungenfunktion zu ersetzen 24. Crafoord konstruierte dann 1948 aufgrund seiner klinischen und experimentellen Erkenntnisse zusammen mit seinem Assistenten Björg eine Herz-Lungen-Maschine für die Gehirnperfusion und auch einen Oxygenator für die Anreicherung des Blutes mit Sauerstoff, weil er in seinen Tierexperimenten erkannt hatte, dass die meisten Organe bei fehlender Perfusion eine Ischämie von ca. 25 Minuten ohne eine wesentlich Dysfunktion überstehen konnten, beim Gehirn lag die Ischämietoleranz jedoch bei nur 5-10 Minuten 25.

Die erste klinische Anwendung der Herz-Lungen-Maschine erfolgte dann 1951 in Philadelphia zur Korrektur eines ASD-I Defektes bei einem 6 jährigem Mädchen 26. Die Patientin überlebte jedoch den Eingriff nicht. Die ersten erfolgreichen Operationen mit cardiopulmonalen Bypass erfolgten dann 1952 und 1953 durch Gibbon et al. bei einem 18 jährigen Mädchen zum Verschluss eines Vorhofseptumdefektes (ASD-II) und durch Lewis und Tauffic ebenfalls zum Verschluss eines ASD-II mit Einsatz der Hypothermie 24;27. Im Jahre 1954 wurden dann die ersten intrakardialen Eingriffe mittels sogenannter „Cross-Zirkulation“ als eine neue Form des cardiopulmonalem Bypasses von Lille-Hei durchgeführt, dabei konnten bei den Patienten Korrekturen eines VSD’s und der Fallot’schen Tetralogie im Kindes- und Jugendalter durchgeführt werden, von denen bis heute noch circa 50 % der Patienten überlebt haben. 1954 wurde dann der Bubble-Oxygenator entwickelt, der durch die Möglichkeit der Entschäumung des Maschinenblutes mittels Silikon und damit einer deutlichen Reduktion der Gasembolien für eine klinische Anwendung besser geeignet war 28. 1955 wurden dann durch Kirklin et al in der Mayo-Klinik acht Patienten in Folge mit der HLM von Gibbon operiert 29. Crafoord et al. erforschten aber auch den Einfluss einer Reduktion der Körpertemperatur zur Organprotektion. Er entdeckte den Vorteil einer Oberflächenhypothermie während Herzoperationen. Die klinische Anwendung der Oberflächenhypothermie während cardiopulmonalem Bypass im Sinne einer Organprotektion wurde unter anderem von Sealy und Drew beschrie[Seite 12↓]ben 30;31. Mitte der siebziger Jahre folgte dann die klinische Einführung der gezielten Myokardprotektion mit der „kalten Kardioplegie“, ein Protektionsregime mit Myokardkühlung und hohen Kaliumkonzentrationen. Die Hypothermie wurde jetzt gezielt zur Organ- und Myokardprotektion angewandt.

In Deutschland fand 1957 das erste Mal durch Zenker die Herz-Lungen-Maschine nach „Mayo-Gibbon“ ihre Anwendung . In den sechziger Jahren folgte dann die Einführung der Membranoxygenatoren. Die Technik der Herz-Lungen-Maschine wurde durch Einführung besonderer Kunststoffe, durch die Möglichkeit zur Antikoagulation (1953), die Verbesserungen der Oxygenatoren, Filter, Maschinenarten und des Perfusionsregimes ständig weiterentwickelt. Heute werden in Deutschland circa 57.000 Eingriffe mit Herz-Lungen-Maschine pro Jahr durchgeführt. Man verwendet dabei hauptsächlich Membranoxygenatoren, unterschiedliche Perfusionstechniken und unterschiedliche Säure-Basen-Regime. In den USA kommen ca. 40.000 Kinder pro Jahr mit einem angeborenem Herzfehler auf die Welt. Davon müssen die Hälfte dieser Kinder sich in ihrem ersten Lebensjahr einer Operation am offenen Herzen mit CPB und evtl. auch KSTH unterziehen 32;33. In Deutschland werden ca. 6000 Patienten jährlich mit einem angeborenem Herzfehler geboren.

1.3. Pathomechanismus der Hirnschädigung

1.3.1. Der Einfluss embolischer Komplikationen

Neurologische Komplikationen nach Kreislaufstillstand in tiefe Hypothermie und CPB schienen lange Zeit im Zusammenhang mit Makroembolien durch Luft und Thromben, Mikroembolien, Mikroaggregation, und inflammatorische Reaktionen zu stehen. Zusätzlich wurden zerebral vasogene Reaktionen vor allem im Bereich der Kapillaren angeschuldigt, die durch das abnormale zerebrale Perfusionsmuster bei non-pulsatilen HLM-Fluß ausgelöst werden sollten. Vor allem das Embolisationsgeschehen spielte lange Zeit eine große Rolle in der pathophysiologischen Genese zerebraler Komplikationen nach CPB 32-35. Durch die Verbesserungen der Herz-Lungen-Maschine, durch die Einführung arterieller Filter, durch die Veränderungen von Oxygenatoren und Perfusionsregimen konnten zerebrale Komplikationen deutlich gesenkt werden. Der Umstieg von den Bubble-Oxygenatoren zu den Membranoxygenatoren und die Verwendung von arteriellen Filtern senkte die Rate der Gas- und Partikel-Mikroembolien während KSTH und CPB 36-38.

1.3.2. Veränderungen der zerebralen Perfusion und Oxygenation

Alle bisher durchgeführten Studien vermochten nicht, die Kopplung zwischen Metabolismus und Blutfluss im Gehirn genau zu erklären. Besonders durch die Arbeiten von Kety und Schmidt et al. aus dem Jahre 1948 ist bekannt, dass der normale zerebrale Blutfluss (ZBF) circa 45-55 ml pro 100 g Gewebe und pro Minute beträgt 39;40. Bei vermehrter Aktivität in einem Hirnareal entsteht über eine metabolische Regulation eine lokale Hyperämie. Weiterhin führen Schmerzen und Stress zu einem vermutlich durch Adrenalin vermittelten Anstieg des zerebralen Blutflusses, jedoch geht eine maximale Sympathikus-[Seite 13↓]Aktivierung mit einer konsekutiven Erhöhung des ZBF um nur 5-10 % einher. Für die Veränderungen der zerebralen Perfusion von größter Bedeutung ist die zerebrale „Autoregulation“, die den zerebralen Blutfluss (ZBF) bei einem arteriellen Mitteldruck zwischen 50 mmHg und 130 mmHg stabil hält. Sinkt der arterielle Mitteldruck unter 50 mmHg , kann es zu Symptomen der zerebralen Ischämie kommen. Diese „Autoregulation“ sichert im Schlaf und bei Lagewechsel einen ZBF von mindestens 20 ml pro 100g min-139. Bei Unterschreiten dieser „Mindestperfusion“ zeigen sich die Veränderungen im Elektroenzephalogramm (EEG) durch eine Aktivitätsminderung der Potentiale. Auch der PCO2-Wert im Blut, die Blutzusammensetzung und der Hämatokrit-Wert haben einen entscheidenden Einfluss auf die zerebrale Perfusion. Denn z.B. eine Hypokapnie verursacht eine Vasokonstriktion und damit eine Verminderung des ZBF, wohingegen die Blutzusammensetzung vor allem die Mikroperfusion beeinflusst 41;42.

