Schaden und Nutzen von Gasbläschen in der zerebralen Zirkulation

Abstract

Gasbläschen, die in die zerebrale Zirkulation gelangen, ziehen ein mannigfaltiges Spektrum unterschiedlichster Symptome und Auswirkungen nach sich. Je nach ihrer Größe und Zusammensetzung können sie den zerebralen Blutfluss stören, zu inhomogenen Blutumverteilungen und Störungen der Blut-Hirn-Schranke führen und die Inflammation, die Thromben- und Ödembildung im Gehirn fördern. Die Konsequenzen dieser pathophysiologischen Vorgänge reichen von subtilen neuropsychologischen und neurokognitiven Störungen über ischämische Gehirninfarkte bis hin zum Tod des betroffenen Lebewesens. Andererseits können Mikrobläschen einer bestimmten Größe und Zusammensetzung aber auch nutzbringend in der Ultraschalldiagnostik als Echokontrastverstärker eingesetzt werden. Derartige Mikrobläschenpräparate werden mittlerweile bei Schlaganfallpatienten auch gezielt in die zerebrale Zirkulation gebracht, um dort die Wirkung der sonothrombolytischen Therapie zu verstärken und die thrombotisch/embolisch blockierten Gefäße schneller zu rekanalisieren. Das Ziel der ersten Studie der vorliegenden Arbeit war die Evaluation der sonothrombolytischen Wirksamkeit und Sicherheit des neuen Mikrobläschenpräparates BR38 und des bereits bekannten Präparates SonoVue® im Tiermodell zum No Reflow -Phänomen (mikrovaskuläres Ischämie- Reperfusionsmodell). Beide Präparate erzielten in Kombination mit 3 MHz-Ultraschall gute bis sehr gute Rekanalisierungsraten. Vorsicht ist bei Dosisreduktionen von BR38 geboten, da die Studiengruppe mit der reduzierten Dosis im Vergleich zu den anderen Ultraschallgruppen tendenziell eine geringere Rekanalisierungsrate aufwies. Das Fibrinolytikum rt-PA scheint in der Monotherapie keine Wirksamkeit auf das No Reflow -Phänomen zu besitzen. Die Sicherheitsevaluation ergab makroskopisch bei keinem der Tiere Hinweise auf Hämorrhagien. Mit der zweiten Studie der Arbeit wurde die Wirksamkeit von BR38 in Kombination mit 3MHz Ultraschall im Vergleich zu der von rt-PA ohne Ultraschall und einer Kontroll-Gruppe auf das makrovaskuläre Thrombemboliemodell untersucht. Eine komplette Auflösung des Gerinnsels konnte in keiner der Studiengruppen beobachtet werden. Bei der makroskopischen Betrachtung der Gehirne der mikrobläschenverstärkten Sonothrombolysegruppe gibt es Anzeichen auf eine mögliche Wirkung auf die Gerinnsel aus thrombozytenreichem Plasma. Es bleibt zu untersuchen, ob die Auflösung dieser stabilen Thromben mit einer Anpassung des Studienprotokolls möglich ist (beispielsweise verlängerte Behandlungszeiten, andere Ultraschalleinstellungen, Erhöhung der BR38-Dosis). Die makroskopische Sicherheitsevaluation ergab keine Blutungen. In der Veterinärmedizin ist der Einsatz der Mikrobläschenpräparate neben der Anwendung in der Therapie von Schlaganfallpatienten ein Krankheitsbild, über das es bei Tieren kaum Berichte gibt eventuell auch bei der Therapie anderer thrombembolischer Krankheitsbilder (wie dem felinen aortalen Thrombembolismus, der disseminierten intravasalen Koagulopathie und Thrombophlebitiden) möglich. Die dritte Studie sollte klären, welchen Einfluss die Größe von im Rahmen herzchirurgischer Eingriffe entstehender Luftbläschen auf die zerebrale Zirkulation hat und welche Konsequenzen daraus für bestehende Präventionsverfahren gegen zerebrale Luftmikroembolisationen entstehen. Das verwendete Modell erwies sich dabei als höchst verlässlich in der Produktion von Gasbläschen definierter Größe und Anzahl. Die Tiere wurden in zwei Gruppen mit unterschiedlichen Bläschengrößen (45 vs. 160 mym) aber insgesamt gleichem Luftvolumen (85,8 nl) randomisiert. Zwischen den Gruppen konnten keine signifikanten Unterschiede in der klinisch-neurologischen Symptomatik, den Infarktgrößen oder den Ödemparametern festgestellt werden. Die Gruppengrößen haben sich jedoch als zu klein erwiesen um abschließend sagen zu können, ob der Schweregrad zerebraler Luftmikroembolisationen und der daraus