Leiter: Prof. Dr. med. Robert Cesnjevar - OPUS 4 · This experimental animal study compares two different perfusion techniques in 26 male piglets, regarding their neuro-protective

Aus der Kinderherzchirurgischen Abteilung

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Leiter: Prof. Dr. med. Robert Cesnjevar

„Akute funktionelle und histologische cerebrale Schäden nach Aortenbogenoperationen

in Hypothermie abhängig von verschiedenen Perfusionsmethoden unter besonderer

Berücksichtigung des pH-Managements“

- eine tierexperimentelle in vivo Studie an 26 männlichen Jungferkeln –

Inaugural-Dissertation

zur Erlangung der Doktorwürde

an der Medizinischen Fakultät

der Friedrich-Alexander-Universität

Erlangen-�ürnberg

vorgelegt von

Ina-Kristin Schlude

aus

Öttingen

Gedruckt mit Erlaubnis der

Medizinischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität

Erlangen-Nürnberg

Dekan: Prof. Dr. med. Dr. h.c. Jürgen Schüttler

Referent: Prof. Dr. med. Robert Cesnjevar

Korreferent: Prof. Dr. med. Sven Dittrich

Tag der mündlichen Prüfung: 23. Juni 2010

Für meinen Vater Dr. med. Wolfgang Schlude

Inhaltsverzeichnis

1. Zusammenfassung. ... 1

1.1 Hintergrund und Ziele 1

1.2 Methoden . 1

1.3 Ergebnisse und Beobachtungen .. 1

1.4 Praktische Schlussfolgerungen .... 2

2. Summary .. 4

2.1 Purpose .... 4

2.2 Methods .... 4

2.3 Results .. 4

2.4 Conclusion .... 5

3. Einleitung ... 6

4. Versuchstiere, Material und Methoden .... 9

4.1 Versuchstiere und Gruppeneinteilung .. 9

4.2 Operationsablauf .. 9

4.2.1 Narkose . 9

4.2.2 Monitoring .. 10

4.2.3 Operationsverfahren ... 11

4.2.4 Herz-Lungen-Maschine (HLM) . 11

4.2.5 Perfusionsverfahren 12

4.2.5.1 Kreislaufstillstand (DHCA) . 12

4.2.5.2 Kontinuierliche hypotherme Low-Flow-Perfusion...................................... 12

4.2.5.3 Blutgasmanagement.................................................................................. 13

4.3 Laboranalysen . 13

4.3.1 Blutgase 13

4.3.2 Laboranalysen im Serum ... 13

4.4 Messzeitpunkte 14

4.5 Histologie .. 14

4.6 Ableitung somatosensorisch evozierter Potentiale 15

4.7 Berechnung und Darstellung der Daten .. 16

4.8 Versuchsgenehmigung ... 16

5. Ergebnisse 17

5.1 Basisdaten . 17

5.1.1 Grösse und Gewicht der Versuchstiere ... 17

5.1.2 Operationszeiten .. 18

5.1.3 Temperaturverläufe . 19

5.2 Carotis-flow-Messung . 20

5.3 Blutgasanalysen ... 21

5.3.1 Hämoglobin, Hämatokrit (Art. femoralis) . 21

5.3.2 Sauerstoffpartialdruck (Art. femoralis) .. 22

5.3.3 Kohlendioxidpartialdruck (Art.femoralis) .. 23

5.3.4 Glucose (Art. femoralis) . 24

5.3.5 Sauerstoffsättigung (Bulbus jugularis) . 25

5.3.6 Laktatwerte 26

5.3.6.1 Laktatwerte (Art. femoralis) 27

5.3.6.2 Laktatwerte (Bulbus jugularis) 28

5.4 Neuropathologie ... 29

5.5 Somatosensorisch evozierte Potentiale ... 35

5.6 Neuro-Marker S-100 und NSE .. 36

5.6.1 NSE 36

5.6.2 S-100 . 38

5.7 NT-pro-BNP .. 39

6. Diskussion . 41

6.1 Einfluss des Perfusionsverfahrens 41

6.1.1 Histologie ... 43

6.1.2 Neurologie . 45

6.2 Einfluss des Blutgasmanagements ... 50

6.3 Limitation des Projekts und Schlussfolgerungen 54

7. Literaturverzeichnis .. 57

8. Abkürzungsverzeichnis ... 68

9. Danksagung .. 69

10. Tabellarischer Lebenslauf .. 70

1

1. Zusammenfassung

1.1 Hintergrund und Ziele

In der vorliegenden Studie wurden zwei unterschiedliche herzchirurgische

Perfusionsverfahren hinsichtlich ihrer neuroprotektiven Effektivität während

Aortenbogenoperationen tierexperimentell an 26 männlichen Jungferkeln

untersucht.

1.2 Methoden

Es wurden 26 männliche Jungferkel (10-15 kg) im Rahmen dieser Studie

am Aortenbogen operiert.

Mit dem Verfahren des hypothermen Kreislaufstillstands wurden 14 Tiere

operiert (Gruppe1). Weitere 12 Tiere wurden ohne Kreislaufunterbrechung

mit kontinuierlicher hypothermer Low-Flow-Perfusion über den Truncus

brachiocephalicus rechts operiert (Gruppe2). Während des

Akutexperiments wurden („online“) kortikale SSEP abgeleitet und der

Carotis- Blutfluss gemessen. Jeweils die Hälfte der Tiere beider Gruppen

wurde intraoperativ dem α-stat bzw. pH-stat Blutgasmanagement an der

HLM zugewiesen.

1.3 Ergebnisse und Beobachtungen

Als Ergebnis des Vergleichs zwischen Tieren, die im hypothermen

Kreislaufstillstand bei 18-20 °C und Tieren, die mit antegrader hypothermer

Low-Flow-Perfusion bei 25°C operiert wurden hat sich herausgestellt, dass

letztere die überlegene Methode im Bezug auf die Neuroprotektion ist.

Diese Tatsache wurde durch die Wiederkehr der abgeleiteten SSEP nach

Beendigung der Kühlphase in der Low-Flow-Gruppe bestätigt. Die

histologischen Ergebnisse sowie die serologischen Messungen des S-100

und der NSE können keinen Unterschied zwischen den beiden Gruppen

belegen, was für das neuroprotektive Potential der Low-Flow-Perfusion

spricht. Trotz der erhöhten Temperatur des Körperkerns dieser Tiere

waren keine ausgeprägteren serologischen oder histologischen Schäden

nachweisbar. Diese Ergebnisse lassen auch darauf schließen, dass sich

2

die Pathomechanismen der Hirnschädigung in den beiden Gruppen

wahrscheinlich voneinander unterscheiden. Bei den Tieren der Gruppe 2

(Low-Flow) wurde durch die kontinuierliche Perfusion eine homogene

Kühlung sämtlicher Bereiche des Gehirns erzielt, bei den Tieren der

Gruppe 1 (hypothermer Kreislaufstillstand) dagegen kam es in der

Stillstandsphase wahrscheinlich zu inhomogenen Erwärmungen

verschiedener Areale und damit auch zu fokalen kortikalen Schäden.