Der Nachweis einer globalen Minderperfusion gestaltet sich im klinischen Alltag schwierig. In klinischen Untersuchungen konnte mit radioaktiv-markiertem Xenon während und nach CPB eine Verminderung des zerebralen Blutflusses dargestellt werden 40. Dadurch konnte während CPB und nach KSTH eine Reduktion der zerebralen Blutflusses unter 0,2 ml g-1 min-1 dokumentiert werden 43. Tierexperimentelle Untersuchungen zeigten nach KSTH kurzzeitig eine Phase der Hyperperfusion, worauf eine Phase des reduzierten zerebralen Blutflusses mit einer Erhöhung des intravaskulären Widerstandes mit Dauer bis zu acht Stunden nach dem KSTH folgte 44;45. In nur wenigen tierexperimentellen Studien wurden die Veränderungen intravaskulärer und intrazellulärer Parameter, wie des PO2-, PCO2- und des pH-Wertes, während und nach CPB und KSTH systematisch untersucht 46.

Die Pathogenese der Hirnschädigung während cardiopulmonalem Bypass und Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie ist sicherlich multifaktoriell, und gerade die Veränderungen nach Hypothermie zeigen gegenüber Normothermie ein deutlich abweichendes Muster der zerebralen Perfusion47.

1.3.3. Immunologische Veränderungen

Der cardiopulmonale Bypass stellt mit der Herz-Lungen-Maschine, den Schläuchen und der damit sehr großen Kunststoffoberfläche, durch die das Blut gepumpt wird, ein großes Risiko für eine inflammatorischen Reaktion dar 14. Eine systemische Inflammation führt zu einer massiven Freisetzung inflammatorischer Mediatoren und zu einer Aktivierung des Komplementsystems, wobei die Patienten nach Kreislaufstillstand höhere Werte für IL-6 und IL-8 aufwiesen, als die Patienten welche nur einem cardiopulmonalen Bypass ausgesetzt waren 48. Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie führt aber nach der hypothermen Phase zu Beginn der Reperfusion und Wiedererwärmung zu einem erhöhten Anfall von Zytokinen und aktivierten Leukozyten 48-51. Insgesamt konnte durch die Erniedrigung der Temperatur während des hypothermen Bypasses aber eine deutlich geringere inflammatorische Reaktion beobachtet werden, als bei normothermem CBP 14. Es konnte nachgewiesen werden, dass milde Hypothermie immunologische Parameter beeinflusst. Eine durch den CPB initiierte Komplement-Aktivierung und somit auch eine verstärkte zelluläre Antwort der neutrophilen Granulozyten konnte durch Hypothermie reduziert werden 52.


[Seite 14↓]

Auch eine Endotoxinämie scheint signifikant häufiger während CPB aufzutreten 48. Das Auftreten von Endotoxinen führt wiederum zur Bildung von Zytokinen, unter anderem auch zur IL-6-Bildung, welches als inflammatorischer Marker sekundär zu Veränderungen der Neuronen führen kann 48. Nach KSTH konnte ein Persistieren erhöhter IL-6 und IL-8 Werte beobachtet werden. Ashraf et al stellten ebenfalls fest, dass es neben der Erhöhung der Interleukine ebenfalls zu höheren Werten für das astrogliale Protein S100B kam, und folgerten daraus eine mögliche inflammatorisch bedingte Ursache einer astroglialen Alteration 48.

Durch eine Methylprednisolongabe bei CPB und KSTH konnte eine Reduktion von Zytokinen und TNF-a dokumentiert werden 53. Es konnte sogar eine Erhöhung antiinflammatorischer Parameter wie IL-10 nachgewiesen werden 51;54-56. Diese Veränderung der inflammatorischen Reaktion durch die Methylprednisolongabe nach CPB und KSTH wurde als einer der möglichen Mechanismen einer neuroprotektiven Wirkung gewertet.

1.3.4. Metabolische Veränderungen

Zellulärer Adenosin-tri-phosphat(ATP)-Mangel der Neuronen führt zu erhöhten intrazellulären Ca++- und Glutamat-Spiegeln, sowie zur Bildung von zellschädigenden Sauerstoffradikalen durch eine Dysfunktion der Mitochondrien. Vom ATP abhängig werden Ca++-Ionen und Glutamat aus der Zelle befördert. Glutamat bewirkt durch Aktivierung des NMDA- und des AMPA-Rezeptors unter anderem einen Ca++-Einstrom in die Zelle. Durch ATP-Mangel versagt die Na/K-ATPase und Na wird zusammen mit Glutamat aus der Zelle geschleust. Dies führt zu einer Up-Regulation der Glutamat-Rezeptoren, zu erhöhten intrazellulären Glutamatspiegeln und dadurch zu höheren intrazellulären Ca++-Spiegeln – ein circulus vitiosus. Das Calcium wird im endoplasmatischen Retikulum (ER) und in den Mitochondrien gespeichert. Aufgrund unterschiedlicher Stimuli wird Ca++ freigesetzt und reguliert viele physiologische Stoffwechselprozesse. In einer ischämisch geschädigten Nervenzelle nehmen ER und Mitochondrien weniger Ca++ auf, so dass das zytosolische Ca++ bis auf toxische Werte ansteigen kann. Das intrazelluläre Ca++ aktiviert Prozesse, die zur Bildung von Arachidonsäure (Aktivierung via Phospholipase A2) und zur Produktion von Stickstoffmonoxid (NO) führen können. Dieses kann am Ende zur Beeinträchtigung der Mitochondrienfunktion führen 57;58. Mitochondrien können aber auch neben den oben beschriebenen Vorgängen einen möglichen Zelltodes via Apoptose und Nekrose initiieren. Zur Initiierung der Apoptose aktivieren die in Mitochondrien aufgenommenen Ca++-Ionen die mitochondriale Permeabilitätspore (mtPTP). Diese lässt das intramitochondriale Ca++ ausströmen und bedingt so wiederum toxisch hohe zytosolische Ca++-Spiegel. Durch hohe intrazelluläre Calciumspiegel und mitochondrialen Dysfunktion kann es schnell zum zellulären Energiemangel kommen, was zu einer Zellnekrose führt. Auf der anderen Seite kann die Freisetzung mitochondrialen Cytochrom C in das Zytoplasma eine Aktivierung der Caspase-Kaskade mit anschließender Apoptose bedingen 59.


