Posttraumatic Changes after Experimental Cortical Contusion and its Significance for Therapeutic Studies

HabilschriftDie vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit den posttraumatischen Veränderungen nach lokalem Schädel-Hirn-Trauma anhand eines tierexperimentellen Modells des sog. Controlled Cortical Impact . Die Untersuchungen weisen auf die Bedeutung der posttraumatisch gestörten Mikrozirkulation hin. Es konnte gezeigt werden, dass die Störung der Gewebedurchblutung multifaktoriell durch Mikrothombosen, zelluläre Adhäsionen und Vasokonstriktionen bedingt ist. Sie ist sowohl auf arteriellem, wie auf venösem Schenkel nachweisbar. Die Hypoperfusion konnte zu dem Zeitpunkt 4 Stunden nach Trauma durch Mikrolaser-Doppler- sowie durch intravitalmikroskopische Untersuchungen bewiesen werden. Zur weiteren Charakterisierung der posttraumatischen Veränderungen nach fokaler Läsion wurden Mikrodialyseuntersuchungen mit Biolumineszenzuntersuchungen energieabhängiger Metabolite korreliert. Es zeigte sich eine gestörte, jedoch kompensierte energetische Versorgung, die 6 Stunden nach Trauma am stärksten ausgeprägt war und die durch einen vermehrten ATP und Glukose Verbrauch charakterisiert ist. Interessanterweise sind auch von der Kontusion entfernte Regionen durch die Veränderungen betroffen, welche eventuell aufgrund vermehrter Bereitstellung von Substrat das Defizit ausgleichen könnten. Die immunologischen Veränderungen nach Trauma sind durch eine frühe Zytokinexpression 4 Stunden nach Trauma charakterisiert, die sowohl anti- als auch pro-inflammatorische Ausrichtung besitzt. Unabhängig von der Zytokinregulation kommt es erst sehr viel später ab 24 Stunden nach Trauma zu einer signifikanten Infiltration von Granulozyten in das Läsionsgebiet. Die Infiltration oder Aktivierung von phagozytierenden Zellen oder antigenpräsentierenden Zellen ist jedoch erst 96 Stunden nach Trauma nachweisbar. In der Frage, ob die Verringerung des regionalen Blutflusses nicht nur eine vulnerable Phase für sekundäre Ischämien darstellt, sondern auch selbst als Faktor zur Vergrößerung des sekundären Hirnschadens nach traumatischer Läsion in Frage kommt, haben wir diesen Faktor therapeutisch ausgeschaltet. Durch HyperHAES, einer Kombination von Hydroxyäthylstärke und hyperosmolarer Kochsalzlösung konnte einerseits eine Verbesserung der regionalen Blutflusses 4 Stunden nach Trauma nachgewiesen und andererseits eine Verringerung der Hirngewebeschädigung erreicht werden. Ob die Wirkung von Oxidantien auch einen Einfluss auf die gestörte Mikrozirkulation hat oder auf die Ausbreitung des Sekundärschadens wurde mit Hilfe von N-Acetylcystein untersucht. Hier konnte weder auf den Blutfluss noch auf die Ödemausbreitung oder das Kontusionsvolumen ein signifikanter Einfluss beobachtet werden. Zur anti-inflammatorischen Therapie wurde Tacrolimus eingesetzt, welches als Immunsupressivum nach Transplantationen klinisch im Gebrauch ist. Obwohl hier eine signifikante Reduktion der Immunzellinfiltration vor allem 72 Stunden nach Trauma nachweisbar ist hatte dies keine Auswirkung auf die Ausbreitung des Kontusionsvolumens. Die Untersuchungen unterstreichen die Vielseitigkeit der pathophysiologischen Veränderungen nach fokaler, traumatischer Hirnschädigung und weisen auf die Notwendigkeit hin, dem Faktor der gestörten regionalen Mikrozirkulation klinisch eine größere Bedeutung zu geben. Die zusätzliche Testung in den weiteren Modellen des Schädel-Hirn-Traumas wie dem Fluid Percussion- und dem Weight Drop-Modell würde bei positiven Ergebnissen die klinische Testung von HyperHAES unterstreichen. Um die Signifikanz der anti-oxidativen sowie anti-inflammatorischen Therapie zu klären, bedarf es weiterer experimenteller Untersuchungen.The present work describes different factors of posttraumatic changes following the experimental model of brain injury, the so called Controlled Cortical Impact (CCI) device. Posttraumatic impairment of microcirculation is described, which is most prominent at 4 hours following trauma. The multifactorial cause of decreased cerebral blood flow was visualized by intravital microscopy using the orthogonal polarized spectral (OPS) imaging. Microthrombosis, cellular adhesions and vasospasm was observed at 4 hours after trauma. Using microdialysis and bioluminescence measurements energetic impairment showed a heterogeneous pattern, which was most prominent at 6 hours following CCI and was widely spread also in distant areas to the contusion. Posttraumatic immunological changes showed a mixed local increase of pro- as well as anti-inflammatory cytokines only at 4 hours. However, cellular infiltration by neutrophils was seen at later time points and was most obvious at 24 hours after trauma. In therapeutic studies the hyperoncotic, hyperosmolar agent HyperHAES was used to influence impaired microcirculation. This treatment protocol showed an enhancement of regional cerebral blood flow in the pericontusional area and resulted in a decrease of contusion volume. An anti-oxidative agent, n-acetylcysteine, revealed no significant changes in, cerebral blood flow, posttraumatic brain oedema or contusion volume. Using Tacrolimus as anti-inflammatory drug a significant decrease in immune cell invasion/ activation was observed at 72 hours after trauma, however, without influencing the contusion volume. As a result the significance of impaired microcirculation is emphasized in this study, which can be treated using a hyperoncotic, hyperosmolar agent. Investigations of the drugs efficacy using other models of traumatic brain injury, like the fluid percussion and the weight drop model, are recommended before clinical testing. Further studies are needed to clarify the role of anti-oxidative and anti-inflammatory treatment following brain injury