Das B-type natriuretic peptide (BNP), das sowohl in den Ventrikeln des

Herzens als auch zu einem kleinen Teil im Gehirn gebildet wird, kann als

„biochemischer Marker“ einer Schädigung des Herzens als auch des

Gehirns gesehen werden. Sein inaktiver Vorläufer, das NT-pro-BNP wies

vor Aortenabklemmung als auch nach der Reperfusion in der Gruppe des

Kreislaufstillstandes deutlich erhöhte Werte auf. In unserem Versuch

sprechen die parallelen Kurvenverläufe der anderen Neuromarker S-100

und NSE allerdings dafür, dass diese Erhöhung hauptsächlich kardialen

Ursprungs ist, wo das vasoaktive Hormon auch zum größten Teil gebildet

wird.

Die mit dem pH-stat-Verfahren behandelten Tiere wiesen während des

Versuchs niedrigere Laktatwerte im Bulbus jugularis auf als die Tiere der

α-stat-Gruppe was auf eine bessere Versorgung des Gehirns mit

Sauerstoff hinweist. Die angewandte Methode des pH-Managements

wirkte sich jedoch nicht auf den Fluss in den untersuchten Gefäßen aus.

Insbesondere kam es bei beiden Verfahren zu keinen messbaren Flow-

Erhöhungen oder Erniedrigungen in der Arteria carotis rechts.

1.4 Praktische Schlussfolgerungen

Wenn man die Ergebnisse dieses Projektes zusammenfasst, lässt sich

abschließend sagen, dass die kontinuierliche hypotherme Low-Flow-

Perfusion dem Verfahren des hypothermen Kreislaufstillstandes in Bezug

auf die Neuroprotektion überlegen ist. Dieses Ergebnis ist unabhängig von

der Auswahl des jeweiligen Blutgasmanagements (α-stat- oder pH-stat-

Verfahren).

Was den Einfluss des pH-Managements betrifft, so ist das pH-stat-

Verfahren für die Präoxygenierung des Gehirns das vorteilhaftere

3

Verfahren und hat in Kombination mit dem Low-Flow-Verfahren das größte

neuroprotektive Potential.

Die Perfusion des Cerebrums bei einer Bluttemperatur von 25°C mit 30%

des HLM-Sollflusses über den Truncus brachiocephalicus reicht

vollkommen dazu aus das Gehirn vor relevanten ischämischen Schäden

zu schützen. Die Effektivität der Neuroprotektion ist bei erhaltener

cerebraler Perfusion trotz höherer Gewebetemperatur ausgeprägter, als im

tiefen hypothermen Kreislaufstillstand bei wesentlich niedrigeren,

protektiveren Temperaturen.

4

2. Summary

2.1 Purpose

This experimental animal study compares two different perfusion

techniques in 26 male piglets, regarding their neuro-protective

effectiveness during aortic arch operations.

2.2 Methods

Twenty-six male newborn piglets (10-15kg) underwent aortic arch surgery

on cardiopulmonary bypass (CPB) under general anaesthesia using either

conventional deep-hypothermic-circulatory-arrest (DHCA, group 1: 20°C,

n=14) or continuous hypothermic low-flow-perfusion via the innominate

artery (group 2: 30ml/kg/kg, 25°C, n=12). Cortical SSEP and carotid blood

flows where measured during the experiment. Animals of both groups

have been randomized to either pH-stat or α-stat-management on

cardiopulmonary bypass and had histological brain examination after the

experiment.

2.3 Results

Hypothermic continuous low-flow-perfusion via the innominate artery

provides superior neuroprotection during aortic arch operations compared

to DHCA, despite higher tissue temperatures. All operated animals had

similar degrees of histological brain damage with correspondent blood-

serum-levels of S-100 and NSE. There was nearly complete functional

recovery of cortical SSEP, whenever continuous hypothermic low-flow-

perfusion (group 2, 25°C) has been used. There was no return of SSEP in

all piglets operated under deep hypothermic circulatory arrest (group 1,

20°C).

Above mentioned results suggest that pathomechanisms of brain damage

probably differ in both groups. Homogeneous brain cooling was achieved

and maintained for all animals in group 2 (low-flow) by using continuous

antegrade cerebral perfusion. In contrast animals in group 1 (DHCA) seem

to rewarm locally during the period of circulatory arrest, which may be one

5

reason for focal cortical damage. Multiple intracerebral temperature

gradients due to inhomogeneous rewarming may be another trigger for

global cerebral damage.

B-type natriuretic peptide (BNP), originates from the ventricles of the heart

and partly the brain. It serves as a marker of cardiac loading and reflects

partly brain metabolism. Its inactivate precursor, NT-pro-BNP showed a

peak before aortic cross-clamping and after reperfusion in the circulatory-

arrest group. Course of S-100 and NSE lack these peaks, which confirms

that the major part of measured BNP is released from cardiac cells where

the vasoactive hormone mainly derives from.

Animals perfused using the pH-stat-protocol had lower traces of lactate in

the jugular bulb than animals assigned to the α-stat-groups. Improved

cerebral preoxygenation by the pH-stat-protocol, resulting in less anaerobic

metabolism, is the main reason that less venous lactate is generated. The

applied pH-management did not affect cerebral or subdiaphragmal blood-

flow. Especially right carotid blood-flow did not increase significantly,

despite suggested cerebral vasodilatation.

2.4 Conclusion

Continuous antegrade hypothermic low-flow-perfusion during aortic arch

operations provides superior neuroprotection compared to deep

hypothermic circulatory arrest, regardless of the underlying acid-base-

management (α-stat or pH-stat).

Regarding acid-base-management during extracorporeal circulation, the

pH-stat-protocol provides a better cerebral preoxygenation and has in

combination with continuous hypothermic low-flow-perfusion the greatest

neuroprotective potential. Cerebral blood supply is sufficiently maintained

at 25°C with 30 % of CPB-full-flow via the innominate artery and protects

the brain effectively from relevant ischemic tissue damage. Brain tissue

protection using continuous cerebral perfusion at higher temperatures is

more effective compared to deep hypothermic circulatory-arrest applying,

lower and more protective temperatures.