[Seite 15↓]

Durch Ischämie und Hypoxie kann es ebenfalls zu einer verstärkten Bildung freier Sauerstoffradikalen kommen. Diese sind z.B. das Superoxid-Anion H2O2, das nicht mehr physiologisch zu Wasser, sondern unter dem Einfluss von pathologisch vorhandenen Eisen-Ionen zu Hydroxyl-Radikalen (OH-) umgewandelt wird und weiter das sehr reagible Peroxynitrat, das aus dem vom Arginin stammendem NO gebildet wird 60. Diese freien Radikale reagieren irreversibel mit Zellproteinen, Phospholipiden und nukleärer DNA, was zur Dysregulation von Stoffwechselprozessen und zu Gen-Mutationen führt. Außerdem werden durch diese Radikale auch eine sekundäre Entzündungsreaktion hervorgerufen, wobei Leukozyten per Migration durch die Gefäßwand im Hirngewebe schädigende Proteasen und Zytokine freisetzen 61. Dass Radikale eine wesentliche Rolle in der Entstehung einer hypoxisch-ischämischen Nervenzellschädigung nach CPB und KSTH spielen, konnten Studien mit Radikalfänger wie z.B. Q10 zeigen, welche zu einer Verbesserung des Schädigungsmusters führten 62;63. Daneben wird ein potentiell neuroprotektiver Effekt durch Na+-, Glutamat- und Ca++-Kanal-Blocker, Adenosin-Agonisten, K+-Kanal-Aktivatoren und Wachstumsfaktoren untersucht. Freie Radikale können je nach Konzentration einen nekrotischen oder auch apoptotischen Zelltod mit sich bringen 59.

1.3.5. Einfluss der Hypothermie

Die Hypothermie bedeutet eine Reduktion der systemischen Körpertemperatur. Man unterscheidet milde Hypothermie mit einer Temperatur von 35 bis 30°C, moderate Hypothermie mit Temperaturen von 29 bis 25 °C und tiefe Hypothermie mit einer Temperatur von 25 bis 15°C. Der Mensch kann einen normothermen Kreislaufstillstand für 3-5 Minuten ohne dauerhaften zerebralen Schaden überstehen. Bei 28° bis 30°C verlängert sich die ischämische Toleranz des Gehirns auf 8 bis 10 Minuten und bei einer systemischen Temperatur unter 20°C auf bis zu 40 Minuten 6465.

Der Gesamtmetabolismus des Gehirns setzt sich aus Aktivitätsstoffwechsel und Basalstoffwechsel zusammen. Dabei besteht der Aktivitätstoffwechsel aus dem Energiebedarf bei einer normalen neuronalen Aktivität und Erregungsleitung. Der Basalstoffwechsel ist der Energiebedarf, der nach vollständiger Suppression der hirnelektrischen Aktivität z.B. im Rahmen der Narkose noch existent und für das Überleben der Zelle essentiell ist. Ungefähr 50 % des Basalstoffwechsels wird für die Aufrechterhaltung des Membranpotentials aufgewandt und die andere Hälfte für Calcium-Transporter, Zellbausteinsynthese und axoplasmatischen Transport. Die Hypothermie setzt die Aktivität aller zerebralen Stoffwechselprozesse herab. Die Erniedrigung der zerebralen metabolischen Rate für Sauerstoff (CMRO2) ist ein wichtiger Effekt der Hypothermie, mit sinkender Temperatur sinkt die CMRO2 um circa 7-10 % pro Grad Celsius 64;66. Aber einzig dieser Mechanismus kann für eine neuroprotektive Wirkung nicht verantwortlich sein, denn eine pharmakologisch induzierte Erniedrigung der CMRO2 führte nicht zu einer vergleichbaren ischämische Toleranz 67. Obwohl ebenfalls die Hypothermie den ATP-Verbrauch senkt, so scheint aber wiederum der ATP-Verbrauch nicht mit einer zerebralen Schädigung zu korrelieren 68;69.


[Seite 16↓]

Ein weiteres Augenmerk wurde bei der Wirkung der Hypothermie auf die Mediatoren und Stoffwechselprodukte der Ischämie wie Glutamat und Sauerstoffradikale gelenkt 70. Glutamat ist ein Neurotransmitter und zugleich aber auch neurotoxisches Protein und kommt in den Nervenendigungen in millimolarer Konzentration vor. Sein extrazelluläres Vorkommen ist an eine Wiederaufnahme gebunden, und die Ischämie führt dabei zu einer Erhöhung der extrazellulären Konzentration und einer Verschlechterung der Wiederaufnahme. Extrazelluläre Konzentrationen im mikromolaren Bereich sind neurotoxisch und führen über eine NMDA-Rezeptor-Aktivierung und Calcium-Einstrom zu einem nekrotischen Zelltod. Schon milde Hypothermie reduziert deutlich den extrazellulären Glutamat-Anstieg 5770.

Milde Hypothermie beeinflusst auch immunologische Parameter: es wird eine durch den CPB initiierte Komplement-Aktivierung deutlich abgeschwächt und die zelluläre Antwort der neutrophilen Granulozyten reduziert 52. Doch ebenso wurde beobachtet, dass im Rahmen der Wiedererwärmung und Reperfusion nach Hypothermie eine verstärkte Komplementaktivierung stattfindet. Diese Aktivierung könnte wiederum zu einer verstärkten Komplement-induzierten Granulozytenaggregation führen, eine Quelle für die Bildung von Mikroemboli und einer globalen Entzündungsreaktion 52;71.

In Messungen mit transkranieller Dopplersonographie (TCD) fand man heraus, dass man nach Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie einen erhöhten zerebralen Perfusionsdruck braucht, um überhaupt einen zerebralen Fluss zu registrieren 72. Eine erhöhte Rate zerebraler Komplikationen nach Hypothermie wurde ursächlich auf die Entstehung eines Ischämie-Reperfusionsschadens zurückgeführt. Es wurden Laktatazidose und Hyperglykämien registriert 73;74, zusammen mit einer verspäteten Reaktivierung der zerebralen Funktionen durch EEG-Ableitung 75. Man beschrieb also für die Hypothermie eine durchaus neuroprotektive Wirkung, eingeschränkt durch das Wissen, dass es bei Wiedererwärmung und Reperfusion dann zu einer durchaus unphysiologischen Kombination aus einer Störung der zerebralen Perfusion und Oxygenation, sowie einer immunologischen Reaktion kommen kann 62.

Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie bewirkt auf zellulärer Ebene eine sogenannte „kalte Ischämie“, welche sich pathophysiologisch und auch in dem Ausmaß der Schädigung deutlich von den Veränderungen während einer normothermen Ischämie unterscheidet. Die Hypothermie erhöht die ischämische Toleranz des Gehirns bei fokaler und globaler Ischämie. Der Mechanismus der Neuroprotektion ist multifaktoriell durch eine intra- und extrazelluläre Wirkung bedingt. Ob es neben protektiven Effekten auch schädigende Effekte durch die Hypothermie gibt, bleibt weiter unklar, und das Risiko und die Nebenwirkungen scheinen gerade auf eine lange postoperative Zeit gesehen ungeklärt.

