Abdul-Khaliq, Hashim: Untersuchungen zur Entwicklung neuroprotektiver Strategien bei operativer Behandlung angeborener Herzfehler

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Kapitel 9. Diskussion

Die vorliegenden klinischen und tierexperimentellen Arbeiten lassen keinen Zweifel an einer physiologischen und morphologischen Störung auf zerebraler Ebene im Zusammenhang mit den angeborenen Herzfehlern und deren chirurgischer Behandlung mit Hilfe der extrakorporalen Zirkulation und dem tiefhypothermen Kreislaufstillstand. Die meisten dieser Kinder erreichen nach erfolgreichen Korrekturoperationen komplexer Vitien zunehmend das Erwachsenenalter und werden mit sozialen und beruflichen Herausforderungen konfrontiert . Viele Follow-up-Studien zeigen eine Störung in der psychomotorischen und kognitiven Leistung im Schulalter . Die spätere soziale und gesellschaftliche Integration bei einem Teil der Kinder ist damit gestört.

Es stellt sich daher eine Notwendigkeit, primär nach den Pathomechanismen zu suchen, die zu diesen Störungen führen, und infolgedessen nach einer Optimierung aller Maßnahmen, die potenziell für das Gehirn und die spätere kognitive und psychomotorische Entwicklung während der chirurgischen Behandlung ein Risiko darstellen. Diese Arbeit setzte sich das Ziel, die Pathomechanismen der Hirnschädigung klinisch, mit Hilfe nicht-invasiver Monitoringsverfahren des Zentralnervensystems und tierexperimentell anhand einer umfassenden morphologischen Bearbeitung des Gehirns, zu untersuchen und entsprechend neuroprotektive Strategien zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurde ein Tiermodell einer extrakorporalen Zirkulation am neugeborenen Schwein entwickelt, um diese Fragestellungen zu bearbeiten.

Der tiefhypotherme Kreislaufstillstand wird sicherlich überwiegend nur bei den Korrekturoperationen komplexer Vitien im neonatalen Alter eingesetzt, stellt aber das höchste Risiko für die Entwicklung neurologischer Affektionen während und nach dieser Prozedur dar. Wir haben diese verlängerte Phase des Kreislaufstillstandes ausgewählt, um signifikante morphologische Veränderungen unter diesen Bedingungen der nicht-pulsatilen hypothermen Perfusion sichtbar zu machen und den Effekt neuroprotektiver Interventionen quantitativ zu evaluieren.

9.1 Erfassung der Hirnschädigung im Zusammenhang mit angeborenen Herzfehlern

Die häufigsten sonographisch feststellbaren Läsionen nach tief hypothermer Perfusion mit der EKZ wurden bei Neugeborenen nach Korrekturoperation der d-Transposition der großen Arterien in Form intraventrikulärer Blutungen gefunden. Das Auftreten solcher Läsionen bei Reifneugeborenen, die eher für Frühgeborene typisch sind, ist möglicherweise durch hypoxisch-


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ischämische Ereignisse im vulnerablen Gefäßbett des Plexus chorochideus während hypothermer Perfusion zu erklären. Ähnliche abnorme sonographische Befunde wie intraventrikuläre Blutungen oder Erweiterung der Liquorräume wurden bei Neugeborenen nach herzchirurgischen Eingriffen oder kardiorespiratorischer Unterstützung mit ECMO beobachtet . Die häufige Lokalität der Blutung im Plexus choroideus mit einem großen Netz von kleinen Kapillaren könnte die Vulnerabilität dieses Gefäßbetts auch bei Reifneugeborenen für hypotherme nicht-pulsatile Perfusion der EKZ erklären . Viele tierexperimentelle Arbeiten zeigten die funktionelle und strukturelle Empfindlichkeit dieser zerebrovaskulären Region für hypoxische und hypotensive Phasen .

Parenchymatöse Blutungen wurden klinisch bei Neugeborenen mit prä- und postnatal verkannten zyanotischen Vitien beobachtet . Das pränatale Verkennen solcher Malformationen des Herzens, die sich auch häufig erst nach Tagen klinisch durch Zyanose oder Schockzustände manifestieren, zeigt weiterhin eine mangelhafte Kapazität in der pränatalen Diagnostik angeborener Vitien. Eine prospektive kontrollierte Studie der Yale Universität in New Haven zeigt signifikant weniger hypoxisch-azidotische Zustände bei Neugeborenen mit bereits pränatal diagnozierten angeborenen Vitien . Das Auftreten solcher fatalen zerebralen Komplikationen unterstreicht damit die Notwendigkeit eines pränatalen Screenings insbesondere ductusabhängiger Vitien, um die Protektion des Gehirns gegen solche hypoxischen Ereignisse frühzeitig zu sichern.

Unsere Follow-up-Untersuchung der kognitiven und psychmotorischen Leistungen in einer homogenen Gruppe von Schulkindern nach Korrekturoperationen einer Fallot'schen Tetralogie zeigte nur in bestimmten Leistungen einen signifikanten Unterschied im Vergleich mit einer Kontrollgruppe aus gleichaltrigen Kindern nach interventionellem Verschluss eines Vorhofseptumdefektes. Bei den Fallot-Kindern waren perioperativ keine klinisch erfassbaren neurologischen Komplikationen aufgetreten. Obwohl die kognitiven und psychomotorischen Leistungen bei den Fallot-Kindern sich noch im Normbereich für Schulkinder aus unterschiedlichen sozialen Schichten befanden, zeigten sie signifikant niedrigere Werte in den Domänen der Wahrnehmung und Handlungsfähigkeiten im Vergleich mit der Kontrollgruppe (Abb. 2.4.2). Weder der Gesamt-IQ noch die anderen Leistungen in den Untertests korrelierten signifikant mit der Zahl der Operationen, Dauer der EKZ oder dem Alter bei der Operationen. Insgesamt zeigte sich somit eher ein günstiges Ergebnis der kognitiven Entwicklung bei diesen Kindern. Nach den vorliegenden Ergebnissen sind signifikante neurologische Schädigungen bei unkomplizierten hämodynamischen Verläufen bei den eingesetzten Perfusionmethoden mit begrenztem Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie nicht zu erwarten. In tierexperimentellen Arbeiten waren sowohl neurophysiologisch


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als auch morphologisch keine signifikanten Veränderungen unter ähnlichen EKZ Bedingungen feststellbar. Tom Karl et. al. aus Melbourne berichtete auf der Tagung der amerikanischen Gesellschaft für Thoraxchirurgie 2001 über ähnliche Ergebnisse einer milden Störung der psychomotorischen und kognitiven Entwicklung bei einer homogenen Gruppe von Kindern nach Switch-Operationen, die mit höherer Flussrate der EKZ ohne Kreislaufstillstand operiert wurden . Obwohl möglicherweise latente zerebrale Schädigungen bei dem Anschluss an der EKZ stattfinden, bleibt die genaue Ursache gewisser Defizite in den kognitiven und psychomotorischen Leistungen ungeklärt. Diese Tatsache legt den Verdacht nah, dass andere Faktoren zu den verminderten kognitiven und psychomotorischen Leistungen nach der Korrekturoperation im Langzeitverlauf beitragen . Viele Autoren haben zusätzliche angeborene Läsionen oder Malformationen im Zentralnervensystem spekuliert . Eine retrospektive Analyse des Gehirns verstorbener Kinder mit angeborenen Herzfehlern mit und ohne Operationen hat sich daher diese Fragestellung gewidmet.

Die neuropathologische Analyse des Gehirns von verstorbenen Neugeborenen und Kindern mit angeborenen Herzfehlern nach Korrekturoperationen mit Hilfe der EKZ zeigte das Vorkommen von sichtbaren erworbenen Läsionen, wie subarachnoidale und intraventrikuläre Blutungen vor allem bei den Neugeborenen mit d-TGA nach Switch-Operationen. Diese Befunde stimmen mit den klinisch-sonographischen Befunden überein, bei denen die intraventrikulären Blutungen als die häufigsten sichtbaren intrazerebralen Komplikationen bei Neugeborenen zu beobachten sind . Die in den Autopsien gefundenen subarachnoidalen Blutungen waren kaum klinisch oder sonographisch feststellbar. Diese perioperativ erworbenen Läsionen sind nicht aufgrund ihrer Lage mit Hilfe des routinemäßig durchgeführten Schädelultraschalls erfassbar. Dagegen waren solche peripher gelegenen Läsionen mit dem dreidimensionalen Ultraschall zu diagnostizieren . Die Methode ist jedoch zur seriellen Kontrolle auf der Intensivstation praktisch nicht einsetzbar.


