[Seite 18↓]

3.  Tierexperimentelle Studien zum zerebralen Perfusionsdruck

3.1. Effekt des zerebralen Perfusionsdruckes auf die Entwicklung der Kontusion nach Controlled Cortical Impact Injury

Einführung

Ergebnisse aus klinischen Untersuchungen konnten zeigen, dass der MAD, ICP und der daraus resultierende CPP das neurologische Outcome nach schweren SHT wesentlich beeinflussen [2, 4, 5, 7, 8, 10]. Die optimale Höhe des notwendigen CPP wird jedoch kontrovers diskutiert (Kapitel 1). Beim sog. Lund-Konzept wird davon ausgegangen, dass die posttraumatische intrakranielle Hypertension hauptsächlich durch das vasogene Hirnödem bedingt ist. Daher wird eine moderate Senkung des Blutdruckes empfohlen, wenn notwendig bis 50 mm Hg [8, 14, 15]. Hierzu konträr, geht das Konzept des CPP-Management (nach Rosner) davon aus, dass die intrazelluläre Hirnschwellung, verursacht durch Ischämie und Hypoxie, der Hauptfaktor für die posttraumatische Schwellung ist. Im Einzelfall wird ein CPP über 100 mm Hg empfohlen [10].

In tierexperimentellen Studien wurde der optimale CPP-Bereich nach SHT noch nicht ausreichend bestimmt. Daher wurde der Effekt von Blutdrucksenkung und Anhebung auf die Entwicklung der Kontusion nach Controlled Cortical Impact Injury (CCII) untersucht.

Material und Methoden

Tierpräparation und Experimentelles Hirntrauma. 51 männliche Sprague-Dawley Ratten mit einem Gewicht zwischen 300 – 400 g wurden für die Versuche verwendet. Die spontan atmenden Ratten wurden mit einem Gasgemisch aus 1% Isofluran und N2O/ O2 in Verhältnis 2:1 über eine Maske anästhesiert. Die Körpertemperatur wurde über eine rektale Sonde überwacht und mit einem thermokontrollierten Heizkissen um die 37 °C gehalten. Der Kopf wurde in einen Stereotaxierahmen für Kleintiere (Stoelting, Wood Dale, IL) eingespannt. Nach Hautinzision erfolgte die Darstellung von Koronar, Sagittal- und Lambdanaht (Abb. 3.1A). Mit Hilfe eines Mikrobohrers und Operationsmikroskopes (Zeiss, Wetzlar, Germany) wurde eine Kraniotomie über der linken Hemisphäre zwischen Bregma u. Lambda bis hinunter zum Arcus zygomaticus durchgeführt (Abb. 3.1B). Der hierfür verwendete Mikrobohrer wurde [Seite 19↓]kontinuierlich mit physiologischer Kochsalzlösung gekühlt und die Dura wurde intakt gelassen. Der Kortex der Tiere wurde anschließend links temporoparietal kontusioniert (Abb. 3.1C). Die Kontusion wurde mit einem computer-kontrollierten pneumatisch angetriebenen Bolzen mit einem Durchmesser von 5 mm und einer konvexen Oberfläche erzeugt. Die Geschwindigkeit beim Aufschlag des Bolzens auf die Dura betrug 7 m/ s und die Eindringtiefe 2 mm. Dieses von Dixon [26] entwickelte Modell der Controlled Cortical Impact Injury (CCII) ist ein gängiges und anerkanntes tierexperimentelles Traumamodell [107] (Abb. 3.2). Nach der Kontusion wurde die Hautwunde geschlossen, die Narkose beendet und das Tier zurück in seinen Käfig gebracht.

Abb. 3.1: Darstellung des Situs während der Operation und nach Trauma. Die Ratte befindet sich in Narkose und ist im Stereotaxie-Rahmen fixiert. A: Mediane Hautinzision und Entfernung des Temporalmuskels mit Darstellung von Bregma, Lambda und Arcus zygomaticus. B: Osteoklastische Trepanation mit Darstellung der intakten Dura C: Duraaufsicht nach Kontusion. Deutlich zu erkennen ist die subdurale Einblutung.


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Abb. 3.2: Traumamodell der Controlled Cortical Impact Injury (CCII). Abgebildet ist die Kontusionseinheit bestehend aus dem am Stahlrahmen fixierten Kontusionsschlitten mit Bolzen (1) und dem höhenverstellbaren Tisch mit stereotaktischer Halterung, in welche die Versuchstiere fixiert werden (2).

Blutdrucksenkung und Blutdruckerhöhung. Vier Stunden nach Kontusion wurden die Tiere erneut anästhesiert und die linke Arteria femoralis präpariert. Der arterielle Blutdruck wurde kontinuierlich über einen bis in die Aorta abdominalis vorgeschobenen arteriellen Katheter aufgezeichnet. Der Blutdruck wurde mit Hilfe des hypobaren Hypotensions-Modelles [108, 109, 110] gesenkt. Die Ratte wurde dazu mit ihrem Becken in eine luftdichte Stahlkammer gelegt, welche mit einer elektronisch kontrollierten Vakuumpumpe verbunden war. Durch die steuerbare Saugleistung war es möglich, einen beliebigen Unterdruck zu erzeugen. Durch das Vakuum wird der normalerweise auf den Körper und somit auf die Gefäße wirkende Atmosphärendruck vermindert. Hierdurch werden besonders die wandschwachen Venen erweitert, in welchen das Blut anschließend versackt (venöses Pooling). Da der Körper nur bis zu einem gewissen Grad gegenregulieren kann, kommt es aufgrund des verminderten effektiven arteriellen Blutvolumens zu einem Blutdruckabfall.

Zur Blutdruckanhebung wurde Dopamin kontinuierlich über einen in der linken Vena femoralis liegenden Katheter infundiert. Die durchschnittliche notwendige Dosierung zur Anhebung des Blutdruckes auf 120 mm Hg betrug 50-70 µg/kgKG/min und auf 140 mm Hg betrug 140-160 µg/kgKG/min. Die arteriellen Blutgase wurden vor, und am Ende der Blutdruckmanipulation bestimmt. Anschließend wurde die Narkose beendet und die Tiere zurück in die Käfige gebracht.

Messung des intrakraniellen Druckes. In der Mitte zwischen Bregma und Lambda und 4 mm rechts parasagittal wurde ein 2 mm durchmessendes Loch gebohrt. Über [Seite 21↓]dieses Loch wurde eine an einem Mikromanipulator befestigte intraparenchymatöse ICP Sonde (Codman, Johnson & Johnson Medical Ltd., Berkshire, United Kindom) ungefähr 6 mm tief in die Hemisphäre eingebracht.

Experimentelle Gruppen. Blutdrucksenkung: 4 Stunden nach CCII wurde der Blutdruck mittels hypobarer Hypotension für 30 Minuten auf 80 (n=5), 70 (n=5), 60 (n=5), 50 (n=5) oder 40 mm Hg (n=5) gesenkt. In der Kontrollgruppe (n=5) wurde der Blutdruck nicht manipuliert. MAD und ICP wurden kontinuierlich aufgezeichnet.

Blutdruckanhebung: 4 Stunden nach CCII wurde der Blutdruck mittels Dopamin für 3 Stunden auf 120 (n=7) und 140 mm Hg (n=7) angehoben. In der Kontrollgruppe (n=7) wurde im gleichen Volumen 0.9% NaCl infundiert. MAD und ICP wurden kontinuierlich während der Blutdruckanhebung aufgezeichnet.

Kontusionsvolumen. Die Tiere wurden 28 Stunden nach CCII getötet. Die Tiere wurden in Narkose mit 4% Paraformaldehydlösung fixiert. Danach wurden koronare Hirnschnitte mit einer Schnittdicke von 5 µm in einem Abstand von 400µm angefertigt. Die Schnitte wurden mit Hämatoxylin & Eosin (H&E) gefärbt, und das Areal mit deutlich verminderter Anfärbung wurde als Region der Kontusion definiert. Die coronaren Schnitte wurden mit einem Scanner (Sharp Europe, Hamburg, Germany) und dem SigmaScan Programm (Jandel Scientific, San Rafael, CA) digitalisiert. Die Region der Kontusion wurde computerunterstützt planimetrisch vermessen, und das Kontusionsvolumen wurde unter Berücksichtigung der Schnittintervalle berechnet.

Statistische Analyse. Alle Daten wurden auf Normalverteilung getestet und als Mittelwerte ± Standardfehler der Mittelwerte (SEM) angegeben. Veränderungen der Blutgaswerte, Temperatur und des Kontusionsvolumen wurden auf statistische Signifikanz unter Anwendung der einseitigen Varianzanalyse für multiple Vergleiche (One Way Analysis of Variance for multiple comparison according to Turkey) analysiert. Die statistische Auswertung erfolgte mit dem Statistikprogramm SIGMA-STAT (Jandel Scientific, Sausalito, CA, USA). Unterschiede wurden ab einer Irrtumswahrscheinlichkeit von weniger als 5% als signifikant betrachtet.

Ein Teil der Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit Herrn Dr. Kern und Frau Kopetzki (Histologie und Blutdruckmanipulation) sowie Herrn Dr. Thomale (ICP-Messung) durchgeführt (Mitarbeiter der Klinik der Neurochirurgie der Charité).

[Seite 22↓]Ergebnisse

Physiologische Parameter. Die physiologischen Parameter zeigten keinen signifikanten Unterschied in der arteriellen Blutgasanalyse (pH, pCO2, pO2) oder Temperatur zwischen den verschiedenen Blutdruck-Gruppen und Zeitpunkten (Tabelle 3.1).

Tab. 3.1: Ergebnisse der arteriellen Blutgasanalyse entnommen 5 Minuten vor und am Ende der Blutdruckveränderung*

 

5 min vor MAD Veränderung

Am Ende der MAD Veränderung

Blutdruck

pH

PCO2

pO2

pH

pCO2

pO2

Gruppen

 

[mm Hg]

[mm Hg]

 

[mm Hg]

[mm Hg]

Senkung

      

Kontrolle

7.43±0.02

38.56±2.1

136.4±11

7.42±0.02

36.43±2.2

137.3±7

80 mm Hg

7.44±0.01

37.35±3.1

131.4±10

7.42±0.01

36.86±0.9

123.4±11

70 mm Hg

7.43±0.02

38.03±2.4

127.2±15

7.43±0.02

37.26±2.1

138.5±12

60 mm Hg

7.43±0.01

38.30±0.4

140.3±10

7.42±0.01

38.84±3.7

135.2±14

50 mm Hg

7.43±0.02

37.97±3.3

133.7±28

7.41±0.01

38.98±2.1

146.5±8

40 mm Hg

7.43±0.03

38.35±2.2

133.4±16

7.39±0.02

39.30±2.3

140.8±14

Anhebung

      

Kontrolle

7.41±0.02

38.56±2.1

136.4±11

7.41±0.02

39.43±2.2

137.3±7

120 mm Hg

7.42±0.01

37.35±3.1

131.4±10

7.38±0.01

37.86±0.9

123.4±11

140 mm Hg

7.41±0.02

39.03±2.4

127.2±15

7.37±0.02

36.96±2.1

138.5±12

*Zwischen den verschiedenen Gruppen und Zeitpunkten bestand kein statistisch signifikanter Unterschied.


[Seite 23↓]

Kontusionsvolumen. Blutdrucksenkung: Senkung des MAD für 30 min auf 70 mm Hg und niedriger erhöhte signifikant das Kontusionsvolumen, wobei eine Senkung des MAD auf 80 mm Hg das Kontusionsvolumen nicht veränderte (Abb. 3.3). Das Kontusionsvolumen in den 40- und 50-mm Hg Gruppen war signifikant höher als in der 60- und 70-mm Hg Gruppe. Abbildung 3.4 zeigt anhand von histologischen Schnitten die Vergrößerung der Kontusion bei einem Tier mit Blutdrucksenkung auf 40 mm Hg im Vergleich zu einem Tier mit einem Blutdruck von 80 mm Hg. Blutdruckerhöhung: Erhöhung des MAD für 3 Stunden auf 120 mm Hg beeinflusste nicht das Kontusionsvolumen, während Anhebung auf 140 mm Hg zu einer signifikanten Größenzunahme der Kontusion führte (Abb. 3.5).

Abb. 3.3: Einfluss der Blutdrucksenkung auf das Kontusionsvolumen. Vier Stunden nach Impact Injury wurde der MAD mittels „Hypobarer Hypotension” in der jeweiligen Gruppe für 30 Minuten auf den beabsichtigen Druck gesenkt. *p < 0.05 im Vergleich zur Kontrollgruppe.


[Seite 24↓]

Abb. 3.4: Aufeinanderfolgende Hirnschnitte (5 µm, H&E) der Kontusion von zwei Tieren, welche 28 Stunden nach Trauma getötet wurden. Vier Stunden nach CCII wurde der MAD für 30 Minuten auf 80 mm Hg (links) und 40 mm Hg (rechts) gesenkt. Auf allen coronaren Schnitten ist das Kontusionsareal nach Senkung des MAD auf 40 mm Hg im Vergleich zu 80 mm Hg deutlich größer.

Abb. 3.5: Einfluss der Blutdruckerhöhung auf das Kontusionsvolumen. Vier Stunden nach Impact Injury wurde der MAD mittels intravenöser Infusion von Dopamin für 3 Stunden auf 120 und 140 mm Hg erhöht. *p < 0.05 im Vergleich zur Kontrollgruppe.


[Seite 25↓]

Intrakranieller Druck und zerebraler Perfusionsdruck. Die Senkung des Blutdruckes bewirkte eine Senkung des ICP und des CPP (Abb. 3.6). Die Anhebung des Blutdruckes führte zu einer Anhebung von ICP und CPP (Abb. 3.7).

Abb. 3.6: Darstellung des ICP und CPP der jeweiligen Blutdruck-Gruppe. Vier Stunden nach Impact Injury wurde der MAD mittels der „Hypobaren Hypotension” für 30 Minuten gesenkt und gemeinsam mit dem ICP aufgezeichnet.

Abb. 3.7: Darstellung des ICP und CPP der jeweiligen Blutdruck-Gruppe. Vier Stunden nach Impact Injury wurde der MAD mittels intravenöser Infusion von Dopamin für 3 Stunden erhöht und gemeinsam mit dem ICP aufgezeichnet.


[Seite 26↓]

Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden in Abbildung 3.8 kombiniert unter Berücksichtigung des Einflusses des CPP auf die Kontusion. Es wird deutlich, dass das Kontusionsvolumen am kleinsten war, wenn der CPP innerhalb von 70 bis 105 mm Hg lag.

Abb. 3.8: Einfluss des CPP auf das Kontusionsvolumen. Das Kontusionsvolumen ist in prozentualer Veränderung im Vergleich mit der Kontrollgruppe dargestellt. Der sichere Bereich des CPP liegt zwischen 70 und 105 mm Hg. Eine weitere Erniedrigung oder Erhöhung des CPP führt zu einer signifikanten Zunahme des Kontusionsvolumens. *p < 0.05 im Vergleich zur Kontrollgruppe.

Diskussion

Der optimale CPP in der Behandlung des schweren SHT wird immer noch kontrovers diskutiert [10, 111]. Messungen des CBF nach CCII zeigten eine Minderperfusion in und um die Kontusion bereits wenige Stunden nach Trauma [112]. Dies unterstützt das Konzept der frühzeitigen Blutdrucktherapie um die zerebrale Ischämie und damit den [Seite 27↓]sekundären Hirnschaden zu minimieren. Ziel dieser Untersuchung war die Definition eines kritischen Schwellenwertes für den CPP bzw. eines sicheren Bereiches in einer Phase, in der das Gehirn vulnerabel für sekundäre Insulte ist. Es konnte gezeigt werden, dass beidseitiger Karotisverschluss 4 Stunden nach CCII zur ausgeprägtesten Vergrößerung des Kontusionsvolumens führt im Vergleich zu 5 Minuten, 1 oder 24 Stunden nach Trauma [113]. Daher erfolgte in dieser Studie die Senkung und Anhebung des Blutdruckes 4 h nach Trauma.