Eine zeitliche Begrenzung der allein durch Kühlung bedingten protektiven Wirkung der tiefen Hypothermie bei totalem Kreislaufstillstand scheint bei ungefähr 60-70 Minuten zu liegen 64;76. Bei längeren Stillstandsphasen scheint eine alleinige Hypothermie an die Grenzen ihrer Wirksamkeit zu treten 77.


[Seite 17↓]

1.3.6.  Ursachen einer zerebralen Schädigung (Zusammenfassung)

Die während CPB und KSTH verursachte Hirnschädigung ist multifaktoriell. Es können eine Vielzahl von Ursachen zugrunde liegen, wobei nachfolgende Aufzählung einen Überblick verschaffen soll:

Abbildung 1.1: Pathomechanismus der Hirnschädigung nach Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie und cardiopulmonalem Bypass

Als offensichtlich kritische Zeitpunkte einer durch CPB und Kreislaufstillstand ausgelösten Schädigung kommen in Betracht:

  1. Anschluss an die Herz-Lungen-Maschine
  2. Periode des Kreislaufstillstandes mit verbundener zellulärer Ischämie
  3. Phase der Ischämie-Reperfusion nach dem Kreislaufstillstand
  4. Postoperative Phase mit sekundärer Schädigung durch Metaboliten und Radikale

1.3.7. Antikoagulation

Ebenfalls wurde der Einfluss der Antikoagulation und auch die Möglichkeit eines protektiven Effektes auf das Gehirn während CPB untersucht. Es bestand kein signifikanter Unterschied bezüglich des neurologischen Outcomes der Patienten mit oder ohne Heparintherapie 78. Die Heparindosis sollte so niedrig wie möglich gewählt werden, die Art des Heparin`s aber hat keinen Einfluss auf das neurologische Outcome 78.


[Seite 18↓]

1.3.8.  Hämodilution

Die Auswirkung einer Erniedrigung des Hämatokrit-Wertes unter 25% (=Hämodilution) während CPB und KSTH ist umstritten. Eine Hämodilution sollte vor allem die Fließgeschwindigkeiten auf kapillärer Ebene verbessern und ein sogenanntes Sludge-Phänomen, bei dem sich die Erythrozyten in den Kapillaren stauen, verhindern. Zwar konnte eine Verbesserung der zerebralen Perfusion durch die Erniedrigung des Hämatokrits nachgewiesen werden, jedoch stand diese Veränderung im Gegensatz zu den Verschlechterungen der Oxygenation 79. Eine Hämodilution bewirkt im Gehirn eine deutliche Veränderung des zellulären Sauerstoffangebots, wodurch es zu einer kompensatorischen Erhöhung des zerebralen Blutflusses kommt. Es zeigt sich jedoch eine Limitation dieser Kompensation. Hämatokritwerte unter 15% zeigten eine deutliche Verschlechterung der zerebralen Oxygenation und des zerebralen Sauerstoffangebots 80. Hämodilution bedeutet eine Erniedrigung der Träger für Sauerstoff im Blut, was sich negativ auf die zelluläre Oxygenation auswirkt 78. Durch eine Hyperperfusion versucht das Gehirn dann das Sauerstoffangebot zu verbessern. Diese Hyperperfusion wurde in einigen Studien als Zeichen einer zerebralen Protektion gewertet 20;79. Die Optimierung des intravaskulären und damit auch interzellulären Sauerstoffangebots sollte während CPB und auch vor und nach Kreislaufstillstand im Vordergrund stehen. Dieses kann vor allem durch eine Optimierung der Anzahl Sauerstoffträger (Erythrozyten) im Blut und durch ein ausreichendes Angebot intravaskulär verfügbarem Sauerstoff (PO2) erreicht werden. Eine Hämodilution bedeutet eher eine Erniedrigung der Sauerstoffträger und somit auch eine Erniedrigung des intravaskulären und auch zellulären O2-Angebotes. Zahlreiche Studien wiesen daher auch auf den protektiven Effekt höherer Hämatokritwerte hin 81.

1.4. Tierexperimentelle Studien

Neben vielen klinischen Studien und Untersuchungen gibt es zahlreiche Ansätze für Grundlagenforschung, Deduktion pathophysiologischer Zusammenhänge und Evaluierung von Interventionen ermittelt im Tiermodell mit KSTH. Das experimentelle Protokoll differiert deutlich zwischen den experimentellen Studien. Es gibt Abweichungen im Perfusionsprotokoll, der Tierart, der Dauer des KSTH, der Auswertung und der versuchten Intervention. Einige experimentelle Studien nutzten wesentlich kürzere Stillstandszeiten (etwa von 60 Minuten bis 90 Minuten) zur Evaluation der Veränderungen von Perfusion und Oxygenation 82. Jedoch wurde nur in wenigen Fällen eine morphologische Untersuchung durchgeführt, wie z.B. bei der Versuchsgruppe von Cooper et al. oder Bokesch et al., die bei 60 bis 90 Minuten KSTH keine Nervenzellschädigung detektieren konnten 77;83.

Neugeborene Ferkel (< 14 Tage) wurden nur in wenigen anderen experimentellen Studien benutzt. Dabei wurden Kreislaufstillstandszeiten in tiefer Hypothermie von 90 bis 120 Minuten angewendet, um überhaupt eine histologisch sichtbare ischämische Veränderung im Gehirn zu erhalten. Hierzu zählen die Studiengruppe der Duke University 84, die John Hopkins University Baltimore 85, die Studiengruppe der Har[Seite 19↓]vard University in Boston 86, aus Cleveland, Ohio 77, der University of Southampton 87 und des Children’s Hospital in Philadelphia 88.

Eine aktuelle Studie an neugeborenen Ferkeln aus dem Jahr 2000 verwendete 60 Minuten KSTH und eine neuroprotektive Intervention mit Methylprednisolon 20. Diese Studie verzichtete aber auf eine neuropathologische Untersuchung und die Untersucher interpretierten ihre Perfusions- und Oxygenationsmessungen als Anzeichen einer Neuroprotektion durch Steroide.

Weitere Interventionen wurden durch die Veränderungen des Perfusionsregimes evaluiert, zum Beispiel durch die Gegenüberstellung von pulsatilen zu nicht- pulsatilen Flussmustern 89, durch retrograde zerebrale Perfusion während KSTH 90, durch intermittierende Perfusion während KSTH 91 und durch Interventionen am Nitric Oxid Stoffwechsel mit Gabe des NO-Donors Arginine 92. Aber nur in wenigen Studien wurden die Morphologie nach dem Versuch beurteilt und daraus mögliche Rückschlüsse über eine Zellprotektion angestellt.

Abbildung 1.2: Literaturübersicht der tierexperimentelle Studien

Erstautor

Journal

Jahr

Tierart

KSTH

(min)

Temp. °C

Histologie

Shum-Tim

Ann Thorac Surg 72(5): 1465-72

2001

Ferkel

100

15

Protektion

Kurth

Anesthesiology 95(4): 959-64.