6

3. Einleitung

Die Herzchirurgie ist ein relativ junges Fachgebiet und begann mit der

Korrektur angeborener Herzfehler (Septumdefekte) bei Kindern und

Erwachsenen. Sie war in ihrer Entwicklung seit der ersten erfolgreichen

Anwendung einer Herz-Lungen-Maschine (HLM) durch J.H. Gibbon 1953

immer sehr vom technischen Fortschritt abhängig und hatte daher in der

Anfangszeit erhebliche Probleme. Die ersten korrigierenden Eingriffe mit

HLM hatten ein hohes Mortalitätsrisiko, vorwiegend bedingt durch die noch

mangelnde Myokardprotektion in der Pionierphase der Herzchirurgie. Aber

auch schwere neurologische Schäden infolge der Anwendung der Herz-

Lungen-Maschine haben zu einer ausgeprägten Mortalität und Morbidität

der ersten Operationsserien beigetragen. Herzchirurgen aller

Generationen haben sich daher neben der Myokardprotektion auch immer

mit der intraoperativen Protektion des Gehirns beschäftigt.

Mit der Verbesserung der EKZ-Systeme durch „Miniaturisierung“ der

Oxygenatoren und Verwendung biokompatibleren Materials, sowie den

verbesserten Möglichkeiten der Myokardprotektion ist die Mortalität bei

Kindern mit angeborenen Herzfehlern in den folgenden Jahrzehnten

kontinuierlich und deutlich gesunken. Auch eine verbesserte

Frühdiagnostik und damit frühzeitigere kardiochirurgische Therapie hat zu

einer weiteren Optimierung der Ergebnisse geführt (1).

Wie bereits erwähnt können durch den unumgänglichen Einsatz der

extrakorporalen Zirkulation für einen chirurgischen Eingriff am offenen

Herzen viele Organe, das Gehirn eingeschlossen, erhebliche Schäden

erfahren. Die Pathogenese dieser Schäden ist bis heute noch nicht

vollständig geklärt, chirurgische Techniken und Perfusionstechniken

werden aber hauptsächlich dafür verantwortlich gemacht (29).

Mit der Veränderung der operativen Möglichkeiten und

Perfusionstechniken steht heute nicht mehr vornehmlich die

Überlebensrate im Mittelpunkt des Interesses sondern auch die

Lebensqualität und damit insbesondere das neurologische und

psychomotorische Spätresultat nach komplexen operativen Eingriffen.

Durch mehrere Studien konnten neurologische und psychologische

Dysfunktionen nach Korrekturoperationen nachgewiesen werden (72) und

7

somit lag das Augenmerk in den letzten 10 Jahren verstärkt auf der

Entwicklung von effektiv protektiven Maßnahmen zur Minimierung dieser

Schäden (1).

Operative Eingriffe am Aortenbogen eines Neugeborenen oder Kleinkindes

sind seltene aber weitgehend standardisierte Eingriffe (12). Meist werden

sie unter Anwendung des hypothermen Kreislaufstillstandes durchgeführt.

Dabei wird die Körpertemperatur des Kindes an der HLM auf eine rektale

Temperatur von 18-20 °C abgekühlt (26, 37). Die Korrektur am

Aortenbogen erfolgt nach Abstellen der HLM und Entfernen der Kanülen.

Eine andere heute zum Einsatz kommende Methode ist die kontinuierliche

hypotherme antegrade Low-Flow-Perfusion bei der im Gegensatz zum

Kreislaufstillstand die hirnversorgenden Gefäße während der ansonsten

identischen Operation ohne Unterbrechung des Kreislaufs über den

Truncus brachiocephalicus oder die Arteria carotis rechts perfundiert

werden.

Die häufigsten Indikationen einer Operation am Aortenbogen bei Kindern

oder Neugeborenen sind Unterbrechungen des Aortenbogens,

längerstreckige Hypoplasien, umschriebene Stenosen und äußerst selten

auch Aneurysmen (12). Neurologische Komplikationen, die nach einer

Operation im hypothermen Kreislaustillstand bei etwa 10-20% der

Patienten auftreten (21, 31, 33, 76) umfassen epileptische Anfälle,

Apoplexien, spinale Tetraparesen, schwere Choreoathetosen, einfache

Durchgangssyndrome bis hin zum apallischen Syndrom (31, 33, 65). Sie

sind neben der Länge des Kreislaufstillstandes auch von der Dauer,

Auswirkung und Art der Kühlphase abhängig.

Neben der Wahl des Perfusionsverfahrens hat auch die Perfusionsart

unter Einbeziehung des pH-Managements mit den Methoden des pH-stat

und dem häufiger verwendeten α-stat mehr an Bedeutung erlangt. Sowohl

das „alkalische“ α-stat-Verfahren, bei dem es zu einer Verschiebung der

CO2-Bindungskurve bei absinkender Temperatur und somit zu einer

Alkalisierung des intrazellulären Raumes kommt, als auch das „azidotisch-

hyperkapnische“ pH-stat-Verfahren - im Zuge dessen versucht wird den

tatsächlichen pH-Wert des Blutes temperaturkorrigiert im physiologischen

Bereich zu halten, indem je nach Bedarf dem Oxygenator CO2 zugeführt

8

werden muss - bieten Vorteile was die Erhaltung der zellulären

Homöostase und des Energiegleichgewichts in Phasen verminderter

zerebraler Perfusion betrifft (19).

Mit folgender tierexperimenteller Studie sollten für Operationen am

Aortenbogen eines Neugeborenen oder Kleinkindes zwei verschiedene

Perfusionsmethoden im Hinblick auf das neurologische Outcome unter

spezieller Berücksichtigung des pH-Managements an der Herz-

Lungenmaschine tierexperimentell verglichen werden.

9

4. Versuchstiere, Material und Methoden

4.1 Versuchstiere und Gruppeneinteilung

Insgesamt wurden 26 männliche, neugeborene Hausschweine mit einem

Gewicht zwischen 10 und 15 kg und einem Alter von wenigen Tagen am

Aortenbogen operiert.

Am Tag der Operation wurden die Tiere in eine der beiden Hauptgruppen

eingeteilt. Jede Hauptgruppe bestand aus mehr als 10 Tieren. Die Art des

Perfusionsverfahrens bestimmte die Einteilung in die beiden

Hauptgruppen, die Art des Blutgasmanagements (α-stat versus pH-stat)

während der HLM-Phase bestimmte die Einteilung in die jeweiligen

Untergruppen.