In dieser Untersuchung konnte gezeigt werden, dass eine Reduktion des MAD auf 70 mm Hg und damit Senkung des CPP auf 60 mm Hg für 30 Minuten das Kontusionsvolumen um 47% vergrößert. Bei einem CPP von 35 mm Hg verdoppelte sich sogar fast das Kontusionsvolumen. Diese Ergebnisse unterstreichen erneut die erhöhte Vulnerabilität des traumatisierten Gehirns auf einen Blutdruckabfall und stehen im Einklang mit früheren Untersuchungen an anderen Traumamodellen [3, 6, 9, 11, 114]. Im Modell der ”Fluid Percussion Injury” konnte gezeigt werden, dass eine Blutdrucksenkung auf unter 40 mm Hg nur in Kombination mit Trauma zu einem Verlust energiereicher Phosphate im Gehirn führt, und desweiteren, dass ein Blutdruckabfall auf 50 mm Hg bei beidseitiger Karotisokklusion einen Verlust von Hippocampuszellen bewirkt [3, 9]. Bei einem MAD/ CPP von 54/ 40 mm Hg zeigte sich eine CBF-Erniedrigung und verminderte EEG-Aktivität [114]. Nach Kälteläsion führte eine Blutdrucksenkung auf 50 mm Hg zu einem Anstieg des ICP und kortikalen Wassergehalt [6]. Eine vermehrte Freisetzung von excitotoxischen Aminosäuren nach „Weight-Drop Injury” wurde bei Senkung des MAD auf 35 mm Hg und gleichzeitiger Hypoxie nachgewiesen [11]. Im Gegensatz zu dieser Untersuchung wurden in keinem der erwähnten experimentellen Modelle der Blutdruck und damit der Perfusionsdruck stufenweise gesenkt um einen kritischen Schwellenwert zu definieren.

Die Dauer der Blutdrucksenkung ist ein weiterer diskussionswürdiger Punkt. In unserer Untersuchung war bereits eine 30-minütige Blutdrucksenkung ausreichend um eine Vergrößerung der Kontusion zu verursachen. Auch in anderen klinischen und tierexperimentellen Untersuchungen wurde Ähnliches gefunden [3, 113, 115, 116]. In der Untersuchung von Cherian et al. (1996) führte bereits eine 20 minütige beidseitige Karotisokklusion zu einer signifikanten Vergrößerung der Kontusion, und in der Untersuchung von Jenkins et al. [3] dauerte die Kombination von Karotisokklusion und Hypotension nur 6 Minuten. Bei Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma [Seite 28↓]konnte ein klarer Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Episoden jugular-venöser Desaturationen (SjvO2 < 50% für > 10 Minuten) verursacht durch einen niedrigen CPP und einer Verschlechterung des neurologischen Outcomes nachgewiesen werden [115, 116].

Die aktive Anhebung des systemischen Blutdruckes betreffend, muss festgestellt werden, dass eine MAD Anhebung auf 120 mm Hg, und damit den CPP auf 105 mm Hg, für 3 Stunden das Kontusionsvolumen nicht verringert. Eine Anhebung des MAD auf 140 mm Hg, resultierend in einem CPP von 120 mm Hg, vergrößert sogar das Kontusionsvolumen um 33%. Als potentielle Ursachen für die Vergrößerung des Kontusionsvolumens während der Blutdruckanhebung kommen eine verstärkte Ödementwicklung oder eine Vasokonstriktion verursacht durch Dopamin in Betracht. Eine Öffnung der Bluthirnschranke nach Controlled Cortical Impact konnte demonstriert werden und führt zur Entstehung eines vasogenen Ödems [117]. Die Anhebung des Blutdruckes könnte daher die vasogene Ödementstehung verstärken und dadurch zu einer zusätzlichen Verschlechterung des CBF führen [8, 13]. Jedoch zeigte sich in den 28 Stunden nach CCII gemessen ICP Werten in den verschiedenen Gruppen kein Unterschied [107]. Eine gute Korrelation zwischen den ICP Werten und der Hirnschwellung konnte in einer früheren Untersuchung gezeigt werden [118]. Die perivaskuläre Applikation von Dopamin in einer höheren Dosierung kann zur Vasokonstriktion der zerebralen Gefäße führen [119]. Aufgrund der Öffnung der Bluthirnschranke könnte Dopamin in den perivaskulären Raum gelangen und eine Vasokonstriktion bewirken. Daher könnte Dopamin trotz Verbesserung des CPP durch Erhöhung des zerebrovaskulären Widerstandes die Mikrozirkulation verschlechtern. Dies würde zu einer verschlechterten Oxygenierung der perikontusionellen Penumbra und Vergrößerung der Kontusion führen. Ob die Vergrößerung des Kontusionsvolumens durch die CPP Erhöhung oder den möglichen vasokonstriktorischen Effekt von Dopamin bedingt ist kann mit dieser Studie nicht beantwortet werden. Diese möglichen negativen Effekte von Dopamin, eine Substanz die in der Klinik routinemäßig zur Anhebung des Blut- und zerebralen Perfusionsdruckes nach Schädel-Hirn-Trauma eingesetzt wird, wurden in der folgenden Studie untersucht (Kapitel 3.2.).

Der „sichere” CPP-Bereich in dieser Studie mit keiner Zunahme des Kontusionsvolumen lag zwischen 70 und 105 mm Hg. Sowohl die kurzzeitige Senkung des CPP unter 60 mm Hg als auch die Anhebung auf 120 mm Hg war [Seite 29↓]nachteilig. Wie verhält sich dieses Ergebnis zu klinischen Daten? Bei Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma führte die Senkung des CPP auf unter 70 mm Hg zur Erniedrigung der jugular-venöser Sauerstoffsättigung und eine Senkung auf 60 mm Hg zu einer Verminderung der Hirngewebe pO2 [120, 121]. In beiden Studien konnte auch gezeigt werden, dass eine Anhebung des CPP oberhalb des Schwellenwertes von 70 bzw. 60 mm Hg zu keiner Verbesserung dieser Parameter führt. Ein verbessertes Outcome wurde berichtet, wenn der CPP 70 mm Hg betrug oder sogar höher lag [10, 21, 122].

Schlussfolgerung

Unter diesen experimentellen Bedingungen lag der Bereich des CPP, welcher die Entwicklung des posttraumatischen Kontusionsvolumens nicht negativ beeinflusst, zwischen 70 und 105 mm Hg. Um den sekundären Hirnschaden zu minimieren, sollte daher der CPP nach traumatischem Hirnschaden, nicht unterhalb oder oberhalb dieser Schwellenwerte liegen. Wenn man diese Ergebnisse vorsichtig auf die klinische Situation überträgt, bedeutet dies, dass bei Schädel-Hirn-traumatisierten Patienten der CPP bei 70 mm Hg gehalten werden sollte. Eine weitere Anhebung des CPP ist nicht notwendig oder führt sogar zu einer Verschlechterung des klinischen Outcomes.


[Seite 30↓]

3.2.  Effekt von Dopamin auf posttraumatischen zerebralen Blutfluss, Hirnödem, und Glutamat- und Hypoxanthinspiegel im Liquor

Einführung

In vielen klinischen [50, 51, 53, 54] und experimentellen [56, 57, 59] Untersuchungen konnte ein verminderter CBF nach schwerem SHT nachgewiesen werden. Ein verminderter posttraumatischer CBF ist mit einem schlechten neurologischen Outcome verbunden [54, 70]. Das traumatisierte Gehirn reagiert sehr anfällig auf sekundäre ischämische Insulte [7, 113, 123, 124, 125]. Infolge dessen wird vermutet, dass eine inadäquate lokale und globale zerebrale Perfusion eine Ischämie und damit einen sekundären Hirnschaden verursacht. In der Klinik werden bei Patienten mit schwerem SHT häufig Vasopressoren, wie Dopamin oder Noradrenalin, zur Anhebung des CPP gegeben, um damit den CBF zu verbessern. Aufgrund der potentiellen vasokonstriktorischen Wirkung auf die zerebralen Gefäße [119, 126, 127] könnte jedoch der lokale CBF verschlechtert werden, trotz einer CPP-Anhebung. Bei nicht traumatisierten Hunden konnte gezeigt werden, dass die Infusion von 2-6 µg/kgKG/min Dopamin den CBF signifikant anhebt, während Dopamin in einer höheren Konzentration (7-20 µg/kgKG/min) den CBF signifikant erniedrigt [126, 127]. Diese biphasische Reaktion auf Dopamin konnte auch in pialen Arteriolen der Ratte nachgewiesen werden [119]. Desweiteren könnte eine Anhebung des Blutdruckes zu einer stärkeren posttraumatischen, vasogenen Ödementstehung führen. Durch das Ödem könnten die Gefäße komprimiert werden, wodurch wiederum der CBF vermindert wird und eine Ischämie zur Folge hätte [8, 13]. Traumatischer und ischämischer Hirnschaden führen zu typischen neurochemischen Veränderungen. Unter anderen kommt es zu einem deutlichen Anstieg der Glutamat- und Hypoxanthinkonzentrationen im extrazellulärem Raum und Liquor [128, 129, 130]. Unter diesen pathologischen Bedingungen ist Glutamat ein potentieller excitotoxischer Neurotransmitter, welcher zu einer Ionen-Störung, energetischen Verschlechterung, Zellschwellung und zum Zelltod führt [131]. Hypoxanthin ist ein Degradationsprodukt von Adenosintriphosphat und reflektiert eine energetische Beeinträchtigung [132].

Die Möglichkeit der Dopamin-induzierten zerebralen Vasokonstriktion sowie der vermehrten Ödembildung könnte den im vorherigen Experiment erhobenen Befund einer Kontusionszunahme bei Anhebung des CPP auf über 105 mm Hg erklären [Seite 31↓](Kapitel 3.1.). Deshalb wurde in dieser Untersuchung nach fokaler zerebraler Kontusion der Effekt von in zwei unterschiedlichen Konzentrationen infundiertem Dopamin auf den posttraumatischen CBF, die Hirnödem Entstehung und die Glutamat- und Hypoxanthinkonzentrationen im Liquor untersucht.

Material und Methoden

Tierpräparation und experimentelles Hirntrauma. 18 männliche Sprague-Dawley Ratten mit einem Gewicht zwischen 300 – 350 g wurden für die Versuche genutzt. Die Präparation und Traumatisierung der Tiere entsprach nahezu im Detail wie in Kapitel 3.1. dargestellt. Die spontan atmenden Ratten wurden mit einem Gasgemisch aus 1% Isofluran und N2O/ O2 in Verhältnis 2:1 über eine Maske anästhesiert. Die Körpertemperatur wurde über eine rektale Sonde überwacht und mit einem thermokontrollierten Heizkissen um die 37 °C gehalten. Der Kopf wurde in einen Stereotaxierahmen für Kleintiere (Stoelting, Wood Dale, IL) eingespannt. Nach Hautinzision wurde mit Hilfe eines Mikrobohrers und Operationsmikroskopes (Zeiss, Wetzlar, Germany) über der linken Hemisphäre trepaniert, von der Lambda bis 4 mm frontal der Sutura corona und hinunter zum Arcus zygomaticus. Die Dura wurde intakt gelassen. Der Cortex der Tiere wurde anschließend unter Anwendung des Modells der Controlled Cortical Impact Injury (CCII) links temporoparietal kontusioniert. Die Geschwindigkeit beim Aufschlag des Bolzens auf die Dura betrug 7 m/ s und die Eindringtiefe 1 mm. Nach der Kontusion wurde die Hautwunde geschlossen, die Narkose beendet und die Tiere zurück in ihren Käfig gebracht. Für die spätere Messung des zerebralen Blutflusses (CBF) und venöse Infusion wurden die Tiere erneut anästhesiert und ein Katheter in der linken Vena und Arteria femoralis platziert.

Messung des kortikalen CBF. Zur Messung des lokalen zerebralen Blutflusses (lCBF) wurde ein Laser Flow Blood Perfusion Monitor (Model DRT4, Moor Instruments, Devon, UK) verwendet. Die 0.8 mm durchmessende Nadelsonde wurde an einem Mikromanipulator befestigt und unter mikroskopischer Kontrolle in einem Abstand von weniger als 0.4 mm senkrecht zur Dura platziert. Während der lCBF-Messung wurde die Sonde über der traumatisierten Hemisphäre mit Hilfe des Mikromanipulators in 0.2 mm großen Abständen von kaudal nach kranial über eine 9 mm lange Strecke bewegt (Scanning). Dadurch wurde an 46 verschiedenen Stellen [Seite 32↓]der lCBF gemessen. Beginnend innerhalb der Kontusion wurde die Sonde bis 3 mm vor die Sutura corona bewegt mit dem Ziel den kortikalen CBF in dem direkt kontusionierten (18 lCBF Messpunkte), perikontusionierten (18 Messpunkte) und nicht kontusionierten Kortex (18 Messpunkte) zu messen. Die durchschnittliche Zeit für jeden Scan betrug 12 min. Der Median der 46 lCBF Messungen pro Tier wurde als regional CBF (rCBF) bezeichnet. Das LD-System hat einen reproduzierbaren niedrigen biologischen Nullwert [110], und mit der Technik des Scannings können Daten von individuellen Tieren und Regionen verglichen werden [110, 133, 134]. Aufgrund der fehlenden Kalibrierungsmöglichkeit wurden die gemessenen Flusswerte in Laser Doppler Einheiten (LDE) angegeben.

Experimentelle Gruppen und Studienprotokoll. Der CBF wurde in allen Tieren über der linken Hemisphäre vor Trauma gemessen. Vier Stunden nach kortikaler Kontusion wurde der CBF erneut gemessen. Danach (4.5 h nach Trauma) erhielten die Ratten über einen Zeitraum von 3 Stunden entweder physiologische Kochsalzlösung (n = 6), Dopamin in einer Dosierung von 10-12 µg/kgKG/min (n = 6), oder Dopamin in einer Dosierung von 40-50 µg/kgKG/min (n = 6). Die Flussrate vom Dopamin (5-15 µl/min) wurde so angepasst, dass der mittlere arterielle Blutdruck (MAD) auf 120 mm Hg in der 40-50 µg/kgKG/min Dopamin Gruppe angehoben wurde und in der 10-12 µg/kgKG/min Gruppe unbeeinflusst blieb. Die Verdünnung in der 10-12 µg/kgKG/min Dopamin Gruppe war im Vergleich zur 40-50 µg/kgKG/min Dopamin Gruppe vier mal höher. Dadurch erhielten beide Gruppen dieselbe Menge von Flüssigkeit. Der kortikale CBF wurde zu folgenden Zeitpunkten gemessen: 30 min nach Beginn der Infusion (5 h nach Trauma), und erneut nach 60 und 120 min (6 und 7 h nach Trauma). Dreißig Minuten nach Beendigung der Infusion (7.5 h nach Trauma) wurde eine abschließende CBF-Messung durchgeführt (8 h nach Trauma).

Während der gesamten Studiendauer wurde der arterielle Blutdruck kontinuierlich aufgezeichnet. Die arterielle Blutgasanalyse erfolgte nach jeder CBF-Messung. Nach der letzten CBF-Messung wurde Liquor gewonnen und die Hirne wurden entnommen zur Bestimmung von Hemisphärenschwellung und Wassergehalt (Abb. 3.9).


[Seite 33↓]

Abb. 3.9: Darstellung eines Gehirns entnommen 8 h nach Kontusionierung der linken Hemisphäre mittels Controlled Cortical Impact Injury.

Quantifizierung von Hemisphärenschwellung und Wassergehalt. Zur Quantifizierung des posttraumatischen Hirnödems wurden die Hemisphärenschwellung sowie der Wassergehalt der Hemisphären bestimmt. Hierfür wurden die Großhirnhemisphären vom Kleinhirn und der Medulla oblongata abgetrennt. Anschließend wurden mit Hilfe einer Rasierklinge und eines Operationsmikroskopes die Hemisphären exakt in der anatomischen Mittellinie getrennt. Die Hemisphären wurden gewogen und die Feuchtgewichte (FGli, FGre) bestimmt. Nach Trocknen der Hirnhälften über 24 Stunden bei 100°C wurden die Hemisphären erneut gewogen, um damit die Trockengewichte (TGli, TGre) zu messen. Aus diesen Werten konnten mit den folgenden Formeln Hirnschwellung und Wassergehalt des Hirngewebes berechnet werden:

Schwellung (%) = [(FG li -FG re )/FG re ] x 100

(1)

Wassergehalt li/re (%) = [(FG li/re -TG li/re )/FG li/re ] x 100

(2)


[Seite 34↓]

Gewinnung der Liquorproben: Vor Hirnentnahme wurde zur Gewinnung von Liquor die Cisterna atlantooccipitalis punktiert. Dabei wurden nur blutfreie Proben zur Bestimmung der Glutamat- und Hypoxanthinkonzentrationen verwendet. Glutamat und Hypoxanthin wurden mit High-Performance Liquid Chromatography analisiert, wie bereits beschrieben [130]. Glutamat wurde im Liquor mittels Ortho-Phthaldialdehyd Vorsäulenchromatisierung, Fluoreszenzdetektion und Gradient Eluierung gemessen. Hypoxanthin wurde isokratisch durch Ultraviolett-Detektion analysiert.