2001

Ferkel

90

19

Protektion

Juvonen

Eur J Cardiothorac Surg 20(4): 803-10

2001

Schweine

90

20

Postitiv

Nollert

Thorac Cardiovasc Surg 48(4): 247-53

2000

Ferkel

120

15

Positiv

Cooper

Ann Thorac Surg 69(3): 696-703.

2000

Schweine

60

18

Positiv

Langley

Eur J Cardiothorac Surg 17(3): 279-86

2000

Ferkel

60

18

Keine

Shinòka

Ann Thorac Surg 69(2): 578-83

2000

Ferkel

60

15

Positiv

Abdul-Khaliq

Eur J Cardiothorac Surg 18(6): 729-31

2000

Ferkel

120

15

Positiv

Abdul-Khaliq

Clin Chem Lab Med 38(11): 1169-72.

2000

Kaninchen

60

15

Negativ

Kin

Cardiovasc Surg 7(5): 558-64

1999

Hund

90

15

Positiv

Kurth

J Thorac Cardiovasc Surg 118(6): 1068-77

1999

Ferkel

90

15

Positiv

Nagashima

Ann Thorac Surg 68(2): 499-505.

1999

Lämmer

90

18

Keine

Langely

Ann Thorac Surg 68(5): 1578-85.

1999

Ferkel

60

18

Keine

Langely

Ann Thorac Surg 68(1): 4-13

1999

Ferkel

60

18

Nekrose

Undar

Ann Thorac Surg 68(4): 1336-43

1999

Ferkel

60

18

Keine

Undar

Artif Organs 23(8): 717-21

1999

Ferkel

60

18

Keine

Bokesch

Anesthesiology 89(4):961-8.

1998

Lämmer

120

16

Positiv

Nagashima

Circulation 98(19 Suppl): II378-84

1998

Lämmer

120

18

Keine

Ye

Circulation 98(19 Suppl): II313-8

1998

Schweine

120

15

Positiv

Juvonen

Ann Thorac Surg 66(1): 38-50

1998

Schweine

90

20

Positiv

Undar

Artif Organs 22(8): 681-6

1998

Ferkel

60

18

Keine

Bokesch

Ann Thorac Surg 64(4): 1082-8.

1997

Lämmer

120

15

Positiv

Undar

Asaio J 43(5): M482-6

1997

Ferkel

60

18

Keine

Bokesch

Anesthesiology 85(6):1439-46.

1996

Lämmer

120

15

Positiv

Miura

Circulation 94(9 Suppl): II56-62.

1996

Ferkel

100

15

Positiv

Skaryak

Ann Thorac Surg 62(5): 1284-8

1996

Ferkel

90

18

Keine

Tsui

Ann Thorac Surg 61(6): 1699-707

1996

Ferkel

60

18

Keine

Kirshbom

Circulation 92(9 Suppl): II490-4.

1995

Ferkel

90

18

Keine

Fessatidis

Eur J Cardiothorac Surg 7(9): 465-72

1993

Ferkel

120

15

Positiv

Scheller

J Thorac Cardiovasc Surg 104(5): 1396-404

1992

Schweine

60

18

Positiv

O`Conner

Cryobiology 1986 Dec;23(6):483-94

1986

Hund

180

13

Keine

Molina

J Thorac Cardiovasc Surg 1984 Apr;87(4):596-604

1984

Hund

60

18

Negativ

Fisk

Anaesth Intensive Care 1976 May;4(2):126-34

1976

Schweine

85

20

Positiv

Fisk

Anaesth Intensive Care 1974 Feb;2(1):33-42

1974

Ferkel

60

20

Positiv

Kramer

J Thorac Cardiovasc Surg 1968 Nov;56(5):699-709

1968

Hund

60

4

Negativ

1.4.1. Morphologische Evaluation des Gehirns

Die tierexperimentellen Studien zeigen unterschiedliche histologische Schädigungsmuster im Gehirn bei KSTH. Einen Einfluss auf die Ausprägung der Schädigung im Gehirn scheint die Dauer der Ischämiezeit in Hypothermie und die Temperatur zu haben. Einige Studien zeigten, dass es bei 60 Minuten KSTH in tiefer Hypothermie und einer postoperativen Überlebenszeit von bis zu 3 Tagen nur zu einer gering ausgeprägten Nervenzellschädigung kommt 17;93. Erst bei KSTH von mehr als 60 Minuten und 4-6 postoperativen Stunden war eine signifikante Neuronenschädigung sichtbar 77;87;94. Aus diesen Ergebnissen wurde gefolgert, dass bei Stillstandsphasen, die länger als 60 Minuten dauern, trotz tiefer Hypothermie Neuronenschäden zu erwarten sind 95. Zusätzlich konnte in einer experimentellen Studie ausgeschlossen werden, dass das Alter der Tiere in einem Bereich zwischen 1 und 10 Wochen einen Einfluss auf die morphologischen Ergebnisse hat 96.

Es gibt nur wenige Studien, die eine längere postoperative Überlebenszeit aufweisen. Eine dieser Studien ist die Untersuchung von Kurth et al, die unterschiedliche Überlebenszeiten von 6 Stunden und 1 bis 7 Tagen evaluiert hat 88. Dabei lag das Ausmaß der histologischen Schädigung nach 6 postoperativen Stunden nur gering unter der maximalen Nervenzellschädigung nach 2 Tagen, und es zeigte sich dann wieder eine signifikante Abnahme der Neuronenveränderungen nach einer Woche. Dieses Studie zeigte, dass ein postoperativer Intervall von 6 Stunden zu einer durchaus reproduzierbaren Detektion des Schädigungsmuster nach KSTH führt. Eine längere Überlebenszeit der Tiere ist technisch sehr schwierig umsetzbar.

Das Gehirn verfügt über einen hohen Metabolismus im Verhältnis zum restlichen Körper, ist sehr anfällig gegenüber Hypoxie und Ischämie und besitzt nur geringe Speichermöglichkeiten für Sauerstoff, energiereiche Phosphate und Kohlenhydrate. Ischämische Hirnschädigung wird durch eine Kombination einer Vielzahl von pathophysiologischer Faktoren verursacht. Auf der einen Seite spielt eine signifikante Alteration der zerebralen Perfusion eine Rolle, auf der anderen Seite werden viele biochemische und immunologische Kaskaden aktiviert, die eine sekundäre Zellschädigung begünstigen. Aber die Anfälligkeit der einzelnen Neurone variiert je nach Hirnregion und wird in der Literatur als „selektive Vulnerabilität“ bezeichnet 97. Bei der Untersuchung der Neurone im Hippocampus wurde in zahlreichen Studien eine „selektive Vulnerabilität“ nach ischämischer Schädigung beschrieben, was bedeutet, dass die einzelnen Strukturen – wie Cornu ammonis (CA) 1-4 und der Gyrus dentatus – in diesem Bereich ein unterschiedliches Schädigungsmuster aufweisen.