Mit dem Verfahren des hypothermen Kreislaufstillstands wurden 14 Tiere

operiert (Gruppe1), davon 7 mit der α-stat-Methode (Gruppe1a) und

weitere 7 mit der pH-stat-Methode (Gruppe 1b).

Weitere 12 Tiere wurden mittels kontinuierlicher hypothermer Low-Flow-

Perfusion, d.h. mit einem erhaltenen Blutfluss über den Truncus

brachiocephalicus rechts operiert (Gruppe 2). Jeweils 6 Tiere davon

wiederum nach der α-stat-Methode (Gruppe 2a) und die weiteren 6 Tiere

nach der pH-stat-Methode (Gruppe 2b).

Die Operation erfolgte bei allen Tieren über eine mediane Sternotomie, in

Vollnarkose und unter Verwendung der Herz-Lungen-Maschine (HLM,

Stöckert, München).

4.2 Operationsablauf

4.2.1 Narkose

Im Rahmen einer standardisierten Kombinationsanästhesie wurde den

Tieren als Prämedikation präoperativ Ketanest (150 mg i.m.) und

Dormicum (10 mg i.m.) verabreicht. Zur Einleitung der Narkose wurden

Sufentanil (5 µg/kg i.v.), Pancuronium (0,5 mg/kg i.v.) und Propofol (5

mg/kg i.v.) verwendet. Mit diesen Substanzen wurde über eine

kontinuierliche Dauerinfusion die Narkose während der OP

aufrechterhalten und balanciert (Sufentanil 2,5 µg/kg/h i.v., Pancuronium

0,2 mg/kg/h i.v., Propofol 10 mg/kg/h i.v.). Bei einem Hb-Wert von über

10

5 g/dl an der HLM wurde zur Volumensubstitution eine 1:1 Mischung aus

Ringerlösung und Hydroxy-Aethyl-Stärke (HAES, Voluven®, Fresenius

Kabi, Bad Homburg, Deutschland) verwendet. Bei niedrigeren Hb-Werten

wurde je nach Bedarf 50-100 ml Schweineblut transfundiert.

4.2.2 Monitoring

Ein Pulsoxymeter (N-595 Fa. Nellcor, Pleasanton, USA) wurde an der

Vorderpfote angebracht, Herzfunktion und Atmung über ein

konventionelles 5-Kanal-EKG überwacht. Über die Vena jugularis interna

links wurde ein zentralvenöser Zugang in Form eines zweilumigen Kinder-

Cava-Katheters gelegt (4 F Fa. Arrow, Reading, USA). Vom gleichen

zervikalen Zugang aus wurde ein Venenverweilkatheter (22 F Abbocath-

T®, Abbott Laboratories, Illinois, USA) zum Bulbus jugularis links gelegt,

um über diesen das Laktat im Bulbus jugularis bestimmen zu können. Ein

4F PICCO®-Katheter (Fa. Pulsion Medical Systems AG, München,

Deutschland) wurde in eine Leistenarterie gelegt und nach Thorakotomie

wurde ein Swan-Ganz-Katheter (7F, Edwards Swan-Ganz-Katheter, Baxter

Edwards Critical Care, Irvine, USA) in die Pulmonalarterie eingeführt, um

ein erweitertes hämodynamisches Monitoring zu ermöglichen. Zusätzlich

wurde an der Arteria femoralis rechts eine Ultraschall-Flow-Probe (T 206

Fa. Transonic Systems Inc., Ithaca, New York, USA) angebracht um den

subdiaphragmalen Blutfluss zu messen. Die Stimulierung des Nervus

medianus und die Ableitung der dadurch evozierten Potentiale (SSEP)

diente als Neuromonitoringsystem zur Beurteilung der kortikalen Funktion.

Die Potentiale wurden kontinuierlich registriert, gespeichert (Nicolett Viking

IV, Fa. Nicolett, Madison, USA) und visuell ausgewertet. Das Augenmerk

lag dabei auf der Häufigkeit des Wiederauftretens der kortikalen Potentiale

nach Beendigung der Kühlphase.

11

4.2.3 Operationsverfahren

Nach abgeschlossener Narkoseeinleitung wurde über eine Mini-

Unterbauch-Laparotomie (Cystofix® Päd, Kinder-Cystofix-System, Fa.

Braun, Melsungen, Deutschland) der Harn abgeleitet.

Die Eröffnung des Thorax erfolgte über eine mediane Sternotomie. Nach

Eröffnung des Perikards wurden die Tiere vollheparinisiert (400 IE/kg i. v.)

um eine ACT (ACT-Gerät, Hemotec ACT II, Fa. Medtronic, Minneapolis,

USA) größer 500 s zu erzielen.

Zur Erweiterung des intraoperativen Monitorings wurden ein IVC-Katheter

(3 F LAP-Katheter, Fa. Medtronic dlp®, Minneapolis, USA), ein LAP-

Katheter (3 F LAP-Katheter, Fa. Medtronic dlp®, Minneapolis, USA) und ein

Swan-Ganz-Katheter (s.o.) operativ eingelegt.

An die Arteria carotis communis wurde eine Ultraschall-Flow-Probe (T 206,

s.o.) angelegt. Nach ausreichender Antikoagulation (ACT> 500s) wurde die

HLM angeschlossen und die Perfusion durch Kanülieren der Aorta

ascendens (12 F Fem-Flex II, Fa. Edwards Lifesciences GmbH,

Unterschleissheim, Deutschland) und des rechten Vorhofs (24 F gerade

Kanüle, Fa. Medtronic dlp®, Minneapolis, USA) sichergestellt.

4.2.4 Herz-Lungen-Maschine (HLM)

Ein pädiatrisches Standardsystem (Fa. Sorin; Mailand, Italien) wurde als

HLM-Set verwendet. Das Priming erfolgte mit 300ml Schweineblut, 20 ml

Bikarbonat 8,4%, 500 ml HAES 6% und Heparin 100 IE/kg. Ziel war es im

Priming einen Hb-Wert von mindestens 4,6 g/dl zu erhalten. Um dies zu

erreichen wurde das Priming zur Anhebung des Hämatokritwertes vor

Anschluss der HLM hämofiltriert und falls erforderlich 200 ml Schweineblut

zugegeben. Während der extrakorporalen Zirkulation wurde kontinuierlich

konventionell hämofiltriert (Hämoconcentrator DHF O2, Fa. Dideco,

Mirandola, Italien).

Der Sollfluss der HLM wurde auf 100 ml/kg/min Körpergewicht festgelegt.