Statistische Analyse. Alle Daten wurden auf Normalverteilung getestet und als Mittelwerte ± Standardfehler der Mittelwerte (SEM) angegeben. Der regionale CBF errechnet sich aus den individuellen Medianen der 46 lokalen CBF-Messungen jedes einzelnen Tieres. Veränderungen über die Zeit wurden auf statistische Signifikanz analysiert unter Anwendung der einseitigen Varianzanalyse für wiederholte Messungen (One Way Repeated Measures Analysis of Variance according to Turkey). Daten wurden zwischen den Gruppen verglichen unter Anwendung der einseitigen Varianzanalyse für multiple paarweise Vergleiche (One Way Analysis of Variance for multiple comparison according to Turkey). Die statistische Auswertung erfolgte mit dem Statistikprogramm SIGMA-STAT (Jandel Scientific, San Rafael, CA, USA). Unterschiede wurden ab einer Irrtumswahrscheinlichkeit von weniger als 5% als signifikant betrachtet.

Die Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit Herrn Dr. Stover (Mikrodialyse und CBF-Messung) durchgeführt (Klinik der Neurochirurgie der Charité).

Ergebnisse

Physiologische Parameter. Die physiologischen Parameter zeigten keinen signifikanten Unterschied in der arteriellen Blutgasanalyse (pH, pCO2, pO2) oder Temperatur zwischen den verschiedenen Blutdruck-Gruppen und Zeitpunkten (Tabelle 3.2).

Kortikaler CBF. Der vor Trauma über der linken Hemisphäre gemessene kortikale rCBF war in allen drei Gruppen ähnlich (Abb. 3.10A). Vier Stunden nach Trauma [Seite 35↓]kam es im Vergleich zu den vor Trauma gemessenen Werten zu einem signifikanten Abfall des CBF in allen Gruppen. Zwischen den CBF der Gruppen zeigte sich

Tab. 3.2: Ergebnisse der arteriellen Blutgasanalyse entnommen vor und zu den verschiedenen Zeitpunkten nach kortikalem Trauma*

 

0.9% NaCl

10-12 µg/kgKG/min

40-50 µg/kgKG/min

  

Dopamin

Dopamin

Zeitpunkte

pH

pCO2

pO2

pH

pCO2

pO2

pH

pCO2

pO2

  

[mm Hg]

[mm Hg]

 

[mm Hg]

[mm Hg]

 

[mm Hg]

[mm Hg]

Vor

7.44

38.1

180

7.44

37.7

186

7.44

38.5

180

CCII

± 0.01

± 1.1

± 7

± 0.01

± 1.4

± 5

± 0.02

± 2.0

± 15

          

4 h nach

7.43

37.8

192

7.44

37.7

189

7.44

38.5

162

CCII

± 0.01

± 2.3

± 44

± 0.02

± 1.5

± 7

± 0.01

± 0.8

± 16

          

5 h nach

7.43

42.4

188

7.41

38.8

165

7.41

42.4

175

CCII

± 0.02

± 2.1

± 27

± 0.03

± 2.1

± 17

± 0.02

± 3.1

± 20

          

6 h nach

7.43

41.3

175

7.42

40.0

160

7.42

39.9

152

CCII

± 0.02

± 2.4

± 30

± 0.02

± 3.7

± 10

± 0.01

± 1.9

± 19

          

7 h nach

7.43

38.9

158

7.43

41.5

161

7.44

38.3

145

CCII

± 0.02

± 1.7

± 23

± 0.01

± 1.9

± 13

± 0.02

± 2.9

± 20

*Zwischen den verschiedenen Gruppen und Zeitpunkten bestand kein statistisch signifikanter Unterschied.

weiterhin kein signifikanter Unterschied. Während der 3 stündigen Infusionsdauer mit physiologischer Kochsalzlösung und 10-12 µg/kgKG/min Dopamin blieben der arterielle Blutdruck und rCBF unverändert. Zwischen beiden Gruppen bestand kein Unterschied (p < 0.05). Im Gegensatz dazu bewirkte die Infusion von 40-50 µg/kgKG/min Dopamin die Anhebung des MAD auf 120 mm Hg während der gesamten Infusionsdauer. Parallel zu der MAD-Anhebung erhöhte sich der kortikale rCBF um 35% (p < 0.05). Nach Beendigung der Infusion blieben der MAD und rCBF in der Kontroll- und 10-12 µg/kgKG/min Dopamin-Gruppe unverändert. In der 40-50 µg/kgKG/min Dopamin-Gruppe kam es zu einem signifikanten Abfall des MAD und rCBF auf die vor Infusion gemessen Werte (Abb. 3.10A). Zu diesem Zeitpunkt bestand zwischen den 3 Gruppen kein Unterschied hinsichtlich MAD und rCBF (p > 0.05). Die durch das Trauma und die Dopamininfusion hervorgerufenen CBF Veränderungen betrafen vorwiegend den kontusionierten und perikontusionierten Kortex (Abb. 3.10B). Im nicht kontusionierten Kortex (d.h. dem vor der Koronarnaht gelegenem Kortex) zeigte sich zwar ähnliche jedoch nicht signifikante Veränderungen (Abb. 3.10B).


[Seite 36↓]

Abb. 3.10: Zeitliche Verlauf des mittleren arteriellen Blutdruckes (MAD; 0.9% NaCl: weiße Kreise, 10-12 µg/kgKG/min Dopamin: graue Kreise, 40-50 µg/kgKG/min Dopamin: schwarze Kreise) und des regionalen CBF (rCBF; 0.9% NaCl: weiße Dreiecke, 10-12 µg/kgKG/min Dopamin: graue Dreiecke, 40-50 µg/kgKG/min Dopamin: schwarze Dreiecke). Der rCBF wurde mittels Laser Doppler Scanning über der traumatisierten Hemisphäre gemessen. Die Daten sind als Mittelwert ± SEM dargestellt. A: Gemittelte über der gesamten traumatisierten Hemisphäre gemessene CBF. Infusion von 40-50 µg/kgKG/min Dopamin führt zu einer signifikanten Erhöhung des MAD und posttraumatischen rCBF (*p < 0.05 vs rCBF 4 h nach Trauma). B: Gemittelte nur über dem nicht kontusioniertem Gewebe, d.h. vor der Koronarnaht, gemessene CBF. Weder das Trauma noch die Dopamininfusion führten zu einer signifikanten Veränderung des CBF in den verschiedenen Gruppen.


[Seite 37↓]

Hemisphärenschwellung und Wassergehalt. Zwischen den drei Gruppen fand sich kein signifikanter Unterschied in der posttraumatischen Hemisphärenschwellung (Abb. 3.11A). Der Wassergehalt war in der traumatisierten Hemisphäre in allen drei Gruppen signifikant erhöht im Vergleich zur nicht traumatisierten Hemisphäre (Abb. 3.11B). Der posttraumatische Wassergehalt zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen den Gruppen. Jedoch fand sich wie bei der Hemisphärenschwellung eine Tendenz zu höheren Werten in der 40-50 µg/kgKG/min Dopamin-Gruppe.

Abb. 3.11: Posttraumatische Hemisphärenschwellung (A) und Wassergehalt (B) 8 Stunden nach Controlled Cortical Impact. Weder Hemisphärenschwellung noch Wassergehalt in der traumatisierten Hemisphäre unterschieden sich signifikant zwischen den Gruppen.


[Seite 38↓]

Glutamat und Hypoxanthin im Liquor. Nach CCII kam es zu einem signifikanten Anstieg der Glutamatspiegel in allen drei Gruppen (Tabelle 3.3). Ein signifikanter Unterschied zwischen den Gruppen bestand jedoch nicht. Auch der Hypoxanthin Spiegel wurde durch das Trauma signifikant in allen drei Gruppen erhöht (Tab 3.3). Ebenfalls fand sich kein signifikanter Unterschied zwischen den Gruppen.

Tab. 3.3: Veränderung der Glutamat- und Hypoxanthinkonzentrationen im Liquor in nicht traumatisierten und traumatisierten Ratten nach Infusion von 0.9% NaCl, 10-12 µg/kgKG/min Dopamin oder 40-50 µg/kgKG/min Dopamin

 

nicht-traumatisierte

0.9% NaCl

Dopamin (n=6)

Dopamin (n=6)

 

Ratten (n=5)a

(n=6)

10-12 μg/kgKG/min

40-50 μg/kgKG/min

Glutamat [μM]

4.8 ± 0.3

10.5 ± 1.8*

10.6 ± 1.9*

10.9 ± 1.0*

Hypoxanthin [μM]

2.7 ± 0.2

7.4 ± 0.6*

7.5 ± 0.7*

7.7 ± 0.8*

aJF Stover, nicht publizierte Daten
bp < 0.05. Nach Controlled Cortical Impact Injury kam es zu einer signifikanten Erhöhung der Glutamat- und Hypoxanthinkonzentrationen

Diskussion

Nach Controlled Cortical Impact ist die kortikale Perfusion innerhalb von Minuten nach Trauma deutlich reduziert und bleibt während der nächsten 24 Stunden erniedrigt [64, 67]. In Abhängigkeit vom Schweregrad des Traumas kann es auch zu einer Verminderung des CBF in subkortikalen Regionen kommen sowie in der kontralateralen Hemisphäre [57, 67]. Unter den Bedingungen einer isolierten Hirntraumatisierung, kardiovaskulärer und hämodynamischer Stabilität und normaler Blutgaswerte werden als Ursachen für einen verminderten posttraumatischen CBF lokale pathologische Veränderungen angesehen (Kapitel 2.3.). Als Mechanismen werden eine direkte Trauma-induzierte, zerebrovaskuläre Schädigung mit Zerstörung der Gefäße und Mikrothrombosierung sowie eine Hirnödementstehung mit Kompression der zerebralen Mikrozirkulation diskutiert [8, 13, 135]. Als weitere mögliche lokale Ursachen der posttraumatischen Hypoperfusion kommen eine [Seite 39↓]verminderte Nitridoxid Produktion oder eine verminderte Freisetzung von Endothelin-1 in Betracht [39, 136, 137].

In Übereinstimmung mit anderen Untersuchungen wurde der posttraumatische CBF in dieser Untersuchung um 46% reduziert [67, 135, 138, 139]. In autographischen Analysen konnte gezeigt werden, dass der kortikale CBF nach CCII auf Flusswerte unterhalb der Ischämiegrenze von 20 ml/100g/min reduziert wurde [57]. Jedoch war die Verminderung des kortikalen CBF in dieser Untersuchung hauptsächlich in der und unmittelbar um die Kontusion zu finden, ohne sich während der Infusionsdauer auszubreiten und weiter entfernte Areale zu betreffen. Ähnliche Ergebnisse konnten Cherian et al. [67] zeigen. Der über der nicht traumatisierten Hemisphäre mittels Laser Doppler gemessene CBF blieb nach Trauma unverändert.

In dieser Studie führte die Infusion von 40-50 µg/kgKG/min Dopamin zu einer Verminderung der posttraumatischen Hypoperfusion, während 10-12 µg/kgKG/min Dopamin und 0.9% NaCl den CBF unverändert ließen. Um den Blutdruck auf 120 mm Hg anzuheben und zu halten musste Dopamin in der entsprechenden Dosierung infundiert werden. Im Gegensatz zum Menschen haben Ratten einen deutlich höheren metabolischen Turnover von Katecholaminen im Blut und benötigen daher zur Blutdruckanhebung eine wesentlich höhere Dosierung. Aufgrund der Spezies bedingten Unterschiede, können daher die gegebenen Dopamindosierungen nicht als äquivalent zur klinischen Situation gesehen werden. Es bleibt zu klären, ob Dopamin nach traumatischer Hirnschädigung an den zerebralen Gefäßen direkt wirkt, da wir weder einen vasodilatorischen Effekt unter 10-12 µg/kgKG/min Dopamin noch einen vasokonstriktorischen Effekt unter 40-50 µg/kgKG/min Dopamin beobachteten, wie in nicht traumatisierten Tieren beschrieben [119, 126, 127]. In den Tieren mit 40-50 µg/kgKG/min Dopamin behandelten Tieren wurde der CBF in der und um die Kontusion passiv parallel zur Blutdruckanhebung erhöht. Daher ist von einer Störung der Autoregulation auszugehen, da der MAD innerhalb des Bereiches der Autoregulation (50-150 mm Hg) lag [46]. In dem von der Kontusion entfernten Kortex scheint die Autoregulation erhalten zu sein, da die Anhebung des Blutdruckes die kortikale Perfusion nicht veränderte.

Um Messartefakte zu vermeiden, wurde in dieser Untersuchung der ICP nicht gemessen, da die Platzierung der ICP-Sonde im Hirngewebe zu einer Erhöhung der Glutamat- und Hypoxanthinwerte im Liquor führen kann (Stover, nicht publizierte [Seite 40↓]Daten). Jedoch konnten wir in einer früheren Untersuchung zeigen (Kapitel 3.1.), dass die Anhebung des MAD von 90 auf 120 mm Hg zu keiner signifikanten ICP Erhöhung führt [107]. Dieser lag während der Infusionsdauer bei 13 mm Hg. Basierend auf diesem ICP-Wert, lag der CPP in dieser Studie bei über 70 mm Hg. Nach CCI ist ein CPP von über 70 mm Hg notwendig, um den sekundären Hirnschaden zu minimieren [107].

Veränderungen in der Konzentration neurochemischer Substanzen im zerebralen Extrazellulärraum und Liquor reflektieren sowohl unter experimentellen als auch klinischen Bedingungen einen Zellschaden [112, 129, 130, 140]. Nach Schädel-Hirn-Trauma kommt es zu einem Anstieg der Glutamat- und Hypoxanthinkonzentrationen [128, 129, 130, 140], wie auch in dieser Studie gezeigt werden konnte. Während Glutamat den excitotoxischen Zellschaden reflektiert [131], ist Hypoxanthin ein Marker für exzessive Degradation von Adenosintriphosphat und Beeinträchtigung des Energiestoffwechsels [132]. Ischämische Episoden, welche zu einer sekundären posttraumatischen Verschlechterung beitragen, bewirken einen weiteren Anstieg der Glutamat- und Hypoxanthinkonzentrationen [141, 142, 143]. Daher sollte die Verbesserung des posttraumatischen CBF sich in einer Erniedrigung der Glutamat- und Hypoxanthinkonzentrationen im Liquor widerspiegeln. Dieses konnte jedoch in der gegenwärtigen Untersuchung nicht gezeigt werden. Es bleibt unklar, ob die Glutamat- und Hypoxanthinbestimmung im Liquor 30 Minuten nach Beendigung der Dopamininfusion geeignet ist, um die erwarteten zeitlichen und räumlichen Veränderungen innerhalb des Hirngewebes zu reflektieren. Zur Erkennung lokaler Veränderungen wäre die Analyse der Konzentrationen mit Hilfe der Mikrodialyse wahrscheinlich besser geeignet.

Die Verbesserung des CBF nach Hirntrauma durch Blutdruckanhebung bewirkte auch keine Verminderung der Hirnschwellung, es kam eher zu einer stärkeren Ödementwicklung. Als Erklärung hierfür kommen flussunabhängige Veränderungen in Betracht, wie zum Beispiel die Freisetzung und Akkumulation von zytotoxischen Mediatorsubstanzen, wie freie Radikale oder Glutamat. Nach CCII kommt es zu einer schnellen Schädigung der Blut-Hirn-Schranke mit einem Maximum zwischen 4 und 6 Stunden [144]. Da Dopamin 4.5 bis 7.5 Stunden nach Trauma i.v. gegeben wurde, besteht die Möglichkeit, dass Dopamin in das traumatisierte Gewebe gelangte und dort sowohl lokale neurotoxische als auch neuroprotektive Effekte hatte. Unter in vitro [Seite 41↓]Bedingungen verminderte Dopamin in niedriger Dosierung (< 30µM) die durch freie Radikale vermittelte Neurotoxizität, wohingegen in höherer Dosierung (> 100 µM) der neuronale Zelltod induziert wurde [145]. Es bleibt zu klären, ob eine ähnliche Dichotomie auch unter in vivo Bedingungen beobachtet werden kann, unter welchen es zu einem schnelleren Abbau von Dopamin kommt [146]. Die Analyse der extrazellulären Dopaminkonzentration könnte zur Beantwortung dieser Frage von Nutzen sein.

Schlussfolgerung

Für eine Dopamin-induzierte zerebrale Vasokonstriktion nach Controlled Cortical Impact gibt es keinen Anhalt, da der über der traumatisierten Hemisphäre gemessenen zerebrale Blutfluss nicht erniedrigt wurde. Im Gegenteil, der posttraumatische CBF wurde parallel zur Dopamin-induzierten Blutdruckerhöhung innerhalb und um die Kontusion angehoben. Jedoch bewirkte die CPP Anhebung auf über 70 mm Hg keine Reduzierung der Hirnschwellung oder Verminderung der Glutamat- oder Hypoxanthinspiegel im Liquor. Aufgrund der potentiellen Nebeneffekte von Katecholaminen ergibt sich die Frage, ob eine posttraumatische Blutdruckerhöhung mit unterschiedlichen Katecholaminen einen unterschiedlichen Effekt auf den zerebralen Blutfluss oder das Outcome hat.