Bisher wurde in vielen Studien die hohe Anfälligkeit des Sektors CA 1 („Sommer-Sektors“) für hypoxische und ischämische Schädigung beschrieben, bei vergleichsweise geringen Veränderungen in den ande[Seite 21↓]ren Sektoren des Ammonshorns wie CA 2-4 und dem Gyrus dentatus 88. Einige tierexperimentelle Studien mit KSTH betrachten sogar nur den Sektor CA 1 94, andere wiederum zeigten ein abweichendes Muster. Der Fokus der Schädigung lag nicht mehr nur im Sektor CA 1, sondern im Sektor CA 4 und es zeigte sich ein nur moderater Zellschaden in den Sektoren CA 3, CA 2, Gyrus dentatus und CA 1 98;99.

Die lichtmikroskopische Klassifikation ischämisch geschädigter Neurone im Gehirn erfolgte in den meisten Studien und auch in dieser Untersuchung nach den gängigen neuropathologischen Kriterien 100;101. Zum Zelluntergang führt eine hypoxische oder ischämische Schädigung mit Störung der Sauerstoffverfügbarkeit auf zellulärem Level, der oxidativen Energiegewinnung und der Glykolyse. Zusätzlich führen auch endotheliale Vorgänge, wie Komplementaktivierung und Bildung von Sauerstoffradikalen zum Zelluntergang.

Für den Zellenuntergang bzw. Zelltod sind zwei unterschiedliche Formen beschrieben, die Nekrose und Apoptose.

1.4.2. Nekrose

Die Nervenzellnekrose ist charakterisiert durch Eosinophilie des Zytoplasmas mit untergeordneten Kernveränderungen in Form von Kernpyknose und Kernbasophilie 97;102-104. Ultrastrukturell wurde eine Schwellung und Dilatation der Mitochondrien und anderen Zellorganellen, sowie eine Ruptur der Zellmembran beobachtet. Die Detektion dieser Veränderungen erfolgt am besten mittels lichtmikroskopischer Betrachtung der Schnitte in Hämatoxylin und Eosin-Färbung (HE-Färbung).

1.4.3. Apoptose

Die Apoptose wurde das erste Mal 1972 von Kerr et al. so benannt und ist charakterisiert durch die Fragmentation der Zelle bei gleichzeitigem Erhalt der Zellmembran. Es zeigen sich charakteristische Kernveränderungen in Form einer Heterochromatin-Kondensation und einer Kernfragmentation 100;105. Die Apoptose ist ein aktiver Prozess und bedarf Energie. Morphologisch kommt es zu den charakteristischen Kernveränderungen mit zentrifugaler Chromatinansammlung am Rand der Zelle, Kondensation und einer DNA-Fragmentation mit großen und kleinen Fragmenten 105-107. Der Zellkern bildet sich dann um in kleine runde Chromatin-Körperchen, sogenannte apoptotische Körperchen. Aber die Zellorganellen des Zytoplasmas bleiben intakt, es kommt zu keiner Schwellung der Mitochondrien wie bei der Nekrose und eine inflammatorische Reaktion bleibt aus 59. Die Fragmente und apoptotischen Körperchen werden dann von Nachbarzellen phagozytiert, wobei diese Zellen normalerweise nicht zur Phagozytose fähig sind.


[Seite 22↓]

Abbildung 1.3: Abfolge der morphologischen Veränderungen von Nekrose und Apoptose

Die Integrität der Zellmembran bei der Apoptose ist einer der wesentlichen Unterschiede zur Nekrose. Dort wird die Zellmembran lytisch zerstört und es kommt zum Austreten schädlicher Substanzen und Transmitter, wie z.B. Calcium und Glutamat. Glutamat ist ein Exotoxin, wobei schon geringe zelluläre Konzentrationsänderungen zum nekrotischen Zelltod führen können.

Die Apoptose kann somit als Zelluntergang einzelner Zellen in einer Umgebung intakter Zellen stattfinden und durch die Phagozytose der apoptotischen Zellen in einem Zeitraum von zwei bis vier Stunden kommt es zu keinerlei Beeinflussung der umliegenden Zellen 108. Die Apoptose wird daher gegenüber der Nekrose auch als ein schonender und organisierterer Zelluntergang bezeichnet. Apoptose und Nekrose können aber auch zugleich stattfinden oder hintereinander ablaufen wenn z.B. nicht genügend Energie für eine Apoptose verfügbar ist, wodurch dann auch die apoptotischen Zellen lytische Prozesse durchlaufen 109-112.

Der Hippocampus ist ein typisches Beispiel dafür, dass Apoptose und Nekrose nebeneinander vorkommen können, sich aber in ihrer regionalen und lokalen Verteilung unterscheiden. Die Nervenzellen in dieser Region reagieren unterschiedlich und ihre Reaktion ist abhängig vom pathogenen Stimulus. Nach fokaler Ischämie fand man unmittelbar in der Nähe des verschlossenen Gefäßes eine umrahmte Region mit nekrotischem Zelluntergang, die sogenannte Kernregion. Abgrenzbar dazu zeigte sich um die Kernregion, dort wo der Energiemangel und auch die Ischämie schwächer ausgeprägt war, weniger Nervenzellnekrose, dafür aber signifikant mehr apoptotische Veränderungen 88;112;113. Ebenfalls wurde beobachtet, dass Unterschiede z.B. in der Verteilung der NMDA-Rezeptoren zwischen den Neuronen des Cornu ammonis (CA) und des Gyrus dentatus für die Veränderungen nach Ischämie verantwortlich sein können, sowie das [Seite 23↓]Ausmaß und die Form des Zellunterganges mitbestimmen 98. Die zellulären Prozesse von Apoptose und Nekrose besitzen ähnliche Komponenten. Bei beiden Formen spielen z.B. der „Second-messenger“ Calcium, zelluläre Enzyme und Transkriptionsfaktoren, wie z.B. c-fos, ein Rolle. Es konnte ebenso gezeigt werden, dass ein hochspezifisches Signalmolekül der Apoptose, die Caspase 8/10, ebenfalls bei Nekrose eine Rolle spielt 114, genauso wie die spezifische Sensitivität für Bcl-2 nach Hypoxie und oxidativem Stress auch bei der Nekrose existent zu sein scheint 115. Trotzdem führen intrazelluläre Prozesse, Enzymwirkungen und Produktion von Botenstoffen zu der unterschiedlich morphologischen Form des Zellunterganges. Die Form ist dabei abhängig von Intensität und Dauer des schädlichen Stimulus. Wenn die Schädigung fulminant ist und die Zelle einen Energieträgermangel ausgesetzt ist, dann kann sich das Bild des Zelltodes wandeln von der Apoptose zur Nekrose 111.

1.5. Untersuchung einer neuroprotektiven Strategie

Das Verständnis des Pathomechanismus der Hirnschädigung und die Kenntnis der Veränderungen während und nach dem operativen Eingriff sollten die Grundlage bilden für die Entwicklung neuroprotektiver Strategien und pharmakologischer Interventionen. Diese Erkenntnisse können am besten in einem Tiermodell gewonnen und auf ihre Wirksamkeit überprüft werden.