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Abbildung 9.1.1: 2 Modus der neuronalen Zellschädigung in Autopsien von Kindern nach Herzoperationen mit der extrakorporalen Zirkulation. A. Hypoxisch geschädigte Neurone im Thalamus HE x10, B. Subikuläre Apoptose und perineuronales Ödem HE 20x, C. Apoptose im Subiculum TUNEL x10,

Mikroskopisch wurde neben der Zellschädigung durch Nekrose das Vorkommen von neuronalen Apoptosen oder TUNEL-positiven Neuronen in den Hippocampusregionen beobachtet . Diese Befunde bestätigen die Rolle der Apoptose beim neuronalen Zellverlust nach komplizierten herzchirurgischen Eingriffen bei Kindern mit angeborenen Herzfehlern . Die auslösende Ursache für die Apoptose im Zentralnervensystem bei diesen Kindern ist unklar. Sowohl intraoperative als auch postoperative Faktoren können eine Rolle spielen . Multiple kardiale und sedierende Medikamente werden für längere Zeit bei diesen kritisch kranken Neugeborenen während der postoperativen Phase eingesetzt. Die Wirkung und Wechselwirkung im Zentralnervensystem während und nach solchen nicht-physiologischen Zuständen ist unklar. Neue Ergebnisse in tierexperimentellen Arbeiten zeigen eine neuronale Apoptoseinduktion im Gehirn bei Neugeborenen nach Gabe von Ketamin, Phenobarbital unter physiologischen Zuständen .


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Unsere Ergebnisse im tierexperimentellen Teil bestätigten die Rolle einiger Medikamente bei der Induktion von Apoptose im Hippocampusbereich (siehe 8.1, 8.2 ).

Zusätzlich zu diesen erworbenen Läsionen, die wahrscheinlich im Rahmen hämodynamischer Komplikationen während oder nach der Operation auftreten , wurden auch andere kongenital assoziierte Läsionen im Zentralnervensystem festgestellt . In vielen Follow-up-Studien zur Untersuchung der psychomotorischen und kognitiven Leistung dieser Kinder wurden, neben der Rolle der chirurgischen Maßnahmen mit Hilfe der EKZ, kongenitale Läsionen bzw. Malformationen im Zentralnervensystem als mitverantwortliche Faktoren für die verminderte Entwicklung bei diesen Kindern vermutet . Diese Vermutung einer assoziierten angeborenen Malformation im Zentralnervensystem wurde teilweise in Autopsieberichten in der Literatur bestätigt . Die Tatsache, dass die Hirngewichte verstorbener Neugeborener mit hypoplastischem Linksherzsyndrom und d-Transposition der großen Arterien signifikant kleiner sind als die Gleichaltriger, unabhängig von dem Anschluss an der EKZ, weist auf eine bereits intrauterin ausgebildete assoziierte Malformation des Gehirns hin . Einer der häufigsten zerebralen Befunde bei Kindern mit zyanotischen Vitien ist das gehäufte Vorkommen von Hydrocephalus evacuo, welcher unabhängig von peri- oder postoperativen ischämischen Ereignissen bei Kindern mit zyanotischen Vitien zu beobachten ist . In einer prospektiven Untersuchung der neurologischen Entwicklung im ersten Lebensjahr konnten wir einen signifikant kleineren Kopfumfang unterhalb der 3er Perzentile bei Kindern mit komplexen Vitien nach den ersten palliativen Maßnahmen unabhängig vom Anschluss an die EKZ feststellen . Miller G et al 1999 spekulierte, dass eine fortschreitende Microcephalie und das verzögerte Wachstum des Gehirns für die abnorme neurologische und psychomotorische Entwicklung verantwortlich sind .

Daher wurde die Erfassung des Kopfumfangs in der kardiologischen Kontrolluntersuchung eingeschlossen. Eine prospektive Untersuchung zur Erfassung des Kopfumfangs bei allen Neugeborenen und Kindern vor und nach Herzoperationen wurde in unserer Klinik eingeleitet. Zusätzlich sollte in einer Follow-up Untersuchung die neurologische und psychomotorische Signifikanz dieser Beobachtung evaluiert werden.


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9.2 Überwachung der zerebralen Perfusion während und nach der Korrekturoperationen angeborener Herzfehler

Wir konnten anhand der Registrierung der zerebralen Oxygenation und Perfusion zeigen, dass eine signifikante Veränderung dieser Parameter während und nach der Operation stattfindet. Obwohl diese Überwachungsmethoden eine Aussage über das Verhalten der Perfusion und den Sauerstoffmetabolismus nur in einem begrenzten Hirnareal liefern, zeigen die vorliegenden klinischen und experimentellen Ergebnisse eine gute Validität dieser Methoden zur Überwachung von Alterationen in der globalen zerebralen Perfusion und Oxygenation während der EKZ . Die Überwachung der intravaskulären Oxygenationsparameter liefert möglicherweise eher Informationen zur zerebralen Hämodynamik als über signifikante Veränderungen im Sauerstoffmetabolismus auf zellulärer Ebene .

Während der nicht-pulsatilen EKZ kann nur die mittlere Flussgeschwindigkeit zur qualitativen Beurteilung von Veränderungen in der zerebralen Perfusion herangezogen werden. Der Pulsatilitäsindex ist nur vor und nach der EKZ zur Beurteilung des Verhältnisses der systolischen zu der diastolischen Geschwindigkeit geeignet. Die transkranielle Dopplersonographie ist eine einfache nicht-invasive Methode zur kontinuierlichen Registrierung des zerebralen Flussmusters während abnormer Schwankungen der physiologischen Parameter während der EKZ wie Druck, pH und Temperatur. Sowohl klinisch als auch tierexperimentell konnte die kontinuierliche Registrierung des zerebralen Flussmusters Informationen über das Verhalten der zerebralen Perfusion während der Kühlung und Erwärmung an der EKZ aufzeigen . Der kontinuierliche Abfall der zerebralen Flussgeschwindigkeit in der Arteria cerebri media während hypothermer Perfusion, trotz unveränderter Flussrate der EKZ, weist auf signifikante Unterdrückung des Gewebemetabolismus unter hypothermen Temperaturen hin . Dieses Phänomen konnte tierexperimentell mittels Evaluierung der regionalen Gewebeperfusion mit Mikrosphären bestätigt werden. Es zeigte sich auch eine Korrelation zwischen der Messung der zerebralen Flussgeschwindigkeiten in der Arteria cerebri media und der globalen Hirnperfusion. Die direkte Registrierung des zerebralen Flussmusters erwies sich auch als sehr hilfreich bei der Überwachung der zerebralen Perfusion während kritischer Phasen der EKZ, wie die aortale Kannülierung und die genauere Platzierung der Aortenkanüle vor den Halsgefäßen ohne Beeinträchtigung der zerebralen Perfusion. Eine enge Korrelation zwischen der systemischen Kühlung und dem graduellen Abfall der mittleren Flussgeschwindigkeit in der Arteria cerebri media wurde sowohl klinisch als auch tierexperimentell festgestellt. Die kontinuierliche Überwachung des


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zerebralen Flussmusters spiegelt somit indirekt die zerebrale zelluläre- und/oder vaskuläre Reaktion auf Hypothermie wieder.

Unmittelbar nach dem Ende der EKZ und dem Etablieren einer suffizienten kardial-bedingten zerebralen Perfusion war der Pulsatilitäsindex bei den Neugeborenen nach hypothermer Perfusion noch erhöht. Eine funktionelle Störung der Vasoaktivität in verschiedenen Organen und möglicherweise auf zerebraler Ebene wird nach EKZ vermutet . Morphologische Untersuchungen des Gehirns zeigen diffuse Veränderungen in allen Regionen in Form von Schwellung der Astrozyten im perivaskulären Bereich . Dieses morphologische Muster wurde auch in unseren experimentellen Untersuchungen, unabhängig von der Ischämiezeit, gefunden . Ausgeprägte Veränderungen in Form eines retrograden diastolischen Flussmusters wurden nur in einzelnen Fällen bei Kindern nach hypothermem Kreislaufstillstand beobachtet. Erstaunlicherweise wurde dieses Phänomen bei den neonatalen Schweinen sogar nach verlängertem Kreislaufstillstand von zwei Stunden nicht beobachtet. Nach unserem Protokoll wurden die Tiere vor dem Beginn der Erwärmung initial für 10 Minuten mit kaltem Perfusat in niedrigeren Flussraten re-perfundiert. Klinische Beobachtungen haben bereits ein antegrades diastolisches Flussmuster festgestellt, wenn die Reperfusion nach dem Kreislaufstillstand mit hypothermer Perfusion startet .