folgenden Konsequenzen von der Größe der Gasbläschen abhängt oder lediglich vom insgesamt in die Zirkulation eingedrungenen Gasvolumen. Dennoch sollte bei der Prävention zerebraler Gasmikroembolisationen Wert darauf gelegt werden, dass Systeme zur Anwendung kommen, die vor allem das Gesamtgasvolumen reduzieren. Gaseous bubbles that end up in the cerebral circulation cause a rich diversity of varying symptoms and consequences. According to their size and composition they may disturb the cerebral blood flow, cause heterogeneous redistributions of blood and disruptions of the blood brain barrier, and promote inflammation, clot and edema formation in the brain. The consequences of these pathophysiologic processes range from subtle neuropsychological and neurocognitive disorders to ischemic brain infarctions and to the death of the affected creature. Then again, microbubbles of a certain composition can be used most beneficial in diagnostic investigations by means of ultrasound contrast enhancing. By now such microbubble compounds are also purposefully administered to the cerebral circulation of human stroke patients to potentiate sonothrombolytic therapy and to accelerate the recanalization of thrombotic/embolic occluded vessels. The aim of the first study of the present thesis was the sonothrombolytic efficacy and safety evaluation of the new microbubble compound BR38 and of the already known compound SonoVue® in an animal model that displayed the no reflow phenomenon (microvascular ischemia-reperfusion model). Both compounds showed in combination with 3 MHz ultrasound good to excellent recanalization rates. Caution is needed regarding dosage reduction of BR38: the study group with the reduced dosage displayed a tendency to lower recanalization rates compared to the other ultrasound treatment groups. The fibrinolytic drug rt-PA alone appears not to have any therapeutic use on the no reflow phenomenon. The safety evaluation displayed no macroscopic hemorrhages in any of the animals. The second study of the thesis examined the efficacy of BR38 in combination with 3 MHz ultrasound in comparison to rt-PA without ultrasound and a control group in the macrovascular thromboembolic occlusion model. Complete lysis of the clot could not be seen in any of the three study groups. Macroscopic examination showed signs of a possible thrombolytic effect on the platelet-rich plasma clots in the brains of the microbubble enhanced sonothrombolysis group. It remains to be studied whether a complete lysis of the clots might be possible by adapting the study protocol (e.g. longer treatment periods, different ultrasound settings, increasing the dosage of BR38). The macroscopic safety evaluation showed no hemorrhages. Beside the usage of microbubble compounds in veterinary stroke therapy a pathology of which only a few reports in animals exist there might be a potential use in the therapy of other thromboembolic diseases of animals (e.g. feline distal aortal thromboembolism, DIC, thrombophlebitis). The third study was conducted to examine the impact of the size of air bubbles evolving during cardiac surgery on the cerebral circulation and hence derive the consequences for existing methods of prevention of cerebral air microembolization. The used model showed high reliability in producing air bubbles of defined diameters and numbers. Animals were randomized into two groups with different bubble sizes (45 vs. 160 mym) but identical total air volumes (85.8 nl). No significant differences in neurological outcome, infarct size and edema formation could be seen between the two groups. However, the group sizes have been too small as to conclude if the severity of cerebral air microembolization and the subsequent arising consequences were dependent on bubble size or on the total volume of air in the circulation. Notwithstanding, the systems used in the prevention of cerebral air microembolization should particularly reduce the total amount of gas in the circulation.