Der Hb-Wert sollte während der gesamten HLM-Phase nicht unter 5,0 g/dl

sinken. Der Base-Excess (BE) sollte -5 nicht überschreiten. Falls

erforderlich wurden Blut und Bikarbonat nach standardisierten Kriterien

zugegeben.

12

4.2.5 Perfusionsverfahren

4.2.5.1 Kreislaufstillstand (DHCA)

Die Tiere der Gruppe 1 wurden nachdem sie an die HLM angeschlossen

waren auf eine rektale Temperatur von 20 °C abgekühlt und nach

anschließender Abklemmung der Aorta wurde über die Aortenwurzel 4 °C

kalte Kardioplegielösung nach Bretschneider mit 30 ml/kg Körpergewicht

(Custodiol®, Fa. Dr. Franz Köhler Chemie GmbH, Alsbach-Hähnlein,

Deutschland) installiert. Anschließend wurde die HLM abgestellt und der

daraus resultierende Kreislaufstillstand für 60 Minuten aufrechterhalten.

Nach Wiederanfahren der HLM mit einer 10-minütigen Reperfusionsphase

in Hypothermie wurden die Tiere langsam wieder auf eine rektale

Temperatur von 37 °C erwärmt. Während der Wiedererwärmungsphase

begann das Herz in den meisten Fällen wieder von selbst zu schlagen,

falls dies nicht der Fall war wurde bei 35 °C defibrilliert. Zu diesem

Zeitpunkt wurde auch mit einer Katecholamininfusion (Dobutrex 5

µg/kg/min) begonnen. Die extrakorporale Zirkulation wurde bei 37 °C

beendet. Je nach Blutdruck und Kontraktilität wurden bedarfsweise

Volumen infundiert oder die Laufzeit der Katecholamininfusion verändert.

Mit dem Ende der Operation wurde eine modifizierte Ultrafiltration nach

Elliott et al. (50) in der Erlanger-Spezifikation vorgenommen (47).

4.2.5.2 Kontinuierliche hypotherme Low-Flow-Perfusion

Im Gegensatz zu den Tieren der Gruppe im hypothermen

Kreislaufstillstand wurden diese Tiere nur auf eine rektale Temperatur von

24-25 °C gekühlt. Anschließend wurde ebenfalls die Aorta abgeklemmt

und wie vorbeschrieben eine 4 °C kalte Kardioplegielösung nach

Bretschneider mit 30 ml/kg Körpergewicht (s. o.) infundiert. Nach

Vorschieben der arteriellen Perfusionskanüle in den Truncus

brachiocephalicus rechts wurde diese mit einem Tourniquet in der Arterie

fixiert. Mit 30% des Sollflusses wurde über die arterielle Perfusionskanüle

im Truncus brachiocephalicus rechts für die Dauer von 60 Minuten eine

antegrade kontinuierliche hypotherme Low-Flow-Perfusion etabliert.

Während dieser Phase wurde eine invasive Drucküberwachung über

einen Katheter in der Arteria subclavia gewährleistet. Nach 60 Minuten

13

wurde die Aortenklemme wieder geöffnet und die Kanüle wieder in die

Aorta ascendens repositioniert. Anschließend wurde analog zu Gruppe 1

eine kontrollierte Reperfusion durchgeführt.

4.2.5.3 Blutgasmanagement

Bei den Tieren der Gruppe 1a bzw. 2a wurden die Blutgaswerte nach dem

α-stat-Verfahren gesteuert, d.h. die Blutgase wurden zu allen

Messzeitpunkten ohne Temperaturkorrektur bestimmt und anhand

festgelegter Kriterien korrigiert.

Bei den Tieren der Gruppe 1b bzw. 2b wurden die Blutgasanalysen

temperaturkorrigiert nach dem pH-stat-Verfahren modifiziert. Im Bedarfsfall

wurde dem Oxygenator CO2 insuffliert.

4.3 Laboranalysen

4.3.1 Blutgase

Die Bestimmung der Blutgaswerte erfolgte mit Hilfe des Auto-Analyzers

der Fa. Radiometer Copenhagen ebenso wie die Bestimmung der Werte

der Elektrolyte, des Laktats und der Glukose.

4.3.2 Laboranalysen im Serum

Als serologische Marker für das Ausmaß einer neuronalen Schädigung

wurden S-100 und die neuronenspezifische Enolase mit einem

spezifischen Elektrochemilumineszenz-Immunoassay (Sandwich-Prinzip)

an Auto-Analyzern der Fa. Roche im Serum gemessen (Elecsys 2010, Fa.

Roche Diagnostics GmbH, Mannheim, Deutschland).

Als weiterer Marker wurde das in den Ventrikeln gebildete vasoaktive

Peptid NT-pro-BNP (inaktive Vorstufe des BNP) gemessen (Elecsys 2010,

Fa. Roche Diagnostics GmbH, Mannheim, Deutschland).

Alle Untersuchungen wurden im Zentrallabor der Universitätsklinik

Erlangen (Leiter: Dr. H. Parsch) nach standardisierten

Untersuchungsmethoden vorgenommen.

14

4.4 Messzeitpunkte

Die Messzeitpunkte waren bei allen Tieren der vier verschiedenen

Gruppen über den kompletten Versuchsablauf konstant und wurden wie in

Tabelle 1 ersichtlich festgelegt.

t0 Baseline-Messung nach Narkoseeinleitung

t1 Baseline-Messung nach „full-lining“; nach Thorakotomie und

kompletter Anlage aller Messkatheter und Flussmess-Sonden

(„Flow-Probes“), vor Anschluss der HLM

t2 An der HLM, ca. 20 Minuten nach Kühlung, ca. 5 Minuten vor

Aortenabklemmung

t3 Nach 30 Minuten Low-Flow-Perfusion (nur bei Gruppe 2)

t4 5 Minuten nach Wiedereröffnen der Aortenklemme

(frühe Reperfusion)

t5 30 Minuten nach Reperfusion

t6 Nach Abgang von der HLM

t7 Nach Beendigung der modifizierten Ultrafiltration

Tab.1 Messzeitpunkte

4.5 Histologie

Alle Tiere wurden noch in tiefer Narkose nach Beendigung des Versuchs

getötet. Acht von ihnen wurde das Gehirn entnommen, in Formalin

eingelegt und im neuropathologischen Institut der Universitätsklinik

Erlangen (Direktor: Prof. Dr. Ingmar Blümcke) untersucht. Dort wurden von

den Gehirnen definierte histologische Schnitte angefertigt, die speziell mit

Hämatoxylin-Eosin (H.E.) gefärbt wurden und anschließend von einem

unabhängigen geblindeten Untersucher ausgewertet wurden.