Auch nach Ende der Operation wurden die zerebralen Flussgeschwindigkeiten in den basalen zerebralen Gefäßen untersucht . Die wesentlichen Veränderungen im postoperativem Flussmuster fanden sich während der ersten 24 Stunden nach EKZ-Ende. Die zerebralen Flussgeschwindigkeiten waren im Vergleich mit den präoperativen Werten während der ersten acht Stunden signifikant erniedrigt . In dieser Phase zeigte sich eine Abhängigkeit der Veränderung in den zerebralen Flussgeschwindigkeiten vom Alter, Gewicht, Bypasszeit und der minimalen Temperatur während der EKZ. Inwieweit diese Veränderung im postoperativen zerebralen Flussmuster von signifikant neurologischer Bedeutung ist, bleibt unklar. Bei einer Gruppe von Neugeborenen mit sonographisch feststellbaren intraventrikulären Blutungen waren die begleitenden enddiastolischen Geschwindigkeiten in dieser Phase signifikant höher als bei Kindern ohne Blutung . Diese Veränderung bei den Neugeborenen mit intraventrikulären Hämorrhagien könnte als ein vasodilatatives Reaktionsmuster auf ein ischämisches Ereignis interpretiert werden. Ähnliche Beobachtungen wurden bei Dopplerstudien bei Neugeborenen nach perinataler Asphyxie beobachtet .


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9.3 Überwachung der zerebralen Oxygenation während und nach Korrekturoperationen angeborener Herzfehler

9.3.1 Veränderung der regionalen Hämoglobinsättigung (rSO2) während der Operation

Die Alterationen der zerebralen Sauerstoffoxygenierung könnte eine auslösende Ursache für unterschiedliche Formen der zerebralen Zellschädigung während und nach der EKZ sein . Das Absinken der regionalen zerebralen Hämoglobinsättigung, die in engem Zusammenhang mit der venösen Blutsättigung im Bulbus jugularis steht, könnte möglicherweise auf eine Alteration der globalen zerebralen Sauerstoffsättigung während der Reperfusionsphase und am Ende der EKZ hinweisen .

Während der extrakorporalen Zirkulation könnten multiple physiologische Faktoren zu den Veränderungen in der regionalen zerebralen Hämoglobinsättigung wie Temperatur, Hämodilution und Perfusionsdruck beitragen (Abb. 5.1) . Unmittelbar nach Anschluss an die Herzlungenmaschine ist die Angleichung der zerebralen Sättigungswerte in allen Gruppen durch die Versorgung des Gehirns mit vollgesättigtem Blut zu erklären. Der nachfolgende unterschiedliche Abfall der regionalen zerebralen Hämoglobinsättigung trotz konstanter Flussraten deutet jedoch auf einen anhaltenden Sauerstoffverbrauch und ein Missverhältnis zwischen Angebot und Bedarf des Hirngewebes auch in moderater und tiefer Hypothermie hin. Andere Faktoren wie der präoperative Ausgangwert der arteriellen Blutsättigung der Hämatokritwert, der Perfusionsdruck und der Säure-Basen-Haushalt können in unterschiedlichem Maße zu den Veränderungen der regionalen zerebralen Hämoglobinsättigung beitragen .

Weiterhin kam es zu unterschiedlichen Veränderungen der regionalen zerebralen Hämoglobinsättigung während der Erwärmung und nach Ende der extrakorporalen Zirkulation. Ein vermehrter Sauerstoffverbrauch wurde nach hypothermer Perfusion bei herzchirurgischen Eingriffen in klinischen und tierexperimentellen Studien beobachtet . Zusätzlich zur erhöhten Ausschöpfung im Gehirn ist das Sauerstoffangebot durch einen gestörten kardialen Auswurf in dieser Phase vermindert. Alterationen der zerebralen Oxygenation und Perfusion könnten somit für die neuronale Zellschädigung in dieser Phase teilweise verantwortlich sein . Nollert et al. fanden eine signifikante Verminderung der neuronalen Schädigung durch eine hyperoxygenierte Reperfusion im Gegensatz zur normal oxygenierten Reperfusion nach tief hypothermem Kreislaufstillstand in einem tierexperimentellen Schweinemodell .

Die Limitierung der neurologischen Aussage solcher intra- und unmittelbar postoperativen Beobachtungen in der Kinderherzchirurgie besteht darin, daß neurologische


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Langzeituntersuchungen unter Einbeziehung dieser neurophysiologischen Monitoring-Methoden fehlen .

9.3.2 Veränderung der regionalen Hämoglobinsättigung (rSO2) während der postoperativen Phase

Die kontinuierliche transkranielle Messung der regionalen Hämoglobinsättigung (rSO2) spiegelt die Veränderung in der gemischt-venösen intrakraniellen Blutsättigung wider (Abb. 9.3.1) . Die signifikant erniedrigten rSO2-Werte in der frühen postoperativen Phase könnten auf eine erhöhte zelluläre Utilisation von Sauerstoff durch die Hirnzellen und/oder ein vermindertes Angebot an Sauerstoff durch niedriges Herzzeitvolumen hinweisen . Diese Veränderungen waren bei Neugeborenen mit einer insgesamt instabileren Hämodynamik und längeren Operationszeiten bei komplexeren Vitien noch ausgeprägter (Abb. 9.3.1) .

Abbildung 9.3.1: . Bettnahes nicht-invasives Neuromoni-toring der zerebralen Oxygenation mit Hilfe der nahinfrarot Spektroskopie und perfusion mit Hilfe der transkraniellen Dopplersonographie, bei einem Kind nach einer Herzoperation auf der Intensivstation

Die signifikante positive Korrelation zwischen der niedrigeren frühpostoperativen rSO2 und der zentralvenösen Sättigung weist auf eine hämodynamisch bedingte Erklärung dieser Beobachtung hin . Eine Optimierung und Anpassung der Ventilation und der Hämodynamik sowie Optimierung des Sauerstoffangebots und Herzzeitvolumens während dieser vulnerablen Phase ist daher notwendig, um eine optimale zerebrale Oxygenation zu erreichen. Die Veränderung in der rSO2 in diesem Bereich scheint eher hämodynamisch bedingt und möglicherweise nicht notwendigerweise mit einer signifikanten Alteration der Verfügbarkeit von Sauerstoff auf intrazellulärer Ebene assoziiert zu sein . Signifikante Veränderung des pO2, des mittleren arteriellen Druckes oder des Hämoglobingehaltes im Blut waren während der Erhebung der zerebralen Hämoglobinsättigung auf der Intensivstation nicht aufgetreten. Daher bietet die kontinuierliche Registrierung der rSO2 mit dem INVOS-Zerebraloxymeter mehr eine Überwachung


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von Veränderungen der regionalen intravaskulären Hämoglobinsättigung und weniger eine direkte Erfassung von Veränderungen des Sauerstoffmetabolismus auf zellulärer Ebene.

9.3.3 Veränderung der intrazellulären Oxygenation

Sowohl klinisch als auch tierexperimentell zeigten sich große Schwankungen des oxygenierten und deoxygenierten Hämoglobins als Ausdruck von Veränderungen in Perfusionsdruck, Flussraten, Sauerstoffgehalt oder Temperatur . Ein signifikanter Abfall des Cyt.Ox aa3-Signals war nur bei Stillstand der Zirkulation oder während einer signifikanten Hämodilution oder bei Druckabfall zu beobachten . Die Abnahme des Cyt.Ox.aa3, als Indikator für Veränderungen im Sauerstoffmetabolismus auf intrazellulärer bzw. mitochondrialer Ebene tritt möglicherweise nur auf, wenn der Sauerstofftransport aus den Kapillaren ins Gewebe signifikant deprimiert ist . Daher eignet sich die kontinuierliche Registrierung des Cyt.Ox aa3Signals besonders für die Überwachung der intrazellulären Oxygenation während extremer Phasen der EKZ wie Hämodilution, tiefer Kühlung oder des Kreislaufstillstands in tiefer Hypothermie . In tierexperimentellen Studien korrelierte der Abfall des Cyt.Ox aa3 während des tief hypothermen Kreislaufstillstandes mit der Reduktion des intrazellulären Energieträgers ATP und ermöglichte die Vorhersage über das Ausmaß der neuronalen Zellschädigung . Inwieweit die Veränderungen im Cyt.Ox aa3 während der EKZ ohne Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie eine diagnostische oder prognostische Bedeutung haben, ist bis jetzt unklar.

Die trankranielle Quantifizierung des Oxydations- und Redoxzustandes der Cyt.Ox aa3 ist auch mit Limitationen behaftet . Die genaue Eindringstiefe des Lichtes im Hirnparanchym mit dieser Wellenlänge ist nicht gänzlich bekannt . Extrazerebrale Faktoren wie Liquor, die Gyrierung der kortikalen Schicht und ein mögliches Ödem nach der EKZ könnten die Penetration, die Streuung und das Absorbieren des Lichtes im Gewebe beeinflussen . Auf der anderen Seite wurde die Zuverlässigkeit der NIRS-Messung zur Erfassung des Zustandes der mitochondrialen Oxygenation durch selektive Blockierung der Cytochromoxydase mit Zyanid unter Beibehaltung der intravaskulärten Hämoglobinsättigung in experimentellen Arbeiten bestätigt . Der Zusammenhang zwischen dem Abfall des intrazellulären NIRS-Signal Cyt.Ox aa3 und der Reduktion der Energieträger ATP während der zerebralen Ischämie wurde in mehreren tierexperimentellen Untersuchungen demonstriert .