Wir haben ein experimentelles Bypassmodell zur weiteren Evaluierung neurophysiologischer, biochemischer, histologischer und ultrastruktureller Veränderungen etabliert 17;116. Die ersten histologischen und immunhistochemischen Ergebnisse bei Kaninchen und bei neonatalen Schweinen zeigten bei einem Kreislaufstillstand von 60 Minuten ein neuropathologisches Schädigungsmuster in Form eines ausgeprägten perivaskulären astrozytären Ödems und weniger eine Schädigung der Neuronen. Die astroglialen Zellen, die 50-60% der Hirnmasse ausmachen, spielen eine vitale Rolle im nutritiven Transport, Metabolismus der Neurotransmitter und in der mechanischen Unterstützung und Plastizität des Zentralnervensystems. Die ausgeprägte Schwellung und extrazelluläre Flüssigkeitsansammlung bestätigten unsere Hypothese einer primären pathognomonischen Reperfusionschädigung in den einzelnen Hirnabschnitten, mit einer Störung des nutritiven Transports zu den Neuronen, aus der eine Neuronenschädigung resultieren könnte 17.

Eine zerebrale Protektion in der klinischen Praxis sollte vor allem die oben genannten neuropathologischen Aspekte berücksichtigen. In einem Tiermodell sollte zuerst eine Evaluierung der pathophysiologischen Zusammenhänge, die zu einer neuronalen Schädigung führen, überprüft werden. Dann sollten neuroprotektive Strategien angewendet und analysiert werden 33;88;95;117-119. Im Gegensatz zu der bisherigen Möglichkeit, bei Erwachsenen und Kindern erst nach einem hypoxisch-ischämischen Ereignis die unmittelbaren und späteren Folgen behandeln zu können, haben wir die Chance, durch die pharmakologische Behandlung vor und während der invasiven Prozedur, die Entstehung möglicher zerebraler Schädigungen entscheidend zu beeinflussen.


[Seite 24↓]

1.5.1.  Klinische und experimentelle Anwendung der Steroide

Steroide werden in vielen unterschiedlichen klinischen Fachdisziplinen eingesetzt zur Vorbeugung und Behandlung von inflammatorisch bedingten Zellveränderungen, endothelialer Permeabilitätsstörungen und einer posttraumatischen oder ischämischen Ödembildung 120-123. Im Rahmen der Herzchirurgie und des CPB werden Steroide und Methylprednisolon schon seit 1966 eingesetzt, ursprünglich mit dem Ziel die kardiale Funktion nach CPB zu verbessern 124;125.

Eine neuroprotektive Wirkung der Steroide wird seit langem zusätzlich vermutet, vor allem im Zusammenhang mit einer ischämisch-entzündlichen Genese, einer Nervenzellschädigung des zentralen und peripheren Nervensystems, wobei die Reduktion inflammatorischer Parameter und Interleukine experimentell und klinisch nachgewiesen werden konnte 126-128. Trotzdem wird die Fähigkeit der Steroide zur Prävention einer neuronaler Schädigung und einer zerebralen Ödembildung nach einem traumatischen oder ischämischen Einfluss seit langem kontrovers diskutiert.

Die pathophysiologische Grundlage für den Einsatz von Steroiden für den Zweck einer Zellprotektion bilden vielfältige Mechanismen, wobei ein ödemreduzierender Effekt durch Jamshidi et al beschrieben und ein antioxidaktiver Effekt in zwei weiteren Studien beobachtet wurde 121;129;130. Außerdem haben Steroide eine multi-inhibitorische Wirkung auf eine Vielzahl von Komponenten des inflammatorischen Systems im Körper. Steroide sind in der Lage, die Makrophagen-Funktion zu hemmen, die Expression der inflammatorischen Zytokine TNF-alpha, IL-6 und IL-8, sowie eine Komplementaktivierung zu reduzieren und gleichzeitig antiinflammatorische Zytokine wie IL-10 zu erhöhen 53;54;131;132. Die Quelle für die erhöhte Konzentration des antiinflammatorischen IL-10 scheint dabei die Leber zu sein 55. Eine weitere Wirkung zeigte sich in der Verminderung exzitatorischer Aminosäuren, und auch ein verbessernder Einfluss auf den zerebralen Blutfluss wurde beobachtet 12220133128. Jedoch lassen die Verabreichung der Steroide und die Art der ischämischen Schädigung in dem jeweiligen Studiendesign aufgrund der fehlenden ausführlichen morphologischen Untersuchung nicht unbedingt eine direkte neuroprotektive Wirkung erkennen. Und ein wirklicher Vorteil dieser Interaktion mit dem Entzündungssystem des Körpers ließ sich klinisch bisher nur schwer beweisen 134.

Der Einsatz von Steroiden in der Herzchirurgie wird bisher weiterhin kontrovers diskutiert, ein neuroprotektiver Effekt konnte bisher noch nicht bewiesen werden. Als sogenannte „high-dose“ Therapie zur Neuroprotektion werden 30 mg/kg Körpergewicht intravenös als Dosis in der Literatur angegeben.

Eine Studie von Langley et al. wies vor kurzem bei einer Behandlung mit hochdosiertem Methylprednisolon durch die Verbesserungen des zerebralen Blutflusse und der Oxygenation nach 60 Minuten KSTH auf eine neuroprotektive Wirkung hin. Auch hierbei fehlte jedoch eine histologische Evaluation post mortem, die notwendig wäre, um wirklich einen neuroprotektiven Effekt beschreiben und quantifizieren zu können 20. Einzig die Annahme, dass die Verbesserungen der Perfusion und Oxygenation so kurz nach KSTH [Seite 25↓]wirklich ein Anzeichen für das Vorliegen einer neuroprotektive Wirkung darstellen, sollte diskutiert werden und stellt sich vor allem bei KSTH von nur 60 Minuten als fragwürdig dar 17;135.

Eine Arbeitsgruppe der Duke-Universität berichtete ebenfalls vor kurzem über eine dramatische Reduktion der Immunantwort nach der Vorbehandlung mit hochdosierten Steroiden 8 Stunden vor der CPB, verglichen mit der herkömmlichen intraoperativen Applikation in der Primeflüssigkeit 136. Die präoperative Applikation führte zur einer verbesserten Lungenfunktion durch verminderte pulmonale Wasserakkumulation. Eine ähnliche Wirkung im Gehirn durch Reduktion des perivaskulären Ödem und eine Verbesserung der zerebralen Hämostase kann vermutet werden. Andersen et al beschrieben in einer klinischen Studie eine Reduktion der Komplement-Aktivierung während CPB unter einmaliger intravenöser „high-dose“ Steroidtherapie. Es zeigte sich jedoch kein Unterschied im klinischen Outcome 137. Im Gegensatz zu dieser Studie zeigten Boscoe et al, dass weder Steroide noch pulsatiler HLM-Fluß die Komplement-Aktivierung beeinflussen 138. Karlstadt et al. untersuchten den Einfluss der Steroide auf eine Endotoxin-Entstehung während CPB und stellten fest, dass Methylprednisolon die Entstehung des Plasma-Endotoxin als Faktor einer Alteration der Endothelfunktion nicht beeinflusst 139.