[Seite 42↓]

3.3.  Vergleich des Effektes von Dopamin und Noradrenalin auf posttraumatischen zerebralen Blutfluss, EEG-Aktivität, extrazellulären Glutamatspiegel und Hirnödem

Einführung

In der akuten Phase nach Schädel-Hirn-Trauma ist die zerebrale Perfusion signifikant vermindert [56, 57, 65]. Deshalb kommen bei Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma häufig Vasopressoren, wie Dopamin und Noradrenalin, zum Einsatz mit dem Ziel, den CPP anzuheben und damit die zerebrale Perfusion zu verbessern. In experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass Katecholamine die zerebrale Perfusion verbessern, ohne jedoch dabei den Sekundärschaden zu minimieren oder das Outcome zu verbessern [65, 90, 147] (Kapitel 3.2.). Diese Diskrepanz zwischen einerseits Verbesserung der zerebralen Perfusion und andererseits fehlender Verbesserung struktureller oder funktioneller Defizite während der akuten und subakuten Phase nach traumatischem Hirnschaden könnte durch Nebeneffekte dieser Vasopressoren bedingt sein (Kapitel 3.2.). In nicht-traumatisierten Tieren zeigte sich nach Gabe von Katecholaminen eine zerebrale Vasokonstriktion mit Verminderung des CBF trotz CPP Erhöhung [119, 148]. Zusätzlich zu der möglichen Katecholamin-bedingten Vasokonstriktion kann die Entstehung des Sekundärschadens auch durch vermehrte vasogene Ödembildung aufgrund der Hypertension [149], erhöhten Metabolismus, reflektiert durch den gesteigerten zerebralen Sauerstoffverbrauch [150], und neuronale Aktivierung [151] beeinflusst werden. Die in der Frühphase nach fokaler kortikaler Kontusion auftretende Störung der Blut-Hirn-Schranke [144] erleichtert den Übertritt von Plasma und dessen potentiell toxischen Inhalten wie z.B. Glutamat [152], welcher durch die katecholaminbedingte Anhebung des Blut- und Perfusionsdruckes noch gefördert wird.

Nach Schädel-Hirn-Trauma überschreitet die gesteigerte neuronale Erregung ihre autoregulatorische Hemmung. In Bezug auf dieses wird die exzessive Freisetzung von dem excitotoxischem Transmitter Glutamat nicht effektiv ausgeglichen durch unterdrückte monoaminerge Transmission [153], reflektiert durch chronisch verminderte Noradrenalin- und Dopaminfreisetzung [98, 154] und verminderte Anzahl von α1-adrenergen Rezeptoren [155]. Die funktionelle Bedeutung des monoaminergen Systems konnte in verschiedenen Studien gezeigt werden. Lokale [Seite 43↓]Infusion von Noradrenalin [156], erhöhte Produktion von Noradrenalin [157] und spezifische Aktivierung der monoaminergen Transmission resultiert in einer lang anhaltenden posttraumatischen Verbesserung der neurologischen Erholung [158]. Hemmung der α1- und Aktivierung der α2-adrenergen Rezeptoren andererseits verringert die Erholung und bewirkt sogar das erneute Auftreten von den neurologischen Defiziten bis zu 12 Monaten nach experimentellem Hirntrauma [159, 160]. Unabhängig von nützlichen Effekten der Stimulation des monoaminergen Systems kann die in nicht-traumatisierten Tieren beschriebene Steigerung in der elektroenzephalographischen Aktivität [151, 161] den vorbestehenden Gewebeschaden noch verstärken.

Trotz der generellen Anwendung in der klinischen Routine, wurden potentiell schädliche akute Effekte in Zusammenhang mit der kontinuierlichen Infusion der Katecholamine Noradrenalin und Dopamin (Kapitel 3.2.) in der Frühphase nach Schädel-Hirn-Trauma nicht eingehend untersucht.

Material und Methoden

Tierpräparation und experimentelles Hirntrauma. 30 männliche Sprague-Dawley Ratten (300 – 350 g) wurden für die Versuche genutzt. Die Narkose, Präparation und Traumatisierung der Tiere entsprach im Detail wie in Kapitel 3.2. beschrieben. Die Geschwindigkeit beim Aufschlag des Bolzens auf die Dura betrug 7 m/ s und die Eindringtiefe 1 mm. Nach der Kontusion wurde die Hautwunde geschlossen, die Narkose beendet und die Tiere zurück in ihren Käfig gebracht. Für die spätere Messung des zerebralen Blutflusses (CBF), intrakraniellen Druckes (ICP) und der elektrischen neuronalen Aktivität, wurden die Tiere erneut anästhesiert und Katheter in die linke Vena und Arteria femoralis platziert.

Messung des kortikalen CBF. Die Messung des lokalen kortikalen Blutflusses (lCBF) mittels Laser Doppler Scanning erfolgte exakt wie unter Kapitel 3.2. beschrieben. Der lCBF wurde an 46 verschiedenen Stellen gemessen. Der Median der 46 lCBF Messungen pro Tier wurde als regional CBF (rCBF) bezeichnet. Zusätzlich wurden die lCBF Daten von allen Tieren einer Gruppe zur Berechnung von Häufigkeitshistogrammen verwendet. Die Messwerte wurden dabei den entsprechenden Flussklassen mit einer Klassenweite von 20 LD-Einheiten und einer [Seite 44↓]Skala von 0 bis 600 LD-Einheiten zugeteilt. Anschließend wurden die Werte mathematisch auf 100% normalisiert und in Häufigkeitshistogrammen dargestellt.

Messung des Intrakraniellen Druckes. Ein 2 mm durchmessendes Loch wurde 1 mm vor der Koronarnaht und 3 mm rechts parasagittal gebohrt. Über dieses Loch wurde eine an einem Mikromanipulator befestigte ICP Sonde (Codman, Johnson & Johnson Medical Ltd., Berkshire, United Kindom) ungefähr 5 mm tief in die Hemisphäre eingebracht. Unter Berücksichtigung der Koordinaten wird der Ventrikel mit der Sonde nicht penetriert und somit der Verlust von Liquor verhindert.

Mikrodialyse. Mikrodialyse (MD) Katheter (CMA 12, Solna, Schweden) mit einer Membranlänge von 2 mm und Porengröße < 20 kD wurden stereotaktisch in den perikontusionellen Kortex in eine Tiefe von 2 mm eingeführt. Hierbei wurden stets die gleichen Koordinaten des stereotaktischen Halters in Bezug auf das Bregma und die Sagittalnaht verwendet (perikontusioneller Kortex: - 8 mm, - 3 mm). Nach Insertion wurden die MD Katheter mit künstlichem Liquor (147 mM Na+, 1.3 mM Ca++, 1.3 mM Mg++, 155 mM Cl-) (CMA, Solna, Schweden) und einer konstanten Flussrate (2 µl/ min) unter Einsatz einer Mikroperfusionspumpe (Harvard Apparatus, USA) perfundiert. Das Prinzip der Mikrodialysetechnik beruht auf Diffusionsprozessen entlang einer kontinuierlich gespülten semipermeablen Membran. Da die Spüllösung frei von den zu untersuchenden Substanzen ist, diffundieren diese entlang eines Konzentrationsgradienten aus dem Extrazellulärraum durch die Dialysemembran. Der kontinuierliche Abtransport des so gewonnen Dialysats über die Ausstrombahn des Mikrodialysekatheters erzeugt einen Gradienten, welcher eine fortlaufende Bestimmung der zu untersuchenden Substanzen erlaubt. Das während der ersten 30 Minuten nach Insertion der MD Katheter gewonnene Dialysat wurde verworfen. Die eigentliche Beurteilung des extrazellulären Glutamat erfolgte anhand des in den nachfolgenden 30 Minuten gewonnen Dialysats. Hierbei wurde Glutamat photometrisch bei einer Wellenlänge von 546 nm nach enzymatischer Umwandlung durch die Glutamat-, Laktat- und Glukose-Oxidase mit dem CMA 600 Analysator (CMA, Solna, Schweden) bestimmt und durch die vor und nach jedem Experiment errechnete in vitro Wiederfindungsrate korrigiert.

Messung der elektrischen kortikalen Aktivität. Die EEG-Aktivität wurde mittels einkanaliger Oberflächenableitung bestimmt. Hierzu wurde je eine kommerziell erwerbliche Silberchlorid-Elektrode links frontal und rechts parietal auf den frei [Seite 45↓]präparierten Schädelknochen gelegt und mittels Holzstäbchen fixiert, während eine am Schwanz befestigte Elektrode als Referenzelektrode diente. Die verstärkten Signale wurden mit einem 50 Hz Filter gefiltert und einer Frequenz von 32 Hz aufgezeichnet (Verstärker und Software: Hugo Sachs Electronics). Zur Quantifizierung der EEG-Aktivität wurde nach automatischer Artefakteliminierung die spektrale Aktivität mittels Fast Fourrier Transformation bestimmt [162]. Die spektrale Aktivität wurde ausgewertet für das Delta-, Theta- und Alpha-Band (1-3 Hz, 4-7 Hz und 8-15 Hz) und in µV2 angegeben..

Quantifizierung von Hemisphärenschwellung und Wassergehalt. Zur Quantifizierung des posttraumatischen Hirnödems wurden die Hemisphärenschwellung sowie der Wassergehalt der Hemisphären wie im Kapitel 3.2. unter Material und Methoden beschrieben bestimmt.

Experimentelle Gruppen und Studienprotokoll. In der ersten Serie wurde der CBF in allen Tieren über der linken Hemisphäre vor Trauma gemessen. Vier Stunden nach kortikaler Kontusion wurde der CBF erneut gemessen. 30 Minuten später erhielten die Ratten entweder physiologische Kochsalzlösung (n = 8), 1-2 µg/kgKG/min Noradrenalin (n = 6), oder 40-50 µg/kgKG/min Dopamin (n = 6) mit dem Ziel den mittleren arteriellen Blutdruck (MAD) auf 120 mm Hg über einen Zeitraum von 90 Minuten anzuheben. Der kortikale CBF wurde wiederholt während der Infusionsphase gemessen, d.h. 30, 60 und 90 Minuten nach Infusionsbeginn. 30 Minuten nach Beendigung der Infusion wurde eine abschließende CBF-Messung durchgeführt. Der MAD und ICP wurde kontinuierlich vor, während und nach der Infusionsphase gemessen. Die arterielle Blutgasanalyse erfolgte nach jeder CBF-Messung. Nach 8 Stunden wurden die Hirne zur Bestimmung von Hemisphärenschwellung und Wassergehalt entnommen. In einer zweiten Serie wurde unter Anwendung des gleichen Studienprotokolls zusätzlich die elektrische kortikale Aktivität und das extrazellulären Glutamat vor, während und nach Infusion von Katecholaminen gemessen (Noradrenalin: n = 5 und Dopamin: n = 5).

Statistische Analyse. Die Daten der Blutgasanalyse, des MAD, ICP, regionalen CBF und Hirnödems wurden als Mittelwerte ± Standabweichung der Mittelwerte (SD) angegeben. Aus den wie oben beschriebenen errechneten CBF-Häufigkeitshistogrammen (nicht normalverteilt) wurden die lCBF Daten für jeden [Seite 46↓]Zeitpunkt zusätzlich in Form von Box Plots dargestellt. Veränderungen der Blutgasanalyse, des MAD, ICP und regionalen CBF über die Zeit wurden auf statistische Signifikanz unter Anwendung der einseitigen Varianzanalyse für wiederholte Messungen analysiert (One Way Repeated Measures Analysis of Variance according to Turkey). Die normalverteilten Daten zwischen den Gruppen wurden unter Anwendung der einseitigen Varianzanalyse für multiple paarweise Vergleiche (One Way Analysis of Variance for multiple comparison according to Turkey) verglichen. Der Vergleich der lCBF Box Plot Daten zwischen den Gruppen erfolgte unter Anwendung des Mann-Whitney Rang Summen Test. EEG-Messungen zu den verschiedenen Zeitpunkten wurden unter Anwendung der Varianzanalyse für wiederholte Messungen für die Variablen ”Alpha”, ”Theta” und ”Delta” mit dem Faktor Therapie verglichen (Noradrenalin vs Dopamin). Die statistische Auswertung erfolgte mit dem Statistikprogramm SIGMA-STAT (Jandel Scientific, San Rafael, CA, USA). Unterschiede wurden ab einer Irrtumswahrscheinlichkeit von weniger als 5% als signifikant betrachtet.

Die Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit Herrn Dr. Stover (CBF-Messung und Mikrodialyse) und Herrn Dr. Sakowitz (EEG-Aufzeichnung und -Auswertung) durchgeführt (Klinik der Neurochirurgie der Charité).

Ergebnisse

Physiologische Parameter. Die arterielle Blutgasanalyse (pH, pCO2, pO2) zeigt im zeitlichen Verlauf und zwischen den Gruppen keine signifikanten Unterschiede (Tabelle 3.4). Anhebung des Blutdruckes auf 120 mm Hg unter Infusion mit Dopamin und Noradrenalin führt zu einem signifikanten CPP Anstieg. Es kommt jedoch zu keiner signifikanten ICP Veränderung (Tabelle 3.5).


[Seite 47↓]

Tab. 3.4: Ergebnisse der arteriellen Blutgasanalyse entnommen vor und zu den verschiedenen Zeitpunkten nach kortikalem Trauma*

 

0.9 % NaCl

Noradrenalin

Dopamin

Zeitpunkte

pH

pCO2

pO2

pH

PCO2

pO2

pH

pCO2

pO2

  

[mm Hg]

[mm Hg]

 

[mm Hg]

[mm Hg]

 

[mm Hg]

[mm Hg]

Vor

7.42

37.8

181

7.44

38.1

184

7.43

38.4

179

CCI

± 0.03

± 3.3

± 18

± 0.03

± 4.2

± 12

± 0.03

± 5.4

± 42

          

Vor

7.43

38.9

190

7.42

37.9

188

7.43

39.1

168

Infusion

± 0.03

± 6.6

± 90

± 0.06

± 4.5

± 21

± 0.03

± 2.1

± 42

          

Während

7.43

42.2

187

7.43

38.9

175

7.42

42.2

178

Infusion

± 0.06

± 6.0

± 75

± 0.09

± 6.3

± 60

± 0.06

± 8.7

± 57

          

Nach

7.41

39.3

175

7.42

40.1

160

7.42

39.8

157

Infusion

± 0.06

± 5.4

± 45

± 0.06

± 5.1

± 30

± 0.03

± 5.1

± 51

*Zwischen den verschiedenen Gruppen und Zeitpunkten bestand kein statistisch signifikanter Unterschied.

Zerebraler Blutfluss. Vor Trauma war der rCBF in allen untersuchten Ratten ähnlich (0.9% NaCl: 127 ± 36 LDE, Noradrenalin: 126 ± 23 LDE, Dopamin 120 ± 26 LDE, Tabelle 3.6). Der rCBF war 4 Stunden nach Trauma im Vergleich zu den prä-Trauma Werten in allen Ratten signifikant vermindert (0.9% NaCl: 68 ± 17 LDE, Noradrenalin: 76 ± 40 LDE, Dopamin: 72 ± 23 LDE, Tabelle 3.6). Weder im rCBF noch im CPP bestand zwischen den Gruppen ein signifikanter Unterschied (Tabelle 3.5 u. 3.6). Während der 90 minütigen Infusionsdauer mit physiologischer Kochsalzlösung kam es im MAD und rCBF (Mittelwert: 70 ± 9 LDE) zu keiner Veränderung. In der Noradrenalin- und Dopamin-Gruppe stieg während der gesamten Infusionsdauer der MAD auf 120 mm Hg und der CPP auf ungefähr 110 mm Hg an (Tabelle 3.5). Parallel zu dem CPP Anstieg kam es zu einer signifikanten Erhöhung im rCBF (Noradrenalin: 129 ± 36 LDE [Mittelwert] und Dopamin: 99 ± 17 LDE [Mittelwert]). Der rCBF Anstieg war signifikant höher unter Noradrenalin (p < 0.05, Abb. 3.12C). Nach Beendigung der Infusion fiel der MAD und rCBF (67 ± 23 LDE) signifikant in der Dopamin-Gruppe auf die vor der Infusion gemessenen Werte. In der Noradrenalin-Gruppe jedoch blieb der rCBF (109 ± 59 LDE) erhöht (Tabelle 3.6, Abb. 3.12D).


[Seite 48↓]

Tab. 3.5: Ergebnisse der Messung des mittleren arteriellen Blutdruckes (MAD) und intrakraniellen Druckes (ICP) bestimmt vor Controlled Cortical Impact (CCI, hier nur MAD) und vor, während und nach Infusion. Der zerebrale Perfusionsdruck wurde errechnet (CPP = MAD – ICP). Die Ergebnisse sind als Mittelwert ± SD dargestellt. Die Infusion von Noradrenalin und Dopamin führt zu einem signifikanten Anstieg im posttraumatischen MAD und CPP, während der ICP unverändert bleibt. (* p<0.05 vs vor Infusion).

