Effekte einer Vagusnervstimulation auf neurophysiologische Parameter und die zelluläre Immunantwort im Gehirn der Ratte während einer systemischen Entzündungsreaktion

Abstract

Eine Sepsis stellt ein wichtiges medizinisches Problem dar, für das es bis heute keine zufriedenstellende Therapie gibt. Während einer Sepsis oder einer systemischen Entzündungsreaktion kommt es zur Aktivierung einer inflammatorischen Kaskade, verbunden mit einer Störung der Mikrozirkulation, welche zu einer Minderversorgung diverser Organen führt und schließlich den Funktionsverlust dieser Organe bedingt. Aufgrund einer funktionellen Beeinträchtigung des Gehirns, treten während einer Sepsis häufig auch neurologische Symptome auf, die unter dem Begriff Sepsis assoziiertes Delirium zusammengefasst werden. Das Gehirn wird dabei jedoch nicht nur durch die inflammtorische Reaktion geschädigt, es kann, im Gegensatz zu anderen Organsystemen, über den N. vagus auch zur Modulation des Immunsystems beitragen. Vorangegangenen Studien zeigten anti-inflammatorische Effekte einer efferenten Vagusnervstimulation, die zu einer Stabilisierung der zerebralen Mikrozirkulation und der Gehirnfunktion führten. Des Weiteren scheint die Vagusnervstimulation modulatorisch auf die zelluläre Immunantwort im Blut und in der Milz zu wirken. Da die zugrundeliegenden Mechanismen jedoch noch weitgehend unbekannt sind, war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, diese Mechanismen näher zu beleuchten. Dabei lag der Schwerpunkt zum einen auf den neurophysiologischen Parametern, zum anderen aber auch auf inflammatorischen Markern in unterschiedlichen Gehirnregionen, Mediatoren der neurovaskulären Kopplung und der Migration von Immunzellen ins Gehirn während einer systemischen Entzündung.Um eine systemische Entzündungsreaktion in Ratten zu induzieren erfolgte eine intravenöse Applikation von Lipopolysaccharid (LPS 5 mg/kg). Es erfolgte entweder keine Manipulation des N. vagus, eine beidseitige cervicale Vagotomie oder eine Vagotomie und eine Vagusnervstimulation des linken distalen Anteils des N. vagus. Als Indikator der zerebralen Mikrozirkulation und der Gehirnfunktion wurden die evozierte Flussantwort und die somatosensorisch evozierten Potentiale über einen Zeitraum von 4,5 Stunden erfasst. LPS bewirkte eine Reduktion der beiden neurophysiologischen Parameter, die durch eine zusätzliche Vagusnervstimulation verhindert werden konnte. Zusätzlich verringerte die vagale Stimulation die Konzentration peripherer inflammatorischer Zytokine (IL-6, TNFα) und die zentrale Expression von IL-6 und NF-IL6, was sowohl auf eine verringerte periphere als auch zentrale Entzündungsreaktion hinweist. Interessanterweise ergaben sich dabei Unterschiede in der Regulation der inflammatorischen Antwort im Cortex und im Hypothalamus, welche auf eine unterschiedliche Ansprechbarkeit auf humorale und neuronale Signale in diesen Regionen zurückzuführen ist. Eine Vagusnervstimulation führte außerdem zu einer verminderten Expression von COX2, einem geschwindigkeitsbestimmenden Enzym für die Prostaglandin E Synthese. Dies legt nahe, dass eine Vagusnervstimulation unter inflammatorischen Bedingungen über die Modulation vasoaktiver Substanzen auch die neurovaskuläre Kopplung beeinflussen könnte. Neben den Effekten auf humorale Faktoren beeinflusste die Vagusnervstimulation auch die zelluläre Immunantwort. LPS induzierte einen Anstieg der Plasmakonzentration des Neuroimmunmediators Leptin und eine vermehrte Expression von Extravasationssignalen ( intercellular adhesion molecule-1 (ICAM 1), CXCL1)), sowie einen Anstieg der Anzahl neutrophiler Granulozyten im Gehirn und ihrer Kolokalisation mit ICAM-1. Interessanterweise führte die efferente Vagusnervstimulation hier zu einer Reduktion von Leptin und CXCL1 und verhinderte die LPS bedingte Kolokalisation neutrophiler Granulozyten mit ICAM-1.Zusammenfassend legen diese Ergebnisse eine positive, anti-inflammatorische Wirkung der Vagusnervstimulation nahe, die durch eine verminderte inflammtorische Reaktion im Gehirn und einer verminderten Interaktion neutrophiler Granulozyten mit Endothelzellen des Gehirns zustande kommt. Sepsis is an important problem in the public health sector and until today there is no satisfying therapy for it. Sepsis or systemic inflammation leads to the activation of an inflammatory cascade which induces a disturbance of the microcirculation leading to an insufficient blood supply of various organs and finally to their functional failure. Because of the impairment of brain function sepsis is often accompanied by neurological symptoms, referred to as sepsis associated delirium. Importantly the brain is not only a victim of inflammatory processes but can also modulate the immune response via the vagus nerve. Previous experiments indicated that an efferent stimulation of the vagus nerve has anti-inflammatory effects stabilising brain microcirculation and brain function. Additionally it seems to modulate the cellular immune response in the blood and the spleen. However, the underlying mechanisms are still largely unknown. The current study aimed to clarify these mechanisms focused on neurophysiological parameters, inflammatory markers in different brain regions, mediators of the neurovascular coupling and leukocyte migration to the brain during systemic inflammation. To induce endotoxemia an intravenous administration of lipopolysaccharide (LPS; 5 mg/kg) was used. Rats received either no manipulation of the vagus nerve, a cervical vagotomy or a cervical vagotomy and vagus nerve stimulation of the left distal trunk. As indicators of the cerebral microcirculation and brain function the evoked flow velocity response and somatosensory evoked potentials were measured for 4.5 h, respectively. LPS induced a decline of both neurophysiological parameters, which was prevented by vagal stimulation. Additionally vagus nerve stimulation decreased the concentration of peripheral pro-inflammatory cytokines (IL-6, TNFα) and the central expression of IL-6 and NF-IL6 indicating a reduced inflammatory response in the periphery and the brain. Interestingly, there was a diverging regulation of the inflammatory response in the cortex and the hypothalamus due to the different accessibility for humoral and neuronal communication pathways to these brain regions. Furthermore, vagal stimulation reduced the expression of COX2, the rate limiting enzyme for the prostaglandin E synthesis pointing to an influence on mediators of the neurovascular coupling. Besides the effects on humoral mediators, vagus nerve stimulation also interfered with the cellular immune response. LPS induced an increased plasma concentration of the neuroimmune mediator leptin and the expression of extravasation signals ( intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1), CXCL1) as well as the number of neutrophil granulocytes in the brain and their colocalisation with ICAM-1. Interestingly, vagus nerve stimulation reduced the expression of CXCL1 and Leptin and prevented the colocalisation of neutrophil granulocytes and ICAM-1.Overall, these results suggest beneficial and anti-inflammatory effects of efferent vagal stimulation on neurophysiological parameters that might be due to an attenuated inflammatory response in the brain and a reduced interaction of neutrophil granulocytes and brain endothelial cells.