Seit kurzem wird auch durch klinische Studien auf eventuelle Nebenwirkungen einer Steroidtherapie hingewiesen, gerade im Bereich der postnatalen Steroidapplikation. Die Indikation der postnatalen Steroidgabe ist meist eine Lungenunreife. Es konnten Störungen der neurologischen Entwicklung und des Verhaltens nach Steroidgabe beobachtet werden. Eine Meta-Analyse aus Kanada zeigte den Zusammenhang auf zwischen neurologischen Störungen und postnataler Steroidapplikation 140.

1.5.2. Wirkungsmechanismus Steroide

Für den Wirkungsmechanismus der Steroide wird die Existenz eines Glucocorticoidrezeptor (GR-I) und ein Mineralcorticoidrezeptor (GR-II) mit einer unterschiedlichen zellulären Wirkung und mit einer unterschiedlichen Affinität der endogenen und exogenen Steroide für diese beiden Rezeptoren beschrieben.

Für den Glucocorticoidrezeptor I, den „klassischen“ Steroidrezeptor, existieren eine α- und ß-Isoform. Dabei ist nur die α-Isoform in der Lage, durch Bindung der Steroide die entsprechende Wirkung zu entfalten. Die ß-Form interagiert nicht mit den Steroiden und ist als Antagonist der α-Isoform bekannt 141. Der Steroidrezeptor (GR-I) ist im Zytosol lokalisiert und ein 770 Aminosäuren langes Protein, mit einem MG von 94000 Dalton. Er verfügt über einen Hitze-Schock-Protein abhängigen Aktivierungszustand, wobei der GR-Iα durch die Bindung an HSP 90 inaktiviert ist 142. Die Rezeptorenverteilung und Dichte hat einen erheblichen Einfluss auf die Steroidwirkung. So konnten im Gehirn regionale Unterschiede der Rezeptorendichte, der Wirkungsintensität und somit auch regionale Unterschiede in dem protektiven Effekt einer Steroidapplikation nach Ischämie aufgedeckt werden. Vor allem der Hippocampus verfügt über eine besonders hohe Dichte der Steroidrezeptoren 143;144.

Die Wirkung der Steroide via Steroidrezeptor (SR) bewirkt vor allem eine Beeinflussung von intrazellulären und mitochondrialen Zielgenen mit der Beeinflussung der Proteinsynthese 145. Im Zellkern kann der [Seite 26↓]aktivierte Steroidrezeptor die Gen-Transkription dann auf zwei unterschiedliche Arten modulieren: durch Transaktivierung und durch Transrepression. Bei der sogenannten Transaktivierung binden die Steroide an den zytoplasmatischen Steroidrezeptor, welcher dann in Kontakt mit dem Zellkern durch eine sogenannte „Glucocorticoid-Rezeptor-Einheit“ tritt. Dadurch kommt es zu einer Aktivierung und Transkription der steroid-responsiven Gene mit daraus resultierender Produktion metabolisch und kardiovaskulär wirksamer Proteine. Die DNA-Sequenz in der Promoterregion, an welche der aktivierte Steroidrezeptor bindet nennt sich Glucocorticoid-Respones-Einheit (GRE) 146. Die Proteine, welche durch diesen Mechanismus vermehrt produziert werden, sind unter anderem das Interleukin-10, der Interleukin-1 Antagonist, das Lipocortin und Endopeptidasen 128. Über diesen Mechanismus werden auch spannungsgesteuerte Ionenkanäle reguliert, es folgt eine Interaktion mit der Signalkaskade der Neurotransmitter und es kommt ebenso zu der Beeinflussung von Pumpen und Transportern der Zellmembran, welche den Ionen-Gradienten der Zelle und damit das Zellmembranpotential aufrecht erhalten 147. Die Transaktivierung von Genen führt über den gleichen Mechanismus ebenfalls zu einer Induktion von metabolischen Genen, was wiederum eher zu einer unerwünschten Wirkung führt, wie z.B. der Erhöhung des Blutzuckerspiegels und der freien Fettsäuren, einer katabolen Proteinwirkung, einer Freisetzung von Neurotransmittern und einer Stimulation des kardiovaskulären Systems 121;128.

Abbildung 1.4: Zellulärer Wirkungsmechanismus der Glucocorticoide

Dargestellt ist die Permeation des Glucocorticoides (GC) in das Zytoplasma und die Interaktion mit dem Glucocorticoidrezeptor (GR-Iα), welcher vorher einen Komplex mit Heat-Schock-Proteinen (HSP) bildet und zur Dissoziation dieses Komplexes führt. Der aktivierte Glucocorticoidrezeptor tritt dann in den Zellkern über und führt dort entweder durch Interaktion mit der DNA am Glucocorticoid-Response-Element (GRE) zur Transkription von Zielgenen. Eine weitere Wirkung des aktivierten GR ist die „Transrepression“, wobei es durch Hemmung von Transkriptionsfaktoren wie FOS und JUN und durch eine Interaktion mit dem Aktivator Protein 1 (AP1) zur Hemmung der Genexpression und auch zu einer Induktion der Apoptose kommen kann.

Die Transrepression bewirkt eine Hemmung der Genexpression und Proteinsynthese, wie z.B. von Interleukinen aus der Entzündungskaskade und führt damit zu einer immunsuppressiven Wirkung. Diese Wirkung scheint durch eine Interaktion der „Glucocorticoid-Rezeptor-Einheit“ mit den für die Interleukine spezifischen aktivierten Transkriptionsfaktoren (Nuclear factor-kappa B, Aktivator protein-1 oder auch Fos und Jun) stattzufinden, welche die Genexpression dieser inflammatorischen Proteine regeln 126;128. Es wird ebenfalls angenommen, dass es über diese Transrepression auch zur Induktion der Apoptose kommen kann, was bisher in Lymphozyten nachgewiesen werden konnte 148;149. Almeida et al. konnten sogar zwischen einer Apoptose-Induktion via Glucocorticoid-Rezeptor (GR-I) und eine neuroprotektiven Wirkung via Mineralcorticoid-Rezeptor (GR-II) differenzieren, dabei scheint die Wirkung vom Einfluss auf das Tumor-Supressor-Gen p53 abhängig zu sein, denn unter Glucocorticoidwirkung kam es zu einer Erhöhung und unter Mineralcorticoid-Einfluss zu einer Erniedrigung des p53 150. Es zeigt sich somit eine sehr vielfältige und komplexe Wirkung der Steroide, wobei die zerebrale Wirkung durch die regional unterschiedliche Verteilung der Steroidrezeptoren, durch die unterschiedlichen molekularen Mechanismen und verschiedenen genetischen Aktivitäten, durch die Beeinflussung des Zellmetabolismus und durch die Besonderheiten im Neugeborenenalter, von vielen unterschiedlichen Faktoren abhängig zu sein scheint.


© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.
DiML DTD Version 3.0Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML-Version erstellt am:
27.09.2004