Die Schnitte an den entnommenen Gehirnen wurden seitengetrennt

vorgenommen, so dass je zwei Präparate, ein rechtes und ein linkes, der

vorderen und hinteren Hippocampus-Formation vorlagen. Nachdem diese

Region als äußerst empfindlich für ischämische Schäden gilt wurde sie für

die histologischen Untersuchungen ausgewählt, um perfusionsbedingte

oder hypoxämische Veränderungen zu entdecken.

15

Zusätzlich wurde bei jedem Versuchstier auch ein Präparat des Kleinhirns

untersucht.

Der geblindete Untersucher wertete daraufhin die ischämisch

geschädigten Neurone und die intakt gebliebenen Neurone in 9

verschiedenen Arealen mit je 10 Gesichtsfeldern aus. Diese Auszählung

fand im Gebiet des rechten und linken Körnerzellbandes des Gyrus

dentatus, des rechten und linken Pyramidenzellbandes des Ammonshorns,

des rechten und linken Hilus des Gyrus dentatus, des rechten und linken

entorhinalen Kortex des Gyrus parahippocampalis und der Gyri des

Kleinhirns statt. Dabei konnte man in allen Bereichen die intakten von den

geschädigten Zellen durch Eosinophilie des Zytoplasmas,

Zellschrumpfung und Kernveränderungen in Form von Kernpyknose und

Kernbasophilie unterscheiden (1).

4.6 Ableitung somatosensorisch evozierter Potentiale

Die Stimulation des Nervus medianus zur Ableitung somatosensorisch

evozierter Potentiale erfolgte über einen elektrischen Rechteckimpuls mit

einer Stromstärke von 4 mA und einer Frequenz von 5 Hz (23). Die

Reizdauer betrug 0,1 ms. Zur Ableitung der Potentiale wurden

Nadelelektroden verwendet. Die Elektroden wurden unter

Berücksichtigung des internationalen 10-20-Elektrodensystems

angebracht. Dabei wurde die zervikale Reizantwort auf die

somatosensorische Stimulation durch eine nuchale Nadelelektrode und die

kortikale Reizantwort über dem kontralateralen sensorischen Kortex

abgeleitet. Zusätzlich wurde eine frontale Referenzelektrode platziert.

Von den somatosensorisch evozierten Potentialen wurden 250

Reizanworten nach Stimulation gemittelt. Die Aufzeichnung und Mittelung

der so gewonnenen Kurven erfolgte computergestützt unter Verwendung

des Geräts Viking® II (Nicolet biomedical, Wisconsin, USA). Die ermittelten

Daten wurden auf einer Festplatte gespeichert und anschließend von

einem geblindeten Untersucher interpretiert.

16

4.7 Berechnung und Darstellung der Daten

Alle erhaltenen und gemessenen Werte wurden in eine Datenbank

eingegeben (EXCEL®; Fa. Microsoft®) und computergestützt ausgewertet

(EXCEL®, SPSS® für Windows, Fa. Microsoft Cooperation, Redmond,

USA).

Alle berechneten Ergebnisse werden als Mittelwert ± SEM dargestellt. Bei

Nicht-Normalverteilung wurden die Ergebnisse mit dem nicht-

parametrischen U-Test auf Signifikanz (p<0.05) der Unterschiede

überprüft. Bei Normalverteilung hingegen wurde der Student-t-Test für

unpaare Daten angewendet.

Die histologischen Schnitte so wie die SSEP’s wurden visuell ausgewertet.

Die statistischen Analysen wurden mit dem Chi-Quadrat-Test, bzw.

Fischer’s exaktem Test für niedrige Fallzahlen vorgenommen.

Untersuchungsergebnisse bei denen sich signifikante statistische

Unterschiede (p<0.05), bzw. hoch signifikante Unterschiede (p<0.01)

ergaben wurden graphisch oder in tabellarischer Form gesondert

dargestellt.

4.8 Versuchsgenehmigung

Der Versuchsantrag und somit auch die Versuchsdurchführung orientierten

sich an den geltenden Richtlinien des Tierschutzgesetzes. Die

Genehmigung des Versuchs erfolgte durch die zuständige Regierung

Mittelfrankens am 03.12.2003 mit dem AZ 621- 2537.31- 20/03.

17

5. Ergebnisse

5.1 Basisdaten

5.1.1 Größe und Gewicht der Versuchtiere

Bezüglich Größe und Gewicht der Tiere wurde mit dem t-Test ein

signifikanter Unterschied von p<0.05 zwischen den Gruppen berechnet.

Das Durchschnittsgewicht lag in der Gruppe 1 bei 12,4 ± 0,3 kg und in

Gruppe 2 mit 11,0 ± 0,2 kg (p<0.05) etwas niedriger. In Gruppe 1 betrug

die durchschnittliche Größe 71,5 ± 1,0 cm und in Gruppe 2 hingegen

68,6 ± 0,7 cm (p<0,05). Die Werte sind in Abb.1 dargestellt.

Größe und Gewicht der Versuchstiere

12,4

71,5

11,0

68,8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Gewicht Größe Größe/Gewicht

kg / cm

DHCA

LF

*

*

Abb.1: Größe und Gewicht der Versuchstiere; *p<0.05

DHCA= Gruppe 1; deep-hypothermic-circulatory-arrest

LF= Gruppe 2; low-flow

18

5.1.2 Operationszeiten

Die Gesamtoperationszeit unterschied sich zwischen beiden Gruppen

signifikant. Der Eingriff konnte bei den Tieren der Gruppe 2 in der Regel

ca.15 Minuten früher beendet werden als bei Tieren der Gruppe 1

(Gruppe 1 DHCA 200,2 ± 3,7 versus Gruppe 2 LF 184,9 ± 2,8 min;

p<0,01).

Die Dauer der Ischämiezeit war definitionsgemäß in beiden Gruppen gleich

(Gruppe 1 DHCA 68,0 ± 3,7 versus Gruppe 2 LF 68,0 ± 3,5 min; n.s.). Die

Zeit an der Herz-Lungen-Maschine hingegen verlängerte sich bei der

Gruppe 2 um ca. 45 Minuten (Gruppe 1 DHCA 105,2 ± 3,7 versus

Gruppe 2 LF 149,9 ± 2,8 min; p<0,01), s. Abb. 2.