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9.4 Wertigkeit der Bestimmung zerebraler Marker im Serum zur Diagnose von Hirnaffektionen nach herzchirurgischen Eingriffen

9.4.1 Normale und pathologische Serumwerte des Proteins S-100B bei Kindern nach herzchirurgischen Eingriffen:

Die Bestimmung der Serumwerte des astroglialen Proteins S-100B vor und nach der EKZ zeigte einen signifikanten abrupten Anstieg, welcher im Zusammenhang mit dem unmittelbaren Anschluss an die EKZ steht . Die postoperativen maximalen Werte waren von Alter, Gewicht und Dauer der EKZ abhängig . Neurologische Affektionen waren nach herzchirurgischen Eingriffen mit abnorm hohen Serumwerten im Serum assoziiert . Daher war es wichtig, erstmals anhand einer großer Zahl von Kindern ´´normale´´ und abnormale Serumwerte nach Korrekturoperationen definierter Gruppen angeborener Herzfehler zu beschreiben .

Die Funktion einer erhöhten Synthese und /oder Freisetzung des Ca++ -bindenden Proteins S-100B aus den Astrozyten unter dem Einfluss der extrakorporalen Zirkulation ist unklar. Die Ca++- Hömöostase spielt nach einer Ischämie und Reperfusion eine wesentliche Rolle bei dem neuronalen Zelltod . Protektive und trophische Funktionen wurden der erhöhten Expression des Ca++-bindenden Proteins S-100B nach neuronaler Schädigung zugeschrieben . Daher ist eine protektive oder trophische Rolle des S-100B in Zusammenhang mit hypothermer Perfusion der EKZ nicht auszuschließen . Tierexperimentell wurde immunhistochemisch eine diffuse Ausbreitung des S-100B-Färbung im gesamten Hirnareal nach EKZ und tief hypothermem Kreislaufstillstand beobachtet . Insbesondere wurde die Immunfärbung des S-100B in perivaskulären ödematösen Prozessen der Astrozyten vermehrt gefunden .

Die Astrozyten grenzen mit ihren Fortsätzen unmittelbar an die Endothelzellen der Kapillaren (Abb. 9.2). Bei Hypoxie werden diese Fortsätze beschädigt. Der gleichzeitige Anstieg des Lipidperoxidationsendproduktes MDA und des Astroglialzell-markers in der Reperfusionsphase während der EKZ weist möglicherweise auf eine O2-Radikalinduzierte Zellmembranschädigung in diesen Fortsätzen auf zerebraler Ebene hin . Da das Protein S-100B ein astrozytäres und nicht-neuronales Zellprotein ist, erscheint eine früh-postoperative Aussage über das Ausmaß einer neuronalen Schädigung anhand des transienten Anstiegs des astroglialen Proteins S-100B im Serum nicht sicher möglich . Eine frühe morphologische Manifestation einer Ischämie-Reperfusion-Zellschädigung ließ sich in den Astrozyten und nicht in den Neuronen feststellen . Eine primäre Schädigung der Astrogliazellen, die ca. 50-60% der Hirnmasse ausmachen und eine vitale Rolle im


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Transmittermetabolismus und im nutritiven Transport des Zentralnervensystems spielen, scheint jedoch für eine spätere sekundäre Schädigung der Neuronen von Bedeutung zu sein (Abb. 9.4.1) .

Abbildung 9.4.1: Die Abbildung zeigt die topographische Beziehung zwischen Kapillaren, Astrozyten und Neuronen. Dies unterstreicht die enge funktionelle Beziehung zwischen diesen Hirnzellstrukturen

Das Protein S-100B kommt global in allen Hirnarealen in den Astrogliazellen vor und ist nicht auf eine regionale Zellpopulation begrenzt. Dies unterstreicht den diagnostischen Wert eines signifikanten Anstieges des astrozytären Proteins S-100B als Frühmarker für globale Ischämie in den Astrogliazellen und als prognostischen Marker für mögliche sekundäre Zellschädigungen der Neuronen. Ein persistierender abnormer Anstieg des S-100B im Serum für weitere 24 Stunden nach der EKZ ist möglicherweise auch hinweisend auf eine neuronale Zellschädigung und somit von frühdiagnostischer Bedeutung . Dies wurde bei Kindern mit manifesten neurologischen Abnormalitäten, wie postoperativen generalisierten Krämpfen, oder nachweisbaren Hirnparanchymläsionen beobachtet .

Die neurologische Signifikanz des passageren Anstieges um zwei Standardabweichungen des Ausgangswertes ist unklar. Viele Follow-up-Untersuchungen bei Erwachsenen nach herzchirurgischen Eingriffen zeigten einen prädiktiven Wert des S-100B im Serum hinsichtlich abnormer psychologischer Befunde . Im Gegensatz zeigten Nachuntersuchungen der psychomotorischen und neurologischen Entwicklung bei Kindern ohne feststellbare postoperative zerebrale Affektionen keine signifikanten Korrelationen zwischen dem erhöhten postoperativen Wert und der psychomotorischen Entwicklung im Alter von 1-2 Jahren . Möglicherweise ist die Erhöhung dieser Serumwerte in diesem Bereich ein Ausdruck latenter struktureller Schädigungen der Astrogliazellen und weniger der Neuronen , die nicht notwendigerweise mit den eingesetzten Untersuchungsmethoden der psychomotorischen Entwicklung zu erfassen sind . Ähnliche Studien bei Neugeborenen mit einer perinatalen Asphyxie bestätigten die Annahme, dass nur abnorme Werte des S-100B einen signifikanten prädiktiven Wert haben, um auf spätere Defizite in der psychomotorischen Entwicklung der Kinder hinzuweisen .


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9.4.2 Protein S-100B als Marker der Schädigung der Blut-Hirnschranke:

Wir konnten klinisch zeigen, dass abnorm erhöhte Serumkonzentrationen eine definitive zerebrale Affektion wie Blutung und Krämpfe und damit eine signifikante Schädigung des Zentralnervensystems anzeigen . Ähnliche Beobachtungen wurden bei der perinatalen Asphyxie unterschiedlicher Schweregrade gemacht, wobei nur abnorm erhöhte Werte eine schwere bis moderate Asphyxie mit einem hohen prädiktiven Wert anzeigen konnten . Tierexperimentell waren bei den Tieren mit hohen S-100B Spiegeln kardiorespiratorische Komplikationen augetreten, die mit einer signifikanten Störung der systemischen Perfusion und Oxygenation vor und nach Beginn der EKZ einhergingen, und mit Komplikationen im klinischen Alltag vergleichbar sind. Bei diesen Tieren wurde frühzeitig unmittelbar nach dem Ereignis ein abnormer Anstieg des S-100B im Serum gemessen. Makroskopisch wurde semiquantitativ durch Gabe als Marker verwendeten Vitalfarbstoffes eine Öffnung der Blut-Hirnschranke festgestellt. Eine diffuse Öffnung der Blut-Hirnschranke, wie es anhand der großflächigen Extravasation des Farbstoffes Evans-Blue im Cortexbereich nachzuweisen war, verbirgt in sich ein fatales Risiko für das Hirngewebe bei längerer Reperfusion. Viele toxische Substanzen, Sauerstoffradikale und andere Metaboliten können unkontrolliert durch die nicht-intakte Schranke ins Hirngewebe passieren und die Neuronen schädigen . Die meisten dieser Tiere waren zusätzlich kardial so beeinträchtigt, dass sie nicht von der EKZ zu entwöhnen waren. Der abnorme Anstieg des S-100B ist möglicherweise auch ein Ausdruck globaler Ischämie, die mit einer signifikanten Schädigung anderer Organe wie das Herz assoziiert ist, und hat damit einen zusätzlichen prädiktiven Wert im Hinblick auf die Gesamtprognose des Patienten . In der klinischen Studie starben 11 von 15 Kindern mit abnormen Werten nach herzchirurgischen Eingriffen im postoperativen Verlauf . S-100Ü ist unter anderen im Herzmuskulator vorhanden . Eine Kreuzreaktion durch den LIA-Test für S-100B ist unwahrscheinlich. Eine mögliche Konamination der Serumwerte des S-100B durch Freisetzung aus anderem Gewebe wie Fettzellen ist möglich. Die Konzentration des S-100B in diesen Zellen ist jedoch im Vergleich mit der S-100B Konzentration in den Astrozyten eher gering . Der massiveAnstieg der Konzentration des S-100B im Liquor spricht für eine signifikante zerebrale Beteiligung.

