Das Makrosphärenmodell : Evaluation eines neuen Tiermodells zur Induktion fokaler zerebraler Ischämien an der Ratte

Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Evaluation und Weiterentwicklung eines neuen Tiermodells zur Induktion fokaler zerebraler Ischämien (Makrosphärenmodell), einschließlich der Charakterisierung möglicher Vor- und Nachteile im Vergleich mit den etablierten Verfahren. Im ersten Experiment wurde die neuroprotektive Wirkung des NMDA-Antagonisten Dizocilpin (MK-801) an drei verschiedenen permanenten Ischämiemodellen gegen Placebo getestet. Bei Verwendung des Fadenmodells traten bei fast allen Tieren Hypothalamusinfarkte auf, was mit einem signifikanten Anstieg der Körperkerntemperatur verbunden war. Bei Anwendung des Makrosphärenmodells blieb diese Komplikation aus. Die Behandlung mit Dizocilpin führte im Makrosphärenmodell zu einer 60-prozentigen Reduktion der Infarktgröße, während in dem etablierten Fadenmodell kein signifikanter neuroprotektiver Effekt zu beobachten war. Um sicherzustellen, dass diese Maskierung des neuroprotektiven Effekts von Dizocilpin tatsächlich auf die Induktion von Hypothalamusinfarkten und nicht etwa auf das andersgeartete Operationsverfahren zurückzuführen ist, wurde das Makrosphärenmodell so modifiziert, dass es -ähnlich wie das Fadenmodell- zu Verschlüssen der A. hypothalamica führte. In dieser dritten Gruppe erlitten die Tiere Hypothalamusschädigungen und eine pathologische Hyperthermie. Dizocilpin führte hier zu keiner signifikanten Infarktreduktion. Aus diesen Befunden kann gefolgert werden, dass die Induktion von Hypothalamusinfarkten mit nachfolgender pathologischer Hyperthermie zur Maskierung potenziell neuroprotektiver Effekte führt. Diese Nebenwirkung des etablierten Fadenmodells kann durch den Einsatz der neuen Makrosphärentechnik effektiv verhindert werden. In einer weiteren Studie wurden Art und Häufigkeit typischer Komplikationen und Fehlerquellen unterschiedlicher Okklusionsverfahren untersucht. Verglichen wurden das Fadenmodell zum permanenten Verschluss der MCA, das Fadenmodell zum transienten (90-minütigen) Verschluss und das Makrosphärenmodell. Mit Hilfe der Magnetresonanzangiographie wurde die Zuverlässigkeit des angestrebten Gefäßbefundes (Verschluss oder Reperfusion der A. cerebri media) untersucht. Infarktausdehnung und die Häufigkeit von Blutungskomplikationen wurden magnetresonanztomographisch und histologisch ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Nachweis neurologischer Defizite bei Verwendung des Fadenmodells alleine keinen Beweis für eine erfolgreiche Okklusion der A. cerebri media darstellt, sondern durch zusätzliche Methoden, wie die MR-Angiographie, bestätigt werden sollte. Eine weitere typische Komplikation des Fadenmodels ist das Auftreten von Subarachnoidalblutungen, die durch Perforationen hirnversorgender Arterien hervorgerufen werden. Diese Komplikation trat ausschließlich bei Verwendung des Fadenmodells, nicht jedoch bei Einsatz des Makrosphärenmodells auf. Neben der Vermeidung zahlreicher Komplikationen des Fadenmodells erleichtert die Makrosphärentechnik Anwendungen unter technisch erschwerten Bedingungen, wie z.B. den Verschluss der A. cerebri media innerhalb des Magnetresonanztomographen. Diese sog. in-bore-Okklusion erlaubt die Untersuchung pathologischer Vorgänge in der hyperakuten Phase der fokalen zerebralen Ischämie. Dabei ist ein direkter (´pixel-by-pixel´-) Vergleich zwischen den Baseline-Messungen und den postischämischen Tomogrammen möglich, da die Tiere zwischen den initialen und den Folgeaufnahmen nicht neu im Gerät positioniert werden müssen. In-bore-Okklusionen sind prinzipiell mit der etablierten Fadentechnik möglich. Dieses Verfahren ist jedoch technisch kompliziert und mit hohen Fehlerraten behaftet. In der dritten Studie der vorliegenden Arbeit wurden die Einsatzmöglichkeiten des Makrosphärenmodells zur in-bore-Okklusion untersucht.