 

0.9 % NaCl

Noradrenalin

Dopamin

Zeit-punkte

MAD [mm Hg]

ICP

[mm Hg]

CPP

[mm Hg]

MAD

[mm Hg]

ICP

[mm Hg]

CPP

[mm Hg]

MAD

[mm Hg]

ICP

[mm Hg]

CPP

[mm Hg]

Vor CCI

89 ± 3

-

-

89 ± 7

-

-

87 ± 3

-

-

Vor Infusion

91 ± 6

8 ± 3

83 ± 6

88 ± 3

9 ± 3

79 ± 3

91 ± 10

9 ± 3

82 ± 10

Während Infusion

91 ± 3

8 ± 3

83 ± 3

121 ± 3*

11 ± 3

110 ± 3*

121 ± 3*

10 ± 3

111 ± 3*

Nach Infusion

94 ± 10

8 ± 3

86 ± 10

96 ± 7

9 ± 3

87 ± 7

92 ± 12

8 ± 3

84 ± 12

Tab. 3.6: Zeitlicher Verlauf des regionalen zerebralen Blutflusses (rCBF) gemessen mit dem Laser Doppler Scanning über der traumatisierten Hemisphäre. Die Infusion von Noradrenalin und Dopamin führt zu einer signifikanten Erhöhung des posttraumatischen rCBF (*p<0.05 vs rCBF 4 h nach Trauma). Der CBF in der Noradrenalin-Gruppe war signifikant höher während Infusion und 30 Minuten nach Beendigung der Infusion verglichen mit der Dopamin-Gruppe (+p<0.05 vs rCBF in der Dopamin-Gruppe).

 

Regionaler CBF (LD-Einheiten)

 

vor CCI

vor Infusion

Während Infusion

nach Infusion

   

30 min

60 min

90 min

 

0.9% NaCl

127 ± 36

68 ± 17

71 ± 20

69 ± 20

71 ± 20

63 ± 17

Noradrenalin

126 ± 23

76 ± 40

36 ± 63*+

133 ± 69*+

118 ± 53*+

109 ± 59+

Dopamin

120 ± 26

72 ± 23

102 ± 33*

100 ± 26*

98 ± 26*

67 ± 24


[Seite 49↓]

Abb. 3.12: Lokale CBF-Häufigkeitshistogramme errechnet aus Daten des Laser Doppler Scanning vor Controlled Cortical Impact (CCI) (A) und vor (B), während der 90-minütigen (C) und nach Infusion (D) von Dopamin (weiße Balken) und Noradrenalin (dunkle Balken). Dabei wurden die gewonnenen Daten den entsprechenden Flussklassen zugeteilt und anschließend die Häufigkeiten zum besseren Vergleich auf 100% normalisiert. Nebenbild: Der mediane lCBF jedes Histogramms. Die Daten werden in Form von Box Plots (Median mit 5 und 95% Perzentile) präsentiert. *: p < 0.05.


[Seite 50↓]

Abb. 3.12: (Fortsetzung). Der CBF war in beiden Gruppen 4 Stunden nach CCI signifikant erniedrigt: Flusswerte unter 60 LD-Einheiten wurden mehr als doppelt so häufig gemessen (B) verglichen mit dem CBF vor CCI (A). Unter der Infusion von Noradrenalin und Dopamin kam es zu einem signifikanten Anstieg des posttraumatischen CBF. Jedoch war dieser CBF Anstieg signifikant höher unter Noradrenalin trotz gleichem CPP (C). Der 30 Minuten nach Beendigung der Infusion gemessene CBF war in der Noradrenalin-Gruppe immer noch signifikant erhöht (D).


[Seite 51↓]

Elektrische kortikale Aktivität. Die Konzentration von Isofluran betrug während des gesamten Experiments 1.6 Vol%. Während der Infusion von Vasopressoren zeigte sich im EEG-Power eine Erhöhung auf 350-600% vorwiegend im Delta- und Theta-Power (121±79 auf 731±612 µV2, und 22±13 auf 78±55 µV2; Abb. 3.13). Die Veränderungen im Alpha-Power waren variabler und machten weniger als 5% der Power des Gesamtsignals aus. Dieser signifikante Effekt während der Infusion

Abb. 3.13: Mittleres Spektral-Power-Band (+SD) des EEG über die Versuchsdauer (Delta:1-3Hz, Theta: 4-7Hz und Alpha: 8-15 Hz). Die Infusion von Katecholaminen führte zu einer signifikanten Erhöhung der kortikalen Aktivität.


[Seite 52↓]

von Katecholaminen war unabhängig von der Art des Vasopressors (Abb. 3.13). Während des Untersuchungszeitraumes kam es nach Beendigung der Katecholamininfusion zu keinen weiteren Veränderungen in der EEG-Aktivität.

Extrazelluläres Glutamat. Die vor und nach Sammlung des perikontusionellen Glutamats bestimmte in vitro Recovery Rate war in allen Ratten vor und nach der Gewebe-Mikrodialyse ähnlich (14 bis 21%, Mittelwert: 17±3%). Das Einbringen des Mikrodialysekatheters führte zu einem transienten Anstieg im extrazellulären Glutamat (Noradrenalin: 56 ± 9, Dopamin 67 ± 9 µM), welcher nach 30 Minuten reversibel war. Wie an den mit Dopamin behandelten Tieren zu sehen ist, waren die Werte anschließend während des Untersuchungszeitraumes stabil (Abb. 3.14). Während das extrazelluläre Glutamat in den mit Dopamin und

Abb. 3.14: Perikontusionelle extrazelluläre Glutamatkonzentration vor, während und nach Infusion von Noradrenalin und Dopamin. Während der Infusion von Noradrenalin stieg Glutamat signifikant an (*p < 0.05).


[Seite 53↓]

physiologischer Kochsalzlösung (Stover, unveröffentliche Daten) behandelten Tieren unverändert blieb, kam es unter der Noradrenalininfusion zu einem kontinuierlichen Anstieg. Die höchsten Werte wurden 30 Minuten nach Beendigung der Infusion gemessen (Abb. 3.14) und waren signifikant im Vergleich zu den Dopamin-Tieren erhöht.

Hemisphärenschwellung und Wassergehalt. Es zeigte sich kein signifikanter Unterschied in der posttraumatischen Hemisphärenschwellung zwischen den Tieren, die 0.9% NaCl (7.0 ± 2.4%), Noradrenalin (7.7 ± 2.6%) oder Dopamin (7.2 ± 3.3%, Abb. 3.15A) bekommen haben. Der Wassergehalt der traumatisierten Hemisphäre war im Vergleich zu der nicht-traumatisierten Hemisphäre signifikant erhöht (p<0.05, Abb. 3.15B). Der posttraumatische Wassergehalt in der traumatisierten Hemisphäre unterschied sich nicht signifikant zwischen den Gruppen (0.9% NaCl: 80.13 ± 0.31%, Noradrenalin: 80.05 ± 0.33%, Dopamin: 80.13 ± 0.5%; p>0.05; Abb. 3.15B). In der nicht-traumatisierten Hemisphäre war der Wassergehalt in allen Gruppen identisch (0.9% NaCl: 79.19 ± 0.31%, Noradrenalin: 79.15 ± 0.43%, Dopamin: 79.15 ± 0.26%; p>0.05).

Diskussion

In der akuten Phase nach CCI führte die kontinuierliche Infusion von Noradrenalin und Dopamin zu einem signifikanten Anstieg der perikontusionellen kortikalen Perfusion und der EEG-Aktivität parallel zur Anhebung des Blut- und Perfusionsdruckes. Der Anstieg im regionalen CBF war in den mit Noradrenalin behandelten Tieren am ausgeprägtesten und ging einher mit einer signifikanten Erhöhung der perikontusionellen Glutamatspiegel.

Nach CCI kommt es zu einer signifikanten Verminderung der Perfusion in kortikalen und subkortikalen Strukturen, welche im Kern der Kontusion ischämische Flusswerte erreichen [56, 57, 133, 163]. Die Perfusionsminderung entwickelt sich innerhalb der ersten Stunde nach Trauma und ist zwischen 4 und 8 Stunden nach CCI maximal ausgeprägt. Sie ist durch viele unterschiedliche Veränderungen bedingt, welche parallel als auch sequentiell auftreten (Kapitel 2.3.).


[Seite 54↓]

Abb. 3.15: Posttraumatische Hemisphärenschwellung (A) und Wassergehalt (B) zu 8 Stunden nach Controlled Cortical Impact. Weder die Hemisphärenschwellung noch der Wassergehalt in der traumatisierten Hemisphäre unterschieden sich signifikant zwischen den Gruppen (p>0.05).


[Seite 55↓]

Die posttraumatische Erniedrigung im kortikalen Blutfluss trägt zur Entstehung des sekundären Hirnschadens bei erkennbar durch das progressive Wachstum der kortikalen Kontusion und Ödembildung [56, 144, 164]. Der Zusammenhang zwischen Perfusionsminderung und sekundärem Hirnschaden führte zum Konzept der CPP-Anhebung [10]. In der klinischen Praxis wird der CPP durch Infusion von Katecholaminen angehoben. Es ist bekannt, dass Noradrenalin und Dopamin den kardialen Auswurf erhöhen und eine arterielle Vasokonstriktion bewirken, was zur Anhebung des Blutdruckes führt. Katecholaminbedingte Vasokonstriktion der zerebralen Arterien, die bei nicht-traumatisierten Tieren nachgewiesen wurde [119, 148], kann jedoch den nützlichen positiven Effekt der CPP-Erhöhung aufheben. In dieser Untersuchung führte die Anhebung des Blutdruckes auf 120 mm Hg mit Noradrenalin oder Dopamin zu einem signifikanten Anstieg im perikontusionellen CBF. Dies stimmt mit früheren experimentellen Untersuchungen überein [65, 90]. Wie in dieser Untersuchung unter Anwendung der Methode des Laser Doppler Scannings ermittelt ergab auch die intravitalmikroskopische Analyse (Thomale und Stover, nicht publizierte Daten) keinen Anhalt für eine Vasokonstriktion oder Minderung der kortikalen Perfusion während der Infusion von Katecholaminen.

Die Beobachtung, dass parallel zur Blutdruckanhebung der CBF steigt, belegt eine gestörte zerebrale Autoregulation. Dieser CBF-Anstieg kann aber nicht allein durch eine Störung der zerebralen Autoregulation bedingt sein, da der CBF auch nach Beendigung der Noradrenalininfusion signifikant erhöht blieb, während Blut- und Perfusionsdruck auf die vor der Infusion gemessenen Werte zurückkehrten. Im Gegensatz hierzu war der CBF-Anstieg bei den mit Dopamin behandelten Tieren reversibel nach Beendigung der Infusion. Außerdem war der CBF-Anstieg unter Noradrenalin signifikant höher als unter Dopamin trotz gleichen Blut- und Perfusionsdrucks. Auch bei nicht-traumatisierten Tieren konnten unterschiedliche Auswirkungen von Noradrenalin und Dopamin auf den CBF nachgewiesen werden. Diese Unterschiede im Noradrenalin- und Dopamin-induzierten CBF-Anstieg trotz identischer experimenteller Bedingungen sprechen für weitere den CBF beeinflussende blutdruckunabhängige Mechanismen wie z.B. die Freisetzung vasoaktiver Mediatoren, gesteigerte neuronale Aktivierung oder erhaltende metabolische Kopplung.


[Seite 56↓]

Zusätzlich zum druckpassiven Anstieg im CBF könnte die lokale Freisetzung von vasoaktiven Mediatoren wie z.B. NO zum unterschiedlichen CBF-Anstieg im Vergleich zwischen Noradrenalin und Dopamin geführt haben. Die gesteigerte Produktion von NO nach vermehrter Glutamatfreisetzungen [165] und erhöhter neuronaler Aktivität [166] ist verbunden mit einer verstärkten cGMP-abhängigen Relaxierung der glatten Muskeln und einer dadurch resultierenden Vasodilatation und gesteigerten Perfusion [167]. Durch die Ausschaltung freier Radikale [145, 168], welche NO inaktivieren [89], könnten Katecholamine zusätzlich zur Vasodilatation beitragen.

Noradrenalin und Dopamin modulieren auch die basale neuronale Aktivität des Vorderhirns über monoaminerge Efferenzen von subkortikalen Strukturen. Vermittelt über α- und β-adrenerge Rezeptoren bewirken Noradrenalin und Dopamin unterschiedliche Veränderungen. Noradrenalin erhöht [169] und Dopamin semkt die kortikale neuronale Erregung [170]. Diese bei nicht-traumatisierten Tieren beobachtete funktionelle Verschiedenheit konnte jedoch nicht bei den mit Dopamin und Noradrenalin behandelten Tieren nach CCII beobachtet werden. Die EEG-Aktivität war in allen Ratten ähnlich. Die Auswertung der EEG-Aktivität wird stark von der Höhe der Narkose beeinflusst. Ein Vergleich der Effekte monoaminerger Aktivierung in anästhesierten und nicht-anästhesierten Ratten verbietet sich, da die Aktivierung monoaminerger Transmission bei wachen Tieren zu einer verminderten EEG-Aktivität [161] und bei anästhesierten Ratten zu einer erhöhten EEG-Aktivität [151, 169] führt. Eine Reduzierung der Narkose erlaubt schmerzhaften Stimuli, die EEG-Aktivität zu beeinflussen und führt zu einem unterschiedlichen Grad der basalen EEG-Aktivität [151, 169]. In dieser Untersuchung blieb die Narkosetiefe während des gesamten Experimentes gleich, was zu einer synchronisierten EEG-Aktivität führte, welche durch ein Burst / Suppression Muster reflektiert wurde. Daher können Veränderungen innerhalb des Verteilungsmusters der verschiedenen Frequenzen nicht mit anderen Studien verglichen werden, in denen wache oder leicht anästhesierte Ratten untersucht wurden.

In dieser Studie wurden alle Ratten mit einer Kombination aus Isofluran und Lachgas anästhesiert, was u.a. die glutaminerge Transmission vermindert und die neuronale Aktivität verändert [171]. Dies wiederum führt zu einer Verschiebung der EEG-Power zu niedrigeren Frequenzen mit Veränderungen vorwiegenden im δ- Frequenzband. In [Seite 57↓]dieser Studie kam es nach Infusion von Noradrenalin und Dopamin zu ähnlichen signifikanten Anstiegen in den niedrigen δ- und τ- sowie in den hohen α-Frequenzbändern. Diese Ergebnisse zeigen, dass der begleitende Effekt der Anästhesie nicht den Noradrenalin- und Dopamin-induzierten Anstieg der EEG-Aktivität verhindert und dass dieser Anstieg sogar nach ausgeprägter in wachen oder leicht anästhesierten Ratten sein könnte.

Unter dem gegenwärtigen Studiendesign führte die kurzzeitige Infusion von Noradrenalin zu einem signifikanten Anstieg des perikontusionellen Glutamats, welches während der Dopamininfusion unverändert blieb. Diese unter in vivo Bedingungen beobachtete Veränderung steht im Einklang mit Ergebnissen, die aus Kulturen vom zerebralen Rattenkortex gewonnen wurden. Die Gabe von Noradrenalin bewirkt eine vermehrte Glutamatfreisetzung, wohingegen Dopamin die Glutamatfreisetzung verminderte [172]. Abseits von ihrer neuronalen Lokalisation werden α- und β-adrenerge Rezeptoren auch auf ruhenden sowie reaktiven Astrozyten exprimiert [173] und beeinflussen stark die Glutamataufnahme [174]. Aktivierung der α1-adrenergen Rezeptoren verstärkt die gliale Aufnahme von Glutamat, während die Entfernung von Glutamat aus dem extrazellulären Raum durch die Stimulation von β-adrenergen Rezeptoren gehemmt wird [174]. Der signifikante Anstieg der perikontusionellen Glutamatkonzentration in den traumatisierten Ratten könnte dadurch bedingt sein, dass im Vergleich zu Dopamin Noradrenalin die β-adrenerge Rezeptoren stärker stimuliert als die α-adrenergen Rezeptoren.