9.4.3 Protein S-100B als Parameter der Neuroprotektion

In einigen prospektiven klinischen Studien wurde das Protein S-100B seriell im Serum bestimmt, um den Einfluss pharmakologischer oder intraoperativer Maßnahmen auf die Serumkonzentrationen zu untersuchen . In diesen Studien wurde der Einfluss der kontinuierlichen Behandlung mit


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Nitruprussid Natrium und der Einsatz der modifizierten Ultrafiltration auf die Serumwerte des astroglialen S-100B Proteins untersucht. Wie in allen Untersuchungen stieg die Serumkonzentration des S-100B unmittelbar nach der EKZ in beiden Gruppen signifikant an . Bei den behandelten Kindern und Neugeborenen wurden signifikant niedrigere Serumkonzentrationen nicht unmittelbar, sondern 24 Stunden nach Ende der EKZ festgestellt. Da die Halbwertzeit des S-100B im Serum weniger als zwei Stunden beträgt, sollten die Serumwerte 24 Stunden nach der Operation normalisiert sein . Im Vergleich zu den Kindern mit Niprussidbehandlung blieben die Serumwerte des S-100B in den nicht-behandelten Kindern signifikant höher als die präoperativen Werte . Im Hinblick auf eine mögliche Kontamination der initial erhöhten Werte im Serum aus extrazerebralen Quellen scheint der verspätete Anstieg eine bessere Aussage über eine mögliche Weiterfreisetzung aus dem Gehirn zu liefern.

Aufgrund des potenten vasodilatativen Effektes des NO-Spenders Natrium Nitroprussids (Nipruss) wurde ein protektiver Effekt in verschiedenen Modellen der Ischämie und Reperfusion in vitro und in vivo festgestellt Gemäß vielen Ergebnissen in vitro wurde ein direkter antioxidativer Effekt von Nipruss in den Astrozyten . und in den Endothelzellen gefunden. Wenn man annimmt, dass das gemessene S-100B im Serum aus geschädigten Astrozyten stammt, könnte die spätere Reduktion und schnellere Normalisierung der Serumwerte durch Nipruss als ein protektiver Effekt im Bereich der Blut-Hirnschranke gedeutet werden

Inwieweit diese Beobachtung einen signifikanten protektiven Wert im Zentralnervensystem darstellt, ist jedoch aufgrund fehlender anderer neurophysiologischer und Follow-up-Daten bei diesen Kindern eher limitiert. Viele experimentelle Ergebnisse in Tiermodellen lassen trotzdem auf einen gewissen vorteilhaften Effekt durch die kontinuierliche intra- und postoperative Behandlung mit Nipruss in niedriger Dosierung schließen.

Seit der Einführung der modifizierten Ultrafiltration (MUF) in der Kinderherzchirurgie werden die klinischen Vorteile durch Entzug von Wasser und inflammatorischen Mediatoren im Gewebe nach der EKZ kontrovers diskutiert Ein protektiver Effekt durch Entzug von akkumuliertem Wasser auf zerebraler Ebene ist unklar . Auch in diesem Zusammenhang wurde die Bestimmung des Astrozytären Ca++bindenden Protein S-100B als ein Marker eines möglichen Effektes eingesetzt. Hier zeigte sich, ähnlich wie nach der Behandlung mit Nipruss, bei den Kindern mit MUF eine signifikante spätere und nicht eine unmittelbare Abnahme der Serumkonzentrationen des S-100B nach EKZ. Aufgrund einer möglichen Kontamination der maximalen Werte des S-100B unmittelbar nach EKZ und der kurzen Halbwertzeit durch renale Elimination würde eine


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persistierende Freisetzung und Serumerhöhung das Ausmass der Schädigung bzw. einer protektiven Antwort nach Intervention wie in diesem Zusammenhang wiederspiegeln . Die Verbesserung in der gesamthämodynamischen Situation durch den Entzug von akkumuliertem Wasser im Gewebe nach MUF wurde möglicherweise auch in einer Verbesserung der zerebralen Perfusion und Oxygention resultieren . Morphologische Veränderungen im Gehirn manifestierten sich initial nach hypothermer EKZ in den Astrogliazellen in Form von Schwellung der perivaskulären Astrozytenfüßchen, was möglicherweise ein Ausschwemmen vom löslichen Protein S-100B bewirken könnte . Die zusätzliche Rolle der Inflammation bei der endothelialen Schädigung nach normothermer und moderat-hypothermer EKZ wird vermutet . Auch ein Zusammenhang zwischen dem Anstieg der Cytokine IL-8, IL 6 und des S-100B wurde bei pädiatrischen Patienten nach EKZ gefunden . Durch die MUF sollen viele inflammatorische Mediatoren aus dem Kreislauf am Ende der EKZ eliminiert werden . Inwieweit der schnelle spätere Abfall des S-100B im Serum im Zusammenhang mit einer Reduktion der inflammatorischen Antwort durch MUF steht, bleibt unklar . Cytokine wurden bei diesen Patienten nicht gemessen.

9.4.4 Wertifkeit der Hirnmarker im Serum und Liquor

Zusätzlich zur Bestimmung des astrozytären Proteins S-100B wurden andere neuronale Ca++-bindende Proteine wie Parvalbumin und Calretinin sowie die neurospezifische Enolase (NSE) im Serum und im Liquor bestimmt. Diese Marker sind in unterschiedlichen Subpopulationen von Neuronen vorhanden und werden bei Membranschädigung oder Zelluntergang freigesetzt. Im Gegensatz zur Kinetik des Proteins S-100B im Serum waren die neuronalen Marker, NSE, Parvalbumin und Calretinin im Serum trotz des hypothermem Stillstands von zwei Stunden Dauer nicht angestiegen, sondern eher signifikant abgefallen. Diese Marker sind jedoch am Ende des Experiments im Liquor im Vergleich zu den Ausgangswerten um mehr als das Hundertfache angestiegen (Abb. 7.4.6). Da die neuronalen Marker Parvalbumin, Calretinin und NSE ein viel größeres Molekulargewicht als das Protein S-100B aufweisen (20000 vs. 76.000 KD), ist ihre Passage durch eine intakte Blut-Hirnschranke eher limitiert. Der Nachweis dieser neuronalen Marker im Serum war trotz des massiven Anstiegs im Liquor nicht möglich (Abb. 7.4.6-2). Der Abfall der Serumkonzentration der neuronalen Marker nach dem Anschluß an der EKZ ist möglicherweise durch Hämodilution der vorhandenen Konzentrationen ohne weitere Freisetzung aus dem Zentralnervensystem bedingt.

Das zirkulierende Blutvolumen wird mit Anschluß an der EKZ um das Dreifache vergrößert. Die Messung der neuronalen Marker im Liquor und nicht im Serum ist für die Evaluation möglicher zerebraler Schädigungen nach EKZ eher geeignet. Der signifikante Anstieg der


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Serumkonzentrationen des Proteins S-100B, trotz des Missverhältnisses zwischen dem Liquor und Serumvolumen, weist auf eine signifikante Passage vom Gehirn in die Blutbahn hin. Das freigesetzte S-100B wird in ein viel größeres Medium verteilt (Liquor ca 3 ml, Blut 160 ml bei 2 kg Ferkel), was möglicherweise die niedrigere Konzentrationen im Serum im Vergleich mit dem Liquor erklärt.

Obwohl in der letzten Zeit Erkenntnisse über eine Kontamination des gemessenen S-100B im Serum aus anderen Quellen wie Fettzellen publiziert wurden , zeigen unsere Ergebnisse einer massiven Erhöhung des S-100B eine spezifische Schädigung auf zerebraler Ebene im Zusammenhang mit der EKZ und dem tief hypothermen Kreislaufstillstand. Der signifikante Anstieg der Konzentrationen des S-100B sowohl im Liquor als auch im Serum, trotz des Missverhältnisses der Konzentrationen in beiden Medien, weist auf einen zerebralen Ursprung der gemessenen Werte hin. Sicherlich ist die Gewinnung von Liquorproben in der klinischen Praxis bei kleinen Kindern nach herzchirurgischen Eingriffen nicht einfach durchzuführen. Die abnorm erhöhten Werte im Serum konnten sowohl klinisch also auch tierexperimentell eine Hirnschädigung anzeigen. Daher eignet sich das Astrogliazellprotein S-100B, und weniger die neuronalen Proteine, als Marker der globalen Zellschädigung . Zusätzlich kommt das Astrogliazellprotein S-100B in allen Hirnregionen vor, und eignet sich somit als Marker einer globalen und fokalen ischämischen Schädigung. Im Hinblick auf eine mögliche Kontamination aus anderem Gewebe nach EKZ sollten nicht nur einmalige sondern serielle Messungen während des postoperativen Verlaufs erfolgen. Eine Neusynthese vom protein S-100B in den Astrozyten sollte mit gezielten Studien künftig untersucht werden.


