Evaluation verschiedener Schlaganfallmodelle im Tierexperiment Perfusionsuntersuchungen mit einem Flat-Panel-Volumen-Computertomographen

Abstract

Mit 65.133 Todesfällen pro Jahr (statistisches Bundesamt 2006) belegt der Schlaganfall Platz drei der Mortalitätsstatistiken in Deutschland. Die Prävention und die erfolgreiche Behandlung des Schlaganfalls sind daher sowohl versorgungsmedizinisch als auch gesundheitspolitisch von großer Relevanz.Die Bildgebung des Gehirns und seiner Durchblutung ist ein wesentlicher Bestandteil der Schlaganfalldiagnostik und maßgebend für die weitere evidenzbasierte Behandlung.Die flat-panel Computertomographie ist eine nicht-invasive Methode zur dreidimensionalen Bildgebung im Tierversuch. Durch eine hohe Ortsauflösung und gleichzeitiger hoher z-Achsenabdeckung sind Perfusionsmessungen im gesamten Organ möglich. Mit dieser Arbeit sollte beurteilt werden, ob mittels eines flat-panel Volumen CT Perfusionsmessungen bei zerebraler Ischämie grundsätzlich durchführbar sind. Dafür wurden zum einen drei tierexperimentelle Schlaganfallmodelle untersucht, welche sowohl einen permanenten als auch einen transienten Gefäßverschluss induzieren. Zum anderen erfolgten Perfusionsmessungen bei zerebraler Ischämie und dekompressiver Hemikraniektomie. Im ersten Experiment wurden männliche Ratten der Gattung Wistar in 4 Gruppen randomisiert. Dabei wurde in der ersten Gruppe ein transienter Verschluss (Fadenmodell mit Reperfusion nach 90 Minuten) und bei Gruppe II und III ein permanenter Verschluss (Fadenmodell und Makrosphärenmodell) induziert; Gruppe IV diente als Kontrollgruppe. Blutfluss und Blutvolumenmessungen erfolgten 24 Stunden nach der Induktion des Infarktes. Dabei wurden sowohl im und um das Infarktgebiet sowie an den korrespondierenden Stellen der nicht infarzierten Hemisphäre quantifiziert. Die Gantry-Rotationszeit betrug dabei 1 Sekunde und der Scanvorgang dauerte 30 Sekunden. Die Infarktgröße wurde postmortal mittels 2,3,5-triphenyltetrazolium chloride (TTC) Färbung ermittelt.Die Infarktvolumina der verschiedenen Interventionsgruppen unterschieden sich nicht. Hingegen zeigte sich in den Infarktgebieten eine signifikant reduzierte Perfusion subkortikaler Regionen bis auf 78,2% (Gruppe II, p = 0,005) und 79,9% (Gruppe III, p = 0,012) sowie, im Vergleich zur nicht betroffenen Seite, der gesamten Hemisphäre bis auf 77,4% (Gruppe II p = 0,010) und 82,0% (Gruppe III, p = 0,049). Die Untersuchung des zerebralen Blutvolumens wies keine signifikanten Unterschiede zwischen den Interventionsgruppen auf.Im zweiten Experiment wurden ebenfalls männliche Ratten der Gattung Wistar randomisiert in zwei Gruppen geteilt. Bei beiden Gruppen wurde ein Hirninfarkt mittels Fadenmodell und anschließender Reperfusion (nach 90 Minuten) durchgeführt. Eine Gruppe wurde vor der Reperfusion hemikraniektomiert (Experiment II, Gruppe I). Die Perfusionsuntersuchungen erfolgten analog zum ersten Experiment. Die Infarktvolumina zeigten auch hier keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Gruppen. Die Untersuchungen des zerebralen Blutflusses wiesen im Vergleich der Hemisphären einen signifikant höheren Blutfluss (Kortex 108,6 % p=0,041) der reperfundierten und hemikraniektomierten Tiere im Vergleich zu denen ohne Hemikraniektomie auf. Die Messungen des Infarktkerns und des Infarktrandbereichs zeigten keine signifikanten Unterschiede. Wie auch in Experiment I waren die Ergebnisse der Blutvolumenmessungen nicht statistisch signifikant. Die Ergebnisse belegen, dass Perfusionsstudien bei zerebraler Ischämie in tierexperimentellen Studien mit dem flat panel Volumen-CT grundsätzlich möglich und durchführbar sind. Sowohl einfache Unterscheidungen des zerebralen Blutflusses zwischen permanenten Verschlussmodellen und gesunder Kontrolle, als auch differenzierte Vergleiche zwischen reperfundierten mit und ohne Hemikraniektomie zu permanenten Gefäßverschlüssen konnten mit dieser Methode evaluiert werden. Damit stellt diese Untersuchungsart eine neue und sinnvolle Methode zur nicht-invasiven dynamischen Bildgebung in tierexperimentellen Schlaganfallmodellen dar. Darüber hinaus bestätigten die Ergebnisse der zerebralen Blutflussmessungen, dass das Makrosphärenmodell eine nützliche Alternative gegenüber dem weitverbreiteten Fadenmodells ist, wenn permanente Gefäßverschlüsse induziert werden sollen. Stroke is one of the leading causes of morbidity and mortality worldwide. Not least, with an annual incidence of 65.000 cases per year in Germany, prevention and successful therapy of stroke display very important goals for both health and economy reasons. Imaging of the brain and its hemodynamic impairment in the acute phase is decisive for momentous, evidence- based therapeutic decisions. Flat-panel volumetic tomography (fpVCT) is a non-invasive approach to three-dimensional small animal imaging. The capability of volumetric scanning and a high resolution in time and space enables whole organ perfusion studies. This study evaluates feasibility and validity of fpVCT in cerebral perfusion measurement with impaired hemodynamics by comparing three well-established rat stroke models for temporary and permanent middle cerebral artery occlusion (MCAO) as well as hemodynamic consequences of decompressive hemicraniectomy. First experiment: Male Wistar rats were randomly assigned to temporary (group I: suture model with reperfusion) and permanent (group II: suture model, group III macrosphere model) MCAO and to a control group. Perfusion scans with respect to cerebral blood flow (CBF) and volume (CBV) were performed 24h post intervention by fpVCT, using a gantry rotation time of 1 s and a total scanning time of 30 s. Postmortem analysis included infarct-size calculation by 2,3,5-triphenyltetrazolium chloride (TTC) scanning. Infarct volumes did not differ significantly throughout intervention groups. After permanent MCAO, CBF decreased significantly in subcortical regions to 78.2% (group II, p=0 0.005) and 79.9% (group III, p=0.012) and in total hemisphere to 77.4% (group II, p=0.010) and 82.0% (group III, p=0.049). CBF was less impaired with temporary vessel occlusion. CBV measurements revealed no significant differences. Second experiment: Male Wistar rats were randomly assigned to two groups with temporary (suture model) MCAO and decompressive hemicraniectomy (group I) and without decompressive hemicraniectomie (group II). Perfusion measurements of CBF and CBV were proceeded analog to the first experiment.As expected, Infarct volumes did not differ significantly throughout intervention groups. CBF of rats with dekompressive hemicraniectomie and reperfusion after MCAO increased significantly in total hemisphere 108,6% (group I, p=0,041). CBV measurements in infarctcore and subcortical regions revealed no significant differences. Results demonstrate feasibility of cerebral perfusion quantification in rats with the fpVCT, which can be a useful tool for non-invasive dynamic imaging of cerebral perfusion in rodent stroke models. In addition to methodological advantages, CBF data confirm the macrosphere model as a useful alternative to the suture model for permanent experimental MCAO.