Das nach Schädel-Hirn-Trauma erhöhte extrazelluläre Glutamat vermittelt excitotoxischen neuronalen Schaden über die pathologische Aktivierung von postsynaptischen ionotropen Glutamatrezeptoren [175]. Damit wird die Hypothese unterstützt, dass jede Steigerung in der neuronalen Aktivität schädlich ist. Es ist jedoch schwierig, von den an einer einzelnen Stelle gemessenen erhöhten perikontusionellen Glutamatkonzentrationen auf deren potentiellen Beitrag zur neuronalen Aktivierung zu schließen. Die zugrundeliegende Isofluran / N2O Anästhesie [171] und Katecholamine [172] modulieren die Glutamatfreisetzung und glutaminerge Transmission oder können die Glutamat-induzierte Excitotoxizität inhibieren [153]. Daher erlaubt die gegenwärtige Studie nicht zu bewerten, ob die erhöhten Glutamatkonzentrationen eine neuronale Erregung induzieren oder lediglich [Seite 58↓]eine erhöhte neuronale Freisetzung oder veränderte gliale Aufnahme nach monoaminerger Aktivierung reflektieren. Die pathophysiologische Relevanz der erhöhten Glutamatkonzentrationen in den mit Noradrenalin behandelten Ratten könnte in weiteren pharmakologischen Studien geklärt werden, in denen spezifisch die postsynaptischen Glutamatrezeptoren gehemmt werden. Unabhängig von aktiven Veränderungen in der Neurotransmission könnte der extrazelluläre Glutamatanstieg auch durch passiven Eintritt von Plasma über die gestörte Blut-Hirn-Schranke verursacht sein [152]. Der Plasmaeintritt steht in Beziehung zu dem erhöhten lokalen hydrostatischen Druck, welcher aus dem erhöhten Perfusionsdruck resultiert.

Unter physiologischen Bedingungen sind die neuronale Aktivität und der zerebrale Blutfluss eng miteinander verbunden. Erhöhte neuronale Aktivität geht mit einer Erhöhung der zerebralen Perfusion einher [176]. Ausgehend von einer intakten Kopplung zwischen neuronaler Aktivität und zerebralem Blutfluss könnte der Katecholamin-induzierte Anstieg in der EEG-Aktivität zum Anstieg im zerebralen Blutfluss beigetragen haben. Jedoch erklärt die gesteigerte EEG-Aktivität nicht den beobachteten höheren CBF-Anstieg in den mit Noradrenalin behandelten Ratten, da die EEG-Veränderungen während und nach Infusion von Noradrenalin und Dopamin ähnlich waren.

Die akute Phase nach traumatischem Hirnschaden ist charakterisiert durch eine schwere Störung der zerebralen Homöostase [29]. In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass die Interferenz von Noradrenalin und Dopamin mit den zugrundeliegenden pathologisch veränderten Prozessen den Hirnschaden verstärkt und den potentiell positiven Effekt der CBF-Verbesserung aufhebt. Zwischen 4 und 8 Stunden nach CCI ist die Blut-Hirn-Schranke maximal geschädigt [144]. Daher könnte die Anhebung des mittleren Blutdruckes auf 120 mm Hg über den erhöhten hydrostatischen Druck zu einer Verstärkung der vasogenen Ödementstehung führen. Aufgrund des unveränderten Wassergehaltes und der Schwellung führte die Infusion von Dopamin oder Noradrenalin unter den gegenwärtigen Bedingungen zu keiner Verstärkung der Ödembildung. Da die Studie zur Untersuchung von akuten Veränderungen entworfen wurde, bleibt zu klären, ob eine längere Infusion von Katecholaminen die Ödementstehung verstärkt.


[Seite 59↓]

Ein möglicher Übertritt des infundierten Noradrenalins und Dopamins über die gestörte Blut-Hirn-Schranke in das Hirngewebe könnte sowohl protektive als auch schädliche Effekte haben. Abhängig von der Konzentration können Katecholamine pro- oder anti-oxidative Eigenschaften haben [145, 168]. Hohe Dopamin- (> 100 µM) jedoch nicht Noradrenalin-Dosen (> 1 mM) verursachen einen neuronalen Tod in kortikalen Zellkulturen der Maus, während niedrige Dosen (1-30 µM) den durch freie Radikale vermittelten Zelluntergang abschwächten [145]. Zusätzlich bewirkt endogenes Noradrenalin eine Stabilisierung der Blut-Hirn-Schranke nach zerebraler Kontusion, wodurch die Ödementstehung reduziert wird [154]. Es bleibt zu klären, ob dies auch für infundiertes Noradrenalin zutrifft.

Schlussfolgerung

Noradrenalin und Dopamin steigern signifikant die zerebrale Perfusion nach CCI. Trotz der gleichen MAD- und CPP-Erhöhung war die Steigerung der posttraumatischen kortikalen Perfusion unter Noradrenalin im Vergleich zu Dopamin signifikant höher. Dies kann nicht durch Unterschiede in der neuronalen Aktivität erklärt werden, da die Veränderung der EEG- Aktivität in beiden Gruppen ähnlich war. Die unterschiedlichen Effekte von Dopamin und Noradrenalin auf die Freisetzung von Transmittern und Mediatoren könnten den gefunden Unterschied in der CBF-Antwort erklären. Diese Annahme wird unterstützt durch den unterschiedlichen Anstieg im extrazellulären Glutamat. Trotz der unterschiedlichen Effekte von Noradrenalin und Dopamin wurde die Entwicklung des posttraumatischen Sekundärschadens nicht beeinflusst.


[Seite 60↓]

3.4.  Vergleich des Effektes von früher und später Noradrenalininfusion auf zerebralen Blutfluss, Mikrozirkulation, Hirngewebe-pO2, und Hirnödementwicklung bei Hirn-traumatisierten Ratten

Einführung

Bei Patienten mit SHT wurde ein stetiger Anstieg des ICP innerhalb der ersten 24 Stunden nach SHT beobachtet, welcher durch ein progressives Wachstum der Hirnkontusion und des Hirnödems bedingt ist [177, 178]. Zur Aufrechterhaltung des empfohlenen CPP von über 70 mm Hg nach SHT werden daher in der klinischen Routine häufig Katecholamine zur Anhebung des MAD über einen längeren Zeitraum infundiert [24]. Das SHT führt zu starken neurochemischen und metabolischen Veränderungen, welche einen unterschiedlichen zeitlichen Verlauf haben [29, 33, 98]. Dadurch verursachen unterschiedliche Mechanismen zu unterschiedlichen Zeitpunkten die Entstehung des Sekundärschadens. Deshalb können gleiche Therapieformen wie z.B. die Verbesserung des CPP mittels Infusion von Katecholaminen einen unterschiedlichen Effekt in der Früh- und Spätphase nach SHT haben.

Sowohl bei Patienten als auch bei Versuchen an Ratten konnte gezeigt werden, dass es in der Frühphase nach Schädel-Hirn-Trauma zu einem signifikanten Abfall im CBF kommt, welchem eine Phase mit normalem bis erhöhtem CBF zwischen 24 und 72 Stunden nach SHT folgt [52, 55, 58, 69]. Parallel zum Absinken der zerebralen Perfusion kommt es innerhalb der ersten Stunden nach SHT zur Entwicklung eines vasogenen und zytotoxischen Hirnödems, welches seine maximale Ausdehnung zwischen 24 und 48 Stunden nach fokalem SHT hat [179]. Wie in kernspintomographischen Untersuchungen gezeigt [180] und anhand der Extravasation von Evans-Blau reflektiert [144] ist die Schädigung der Blut-Hirn-Schranke zwischen 4 und 8 Stunden nach CCI maximal ausgeprägt. Im weiteren Verlauf wird die Integrität der gestörten Blut-Hirn-Schranke allmählich wieder hergestellt, so dass diese nach ungefähr 24 Stunden wieder für Proteine mit einem hohen Molekulargewicht undurchlässig ist [144].

Die zeitliche Entwicklung des Hirnödems und des posttraumatischen CBF legt nahe, dass die Anhebung des CPP durch Infusion von Katecholaminen mit ihren potentiellen Nebeneffekten (siehe Kapitel 3.2. und 3.3.) in der Frühphase nach SHT [Seite 61↓]einen anderen Effekt auf die Hirnödementstehung und den posttraumatischen CBF hat als nach 24 Stunden, in denen die Ödementwicklung nicht weiter zunimmt und die perikontusionelle Perfusion nicht mehr vermindert ist.

In dieser experimentellen Studie wurden die akuten Effekte einer frühen und späten Noradrenalin-induzierten Blutdruckanhebung nach CCI auf den kortikalen und subkortikalen CBF, die kortikale Mikrozirkulation, Hirngewebe-Oxygenierung und Hirnödem-Entstehung untersucht.

Material und Methoden

Tierpräparation und experimentelles Hirntrauma. 37 männliche Sprague-Dawley Ratten (300 – 350 g) wurden für die Versuche genutzt. Die Narkose, Präparation und Traumatisierung der Tiere entsprach im Detail wie in Kapitel 3.2. beschrieben. Die Geschwindigkeit beim Aufschlag des Bolzens auf die Dura betrug 7 m/s und die Eindringtiefe 1 mm. Nach der Kontusion wurde die Hautwunde geschlossen, die Narkose beendet und die Tiere zurück in ihren Käfig gebracht. Für die spätere Messung des zerebralen Blutflusses (CBF), der Mikrozirkulation, Hirngewebe-Oxygenierung (ptiO2) und des intrakraniellen Druckes (ICP) wurden die Tiere erneut anästhesiert und Katheter in die linke Vena und Arteria femoralis platziert.

Messung des regionalen kortikalen und lokalen parenchymatösen CBF und ptiO2. In der ersten experimentellen Serie erfolgte die Messung des regionalen kortikalen CBF perikontusionell über der traumatisierten Hemisphäre mittels Laser Doppler Scanning wie unter Kapitel 3.2. beschrieben. Zur Ermittlung des kortikalen regionalen CBF (rCBF) wurde der lokale CBF wiederum an 46 verschiedenen Stellen gemessen und aus diesen CBF-Werten der Median gebildet.

In einer weiteren Serie wurde der lokale parenchymatöse CBF und die Hirngewebe-Oxygenierung (ptiO2) unter Anwendung des OxyLite/OxyFlo-Systems (OxyLite/OxyFloTM 4000, Oxford Optronix, England) bestimmt. Eine kombinierte fieberoptische Sonde (Durchmesser: 480 µm), mit welcher die Sauerstoffspannung und der mikrovaskuläre Blutfluss gemessen werden kann, wurde durch eine kleine Durainzision in das Gehirn platziert. Die an einem Mikromanipulator befestigten Sonden wurden stereotaktisch in einer Tiefe von 2.5 mm relativ zur Hirnoberfläche an der Stelle des Traumas als auch perikontusionell platziert (Abb. 3.16). Die [Seite 62↓]Koordinaten wurden unter Berücksichtigung der Ergebnisse histologischer Untersuchungen der Kontusion, welche mit der in dieser Studie verwendeten Traumastärke verursacht wurde, gewählt. Die Sonden wurden an der Grenze zwischen Kortex und weißer Substanz platziert. Bei dieser Traumastärke breitet sich die Kontusion nicht in den perikontusionellen Kortex (Sonde 1) aus, während die Region unterhalb des Traumas (Sonde 2) durch die Kontusion geschädigt werden kann (Abb. 3.16).

In Zusammenhang mit den absoluten ptiO2- und CBF-Werten kann anhand des berechneten ptiO2-/ CBF-Verhältnisses indirekt bestimmt werden, ob der durch einen gesteigerten CBF bewirkte parenchymatöse Sauerstoffanstieg von dem traumatisiertem Gewebe verbraucht wird.

Abb. 3.16: Fig. 1 Schematische Darstellung der gewählten Koordinaten für die OxyFlo- und OxyLite- Sonden im Verhältnis zu der sich entwickelnden Kontusion. Die parenchymatösen Sonden wurden in einer Tiefe von 2.5 mm relativ zur Hirnoberfläche platziert. Sonde 2: – 5.20 mm (vom Bregma) und – 4 mm (von der Sagittalnaht) an der Stelle des Traumas (Kontusion). Sonde 1, mehr medial: – 2.3 mm und – 2 mm innerhalb des perikontusionellen Kortex. Die oberflächliche Laser Doppler-Sonde wurde parallel zur Sagittalnaht entlang der Kontusion bewegt (- 2 mm). Die gepunktete Linie stellt die Kontusion zum Zeitpunkt 4 und 24 h nach Trauma dar.


[Seite 63↓]

In 3 kraniektomierten jedoch nicht traumatisierten Ratten wurde der ptiO2 und der intraparenchymatöse CBF an den gleichen Lokalisationen wie bei den traumatisierten Ratten über einen Zeitraum von 30 Minuten gemessen.

Unter Anwendung der Scanning-Technik kann der CBF der oberflächlich gelegen Kortexregionen an verschiedenen Punkten atraumatisch gemessen werden, wohingegen die im Hirnparenchym platzierten fieber-optischen Sonden den CBF in tiefer gelegener Strukturen an nur einer Stelle messen.

Intravitalmikroskopie. Die kortikale Mikrozirkulation wurde mittels der OPS Bildgebung (orthogonal polarized spectral (OPS) imaging, Cytoscan®, Cytometrics Inc., Philadelphia, USA) untersucht. Unter Anwendung dieser Technik wird eine kortikale Region von ungefähr 1 mm im Durchmesser mit linear polarisiertem Licht durchleuchtet, welches eine Eindringtiefe von ungefähr 1 mm hat [181]. Das vom Kortex reflektierte Licht durchdringt den Polarisations-Analysator der Kamera, welcher die von der Hirnoberfläche reflektierten polarisierten Photonen absorbiert. Die Entstehung der OPS-Bilder durch reflektiertes Licht erfordert gestreutes depolarisiertes Licht zur Darstellung illuminierter Areale und absorbiertes Licht zur Kontrastgebung. Die Wellenlänge des Lichtes liegt innerhalb des Absorptionsspektrums von Hämoglobin. Daher werden hämoglobinhaltige Strukturen wie z.B. die kortikale Mikrovaskularisation als dunkle Areale dargestellt, und das umgebende hämoglobinfreie Gewebe erscheint als heller Kontrast. Zur Untersuchung der kortikalen Mikrozirkulation wurde die an einem stereotaktischen Mikromanipulator befestigte Kamera innerhalb der Grenzen der Kraniektomie in verschiedenen perikontusionellen Regionen bewegt. Für jedes Tier wurden die gleichen Koordinaten gewählt, so dass identische Areale auch im zeitlichen Verlauf untersucht werden können [58, 68]. Die Video-Signale der OPS-Kamera wurden auf ein Videogerät gespielt und mit einer Videokassette aufgezeichnet. Unter Anwendung eines computerunterstützten Bildanalysesystems (Cap Image®, Dr. Zeintl, Heidelberg, Germany) wurden Veränderungen im Gefäßdurchmesser und der Flussgeschwindigkeit in Arteriolen und Venolen quantifiziert [182]. Der Durchmesser der Mikrovaskularisation wurde bestimmt, indem der innere Gefäßdurchmesser perpendikulär zur Gefäßwand gemessen wurde. Die Geschwindigkeit der Erythrozyten (Red blood cell velocity: RBCV) wurde erfasst mittels der linearen Verschiebungs-Diagramm-Technik [68, 182].


[Seite 64↓]

Messung des intrakraniellen Druckes. Die Messung des intrakraniellen Druckes erfolgte wie im Kapitel 3.2. unter Material und Methoden beschrieben.

Quantifizierung von Hemisphärenschwellung und Wassergehalt. Zur Quantifizierung des posttraumatischen Hirnödems wurden die Hemisphärenschwellung sowie der Wassergehalt der Hemisphären wie im Kapitel 3.2. unter Material und Methoden beschrieben bestimmt.

Experimentelle Gruppen und Studienprotokoll. In der ersten Serie wurde der Effekt einer Noradrenalin-induzierten MAD-Erhöhung auf den CPP, ICP und kortikalen rCBF untersucht. Hierzu wurde der MAD und rCBF in allen Tieren vor Trauma gemessen. Vier oder 24 Stunden nach kortikaler Kontusion wurde der MAD, ICP und rCBF vor Infusionsbeginn gemessen. Dreißig Minuten später erhielten die Ratten entweder physiologische Kochsalzlösung (n = 6) oder Noradrenalin (n = 6). Noradrenalin wurde mit dem Ziel gegeben, den MAD auf 120 mm Hg über einen Zeitraum von 90 Minuten anzuheben. Der kortikale CBF wurde wiederholt während der Infusionsphase gemessen, d.h. 30, 60 und 90 Minuten nach Infusionsbeginn, während der MAD und ICP kontinuierlich gemessen wurden. Die Messungen wurden 30 und 60 Minuten nach Beendigung der Infusion wiederholt.

In einer zweiten Serie wurde der Effekt einer Noradrenalin-induzierten CPP-Erhöhung auf den lokalen parenchymatösen CBF und ptiO2 vor, während und 30 Minuten nach Infusion von Noradrenalin 4 (n = 5) oder 24 h (n = 5) nach CCI untersucht.