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9.5 Neuroprotektive Strategien während tief hypothermem Kreislaufstillstand

Die geschilderten Ergebnisse zeigten sowohl klinisch als auch tierexperimentell signifikante Änderungen vom Ausgangswert in den erhobenen Parametern der zerebralen Oxygenation, Perfusion sowie der biochemischen Marker im Serum im Zusammenhang mit der nicht-pulsatilen Perfusion der EKZ. Der Pathomechanismus einer signifikanten Zellschädigung in diesem Zusammenhang ist multifaktoriell und bei äquivalenten physiologischen Perfusionbedingungen eher als latent oder mild zu erwarten. Selbstverständlich ist eine signifikante Zellschädigung bei Unterbrechung der Zirkulation am wahrscheinlichsten zu finden. Daher ist eine effektive systemische Kühlung des Körpers und vor allem des Gehirns eine wichtige Voraussetzung, um den Metabolismus insgesamt für Sauerstoff und Glucose signifikant zu erniedrigen und die Ischämie-Schwelle zu erhöhen.

9.5.1 Protektiver Effekt der Hypothermie

Der Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie ist eine der ältesten Methoden, die ein blutfreies Feld bei der Korrektur komplexer Malformationen des Herzens und der herznahen Gefäße ermöglichte . In den letzten 50 Jahren unterlag der Einsatz der Ganzkörperkühlung während herzchirurgischer Maßnahmen einer Reihe von Modifikationen und Verbesserungen. Während die ersten Operationen am offenen Herzen eine Oberflächen-Kühlung des gesamten Körpers in einem Eisbad erforderte , gelingt heute eine systemische Blutkühlung in verschiedenen Graden und Geschwindigkeiten, dank vieler Verbesserungen der EKZ, problemlos.

Der Einsatz der Hypothermie wird in verschiedenen Institutionen jedoch sehr unterschiedlich gehandhabt, was die unterschiedlichen Ergebnisse der Neuroprotektion erklärt . Während einige Kliniken eine systemische Kühlung mit niedrigem Fluss bevorzugen, werden die Patienten in anderen Kliniken mit viel höheren Flussraten perfundiert und diese bis zum Ende der Kühlung fortgesetzt. Auch die Regulation des Säurebasen-Haushaltes während der Kühlung an der EKZ ist für die Gewebeperfusion von Bedeutung . Während einige Institutionen die Kühlung mit der Alpha-Stat-Methode (unkorrigierte pCO2 und pH-Werte für die absinkende Temperatur) durchführen, bevorzugen andere die Korrektur des Säurebasen-Haushaltes entsprechend der Kühlung (pH-Stat Methode) .

Die Ergebnisse unserer Untersuchung sowohl am Kaninchen als auch bei den neonatalen Schweinen zeigten keine signifikante neuronale Schädigung nach 60 minütigem Kreislaufstillstand, wenn die systemische Kühlung am Bypass mit höheren Flussraten und höheren Perfusionsdrucken


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sowie einem einheitlichen Einsatz der Alpha-Stat Methode erfolgte. Sicherlich war eine signifikante neuronale Schädigung nach Verdopplung der Kreislaufstillstandszeit zu erwarten. Die Stillstandzeit wurde in den nächsten Versuchsreihen verlängert, um bewusst histologisch eine hypoxische Schädigung zu provozieren. Anhand weiterer phramakologischer Interventionen sollte es dann der protektive Effekt in repräsentativen Regionen des Hippocampus quantitativ evaluiert werden . Auch nach zweistündlichem Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie war es trotzdem erstaunlich, wie viele intakte Neurone noch zu finden waren. Diese Befunde unterstreichen die Rolle der systemischen Kühlung mit hohen Flussraten und hohem Perfusionsdruck, um eine effektive Gewebekühlung im Gehirn vor dem Stillstand zu erreichen .

9.5.2 Protektiver Effekt der Vorbehandlung mit Steroiden

Die systemische Vorbehandlung mit hochdosierten Steroiden zeigte tierexperimentell nicht den erhofften protektiven Effekt. Die intrathekale Applikation unter Umgehung der Blut-Hirnschranke konnte jedoch die Zahl der hypoxisch-nekrotischen Neurone im Hippocampus signifikant reduzieren .

Langley et al untersuchten in einem ähnlichen Modell den Einfluss der Vorbehandlung mit Steroiden in gleicher Dosierung auf die zerebrale Perfusion und Oxygenation und fanden eine verbesserte regionale und globale Perfusion bei den vorbehandelten Tieren . Aufgrund dieser Ergebnisse schlussfolgerten sie einen protektiven Effekt, ohne jedoch eine morphologische Bearbeitung des Gehirns durchzuführen . Im Gegensatz zu den Ergebnissen von Langley et al. fanden wir in unserer Studie nur bei den intrathekal vorbehandelten Tieren einen signifikanten Anstieg der regionalen zerebralen Perfusion. Diese Diskrepanz ist möglicherweise durch die unterschiedlichen Methoden zur Quantifizierung der zerebralen Perfusion bedingt. Die morphologische Quantifizierung der hypoxischen Schädigung im Hippocampus, Gyrus cinguli und Nucleus caudatus zeigte keine Reduktion der hypoxisch-nekrotischen Neurone durch systemische Vorbehandlung mit Methylprednisolon. Die intrathekale Gabe von Methylprednisolon vor dem hypothermen Kreislaufstillstand unter Umgehung der Blut-Hirnschranke bewirkte jedoch eine signifikante Reduktion der hypoxischen Schädigung. Mehrere Mechanismen gegen die Ischämie und die Schädigung während der Reperfusion wurden den Steroiden im Zentralnervensystem zugeschrieben, wie die abschwellende , die antioxidative , die antiinflammatorische sowie die antiexzitatorische Wirkung . Das systemisch verabreichte Steroid scheint jedoch nicht eine ausreichende Konzentration auf zerebraler Ebene zu erreichen, um diese o.g Wirkungen gegen die zerebrale Ischämie zu entfalten . Das Fehlen solcher protektiven Wirkung nach systemischer Gabe lässt auf eine geringe Penetration des Methylprednisolon durch die Blut-


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Hirnschranke vermuten . Systemisch verabreichte Steroide werden an spezifischen Steroidrezeptoren auf der Endothelseite der Blut-Hirnschranke gebunden und können nur in geringen Mengen die Blut-Hirnschranke passieren . Die Neuronen, insbesondere die unreifen, können ihre Selbstzerstörung durch Hochregulation von programmierten Prozessen (Apoptose) auslösen . In der Postnatalzeit ist die Apoptose besonders häufig im Subiculum und in den Zellkernen der Brücke nach einer Ischämie und Reperfusion zu finden . Dieses Läsionmuster wurde bei den untersuchten Gehirnen verstorbener Kinder mit angeborenen Herzfehler beobachtet . Dagegen wurden solche neuropathologischen Befunden nicht bei den Ferkeln nach tief hypothermem Kreislaufstillstand gefunden.

Die Vorbehandlung mit Methylprednisolon scheint signifikant die Zahl der apoptotischen und TUNEL-positiven Neuronen im Gyrus dentatus des Hippocampus zu erhöhen . Da die Apoptose häufiger bei unreifen als unreifen Zellpopulationen vorkommt, könnte dies die regionale Vulnerabilität des Gyrus denatus für Apoptose, wo überwiegend unreife Kernzellen vorkommen, zum Teil erklären .

