Die dekompressive Kraniektomie nach Schädel-Hirn-Trauma im Mausmodell : Welchen Einfluss hat die Größe der Trepanation? : Eine funktionelle und histologische Untersuchung im Mausmodell

Abstract

Das Schädel-Hirn-Trauma gehört zu den führenden Todesursachen im jungen Erwachsenenalter. Endet es nicht letal, so folgen oftmals lebenslange physische und psychische Beeinträchtigung sowie die Notwendigkeit einer kostenintensiven Rehabilitation und Betreuung. Neben konservativen Maßnahmen stellt die dekompressive Kraniektomie eine operative Therapieoption dar. Diese wird aufgrund ihrer Invasivität jedoch kontrovers diskutiert und ist Gegenstand intensiver Forschung. In diversen Vorarbeiten unserer Forschungsgruppe konnte im gezeigt werden, dass die Durchführung einer Kraniektomie Einfluss auf die Erholung nach Schädel-Hirn-Trauma im Mausmodell hat. Nun gingen wir (der auch klinisch relevanten) Frage nach, ob die Dekompressionsgröße hierbei einen Einfluss auf funktionelle Erholung sowie strukturellen Hirnschaden hat. Der Einfluss wurde im Anschluss auch ohne vorangegangenes Trauma untersucht. Sechs Wochen alte, männliche CD-1-Mäuse wurden in sechs verschiedene Gruppen randomisiert: Zunächst in eine Sham-Gruppe ohne Trauma (NN) und in eine reine Trauma-Gruppe (TN), nachfolgend dann in Gruppen, die entweder ein Trauma mit anschließender großer/kleiner Kraniektomie (TCL)/(TCS) oder kein Trauma, sondern nur die große/kleine Kraniektomie (NCL)/NCS), erhielten. Für die große Kraniektomie wurde hierbei eine fronto-parieto-squamosale Trepanation der Größe 5x8 mm, für die kleine Kraniektomie eine parietale Trepanation der Größe 3x5 mm durchgeführt. 24 Stunden postoperativ wurden die Tiere einem neurologischen Assessment, bestehend aus drei Testungen (Neurological Severity Score, Beam Balance Score und Beam Balance Time), unterzogen. Anschließend wurden die Hirne aufbereitet, einer immunhistochemischen Färbung unterzogen und ausgewertet.

In allen funktionellen Testungen schnitt die Gruppe TN am schlechtesten ab. Die Durchführung der großen Kraniektomie (TCL) führte posttraumatisch zum besten funktionellen Outcome. Sowohl im Vergleich zur nicht-operierten Trauma-Gruppe (BBS: TCL: 2,500±0,51 vs. TN: 4,733±0,12; p=0,01; *), als auch zur klein-kraniektomierten Trauma-Gruppe (BBS: TCL: 2,500±0,51 vs. TCS: 4,476±0,37; p=0,017; *; BBT: TCL: 54,67±20,12 vs. TCS: 12±3,57; p=0,0452; *) zeigten sich signifikant bessere Ergebnisse, wenn die größere Kraniektomie durchgeführt wurde. Die große Kraniektomie senkte posttraumatisch außerdem die Expression der Apoptose-Marker Bax (TN: 85,60±9,553 vs. TCL: 38,50±12,28; p=0,0168; *) und Caspase-3 (TN: 156,4± vs. TCL: 70,50±13,11; p=0,0494; *) sowie des Ödem-Markers Aquaporin-4 (TN: 2,450±0,24 vs. TCL: 1,500±0,17; p=0,027; *) verglichen mit Gruppe TN signifikant. Die Durchführung der kleinen Kraniektomie reduzierte die Expression dieser Marker nicht signifikant. Die Mortalität war in TCL (76%) allerdings höher als in TCS (41,67%). Die Eingriffe selbst, ohne vorheriges Trauma, führten im Vergleich zur Sham-Gruppe zu einem schlechteren neurologischen Outcome (NSS: NN: 0,5000±0,5000 vs. NCS: 3,333±0,56; p=0,023; * und NCL: 4,000±1,29; p=0,025; *). Apoptose- und Ödem-Marker wurden durch den Eingriff selbst nicht signifikant beeinflusst.