In zusätzlichen 3 Tieren wurden Veränderungen der perikontusionellen kortikalen Mikrozirkulation vor, während und nach Noradrenalininfusion zum Zeitpunkt 4 h nach CCI untersucht, wobei aus technischen Gründen eine geringere Traumastärke (Eindringtiefe: 0.5 mm) verwendet wurde [58, 68].

In allen Ratten wurde eine arterielle Blutgasanalyse nach jeder CBF-Messung durchgeführt. Nach Beendigung des Experimentes wurden die Tiere getötet und die Hirne entnommen zur Bestimmung von Hemisphärenschwellung und Wassergehalt.


[Seite 65↓]

Statistische Analyse. Alle Daten wurden auf Normalverteilung getestet und als Mittelwerte ± Standardfehler des Mittelwertes (SEM) angegeben. Veränderungen über die Zeit wurden auf statistische Signifikanz analysiert unter Anwendung der einseitigen Varianzanalyse für wiederholte Messungen (One Way Repeated Measures Analysis of Variance according to Turkey). Die Daten wurden zwischen den Gruppen verglichen unter Anwendung der einseitigen Varianzanalyse für multiple paarweise Vergleiche (One Way Analysis of Variance for multiple comparison according to Turkey). Die statistische Auswertung erfolgte mit dem Statistikprogramm SIGMA-STAT (Jandel Scientific, San Rafael, CA, USA). Unterschiede wurden ab einer Irrtumswahrscheinlichkeit von weniger als 5% als signifikant betrachtet.

Die Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit Herrn Dr. Stover (CBF-und ptiO2-Messung) und Herrn Dr. Thomale (Kortikale Mikrozirkulation (OPS), Aufzeichnung und Auswertung) durchgeführt (Klinik der Neurochirurgie der Charité).

Ergebnisse

Zeitliches Profil des perikontusionellen kortikalen CBF und ptiO2. Im zeitlichen Verlauf zeigte sich, dass der Minderung des mittels Laser Doppler Scanning gemessenen perikontusionellen kortikalen CBF um 40% 4 Stunden nach CCI (Abb. 17A) ein signifikanter Anstieg folgte, welcher 20 Stunden später bereits wieder Ausgangswerte erreichte (Abb. 17B). Die signifikanten Veränderungen im perikontusionellem CBF reflektieren lokale pathologische Veränderungen, da der Blutdruck sowie die arteriellen paCO2 Werte sich zu beiden Zeitpunkten nicht signifikant unterschieden und im Normbereich lagen (Tabelle 3.7 und 3.8).

Der 4 Stunden nach CCI an der Stelle des Traumas (unterhalb der Kontusion, Abb. 16) gemessene Hirngewebe-pO2 war signifikant niedriger als der perikontusionelle ptiO2, welcher dem in nicht-traumatisierten Ratten gemessenen ptiO2–Wert entsprach (Abb. 18B). Zwanzig Stunden später stieg der an der Stelle des Traumas gemessene ptiO2 signifikant an, während der perikontusionelle ptiO2 unverändert blieb (Abb. 19B).

Das errechnete Verhältnis zwischen ptiO2 und CBF war zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI signifikant an der Stelle des Traumas (unterhalb der Kontusion) vermindert im Vergleich zur perikontusionellen Region und den nicht-traumatisierten Ratten [Seite 66↓](Abb. 18C). 24 Stunden nach Trauma lag das ptiO2/CBF-Verhältnis an beiden Stellen im Normbereich (Abb. 19C).

Tab. 3.7: Ergebnisse der arteriellen Blutgasanalyse bestimmt in den mit 0.9% NaCl- oder Noradrenalin-behandelten Ratten zum Zeitpunkt 4 und 24 Stunden nach CCI. *

  

Infusionsperiode

 

vor CCI

vor

während

nach

0.9% NaCl 4 h nach CCI

PH

7.44 ± 0.02

7.43 ±0.01

7.44 ± 0.01

7.43 ± 0.01

PaCO2 [mm Hg]

39.7 ± 2.0

39.4 ± 0.9

41.1 ± 1.7

40.9 ± 1.3

PaO2 [mm Hg]

182 ± 11

160 ± 28

184 ± 12

188 ± 7

Hb [mg/dl]

15.4 ± 0.6

15.6 ± 0.3

15.4 ± 0.4

14.9 ± 0.2

Noradrenalin 4 h nach CCI

PH

7.43 ± 0.01

7.43 ± 0.01

7.41 ± 0.01

7.42 ± 0.01

PaCO2 [mm Hg]

41.2 ± 0.8

41.0 ± 0.7

42.0 ± 1.0

41.0 ± 2.0

PaO2 [mm Hg]

200 ± 8

210 ± 5

182 ± 8

192 ± 9

Hb [mg/dl]

14.8 ± 0.3

14.2 ± 0.4

14.5 ± 0.3

14.1 ± 0.5

0.9% NaCl 24 h nach CCI

PH

7.45 ± 0.01

7.44 ± 0.02

7.45 ± 0.02

7.43 ± 0.01

PaCO2 [mm Hg]

39.2 ± 2.0

42.9 ± 3.0

43.4 ± 3.0

43.2 ± 0.4

PaO2 [mm Hg]

163 ± 28

197 ± 7

184 ± 3

190 ± 2

Hb [mg/dl]

15.5 ± 0.6

14.8 ± 0.4

14.0 ± 0.2

14.2 ± 0.4

Noradrenalin 24 h nach CCI

PH

7.436 ± 0.01

7.439 ± 0.01

7.431 ± 0.01

7.441 ± 0.01

PaCO2 [mm Hg]

40.9 ± 1.3

40.2 ± 1.2

39.0 ± 1.2

38.3 ± 1.3

PaO2 [mm Hg]

170 ± 19

189 ± 8

188 ± 10

184 ± 10

Hb [mg/dl]

15.1 ± 0.2

14.4 ± 0.2

14.2 ± 0.4

13.5 ± 0.4

* Zwischen den verschiedenen Gruppen und Zeitpunkten bestand kein statistisch signifikanter Unterschied.


[Seite 67↓]

Tab. 3.8: Mittlerer arterieller Blutdruck (MAD), intrakranieller Druck (ICP) und zerebraler Perfusionsdruck (CPP) bestimmt vor, während und nach Infusion von 0.9% NaCl oder Noradrenalin 4 und 24 Stunden nach Controlled Cortical Impact (CCI). Infusion von Noradrenalin führt zu einem signifikanten und reversiblen Anstieg im MAD und CPP, während der ICP unverändert bleibt (* p<0.05, n.b. = nicht bestimmt).

  

Infusionsperiode

 

Vor CCI

vor

während

nach

0.9% NaCl 4 h nach CCI

MAD [mm Hg]

89 ± 2

92 ± 2

91 ± 2

94 ± 3

ICP [mm Hg]

n.b.

8 ± 1

8 ± 1

8 ± 2

CPP [mm Hg]

n.b.

84 ± 2

83 ± 2

86 ± 3

Noradrenalin 4 h nach CCI

MAD [mm Hg]

90 ± 2

89 ± 2

120 ± 1*

96 ± 3

ICP [mm Hg]

n.b.

9 ± 2

11± 1

9 ± 2

CPP [mm Hg]

n.b.

80 ± 2

109 ± 1*

87 ± 3

0.9% NaCl 24 nach CCI

MAD [mm Hg]

90 ± 1

91 ± 2

93 ± 3

93 ± 3

ICP [mm Hg]

n.b.

10 ± 1

10 ± 1

9 ± 1

CPP [mm Hg]

n.b.

81 ± 2

83 ± 3

84 ± 3

Noradrenalin 24 h nach CCI

MAD [mm Hg]

90 ± 2

91 ± 2

121 ± 1*

96 ± 2

ICP [mm Hg]

n.b.

10 ± 1

12 ± 1

10 ± 2

CPP [mm Hg]

n.b.

81 ± 2

109 ± 1*

86 ± 2

Effekte der kontinuierlichen Noradrenalininfusion auf MAD, ICP, CPP und Blutgase. 4 und 24 Stunden nach CCI führte die kontinuierliche 90minütige Infusion von Noradrenalin zu einem signifikanten und reversiblen Anstieg des MAD auf 120 mm Hg (Tabelle 3.8). Für die Anhebung des MAD wurde jedoch zum Zeitpunkt 24 Stunden nach Trauma eine signifikant höhere Noradrenalindosierung benötigt als zum Zeitpunkt 4 Stunden nach Trauma (2.2 ± 0.2 vs 1.4 ± 0.2 µg/kgKG/min; p < 0.05) trotz ähnlichen Körpergewichts (359 ± 8g vs 363 ± 7g).


[Seite 68↓]

Während der CPP signifikant Anstieg, blieb der ICP unter der Noradrenalininfusion unverändert (Tabelle 3.8). Die arteriellen Blutgaswerte blieben unverändert und lagen zu beiden Zeitpunkten im Normbereich (Tabelle 3.7).

Effekte der kontinuierlichen Noradrenalininfusion auf den perikontusionellen kortikalen CBF. Parallel zur Anhebung des MAD und CPP stieg der perikontusionelle kortikale Blutfluss signifikant zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI um 86% und 24 Stunden nach CCI um 55% an (Abb. 17A und B). Während 4 Stunden nach Trauma die Infusion von Noradrenalin zu einer Anhebung des CBF auf die vor Trauma gemessenen Werte führte (Abb. 17A), wurden die prä-traumatischen CBF-Werte zum Zeitpunkt 24 Stunden nach Trauma signifikant überschritten (Abb. 17B). Nach Beendigung der Noradrenalininfusion fielen MAD und CPP sofort auf die Ausgangswerte vor Infusion, wohingegen der CBF bis zu 30 Minuten zum Zeitpunkt 4 Stunden und bis zu 60 Minuten zum Zeitpunkt 24 Stunden nach Trauma erhöht blieb (Abb. 17A und B).

Bei den Ratten, die mit 0.9% NaCl infundiert wurden, kam es bei beiden Zeitpunkten zu keinen signifikanten Veränderungen im MAD, CPP oder perikontusionellen CBF (Abb. 17A und B).

Effekte der kontinuierlichen Noradrenalininfusion auf den lokalen parenchymatösen CBF und ptiO2. Die Infusion von Noradrenalin 4 Stunden nach CCI bewirkte einen signifikanten parenchymatösen CBF und ptiO2 Anstieg an der Stelle des Traumas (unterhalb der Kontusion) und perikontusionell (Abb. 18A und B). 24 Stunden nach Trauma führte der Noradrenalin-induzierte MAD- und CPP-Anstieg zu keinem signifikanten Anstieg im parenchymatösen CBF (Abb. 19A). Der ptiO2 wird nur an der Stelle des Traumas und nicht perikontusionell leicht gesteigert (p<0.05, Abb. 19B). Nach Beendigung der Noradrenalininfusion fiel der CBF und der ptiO2, blieb jedoch zum Zeitpunkt 4 Stunden nach Trauma signifikant erhöht im Vergleich zu den Werten vor Infusionsbeginn (Abb. 18A und B). Die Beendigung der Noradrenalininfusion zum Zeitpunkt 24 Stunden nach CCI beeinflusste nicht die parenchymatösen CBF- und ptiO2–Werte (Abb. 19A und B). Während der Noradrenalininfusion zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI stieg das ptiO2/CBF-Verhältnis signifikant an der Stelle des Traumas an (Abb. 18C), zum Zeitpunkt 24 Stunden nach Trauma war der Anstieg nicht mehr signifikant (Abb. 19C). Im [Seite 69↓]perikontusionellen Areal veränderte sich das ptiO2/CBF-Verhältnis zu beiden Zeitpunkten nicht signifikant und entsprach dem der nicht-traumatisierten Ratten.

Abb. 3.17: Zeitlicher Verlauf des mittleren arteriellen Blutdruckes (MAD; 0.9% NaCl: weiße Kreise, Noradrenalin: graue Kreise) und des regionalen kortikalen CBF (rCBF; 0.9% NaCl: weiße Dreiecke, Noradrenalin: graue Dreiecke). Der rCBF wurde mittels Laser Doppler Scanning über der traumatisierten Hemisphäre zum Zeitpunkt 4 Stunden (A) und 24 Stunden nach kortikaler Kontusion (B) gemessen. Die Daten sind als Mittelwert ± SEM dargestellt. Zu beiden Zeitpunkten führte die Infusion von Noradrenalin zu einem signifikanten Anstieg im MAD und des kortikalen perikontusionellen CBF (*p < 0.05 vs rCBF 4 Stunden oder 24 Stunden nach Trauma).


[Seite 70↓]

Abb. 3.18: Zeitliche Verlauf des lokalen parenchymatösen zerebralen Blutflusses (CBF; A), der Hirngewebe-Oxygenierung (ptiO2, B) und des ptiO2/CBF-Verhältnisses gemessen an der Stelle des Traumas (siehe Abb. 16) und perikontusionell zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI. Die Infusion von Noradrenalin 4 Stunden nach Trauma bewirkte einen signifikanten Anstieg im lokalen parenchymatösen CBF und ptiO2 in beiden Lokalisationen (*p < 0.05 vs CBF oder ptiO2 vor Noradrenalininfusion), während der ptiO2/CBF-Quotient nur an der Stelle des Traumas anstieg. +p<0.05 vs kein CCI.


[Seite 71↓]

Abb. 3.19: Zeitliche Verlauf des lokalen parenchymatösen zerebralen Blutflusses (CBF; A), der Hirngewebe-Oxygenierung (ptiO2, B) und des ptiO2/CBF-Verhältnisses gemessen an der Stelle des Traumas (siehe Abb. 16) und perikontusionell zum Zeitpunkt 24 Stunden nach CCI. Die Infusion von Noradrenalin 24 Stunden nach Trauma führte zu einem signifikanten ptiO2-Anstieg an der Stelle des Traumas, während sich der lokale parenchymatöse CBF nicht signifikant änderte (*p < 0.05 vs ptiO2 vor Noradrenalininfusion).


[Seite 72↓]

Kortikale Mikrozirkulation (OPS)

Gefäßdurchmesser. Während der Infusion von Noradrenalin stieg der Gefäßdurchmesser in den Arteriolen (n=68) um 28% an, von 15.1 ± 1.1 µm auf 19.4 ± 1.1 µm, und fiel nach Beendigung der Infusion auf 15.7 ±1.4 µm (Abb. 20A).

Die Veränderungen im Gefäßdurchmesser der Venolen (n=129) waren unter der Infusion von Noradrenalin weniger ausgeprägt. Vor Infusion betrug dieser 24.2 ± 1.0 µm, während der Infusion 25.6 ± 0.9 µm und nach Infusion 23.7 ± 0.9 µm (Abb. 20A).

Flussgeschwindigkeit. Die Flussgeschwindigkeit der Erythrozyten (Red blood cell velocity: RBCV) kann aus methodischen Gründen nur dann zuverlässig bestimmt werden, wenn diese unter 5 mm/s liegt.

Vor der Infusion von Noradrenalin betrug die mittlere RBCV in den Arteriolen 4.2 ± 2.0 mm/s, stieg während der Infusion auf über 5 mm/s an und fiel nach Beendigung der Infusion auf 4.6 ± 0.13 mm/s. Die Häufigkeit der messbaren Werte unterhalb 5 mm/ s fiel von 27% bestimmt vor Infusion auf 0% während der Infusion und stieg nach Beendigung der Infusion auf 17% an (Abb. 20B).

In den Venolen führte die Infusion von Noradrenalin zu ähnlichen Veränderungen in der RBCV, wie in den Arteriolen beschrieben. Vor der Infusion von Noradrenalin betrug die mittlere RBCV in den Venolen 0.48 ± 0.03 mm/s, stieg während der Infusion signifikant um 40% auf 1.2 ± 0.1 mm/s an. Nach Beendigung der Infusion fiel die venöse RBCV auf 0.61 ± 0.04 mm/s, blieb jedoch im Vergleich zu den Ausgangswerten (vor Infusion) um 27% erhöht (Abb. 20B). Ähnlich den mit Hilfe der Laser Doppler Flussmessung (Scanning Methode) gewonnen Ergebnissen blieb die RBCV in den Venolen bis zu 60 Minuten nach Beendigung der Noradrenalininfusion erhöht.

Ein repräsentatives Beispiel für die gestörte Mikrozirkulation und den Effekte der Blutdruckanhebung mit Noradrenalin auf die kortikalen Gefäße zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI ist in Abb. 21 dargestellt.


[Seite 73↓]

Abb. 3.20: Mittels Intravitalmikroskopie untersuchte Effekte der Blutdruckanhebung mit Noradrenalin auf den Gefäßdurchmesser und die Flussgeschwindigkeit der kortikalen Gefäße zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI. Noradrenalin steigert signifikant den Gefäßdurchmesser der Arteriolen (A) und die Flussgeschwindigkeit in den Arteriolen und Venolen (B). * p < 0.05 vs vor Noradrenalin.

