Extrazelluläre Ionenänderungen während Cortical Spreading Ischaemia im zerebralen Kortex der Ratte

Autor: Windmüller, Olaf
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2008
Předmět:
DOI: 10.17169/refubium-6947
Popis: Dissertation
Cortical spreading depression (CSD) ist eine Depolarisationswelle der Hirnrinde, die sich mit einer Geschwindigkeit von 3 mm/min ausbreitet. Während CSD ist der neuronale Metabolismus aktiviert, d. h., der Energiebedarf des Gewebes steigt massiv an; der regionale Blutfluss ist an den aktivierten Metabolismus gekoppelt und steigt ebenfalls. Die resultierende hyperämische Flussänderung breitet sich zusammen mit der neuronal-astroglialen Depolarisationswelle im zerebralen Kortex aus (Cortical Spreading Hyperaemia). Der Begriff cortical spreading ischaemia (CSI) beschreibt einen erst kürzlich entdeckten Ischämiemechanismus: CSI wird durch eine CSD ausgelöst, die als Folge einer veränderten vaskulären Reaktivität nicht zu einer Hyperämie, sondern zu einer starken arteriellen Konstriktion in der Mikrozirkulation der Hirnrinde mit der Folge einer Ischämie führt. Diese wandernde Ischämie breitet sich gemeinsam mit der Depolarisationswelle in der Hirnrinde aus (daher der Begriff cortical spreading ischaemia ). Es wurde als Hypothese formuliert, dass CSI ein pathophysiologischer Mechanismus der verzögerten ischämischen neurologischen Defizite nach Subarachnoidalblutung beim Menschen sein könnte. Die vorliegende experimentelle Dissertation beschäftigt sich mit den Mechanismen der CSI. Im ersten Teilprojekt wurde die CSI in vivo mit dem NO-Scavenger Oxyhämoglobin und einer erhöhten Kalium- Ionenkonzentration im Subarachnoidalraum der Ratte induziert, während intrakortikale Potentialänderungen, der extrazelluläre pH-Wert, Änderungen des extrazellulären Volumens und die extrazellulären Konzentrationen von Kalium-, Natrium-, Kalzium- und Chloridionen im Kortex mit ionenselektiven Mikroelektroden gemessen wurden. Zusätzlich wurden der Blutfluss im Bereich der zerebralen Mikrozirkulation und das subarachnoidale DC-Potential erfasst. Das Ziel bestand darin, herauszufinden, ob extrazelluläre Ionenkonzentrationsänderungen die der CSI zugrunde liegende Vasokonstriktion vermitteln. Die in vivo erfolgten Messungen der extrazellulären Ionenkonzentrationsänderungen bildeten die Basis für die Entwicklung eines In- vitro-Modells der CSI, welches von einem Kooperationspartner untersucht wurde. In diesem Modell wurde, in An- bzw. Abwesenheit von NO, ein Ionencocktail abluminal an der isolierten Arteria cerebri media der Ratte appliziert, der die ionale Zusammensetzung aufwies, die vorher von mir während CSI in vivo gemessen worden war. Dabei wurde festgestellt, dass der Ionencocktail in Anwesenheit von NO zu einer arteriellen Dilatation und in Abwesenheit von NO zu einer ausgeprägten Konstriktion führte. Somit zeigte sich eine Übereinstimmung der Befunde in der isolierten Arteria cerebri media mit den In-vivo-Befunden. Im zweiten Teilprojekt untersuchten wir, ob die CSD/CSI durch einen N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptor (NMDAR)-Antagonisten gehemmt werden kann, da bekannt ist, dass NMDAR-Antagonisten, unter physiologischen Bedingungen, CSD wirkungsvoll blockieren. Ich stellte fest, dass der NMDAR- Antagonist die CSI nicht hemmen konnte. In weiteren In-vivo- und In-vitro- Untersuchungen konnten wir dann nachweisen, dass dafür die erhöhte basale extrazelluläre Kaliumkonzentration ([K+]o) verantwortlich ist. Diese Ergebnisse implizieren, dass eine Neuroprotektion mit NMDAR-Antagonisten gegen das Auftreten von CSD/CSI wenig Erfolg versprechend ist. Bereits in früheren Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die CSI wieder in eine Spreading Hyperaemia zurückverwandelt werden kann, wenn der Kalziumantagonist Nimodipin gleichzeitig mit einem NO-Synthase (NOS)-Inhibitor und einer erhöhten Kalium- Ionenkonzentration im artefiziellen zerebrospinalen Liquor appliziert wurde. Im dritten Teilprojekt meiner Dissertation untersuchte ich nun, ob Nimodipin auch dann die CSI in eine Hyperämie zurückverwandelt, wenn diese nicht durch einen NOS-Inhibitor, sondern durch Oxyhämoglobin, also die klinisch relevantere Auslösebedingung, induziert wurde. Die konservative klinische Akuttherapie von verzögerten ischämischen neurologischen Defiziten nach Subarachnoidalblutung besteht in einer moderaten Volumenexpansion bzw. Hämodilution (so genannte Triple-H-Therapie). Deshalb war das zweite Ziel dieses Teilprojektes, den Effekt einer intravenösen Hydroxyethylstärke (HAES)-Gabe auf die CSI zu charakterisieren. Es konnte gezeigt werden, dass die prophylaktische intravenöse Gabe von Nimodipin oder HAES die CSI partiell in eine Cortical Spreading Hyperaemia zurückverwandelten. Die Ergebnisse dieser Dissertation besitzen Implikationen für das pathophysiologische Verständnis der verzögerten ischämischen neurologischen Defizite nach Subarachnoidalblutung und könnten in Zukunft Relevanz für die Therapieentwicklung gewinnen.
