Einfluss dekompressiver Kraniektomie und fokaler Hypothermie auf die neurologische Langzeitfunktion in einem Mausmodell des geschlossenen Schädel-Hirn-Traumas

Abstract

Das Schädel-Hirn-Trauma zählt zu den häufigsten Ursachen für Tod und bleibende Behinderung weltweit. In der vorliegenden Arbeit sollen die Auswirkungen einer dekompressiven Kraniektomie alleine und in Kombination mit nachfolgender Anwendung therapeutischer fokaler Hypothermie auf die langfristige neurologische Funktion nach Schädel-Hirn-Trauma evaluiert werden. Weiterhin wird der Einfluss dieser beiden Therapieoptionen auf strukturellen Hirnschaden, Neuronenverlust, Hirnödembildung, Neuroinflammation und Apoptose diskutiert. Die Versuchstiere – Mäuse der Rasse CD-1 – wurden hierfür in fünf Versuchsgruppen mit einer Gruppengröße von jeweils acht Tieren randomisiert: Sham-Gruppe, Kontrollgruppe ohne Trauma mit Kraniektomie, Kontrollgruppe mit Trauma ohne Therapie, Therapiegruppe mit Trauma und Kraniektomie, Therapiegruppe mit Trauma, Kraniektomie und fokaler Hypothermie. Die Applikation eines mittelschweren, geschlossenen Schädel-Hirn-Traumas erfolgte durch ein etabliertes, standardisiertes Modell (weight drop - Modell). Im Anschluss wurden in den entsprechenden Gruppen eine dekompressive temporoparietale Hemikraniektomie durchgeführt und milde fokale Hypothermie (Zieltemperatur 32 °C) über eine Kühlsonde appliziert. Eine neurologische Verlaufsbeurteilung wurde durch die Erhebung des Neurological Severity Score, des Beam Balance Score und der Beam Balance Time an den postoperativen Tagen 1, 3, 7, 14 und 28 angeschlossen. Nach Ablauf des Untersuchungszeitraums erfolgte die Euthanasie durch intrakardiale Formaldehydperfusion und die Präparation des Gehirns. Anhand der histologischen Standardfärbungen Hämatoxilin – Eosin und Nissl wurden struktureller Hirnschaden und hippocampaler Neuronenverlust beurteilt. Zur Beurteilung von Hirnödembildung, Neuroinflammation und Apoptose schloss sich die Auswertung immunhistochemischer Anfärbungen der Strukturen Aquaporin – 4, saures Gliafaserprotein und Bcl-2 an. Folge dekompressiver Kraniektomie in der vorliegenden Arbeit ist eine signifikant verschlechterte neurologische Langzeitfunktion. Die zusätzliche Anwendung fokaler Hypothermie führt zu einem Ausgleich dieses negativen Effektes zugunsten einer verbesserten neurologischen Funktion. Zusätzlich führt die Anwendung fokaler Hypothermie im Vergleich zur alleinigen Dekompression zu einer deutlichen Mortalitätsreduktion im Verlauf. In der histologischen Auswertung zeigen sich struktureller Hirnschaden, Hirnödemformation und Neuroinflammation unbeeinflusst von den durchgeführten Therapieoptionen. In allen Gruppen mit Schädel-Hirn-Trauma ist eine unspezifische Erhöhung der Expression von Aquaporin-4 und saurem Gliafaserprotein nachweisbar. Ein hippocampaler Neuronenverlust liegt nicht vor. Dekompressive Kraniektomie führt zu einer verminderten Expression von antiapoptotisch wirksamem Bcl-2. Durch die zusätzliche Anwendung fokaler Hypothermie folgt 5 eine hoch signifikant vermehrte Expression von Bcl-2, vereinbar mit vorbeschriebenen antiapoptotischen, neuroprotektiven Effekten milder Hypothermie. Die vorliegende Arbeit ergänzt die aktuelle Diskussion über die Anwendung dekompressiver Kraniektomie und therapeutischer Hypothermie nach Schädel-Hirn-Trauma. Um die dargestellten positiven Auswirkungen fokaler Hypothermie in einem kombinierten Verfahren mit dekompressiver Kraniektomie beim Menschen zu verifizieren, benötigt es randomisierter, klinischer Studien.

Traumatic brain injury is one of the leading causes of death and disability worldwide. The aim of this study is to evaluate the influence of decompressive temporoparietal hemicraniectomy and the subsequent application of therapeutic focal hypothermia on neurologic impairment in a long-term closed head injury model. Furthermore, the influence of these therapeutic options on structural brain damage, neuronal loss, brain oedema formation, neuroinflammation and apoptosis will be discussed. Laboratory animals – CD-1 mice – were randomized in five experimental groups with the size of eight animals each: Sham, craniectomy without trauma, trauma without therapy, trauma with craniectomy, trauma with craniectomy and subsequent focal hypothermia. Moderate Closed Head Injury was applied using an established weight drop model. Thereafter decompressive temporoparietal craniectomy was performed and subsequent mild focal hypothermia (32°C) was applied. Neurological assessment followed on posttraumatic time points 1, 3, 7, 14 and 28 days by performance of Neurological Severity Score, Beam Balance Score and Beam Balance Time. After 28 days animals were sacrificed via intracardial perfusion of formaldehyde. Brain preparation and histological and immunohistochemical staining followed. Standard haematoxylin and eosin as well as Nissl staining were used to analyse structural brain damage and neuronal loss in the hippocampus. Oedema formation, neuroinflammation and apoptosis were evaluated by assessment of immunohistochemical staining of Aquaporin-4, glial fibrillary acidic protein and Bcl-2. In this study, the performance of decompressive craniectomy is followed by significant neurological impairment. Subsequent application of focal hypothermia diminishes this negative effect. Additional, therapeutic focal hypothermia reduces mortality compared to sole decompression. Histological assessment showed no influence of decompression or focal hypothermia on structural brain damage, neuroinflammation or brain oedema formation. Posttraumatic elevation of immunohistochemical markers Aquaporin-4 and glial fibrillary acidic protein remained unaltered by therapy. No neuronal loss could be detected in the hippocampus. Antiapoptotic Bcl-2 was elevated following decompressive craniectomy. Subsequent focal hypothermia led to further, highly significant increase of Bcl-2, consistent with previously described antiapoptotic, neuroprotective effects of mild hypothermia. This study adds to the present debate about decompressive craniectomy and therapeutic hypothermia after traumatic brain injury. To verify these positive effects of focal hypothermia subsequent to decompressive craniectomy in humans, controlled randomized clinical trials will be necessary.