> Durch geringfügige Modifikationen des Makrosphärenmodells war diese Technik für die MCAO innerhalb des Magnetresonanztomographen einsetzbar. Die Komplikationsrate lag mit 11% ähnlich hoch wie bei der Anwendung des Modells unter normalen Bedingungen. Anhand diffusionsgewichteter Messungen konnte gezeigt werden, dass die Ausbildung des zytotoxischen Hirnödems bereits innerhalb der ersten Minuten nach Verschluss der A. cerebri media nachweisbar ist. Bereits 20 Minuten nach Ischämiebeginn war auch ein signifikanter Anstieg der T2-Relaxationszeit als Ausdruck eines vasogenen Hirnödems nachweisbar. Dieser Befund kann als überraschend früher Verlust der Integrität der Blut-Hirnschranke interpretiert werden. Aim of the present study was to evaluate and improve an new animal model for induction of focal cerebral ischemia (macrosphere-model) and to characterize possible advantages and disadvantages in comparison to established stroke-models. In the first experiment the neuroprotective effect of Dizocilpin (MK-801) was compared to placebo using three different permanent middle cerebral artery occlusion models. Using the suture-technique, hypothalamic injury occurred in all animals, which was accompanied by a significant increase in body temperature. This side-effect was avoided by using the macrosphere-model. Compared to placebo, Dizocilpin-treatment led to a significant reduction of infarct size (60%) in the macrosphere-group, whereas no significant neuroprotective effect could be demonstrated in the suture-group. In order to ensure that the failure of Dizocilpin-treatment in the suture-group is caused by induction of hypothalamic injury and pathological hyperthermia not potentially by differences in the operation-techniques, the macrosphere model was modified by increasing the number of spheres. This modification led to an occlusion of hypothalamic artery similar to the suture-model. Consequently, the animals developed hypothalamic injury and subsequent hyperthermia. As expected, Dizocilpin provided no significant neuroprotective effect in this group. These results provide evidence that the induction of hypothalamic damage with subsequent pathological hyperthermia can obscure the effects of neuroprotective drugs. This typical side-effect of the established suture-technique could be avoided by using the new macrosphere model. Furthermore, typical side-effects and sources of error of the macrosphere-technique were investigated by comparison of the permanent suture-model, the transient suture-model (90 minutes) and the macrosphere-model. Using magnetic resonance angiography, the frequency of sufficient middle cerebral artery-occlusion (and reperfusion) was evaluated. Infarct size and the incidence of hemorrhagic complications were determined by using magnetic resonance imaging and histopathology. Neurological deficits were quantified clinically. The results indicate that the presence of focal neurological deficits alone do not provide evidence for sufficient middle cerebral artery occlusion, since some animals displayed neurological deficits while MR-angiography proved that the occlusion technique failed to obstruct blood flow to the middle cerebral artery. Thus sufficient vessel occlusion needs to be verified in experimental stroke models by vascular imaging such as MR-angiography. Subarachnoid hemorrhage represents another typical side-effect of the suture model. This complication is caused by perforation of intracranial arteries. In the present study, this side-effect occurred solely in animals that were subjected to the suture-technique, but not in animals of the macrosphere-group. Due to its uncomplicated applicability, the macrosphere technique allows middle cerebral artery-occlusion even under difficult technical conditions, such as within the bore of a MR-tomograph (in-bore occlusion). This technique permits investigations of pathological changes in hyperacute phase of focal cerebral ischemia. Moreover, this method allows a direct (´pixel-by-pixel´) comparison between pre and post ischemic images since animals do not need to be repositioned after baseline imaging. Basically, in-bore occlusion can be achieved by modifying the established suture-technique. However, this procedure is technically challenging accompanied by a high failure-rate. In the third experiment, the applicability of the macrosphere-model for in-bore occlusion was investigated. Minor technical modifications of the previously used macrosphere-technique facilitated middle cerebral artery-occlusion inside the MRI-scanner. The complication rate was considerably low (11%) and comparable to the application of this model under normal conditions. In this experiment, the development of cytotoxic brain edema was detectable within the first minutes following middle cerebral artery-occlusion. An increase in T2-relaxation time, that is indicative for vasogenic brain edema, could be detected as early as 20 minutes after induction of ischemia. This result indicated a surprisingly early breakdown of the blood-brain barrier.