In rats, cortical spreading hyperaemia is coupled to a spreading neuroglial depolarization wave ( spreading depression ) under physiological conditions, whereas cortical spreading ischaemia is coupled to it if red blood cell products are present in the subarachnoid space. Spreading ischaemia has been proposed as the pathophysiological correlate of the widespread cortical infarcts abundantly found in autopsy studies of patients with subarachnoid haemorrhage. This experimental dissertation investigates the mechanism of cortical spreading ischeamia. The purpose of the first subproject of this dissertation was to find out whether the extracellular ion changes associated with the depolarization wave may cause the vasoconstriction underlying spreading ischaemia. We induced spreading ischaemia in vivo with the nitric oxide (NO) scavenger oxyhaemoglobin and an elevated K+ concentration in the subarachnoid space, while slow potential, pH, extracellular volume and concentrations of K+, Na+, Ca2+ and Cl- were measured in the cortex with microelectrodes. A further group of investigators then extraluminally applied an ionic cocktail (cocktailSI) to the isolated middle cerebral artery in vitro, matching the ionic composition of the extracellular space, as measured during spreading ischaemia in vivo. Extraluminal application of cocktailSI caused middle cerebral artery dilatation in the absence and constriction in the presence of NO synthase inhibition in vitro, corresponding with the occurrence of spreading hyperaemia in the presence and spreading ischaemia in the absence of NO in vivo. Our results suggest that the extracellular ion changes represent the essential mediator of the vascular response to spreading neuroglial depolarization. N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) antagonists have been regarded promising candidates to inhibit spreading depolarizations and spreading ischaemia, because they block spreading depolarization under physiological conditions. However, their efficacy seems to be reduced under energy depletion. In a second subproject we have studied whether elevated baseline [K+]o may be the cause of this reduced drug efficacy. Cranial window preparations, laser Doppler flowmetry and K+-sensitive microelectrodes were used to record spreading depolarization and spreading ischaemia in rats in vivo. The noncompetitive NMDAR antagonist dizocilpine (MK-801) blocked spreading depolarization propagation under physiological conditions, but did not block spreading depolarization or spreading ischaemia under high baseline [K+]o. Our data suggest that elevated baseline [K+]o reduces the efficacy of NMDAR antagonists on spreading depolarization and spreading ischaemia. In conditions of moderate energy depletion, as in the ischemic penumbra or after subarachnoid hemorrhage, NMDAR inhibition may not be sufficient to block these depolarizations. It has been proposed that delayed ischemic neurological deficits are induced by red blood cell (RBC) products after subarachnoid hemorrhage. Prophylactic treatment with the Ca2- antagonist nimodipine or prevention of systemic volume contraction reduces the occurrence of delayed ischemic neurological deficits. To gain insight into the underlying mechanism, we studied in a third subproject the effects of nimodipine or volume expansion on ischemic events induced by RBC products in rats. At a cranial window cerebral blood flow and the subarachnoid direct current potential were recorded; the cortical surface was superfused with artificial cerebrospinal fluid. A spreading depolarization wave was triggered at a remote site, from which it traveled to the cranial window. The depolarization wave triggered an ischemic event at the cranial window when artificial cerebrospinal fluid, containing the RBC product hemoglobin and elevated K+ levels was superfused. In contrast, in animals receiving intravenously administered nimodipine or moderate volume expansion/hemodilution with hydroxyethyl starch, the depolarization wave triggered brief initial hypoperfusion, followed by brief hyperemia in the cortical area exposed to the RBC products. Under physiological conditions, the depolarization wave triggered brief hyperemia. Thus, spreading ischemia induced by RBC products is antagonized by measures known to be beneficial in the prophylaxis of delayed ischemic neurological deficits. Our findings suggest that a mechanism involving the cortical microcirculation might underlie the therapeutic effects of nimodipine and volume expansion. The results of these investigations imply a mean for the pathophysiological understanding and therapy of delayed neurological deficits after subarachnoid hemorrhage.
Databáze: OpenAIRE
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