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Das zerebrale Rattenischämiemodell

Die Arbeitsgruppe „Experimentelle Neurologie“ widmet sich der Erforschung von zerebralen Ischämien und Infarkten. Hierfür wurden in einem Kooperationsprojekt zwischen der Klinik für Neurologie der Justus-Liebig-Universität Gießen und der Abteilung für diagnostische Radiologie der Kerckhoff-Klinik Bad Nauheim zahlreiche Tiermodelle entwickelt. Primäres Arbeitsziel dieser Gruppe ist es, die pathophysiologischen Vorgänge des Hirninfarkts am Menschen genauer als bisher zu simulieren und so die Übertragbarkeit tierexperimenteller Krankheitsmodelle auf den Menschen zu verbessern. Zudem sollen Medikamente gesucht werden, die nach Gefäßverschluss einer Hirnarterie die weitere Entwicklung zum definitiven Hirninfarkt aufhalten, weitere Komplikationen (Ödementwicklung, Blutung) verhindern oder noch vitale Zellen in den Randzonen eines Infarktes wieder reaktivieren können.

Untersuchung von Kleintieren (Ratten und Mäuse) am Tier-MRT (7T): Das Tier (links unten) wird narkotisiert und auf einer Lagerungsschiene in einer Spezialspule (links oben) untersucht, wo während der Messung alle Vitalfunktionen überwacht werden können. Mit verschiedenen Sequenzen können Gehirn (mitte und rechts unten), Extremitäten und Herz untersucht werden.

Voraussetzung für die Erforschung von Hirninfarkten und Konzepten zur Neuroprotektion ist ein stabiles und etabliertes Tiermodell, mit dem Infarkte standardisiert und sicher erzeugt werden können. Für die Ratte stehen zwei operative Verfahren zur Verfügung, die in unserer Arbeitsgruppe mit entwickelt oder optimiert wurden:

1. Bei der Fadentechnik wird nach Arteriotomie der A. carotis ein Nylonfilament (4.0) anterograd ca. 16-18mm bis zum Abgang der A. cerebri media geschoben. Dies führt zur Thrombose um den Faden, Verschluss der A. cerebri media (MCA) und kortikalem Mediainfarkt in der gleichen Hemisphäre. Die mittlere Läsionsgröße liegt bei etwa 45% der betroffenen Hemisphäre und entspricht einem Totalinfarkt im MCA-Versorgungsgebiet. Die 24 Stunden-Mortalität liegt bei etwa 30%. Damit gleicht der Infarkt hinsichtlich Größe und Verlauf „malignen Mediainfarkten“ am Menschen. Durch Entfernung des Fadens nach definierter Ischämiedauer kann eine Reperfusion des MCA-Territoriums simuliert werden, wie sie auch klinisch durch spontane oder therapeutisch induzierte Gefäßrekanalisationen vorkommt.
2. Bei der neueren Kugeltechnik werden nach Freilegung der Carotis und Einlage eines Kunststoffkatheters 4-6 Keramikkugeln aus Titanoxyd von 330 µm injiziert. Der Durchmesser der Makrosphären entspricht dem Diameter der A. cerberi media einer 300g schweren Ratte, so dass das Gefäß konstant und isoliert okkludiert wird. Eine vergleichende Studie an jeweils 10 Ratten hatte bereits gezeigt, dass Mortalität und Infarktgröße im Faden und Kugelmodell vergleichbar sind. Es treten bei Verwendung von Kugeln aber keine Hypothalamusinfarkte mehr auf, die zum Anstieg der Körpertemperatur um ca. 3 Grad führen. Eine Hyperthermie durch Verschluss der A. hypothalamica ist insofern von eminenter Bedeutung, als dass ein Anstieg der Körpertemperatur den Effekt von neuroprotektiven Substanzen reduziert. Herr Gerriets hat die neuroprotektive Substanz MK-801 im Faden- und Kugelmodell getestet. Im Kugelmodel wurde eine signifikante Reduktion der Infarktgröße mit MK-801unter Vermeidung einer Hyperthermie nachgewiesen, während im Fadenmodell regelmäßig Hyperthermien auftraten und der neuroprotektive Effekt ausblieb.

Zwei wichtige Optionen zeigen sich in der Anwendung des Kugelmodells ab. Zum einen kann die Injektion der Kugeln erst im Tierscanner vorgenommen werden, wenn vorher der Katheter mit den sechs Keramikkugeln in die Carotis gelegt wurde. Mit diesem „In-bore-occlusion“ Model kann dann die Entwicklung eines zerebralen Infarktes von anbeginn direkt im MRT verfolgt werden. In der Prüfung von neuroprotektiven Substanzen kann damit gerade die wichtige initiale Phase der Entwicklung von zerebralen Infarkten untersucht werden, wenn die Agenzien möglicherweise ihre größte Wirkung haben. Die zweite Option besteht darin, die Größe der eingesetzten Kugeln im Kugelmodell zu variieren. Werden kleinerer Kugel in der Größe von 100µm injiziert, entstehen kleinere kortikale Infarkte oder punktförmige Mikroinfarkte. Neben den oft fatalen Totalinfarkten können dann auch kleine Infarkte simuliert werden, wie sie z.B. als thrombolische Komplikationen nach Herzoperationen am Menschen auftreten.

Wichtig für das Studium der Entwicklung von Hirninfarkten ist eine für das Tier schonende Bildgebung, mit der auch wiederholte Messungen durchgeführt werden können. Mit dem 7T-MRT (Fa. Bruker) können vielfältige Informationen zur Infarkt– und Ödemausdehnung, Perfusion und Diffusion und zur arteriellen Gefäßversorgung des Gehirns gewonnen werden. Hierfür steht ein breites Spektrum aus Spinecho-, Gradientecho- und EPI-Sequenzen zur Verfügung, das in Zusammenarbeit mit den Physikern (Dr. C. Müller und S. Wagner) unserer Arbeitsgruppe optimiert wird.

Ein dritter Bereich betrifft die Auswertung der Daten aus der MRT, die mit den klinischen Symptomen und histologischen Befunden verglichen werden. Im MRT werden an der Ratte die Infarktgrößen planimetrisch vermessen, Signalwerte in den gewichteten Bildern am Monitor abgenommen und Parameterbilder für T2-Zeiten berechnet. Ziel dieser Techniken ist es, definitiv nekrotisches Hirngewebe von noch vitalem zu unterscheiden, den raumfordernden Effekt des begleitenden Hirnödems abzuschätzen und Aussagen zur Gefäßversorgung und lokalen Durchblutung zu gewinnen.