Die Ursache für die vermehrte Induktion apoptotischer Zellen im Zusammenhang mit Methylprednisolon ist nicht gänzlich geklärt. Alterationen des intrazellulären Ca++-Haushaltes durch Einstrom von Ca++-Ionen von außen oder die Erhöhung des intrazellären Ca++-Spiegels können die Induktion des sekundären programmierten Zellsterbens auslösen . Intrazelluläres Kalzium führt zur enzymatischen Aktivierung von Lipasen, Proteasen und Endonucleasen, die eine Fragmentation der DNA und einen Zellabbau bewirken . Außerdem beeinflusst das Kalzium den phosphorylisierten Zustand vieler Proteine und stört damit die Aktivität von Enzymen, Rezeptoren und Genexpression, die eine Gegenregulation bewirken könnten . Die Aktivierung der Steroidrezeptoren, die nicht nur am Endothel, sondern auch an vielen Neuronen vorhanden sind, beeinflusst die Ca++-Homöostase in den Astrozyten und anderen benachbarten Neuronen . Ob das Eingreifen in der Ca++-Haemostase durch die Steroide die Zellnekrose und Apoptose nach der Ischämie begünstigt, ist nicht auszuschließen . Im normalen Zustand spielen eine Reihe von Genen und Proteinen der Bcl-2 Familie eine wichtige Rolle in der Signalübertragung und Regulierung der pro- und antiapoptotischen Prozesse . Neue Untersuchungen im Hippocampus der Ratte zeigten, dass die Aktivierung des Steroidrezeptors zu einem Missverhältniss von proapoptotischen gegen antiapoptotischen Molekülen führt . Daher könnten die Steroide eine wichtige Rolle bei der Apoptoseinduktion auf molekularer Ebene spielen. Hinweise auf die Rolle der Steroide in der Induktion von Apoptose in anderen Zellorganellen wurden in mehreren Studien dokumentiert . Die Apoptose ist im


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Gegensatz zur Nekrose energieabhängig . Inwieweit die Hyperglykämie und die erhöhte Perfusion in einigen Hirnregionen eine Rolle bei er zusätzlichen Energiezufuhr und damit bei der Begünstigung apoptotischer Prozesse in den Neuronen spielt, ist unklar. Kurth et al. berichtete in einem ähnlichen Tiermodell über einen Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der Apoptose und der Hyperglykämie während der EKZ .

Die Rolle der Steroide im Zentralnervensystem bei unreifen Neugeborenen und Feten wird zunehmend kontrovers diskutiert . Sowohl klinisch als auch tierexperimentell verdichten sich die Hinweise auf eine ernste Nebenwirkung der systemischen Behandlung mit Steroiden im unreifen Zentralnervensystem . Die Indikationsstellung zur Verabreichung von Steroiden im Neugeborenenalter wird in zunehmendem Maße vorsichtiger gestellt. Zwei neue Follow-up-Studien haben einen signifikanten negativen Einfluss der Steroide bei der Behandlung der bronchopulmonalen Dyplasie auf die psychomotorische Entwicklung im späteren Alter gezeigt .

Wir konnten mit dieser Studie zum ersten mal auf die signifikante Nebenwirkung eines Medikamentes hinweisen, welches routinemäßig in der Kinderherzchirugie eingesetzt wird. Die Wirkung und Nebenwirkung vieler kardialer und nicht-kardialer Medikamente im unreifen Zentralnervensystem nach solchen nicht-physiologischen Bedingungen der EKZ sind weiterhin nicht gänzlich geklärt und bedürfen einer ähnlichen Überprüfung im Tierexperiment.

9.5.3 Protektiver Effekt der Vorbehandlung mit FK501

Andere Medikamente, die im Zusammenhang mit der Herzchirurgie und der Organtransplantation eingesetzt werden und zunehmend nach neuen Erkenntnissen eine Rolle im Zentralnervensystem spielen, sind die Immunsuppressiva FK506 und Cyclosporin A. Daher wurden beide Präparate nach ihrer Wirkung im Zentralnervensystem im Zusammenhang mit der EKZ und tiefhypothermen Kreislaufstillstand in unserem Tiermodell überprüft.

Anhand der quantitativen histologischen Bearbeitung der Gehirne der mit FK506 vorbehandelten Tieren konnte festgestellt werden, dass eine signifikante Reduktion der hypoxisch-nekrotischen Zellen in den Hippocampus-Regionen CA1 und CA 4 vorlag. Wie in vielen experimentellen Studien gezeigt wurde, scheint die protektive Wirkung des FK506 auf einer Hemmung der neuronalen NO-Synthetase zu beruhen .

Mehrere experimentelle Studien haben einen neuroprotektiven Effekt des FK506 in verschiedenen Formen der Ischämie-Reperfusion des Gehirns und anderen Organen gezeigt . FK506 hemmt die


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Neurotoxität der NMDA-Calcium-Kaskade in primären corticalen Zellkulturen und verhindert möglicherweise die Dephosphorylation der NO-Synthetase und damit die Bildung von NO .

In einem Insulin-induzierten Hypoglykämie-Modell zeigte sich ein protektiver Effekt auf die mitochondriale Schwellung nach Behandlung mit Cyclosporin und nicht mit FK506 . Außerdem zeigte FK506 eine Erhaltung der cAMP-Bindungskapazität und damit der intrazellulären Signaltransduktion trotz einer Ischämiephase von zwei Stunden .

Wie auch bei der pharmakologischen Intervention mit Methylprednisolon zeigte sich in unserem Modell eine signifikante Vermehrung apoptotischer und TUNEL-positiver Neuronen im Gyrus dentatus. Hinsichtlich der Wechselwirkung von FK506 mit der Induktion von Apoptose im Zentralnervensystem sind widersprüchliche Angaben in der Literatur vorhanden . Etablierte klinisch relevante Modelle zur Evaluation des Einflusses von verschiedenen Medikamenten im Zentralnervensystem während tiefhypothermem Kreislaufstillstand sind nicht vorhanden. Während Yardin et al eine antiapoptotische Wirkung in neuronalen Zellkulturen durch FK506 nachwiesen , fanden Koche et al eine vermehrte apoptotische Zellveränderung in Zellkulturen von Endothelzellen zerebraler Arteriolen und spekulierten damit auf eine Schädigung der Blut-Hirnschranke durch FK506 . Auch Asai et al fanden eine anti-apoptotische Wirkung in neuronaler Zellkultur, sowohl bei CsA als auch bei FK506 . Sicherlich liegt hier eine unterschiedliche Ischämieform und ein unterschiedliches Wirkungsziel von Zellkulturen vor, was die Diskrepanz der Ergebnisse in der Literatur erklärt . Von besonderem Interesse sind die Ergebnisse von Alexanian AR et al. hinsichtlich der Rolle von S-100B in den neuroprotektiven Mechanismen von CsA und FK506 in der zerebralen Ischämie und Reperfusion . Das Überleben der Neuronen im Frontalhirn eines Kükenembryos war von der Dosis des astroglialen Proteins S-100B abhängig . Sicherlich sind hier andere Konzentrationen wirksam als die gemessenen massiv erhöhten Konzentration des S-100B nach Zellschädigung vieler Astrozyten. Inwieweit ein Zusammenhang zwischen der erhöhten Konzentration von S-100B im Serum und Liquor und dem neuroprotektiven Effekt von CsA und FK506 besteht, ist bis jetzt unklar.

Auf der anderen Seite zeigten aktuelle Arbeiten eine erhöhte toxische Wirkung auf die Blut-Hirnschranke nach Behandlung mit Cyclosporin und nicht mit FK506 . Die vasokonstruktive Wirkung von Endothelin nach Ischämie-Reperfusion scheint eine wichtige Rolle bei der Beeinträchtigung der Mikrozirkulation zu spielen. Eine signifikante Hemmung der Endothelinexpression und damit die Erhaltung einer normalen Mikrozirkulation sowie eine bessere


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Organprotektion wurde durch Vorbehandlung mit FK506 und nicht mit Cylosporin nach einer Ischämie-Reperfusion gefunden .

Neurologische Komplikationen wurden nach orthotoper Lebertransplantation und Behandlung mit FK506 und Prednisolon beobachtet . Leukoencephalopathie wurde bei organtransplantierten Kindern mit anschließender immunsuppressiver Behandlung durch FK506 gefunden . Der Pathomechanismus solcher Komplikationen nach invasiven chirurgischen Eingriffen ist sicher als multifaktoriell anzugeben, und kann nicht allein auf die immunsupressive Behandlung zurückgeführt werden. Die Gliatoxizität ist unter der besonderen Berücksichtigung der Oligodendroglia und der Myelinisierungsgliose des Großhirnmarklagers bei Neugeborenen in gesonderten Untersuchungen Rechnung zu tragen.

9.5.4 Protektiver Effekt der Vorbehandlung mit Cyclosporin A

In dieser Versuchsreihe konnten wir auch eine signifikante Reduktion der hypoxischen Neuronen im Hippocampus und eine Verbesserung der zerebralen Oxygenation während und nach dem tief hypothermen Kreislaufstillstand durch eine einmalige Gabe von hochdosierten Cyclosporin A nachweisen.

Einer der wichtigsten Pathomechanismen der neuronalen Zellschädigung durch Ischämie-Reperfusion im Gehirn ist die Störung des Ca++ -Haushaltes im intrazellulären Raum . Mehrere experimentelle Studien haben einen neuroprotektiven Effekt des Cyclosporins in verschieden Formen der Ischämie-Reperfusion des Gehirns und in anderen Organen gezeigt . Während des Kreislaufstillstandes mit Unterbrechung der Energiezufuhr können Alterationen der energieabhängigen Ionentransporter zur Störung der Ca++-Homöostase führen . Insbesondere stellt der Einstrom von Kalzium in die Mitochondrien ein ernstes Risiko für die neuronale Zellintegrität dar . Der neuroprotektive Effekt von Cyclosporin-A beruht auf der Hemmung des Ca++-Einstromes durch die sogenannten Membran-Permeabilitäts-Poren (membrane permeability transport pores, mtPTP) in die Mitochondrien .