Abb. 3.21: Repräsentatives Beispiel für die gestörte Mikrozirkulation und die Effekte der Blutdruckanhebung mit Noradrenalin auf die kortikalen Gefäße zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI. (Links) Perikontusionelle kortikale Gefäße umgeben von subarachnoidalem Blut mit verengten Arteriolen (schwarze Pfeile). (Rechts) Gleiche kortikale Region wie im linken Bild aufgenommen während der Noradrenalininfusion. Eine Erweiterung der Arteriole (schwarze Pfeile) ist zu erkennen.


[Seite 74↓]

Hemisphärenschwellung und Wassergehalt. Die Hemisphärenschwellung und der Wassergehalt der traumatisierten Hemisphäre waren zum Zeitpunkt 24 Stunden nach CCI im Vergleich zu 4 Stunden nach CCI signifikant erhöht (Abb. 3.22). Zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI bestand kein signifikanter Unterschied in der posttraumatischen Hemisphärenschwellung (0.9% NaCl: 5.8 ± 1%; Noradrenalin: 7.7 ± 0.8%, Abb. 3.22A) und dem zerebralen Wassergehalt der traumatisierten Hemisphäre (0.9% NaCl: 79.8 ± 0.1%; Noradrenalin: 80.0 ± 0.1%, Abb. 3.22B) zwischen den Tieren, die 0.9% NaCl oder Noradrenalin infundiert bekommen haben (p>0.05). Auch zum Zeitpunkt 24 Stunden nach CCI bestand kein signifikanter Unterschied in der posttraumatischen Hemisphärenschwellung (0.9% NaCl: 10.6 ± 1.6%; Noradrenalin: 10.4 ± 0.9%, Abb. 3.22A) und dem zerebralen Wassergehalt der traumatisierten Hemisphäre (0.9% NaCl: 80.5 ± 0.3%; Noradrenalin: 80.3 ± 0.16%, Abb. 3.22B) zwischen den beiden Gruppen.

Diskussion

Im Einklang mit den Ergebnissen dieser Untersuchung zeigen klinische als auch experimentelle Daten anderer Untersuchungen, dass der in der Frühphase nach traumatischer Hirnschädigung verminderten zerebralen Perfusion eine Phase mit normaler bis erhöhter Perfusion zwischen 24 und 72 Stunden nach Trauma folgt [52, 55, 68]. Die Minderung der zerebralen Perfusion und der daraus resultierende ischämische Schaden werden durch eine Reihe unterschiedlicher posttraumatischer Veränderungen verursacht, die sich parallel als auch nacheinander entwickeln (Kapitel 2.3.). In einer neueren Untersuchung konnte gezeigt werden, dass die Normalisierung der Perfusionswerte auf prä-traumatische Werte 24 Stunden nach Trauma keine “Normalisierung” der vorher gestörten regionalen Perfusion reflektieren [58]. Im Gegenteil, die intravitalmikroskopischen Untersuchungen zeigten deutlich dilatierte Arteriolen und Venolen mit signifikant erhöhter Flussgeschwindigkeit innerhalb des perikontusionellen Kortex neben thrombosierten Gefäßen mit verminderter Flussgeschwindigkeit in der Kontusion. Im Vergleich zur Laser Doppler Flussmessung können mit der Intravitalmikroskopie morphologische und funktionelle Veränderungen der Gefäße gezielter untersucht werden.


[Seite 75↓]

Abb. 3.22: . Posttraumatische Hemisphärenschwellung (A) und Wassergehalt (B) bestimmt 8 und 28 Stunden nach Controlled Cortical Impact. Weder die Hemisphärenschwellung noch der Wassergehalt in der traumatisierten Hemisphäre unterschieden sich zu den entsprechenden Zeitpunkten signifikant zwischen Tieren, denen 0.9% NaCl oder Noradrenalin (NOR) infundiert wurde (p<0.05).


[Seite 76↓]

Wie bereits in den vorhergehenden experimentellen Untersuchungen gezeigt (Kapitel 3.2 und 3.3) steigert die Blutdruckanhebung mittels Infusion von Katecholaminen den verminderten posttraumatischen CBF zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI [65]. In dieser Untersuchung konnte gezeigt werden, dass auch 24 Stunden nach CCI die Infusion von Noradrenalin die posttraumatische zerebrale Perfusion signifikant steigert. Die Anhebung des Blutdruckes von 90 auf 120 mm Hg, also innerhalb des Bereiches der zerebralen Autoregulation (50 - 150 mm Hg), ging mit einer signifikanten Erhöhung der kortikalen Perfusion und des Gefäßdurchmessers einher. Dies spricht für eine anhaltende Störung der zerebralen Autoregulation auch zum Zeitpunkt 24 Stunden nach CCI. Jedoch scheint die Steigerung des CBF nicht allein durch die Anhebung des CPP bedingt zu sein, da der CBF bis zu 60 Minuten nach Beendigung der Infusion von Noradrenalin erhöht blieb, also zu einem Zeitpunkt, als MAD und CPP bereits Ausgangswerte erreicht hatten. Wie im vorhergehenden Kapitel (3.3) diskutiert scheinen daher auch zum späteren Zeitpunkt nach CCI blutdruckunabhängige Effekte von Noradrenalin den posttraumatischen CBF zu beeinflussen wie z.B. die Noradrenalin-induzierte lokale Freisetzung von vasoaktiven Mediatoren oder die Eigenschaft als Freier-Radikalfänger [145, 168]. Bei chemischer Öffnung der Blut-Hirn-Schranke tritt Noradrenalin leicht in das zerebrale Parenchym über [183] und bewirkt dadurch einen Anstieg im CBF [184]. Im Gegensatz zu der Untersuchung von Baskaya und seinen Mitarbeitern [144], in der mit Hilfe von Proteinen mit einem hohen Molekulargewicht gezeigt werden konnte, dass die Blut-Hirn-Schranke ungefähr 24 Stunden nach fokalem SHT intakt ist, sprechen die Ergebnisse eigener kernspintomographischen Untersuchungen zur Integrität der Blut-Hirn-Schranke nach CCI unter Anwendung eines Kontrastmittels mit niedrigem molekularem Gewicht (Gadolinium) dafür, dass die Blut-Hirn-Schranke bis zu 7 Tage nach CCI gestört ist (Stover et al., nicht publiziert). Daher könnte das infundierte Noradrenalin auch 24 Stunden nach CCI in das Hirnparenchym gelangen und die persistierende CBF-Erhöhung durch Aktivierung endothelialer, glialer oder neuronaler adrenerger Rezeptoren bewirkt haben.

Der bedeutende Einfluss der α- und β-adrenergen Rezeptoren innerhalb des zentralen Nervensystems auf die zerebrale Perfusion wurde in verschiedenen Arbeiten beschrieben [185, 186, 187]. Während Einigkeit darüber besteht, dass Katecholamine Neurone und gliale Zellen aktivieren, besteht Unklarheit über die spezifische Noradrenalin-vermittelte zerebrovaskuläre Konstriktion [185, 187] oder Dilatation [184, 186]. Dies kann möglicherweise bedingt sein durch die verwendeten [Seite 77↓]Modelle (in vitro versus in vivo), Spezies (Nagetiere versus Nicht–Nagetiere), die Art der Verabreichung (intravenös versus lokal) und die verabreichten Konzentrationen.

Die Noradrenalin-induzierte Anhebung des Blutdruckes zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI steigerte auch den mittels der intraparenchymatös platzierten Sonden (Abb. 3.16) gemessenen CBF an der Stelle des Traumas (unterhalb der Kontusion) sowie im perikontusionellen Parenchym. Da der Anstieg des parenchymatösen CBF ebenso wie der des kortikalen CBF (s.o.) parallel mit der Blutdruckerhöhung verlief, ist zum frühen Zeitpunkt nach Trauma auch von einer Störung der Autoregulation im Parenchym auszugehen. Genau wie der kortikale CBF blieb der parenchymatöse CBF auch bis zu 30 Minuten nach Beendigung der Blutdruckanhebung signifikant erhöht. Die persistierende CBF-Erhöhung wurde möglicherweise ebenso durch blutdruckunabhängige Mechanismen von Noradrenalin verursacht, welche bereits weiter oberhalb diskutiert wurden. Aufgrund der Invasivität der intraparenchymatös platzierten Sonden kann die Störung der Autoregulation auch durch eine direkte Schädigung der Gefäße im Bereich der Sonde verursacht worden sein. Um nicht größere Gefäße zu schädigen, wurden die Sonden mit besonderer Vorsicht unter Verwendung des Operationsmikroskops platziert. Durch die Sonden verursachte intraparenchymatöse Blutungen wurden nicht beobachtet und die Sonden mussten nicht repositioniet werden. Desweiteren hat die Platzierung der intraparenchymatösen Sonden die Autoregulation zum Zeitpunkt 24 Stunden nach Trauma nicht beeinflusst, da die Anhebung des Blutdruckes zu diesem Zeitpunkt nicht zu einer Steigerung der parenchymatösen Perfusion führte. Im Gegensatz zu den oberflächlichen kortikalen Arealen scheint die posttraumatische Störung der Autoregulation in den subkortikalen bzw. parenchymatösen Arealen bei dieser Traumastärke auf den frühen Zeitpunkt nach Trauma beschränkt zu sein.

Die 4 Stunden nach CCI unmittelbar unterhalb der Kontusion gemessene Gewebe-Oxygenierung von 7 mm Hg spricht für eine zugrunde liegende zerebrale Hypoxie wie klinische und experimentelle Daten zeigen [121, 163, 188, 189, 190]. Das ebenfalls zu diesem Zeitpunkt signifikant verminderte ptiO2/CBF-Verhältnis spricht dafür, dass der lokale Sauerstoffverbrauch die Perfusionsminderung bei den traumatisierten im Vergleich zu den nicht-traumatisierten Tieren übersteigt. Zum Zeitpunkt 24 Stunden nach CCI lag die an der Stelle des Traumas gemessene [Seite 78↓]mittlere Gewebe-Oxygenierung mit 25 mm Hg im Normbereich, der zwischen 20 und 40 mm Hg liegt [188, 191]. In dieser Untersuchung wurden die parenchymatösen Sonden zu beiden Zeitpunkten in die gleichen, stereotaktisch ermittelten Areale positioniert, wodurch ein Vergleich der zu den verschiedenen Zeitpunkten gewonnen Messwerte ermöglicht wird. Basierend auf den vorangegangenen histologischen Untersuchungen (Abb. 3.16) wurde die ausgewählte perikontusionelle Messstelle nicht von der sich ausbreitenden Kontusion erfasst, während die an der Stelle des Traumas positionierte Sonde, d.h. an der Grenze zwischen Kortex und weißer Substanz unterhalb der Stelle des Bolzen-Aufpralles, von der Kontusion erfasst werden kann. Bei der in der gegenwärtigen Studie verwendeten Traumastärke beschränkte sich die Ausbreitung der Kontusion hauptsächlich auf den Kortex und involvierte nicht die weiße Substanz, so dass die CBF- und ptiO2-Messungen wahrscheinlich in der Penumbra der kortikalen Kontusion durchgeführt wurden. Die zum Zeitpunkt 4 Stunden nach CCI unterhalb der Kontusion gemessene Minderung der Gewebe-Oxygenierung und des ptiO2/CBF-Verhältnisses stehen im Zusammenhang mit der funktionell verschlechterten Perfusion. Ein erhöhter Sauerstoffverbrauch unterhalb der Kontusion spielt wahrscheinlich auch eine Rolle, da der im Parenchym gemessene perikontusionelle CBF sich nicht von dem unterhalb der Kontusion gemessenen CBF unterscheidet. Während der Infusion von Noradrenalin steigen die Gewebe-Oxygenierung und das ptiO2/CBF-Verhältnis signifikant an und erreichen die obere Grenze des Normbereiches. Die unter Infusion von Noradrenalin beobachteten Veränderungen waren zum frühen Zeitpunkt nach Trauma am deutlichsten ausgeprägt. Die Normalisierung der Gewebe-Oxygenierung an der Stelle des Traumas 24 Stunden nach CCI und deren Anstieg während der Infusion von Noradrenalin scheinen mit einem vermindertem Sauerstoffverbrauch im Zusammenhang zu stehen, da die intraparenchymatöse Perfusion unverändert blieb, während die Gewebe-Oxygenierung signifikant anstieg.

Zur Anhebung des Blutdruckes auf 120 mm Hg war zum Zeitpunkt 24 Stunden nach CCI eine Steigerung der Noradrenalin-Konzentration um 50% notwendig im Vergleich zu 4 Stunden nach Trauma. In einer neueren Arbeit von Holtzer und seinen Mitarbeitern konnte gezeigt werden, dass eine deutlich reduzierte “Blutdruck-Antwort” gegenüber Noradrenalin bei den Ratten vorliegt, bei denen das SHT mit einer 15minütigen Hypoxiephase sowie einer hämorrhagischen Hypotension kombiniert [Seite 79↓]wurde im Vergleich zu den Ratten mit einem isolierten SHT [192]. Da in der gegenwärtigen Untersuchung die Ratten nicht hypoton waren und die Blutgasanalyse keinen Anhalt für eine Hypoxie ergab, können diese Faktoren für den erhöhten Bedarf an Noradrenalin zur Blutdruckanhebung zum späten Zeitpunkt nach CCI nicht ursächlich sein. Der erhöhte Bedarf an Noradrenalin spricht möglicherweise für posttraumatische hormonelle Veränderungen. Der traumatische Hirnschaden bewirkt eine Aktivierung des sympatho-adrenalen Systems und eine vermehrte Freisetzung von Katecholaminen [100, 193]. Eine verlängerte Aktivierung der adrenergen Rezeptoren führt zu einer kompensatorischen Desensibilisierung und zur „Down-Regulation“ dieser Rezeptoren [194, 195, 196]. Folgende Hypothese könnte daher zutreffen. Die kortikale Kontusion nach CCI führt zu einer verlängerten Freisetzung von endogenem Noradrenalin, wodurch es zu einer funktionellen Hemmung der die Vasokonstriktion vermittelnden α-adrenergen Rezeptoren kommt. Zur Klärung des erhöhten Bedarfes an Noradrenalin zur Blutdruckanhebung in der späten posttraumatischen Phase sind daher weitere Untersuchungen notwendig, in denen Veränderungen der Noradrenalin-Konzentration im Blut, die Verteilung der adrenergen Rezeptoren und deren Funktion nach CCI untersucht werden.

Trotz der verbesserten posttraumatischen zerebralen Perfusion sowie Gewebe-Oxygenierung durch Blutdruckanhebung in der Früh- und Spätphase nach CCI kam es zu keiner signifikanten Abnahme der Hirnödementwicklung. Im Gegenteil, in der Frühphase war ein Trend für eine Zunahme der Hirnschwellung zu erkennen. Da die Blut-Hirn-Schranke zwischen 4 und 8 Stunden nach CCI maximal gestört ist und nach 24 Stunden ihre Funktion weitestgehend wiederhergestellt ist [144, 180], birgt die Blutdruckanhebung, bedingt durch den erhöhten hydrostatischen Druck, in der Frühphase nach Trauma im Vergleich zur Spätphase ein erhöhtes Risiko für die Zunahme des posttraumatischen Hirnödems. Ein Anstieg der perikontusionellen extrazellulären Glutamat- und Glukosekonzentration während der Infusion von Noradrenalin in der Frühphase nach CCI spricht ebenfalls für eine Schrankenstörung zu diesem Zeitpunkt [197]. Unabhängig von der Blutdruckerhöhung kann die frühe oder späte posttraumatische Infusion von Noradrenalin mit seinen potentiellen oxidativen und antioxidativen Effekten [145] die Entwicklung des sekundären Hirnschadens unterschiedlich beeinflussen, da in Abhängigkeit vom Zeitpunkt und der Konzentration neuroprotektive oder neurotoxische Effekte möglich sind (Kapitel [Seite 80↓] 3.3.). Dies könnte auch die Tendenz für die Zunahme der Hirnschwellung bei frühzeitiger Infusion von Noradrenalin nach CCI erklären.

Schlussfolgerung

Die Anhebung des Blutdruckes auf 120 mm Hg mittels intravenöser Infusion von Noradrenalin führt sowohl zum Zeitpunkt 4 als auch 24 Stunden nach CCI zu einem signifikanten Anstieg im kortikalen perikontusionellen Blutfluss und in der Hirngewebe-Oxygenierung. Zu beiden Zeitpunkten ergab sich kein Anhalt für eine Noradrenalin-induzierte Minderung des posttraumatischen CBF in den kortikalen und subkortikalen Hirnregionen. Die Verbesserung der Perfusion und Gewebe-Oxygenierung hatte in der Früh- und Spätphase keinen signifikanten Effekt auf die Entwicklung des posttraumatischen Hirnödems.


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22.09.2004