Operations-Zeiten der Versuchstiere

200,2

184,9

68,0

105,2

68,0

149,9

0

50

100

150

200

250

HLM-Zeit Ischämiezeit OP-Zeit

t in min

DHCA

LF**

**

Abb. 2: Operationszeiten der Versuchstiere in Minuten; ** p<0.01



19

5.1.3 Temperaturverläufe

Die Körpertemperatur der Tiere wurde während der Operation rektal

gemessen. Gemäß dem angewendeten Versuchsprotokoll war die

Temperatur der Tiere aus Gruppe 1 zum Zeitpunkt des

Kreislaufstillstandes signifikant niedriger als die der Tiere der Gruppe 2

(Zeitpunkt t3: Gruppe 1 DHCA 20,6 ± 0,3 ° C versus Gruppe 2 LF

25,3 ± 0,2 °C; p<0,01). Dieser Unterschied machte sich auch zu den

beiden benachbarten Messzeitpunkten t2 und t4 bemerkbar wie in Abb.3

sichtbar wird.

Temperaturverlauf an der HLM in °C

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

time

°C

DHCA

LF

*

** ** **

Abb. 3: Temperaturverlauf während des Versuchs; * p< 0.05; ** p< 0.01



20

5.2 Carotis-flow-Messung

Bis auf den Zeitpunkt t3, d.h. 30 Minuten nach Beginn der Low-Flow-

Perfusion konnte für den Fluss in der Arteria carotis communis rechts kein

signifikanter Unterschied zwischen den Gruppen festgestellt werden. Zum

Zeitpunkt t3 jedoch wurde bei den Tieren der Gruppe 1, inmitten der Phase

des Kreislaufstillstands, ein Nullfluss gemessen und bei den Tieren der

Gruppe 2 ein Flow von 120,5 ± 9,0 ml/min (Abb.4). Dieser Fluss entspricht

etwa dem doppelten Fluss in der Arteria carotis vor Beginn der

Aortenabklemmung (Zeitpunkt t2).

Der gemessene Blutfluss in der Arteria carotis zeigte zwischen den

Subgruppen a bzw. b, d.h. zwischen dem α-stat-Verfahren und dem pH-

stat-Verfahren keinen signifikanten Unterschied, s. Abb.4

Flow - Arteria carotis communis rechts

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

time

Flow in ml/min

DHCA-alpha

DHCA-ph

LF-alpha

LF-pH

Abb. 4: Intraoperativ gemessener Carotisfluss in ml/min;



21

5.3 Blutgasanalysen

5.3.1 Hämoglobin, Hämatokrit (Art. femoralis)

In jeder Gruppe konnte vom Anfang des Versuchs aufgrund der HLM-

bedingten Hämodilution bis zum Zeitpunkt t2 ein stetiger Abfall der

Hämoglobinwerte verzeichnet werden. Trotz wieder ansteigendem Hb ab

dem Zeitpunkt t4 in der Reperfusionsphase konnten jedoch nicht mehr die

Ausgangswerte erreicht werden. Der Hämatokrit verhielt sich analog dem

gemessenen Hämoglobin. Die Werte fielen in allen Gruppen bis zum

Zeitpunkt t3 ab um dann ab dem Zeitpunkt t4 wieder langsam anzusteigen

ohne die Ausgangswerte bei Beendigung des Versuches wieder zu

erreichen. Dabei verliefen die Kurven der verschiedenen Gruppen parallel,

was in Abb. 5 und Abb. 6 deutlich wird.

Signifikante Unterschiede (p<0.05), d.h. tendenziell höhere Hb-, bzw.

Hämatokritwerte für die im Kreislaufstillstand operierten Tiere berechnete

sich zu verschiedenen Messzeitpunkten, dies gilt v.a. für die

Reperfusionsphase bis zum Versuchsende. Der objektive Unterschied der

einzelnen Mittelwerte war dabei jedoch relativ gering (siehe Abb. 5 u. 6).

Hämoglobin in g/dl

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7time

Hb in g/dl

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

** *

*

Abb. 5: Hämoglobinverlauf in g/dl; * p< 0.05;



22

Hämatokrit in %

0

5

10

15

20

25

30

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

time

Hct in %

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

*

Abb. 6: Hämatokritverlauf in % im Blutgas; * p< 0.05;



5.3.2 Sauerstoffpartialdruck (Art. femoralis)

Die Werte des arteriell gemessenen pO2 schwankten in allen Gruppen zu

jedem Messzeitpunkt unabhängig voneinander sehr stark, so dass sich

deutlich unterschiedliche Kurvenverläufe ergaben. Zum Zeitpunkt t2, nach

Anschluss an die HLM liegen die Werte der Gruppe 1a (DHCA-α)

signifikant bzw. hochsignifikant höher als in den anderen Gruppen. Zum

Zeitpunkt t4, 5 Minuten nach Eröffnen der Aortenklemme, ist es die Gruppe

2b die signifikant bzw. hochsignifikant höhere Werte aufweist als die

anderen Gruppen. Gegen Ende des Versuches, d.h. ab dem Zeitpunkt t5

bis t7 weist die Gruppe 1a (DHCA-α) die höchsten Werte auf und die

Gruppe 1b (DHCA-pH) die niedrigsten.

Insgesamt betrachtet lagen die Werte jedoch immer über der Grenze von

100 mmHg, so dass die O2-Sättigung immer über 100% betrug. s.Abb.7.

23

arterieller Sauerstoffpartialdruck in mmHg

0

50

100

150

200

250

300

350

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

time

pO2 in mmHg

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

Abb.7: Verlauf des Sauerstoffpartialdruckes in mmHg;

um die Übersicht zu wahren wurden keine Signifikanzen

eingezeichnet; Erläuterungen im Text;



5.3.3 Kohlendioxidpartialdruck (Art.femoralis)

Die gemessenen CO2-Werte lagen für alle Gruppen meist im

physiologischen Bereich zwischen 35 und 46 mmHg (s. Abb.8). Statistisch

konnten signifikante, bzw. hochsignifikante Unterschiede berechnet

werden, die jedoch keine der Gruppen systematisch bevorzugte oder

benachteiligte. Um eine Vergleichbarkeit zw. den Gruppen zu

gewährleisten wurden die Blutgasanalysen der pH-stat-Gruppen

temperaturkorrigiert ausgewertet. Zum Zeitpunkt t2, d.h. bis zum Anschluss

der HLM wies die Gruppe 1b (DHCA-pH) die niedrigsten Werte auf. Die

anderen Gruppen unterschieden sich signifikant voneinander. Ab diesem

Zeitpunkt bis zum Zeitpunkt t4 stiegen dann die Werte des CO2 in allen

Gruppen bis auf die Gruppe 2b (LF-pH) deutlich an. Diese Gruppe

unterschied sich in diesem Zeitraum somit hochsignifikant von den

anderen Gruppen und die Kurvenverläufe gingen somit deutlich

auseinander. Danach fielen auch die Werte der anderen Gruppen wieder

24

ab, so dass die Kurven ab dem Zeitpunkt t5 wieder parallel verliefen und

zum Ende des Versuches nur noch leicht erhöhte Werte im Vergleich zum

Ausgangsniveau in allen Gruppen vorlagen. Lediglich zum Zeitpunkt t4

wurden in der Gruppe 1a (DHCA-α) die Normwerte gering überschritten.