Die kontinuierliche Registrierung der intrazellulären und intravaskulären Oxygenation mit NIRS zeigte einen signifikant langsameren Abfall des intrazellulären Cyt.Ox aa3-Signals als bei den Kontrolltieren insbesondere während der Ischämiephase. Da die Signalmessung der Cyt.Ox aa3 mit NIRS in enger Beziehung zum Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) und Creatanin (Cr.) in den Mitochondrien steht , sind diese Veränderungen möglicherweise Ausdruck einer guten


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Erhaltung der mitochondrialen Integrität und des mitochondrialen Energieträgers in der hypothermen Stillstandsphase zu interpretieren .

Aufgrund der unterschiedlichen experimentellen Ansätze in diesen Modellen wurden widersprüchliche Ergebnisse hinsichtlich der Reduktion der nekrotischen und apoptotischen Schädigung beider Immunsuppressiva nach Ischämie beobachtet . Im Hinblick auf die bedeutende Rolle von Ca++ in den verschiedenen Pathomechanismen der ischämischen Zellschädigung bietet die Wirkung von Cyclosporin durch die Erhaltung der funktionellen und strukturellen Integrität der Mitochondrien als Kraftwerke der Energiezufuhr eine attraktive protektive Rolle in den Neuronen an. Diese Wirkung könnte die dramatische protektive Wirkung im Zentralnervensystem gegen die Ischämie in unserem Modell und anderen experimentellen Modellen der Ischämie und Reperfusion zum Teil erklären .

Erstaunlicherweise, war das Verhalten des zerebralen Flussmusters bei den mit Cyclosporin vorbehandelten Tieren eher langsamer als bei den Kontrolltieren. Cyclosporin wirkt vasokonstruktiv in vielen Organen wie der Niere und ist auch für die oft beobachtete Hypertension nach Organtransplantation mitverantwortlich . In wie weit die regionale zerebrale Perfusion beeinträchtigt ist, ist unklar. Leider war eine komplette Messung der regionalen Hirnperfusion nicht bei allen Tieren gelungen. Im Gegensatz zu den Ergebnissen bei der Steroidvorbehandlung, wo ein protektiver Effekt mit erhöhter zerebraler Perfusion festgestellt wurde, wurde bei den mit Cyclosporin vorbehandelten Tieren ein protektiver Effekt ohne erhöhte Perfusion gefunden. Diese Beobachtungen unterstreichen noch einmal, dass ein Anstieg der zerebralen Perfusion nach der Ischämie mit resultierendem statistisch signifikanten Unterschied nicht unbedingt mit einem protektiven Effekt der jeweiligen Intervention assoziiert ist . Bevor es zu einem klinischen Einsatz von Cyclosporin kommt, sind weitere Fragen wie Dosis, Evaluierung weiterer Nebenwirkungen und weitere Beurteilung des Immunstatus zu klären. Zusätzlich ist die Verfügbarkeit von pharmakologisch effektiven Dosen auf zerebraler Ebene bei den klinisch-therapeutischen Dosen durch die begrenzte Passage von Cyclosporins durch die Blut-Hirnschranke limitiert .

Eine signifikante Verminderung oder Vermehrung der Apoptose im Gyrus dentatus oder anderen Hirnregionen war durch Cyclospron in diesem Tiermodell nicht feststellbar. In anderen Studien wurde die Apoptose in den Oligodendrogliazellen vermehrt gefunden . Die Mylinisierung bei kleinen Kindern nach Herztransplantation in der frühen Postnatalzeit und Transplantaterhalt durch Cyclosporin sollte Aufschluss über die Langzeitfolgen der Glai-Apoptose geben.


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9.6 Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeitsetzt sich mit den funktionellen und strukturellen Veränderungen im Zentralnervensystem im Zusammenhang mit angeborenen Vitien und deren chirurgischer Behandlung sowohl klinisch als auch tierexperimentell auseinander mit dem Ziel, neuroprotektive Strategien zu entwickeln. Wir haben mit den verfügbaren Methoden der Neuroüberwachung die charakteristischen Verläufe definiert und beschrieben. Zusätzlich wurden diese nicht-invasiven Methoden wie die Nahinfrarot-Spektroskopie sowohl klinisch als auch tierexperimentell validisiert.

Inwieweit diese Veränderungen während und nach extrakorporaler Zirkulation eine Aussage hinsichtlich einer signifikanten funktionellen Alteration bedeuten, kann mit absoluter Sicherheit nicht beantwortet werden. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass diese Methoden eine zuverlässig signifikante globale Alteration in der Oxygenation und Perfusion anzeigen. Alternative Methoden, die nicht-invasiv und bettnah Informationen über Veränderungen in der zerebralen Hämodynamik oder des Sauerstoffmetabolismus unter physiologischen und nicht-physiologischen Bedingungen wie dem tiefhypothermen Kreislaufstillstand liefern, sind nicht verfügbar.

Durch das Erarbeiten und und die Charakterisierung des Verlaufs der Serumwerte des astroglialen Proteins S-100B wurde die klinische Wertigkeit genauer definiert. Es konnte klinisch und tierexperimentell gezeigt werden, dass die abnorm erhöhten Werte des S-100B im Serum von einem signifikanten diagnostischen Wert sind. Im Gegensatz dazu wurde die untergeordnete Rolle der Bestimmung von neuronalen Marker im Serum bestätigt. Durch die tierexperimentellen Arbeiten wurde erstmals gezeigt, dass diese Marker in den Liquor freigesetzt werden, aufgrund ihres großen Molekulargewichts jedoch nicht oder nicht in messbaren Konzentrationen in die Blutbahn gelangen. Die Astrozyten sind aufgrund ihrer topographischen und funktionellen Lage die ersten Zellen, die am ehesten von Hypoxie-Ischämie und EKZ-Reperfusion betroffen und geschädigt wird. Deshalb sollte eine zukünftige Neuroprotektion in zunehmenden Maße auch eine Glaiprotektion bedeuten.

Die überwiegenden morphologischen Veränderungen nach EKZ im Gehirn und anderen Organen sind eine Membranschädigung und Wasserakkummulation in den Zellstrukturen um die Kapillaren. Diese initiale morphologische Veränderung wurde unabhängig vom Dauer der EKZ oder dem Einsatz des tiefhypothermen Kreislaufstillstandes in den Astrozyten festgestellt. Die neuronale Zelldegeneration war nach dem tiefhypothermen Kreislaufstillstand überwiegend in Form von hypoxischer Zellnekrose. Die apoptotische Zelldegeneration trat zellspezifisch im Gyrus denatus des Hippocampus auf.


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Vor allem konnte die bedeutende protektive Rolle der Hypothermie und der hypothermen Perfusion der EKZ demonstriert werden. Bei einer effektiven systemischen Kühlung könnte ein Kreislaufstillstand ohne signifikante neuronale Schädigungen überstanden werden.

Die EKZ und der tiefhypotherme Kreislaufstillstand stellen an sich für das unreife Gehirn eine grobe nicht-physiologische Situation dar. Daher sollte die Verabreichung von "prophylaktischen" pharmakologischen Maßnahmen wie Steroidvorbehandlung bei diesen unreifen Wesen kritischer und überlegter angewandt werden. Obwohl eine signifikante Neuroprotektion durch Gabe von FK506 und Cyclosporin unter extremen Bedingungen der EKZ und tiefhypothermem Kreislaufstillstand erzielt wurde, bedarf es vor einer klinischen Anwendung weiterer tierexperimenteller und klinischer Überprüfungen.

Die genaue Ursache der latenten Störung der psychomotorischen Entwicklungstörung, wie es von uns und anderen im späteren Schulalter nach Korrekturoperationen festgestellt wurde, bleibt nicht gänzlich geklärt. Wir hoffen weiterhin, daß Neugeborene komplexe chirurgische Eingriffe überleben und das Erwachsenenalter mit guter Lebensqualität geniessen. Die Analyse der Hirnmorphologie Verstorbener mit angeborenen Vitien zeigt Untergewichtigkeit, Wachstumsretardierung und das Vorkommen von kongenitalen Malformationen im Zentralnervensystem, und zwar unabhängig von der chirurgischen Maßnahme und dem Anschluss an die EKZ. Zusätzlich zu den Risikofaktoren während der chirurgischen Behandlung sind kongenital prädisponierende Faktoren im Zentralnervensystem im Zusammenhang mit dem angeborenen Herzfehler an sich ursächlich für die psychomotorische Entwicklungsstörung bei Patienten mit congenitalen Herzfehlern.


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Thu Dec 12 10:42:55 2002