Insgesamt zeigte eine nach Schädel-Hirn-Trauma durchgeführte dekompressive Kraniektomie im Maus-Modell positive Effekte auf die funktionelle Erholung und histologische Marker sekundärer Hirnschädigung. Eine größer angelegte Kraniektomie erzielte im Vergleich zur kleinen Kraniektomie signifikant bessere Ergebnisse, möglicherweise durch die suffizientere Dekompression des anschwellenden Hirngewebes. Dieser positive Effekt geht jedoch mit einer höheren Mortalität einer, vermutlich durch die größere Operation und den damit verbundenen Risiken. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit untermauern den therapeutischen Nutzen der Entlastungskraniektomie nach Schädel-Hirn-Trauma. Auch konnten positive Effekte größerer Kraniektomien gezeigt werden. Die durch den größeren Eingriff gesteigerte Mortalitätsrate muss dabei jedoch genauer untersucht werden, um durch deren Reduktion die Therapie weiter zu optimieren.

Traumatic brain injury (TBI) is still one of the leading causes for death in young adults. If it does not end fatally, lifelong physical and mental impairment as well as expensive rehabilitation and care might follow. Beside conservative treatment options, the decompressive craniectomy (DC) is a surgical technique. Because of its invasiveness it is discussed controversial and subject of intensive research. In preliminary work we were able to demonstrate an influence of craniectomy on recovery after skull-brain-injury in a mouse model. Here, we investigated the influence of decompression size on functional recovery as well as on structural brain damage (which is also clinically relevant). The influence was also tested without previous trauma. Six-week-old, male CD-1-mice were randomly assigned into six different groups: firstly in sham without trauma (NN) and TBI only (TN), later in groups who received traumatic brain injury following large/small craniectomy (TCL)/(TCS) as well as groups without injury but with large/small craniectomy (NCL)/(NCS). For large craniectomy, a fronto-parieto-squamosal trepanation of 5x8mm, for small craniectomy a parietal trepanation of 3x5mm was performed. 24 hours after surgery, neurological impairment was rated by neurological severity score (NSS), beam balance score (BBS) and beam balance time (BBT). Thereafter, brains were subjected to histopathological analysis. In all functional tests animals with trauma only (TN) showed the most profound impairment. Performance of a large craniectomy (TCL) led to the best functional outcome after trauma. Compared to TN (BBS: TCL: 2,500±0,51 vs. TN: 4,733±0,12; p=0,01; *) as well as to TCS (BBS: TCL: 2,500±0,51 vs. TCS: 4,476±0,37; p=0,017; *; BBT: TCL: 54,67±20,12 vs. TCS: 12±3,57; p=0,0452; *), significantly better outcomes were observed when the large craniectomy was performed. Performing the large craniectomy after trauma also lowered the expression of apoptotic markers Bax (TN: 85,60±9,553 vs. TCL: 38,50±12,28; p=0,0168; *) and Caspase-3 (TN: 156,4± vs. TCL: 70,50±13,11; p=0,0494; *) as well as of the edema-marker Aquaporin-4 (TN: 2,450±0,24 vs. TCL: 1,500±0,17; p=0,027; *) significantly, compared to TN. Performance of the small DC reduced the expression of these markers not significantly. Mortality in TCL (76%) was higher compared to TCS (41,67%). Surgery itself, without previous trauma, led to worse functional outcome compared to shamgroup (NSS: NN: 0,5000±0,5000 vs. NCS: 3,333±0,56; p=0,023; * und NCL: 4,000±1,29; p=0,025; *). Apoptosis- and edema-markers were not influenced significantly through surgery itself. All in all, a posttraumatic decompressive craniectomy showed positive effects on functional outcome and histological markers of secondary brain damage in our murine model. A larger craniectomy led, compared to smaller one, to significantly better results, possibly through the more sufficient decompression of the swelling brain tissue. But, his positive effect is associated with a higher mortality rate, probably because of the greater surgery and the related risks. The demonstrated results support the findings of benefits of decompressive surgery after traumatic brain injury. Also positive effects of larger craniectomies were demonstrated. The increased mortality rate through greater surgery needs to be investigated more closely for therapy optimization.