arterieller Kohlendioxidpartialdruck in mmHg

20

25

30

35

40

45

50

55

60

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

time

pCO2 in mmHg

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

Abb.8: Verlauf des Kohlendioxidpartialdrucks in mmHg;





5.3.4 Glucose (Art. femoralis)

Die Glucosewerte in mg/dl stiegen im Verlauf in allen Gruppen deutlich an

mit Spitzenwerten zu den Zeitpunkten t4 und t5 (Werte > 200 mg/dl) und

diabetischen Werten ab dem Zeitpunkt t2 (Plasmaglucose nüchtern

≥126 mg/dl). Bis zum Zeitpunkt t7 fielen sie wieder ab ohne allerdings

wieder unter die Grenze für diabetische Werte zu sinken. Die Werte zum

Zeitpunkt t7 blieben im Vergleich zu den Ausgangswerten also auf einem

höheren Niveau. Während des ganzen Versuches hatte die Gruppe 2a die

relativ niedrigsten Werte. Dieser Unterschied im Vergleich zu den anderen

Gruppen ist zum Zeitpunkt t0 signifikant. Zum Zeitpunkt t1 bestand ein

hochsignifikanter Unterschied der Gruppe 1a gegenüber der Gruppe 2b,

wie in Abb.9 sichtbar wird.

25

Glucose in mg/dl

0

50

100

150

200

250

300

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

time

Glucose in mg/dl

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

Normlinie

*

***

Abb.9: Glukoseverlauf in mg/dl; * p<0.05, ** p<0.01;



5.3.5 Sauerstoffsättigung (Bulbus jugularis)

Die Messung der O2-Sättigung im Bulbus der Vena jugularis liefert die

Werte der zerebralvenösen Sättigung und kann somit Hinweise auf

Sauerstoffverbrauch und Durchblutung des Gehirns liefern. Der

Normwertebereich liegt zwischen 55 und 75%.

Zu Beginn wurden in allen Gruppen Ausgangswerte zwischen 60 und 80%

ermittelt. Es folgte ein Anstieg der Werte mit Spitzenwerten um 90% in den

Gruppen 1a und 1b zum Zeitpunkt t2. Dazu zeitlich versetzt zum Zeitpunkt

t3, also in der Phase der kontinuierlichen Low-Flow-Perfusion wurden für

die Tiere der Gruppen 2a und 2b Werte über 90% gemessen. Danach fiel

die O2-Sättigung in allen Gruppen wieder ab, so dass Sättigungswerte im

Bereich des Ausgangsniveaus erreicht wurden, s. Abb.10.

26

Sauerstoffsättigung in %- Bulbus jugularis

50

60

70

80

90

100

110

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7time

SaO2 in %

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

Abb. 10: O2-Sättigung im Bulbus jugularis in %;





5.3.6 Laktatwerte

Laktat entsteht im Körper in Folge eines anaeroben Stoffwechsels.

Analysen zur Laktatbestimmung wurden zur Ermittlung der regionalen

Freisetzung zu festgesetzten Zeitpunkten an definierten Orten (Arteria

femoralis, Vena cava inferior und Bulbus jugularis) abgenommen.

Nachdem das Gehirn in seiner Energienutzung von der aeroben Glykolyse

abhängig, ist wird normalerweise nur wenig Laktat freigesetzt. Eine

inadequate zerebrale Perfusion führt jedoch auch zu zerebraler Hypoxie

und somit zu anaerober Glykolyse und Laktatfreisetzung (75), weshalb

Bestimmungen der Laktatwerte aus dem Bulbus jugularis sequentiell

vorgenommen wurden.

27

5.3.6.1 Laktatwerte (Art. femoralis)

Zu Versuchsbeginn lagen in der Gruppe 2 schon signifikant erhöhte

Ausgangswerte des Laktats in der Arteria femoralis vor Anschluss der HLM

vor. Diese Werte lagen jedoch noch im Normbereich. Dabei lag die Kurve

der Gruppe 2a (LF-α) bis zum Ende des Versuchs deutlich über den

anderen Kurven und ihre Laktatwerte waren signifikant bzw.

hochsignifikant höher als die der anderen Gruppen.

Nach anfänglichem parallelem Kurvenverlauf weichen diese ab dem

Zeitpunkt t4 mit Beginn der Reperfusion auseinander. Zu diesem Zeitpunkt

unterscheiden sich sowohl die Stillstands- als auch die Low-Flow-Gruppen

signifikant bzw. hochsignifikant untereinander, wobei die Gruppe 1b

(DHCA-pH) die niedrigsten Werte aufweist. Insgesamt waren die

Laktatwerte der Gruppe 2 ab diesem Zeitpunkt deutlich höher als die der

Gruppe 1 (p<0.01). Trotz der bleibend hohen Werte in allen Gruppen bis

zum Ende des Versuchs wurde die kritische Grenze von 100 mg/dl nie

überschritten, s. Abb.11.

Lactat in mg/dl - Arteria femoralis

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

time

Lactat in mg/dl

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

Abb. 11: Laktatverlauf gemessen in der Arteria femoralis in mg/dl;





28

5.3.6.2 Laktatwerte (Bulbus jugularis)

Um das Ausmaß der anaeroben Glycolyse im Gehirn feststellen zu können

wurde aus dem Bulbus jugularis venöses Blut entnommen und das dabei

entstehende Laktat gemessen.

Schon zu Anfang des Versuchs (Zeitpunkte t1 und t2) waren die Werte der

Gruppen 1a und 2a (DHCA-α und LF-α) signifikant höher als die der

Gruppen 1b und 2b (DHCA-pH und LF-pH). Zum Zeitpunkt t3

unterschieden sich dann auch die Werte der Gruppe 2a signifikant von der

Gruppe 2b, sie waren ebenfalls deutlich höher.

Ab dem Zeitpunkt t3 während der Reperfusion stiegen die Werte in allen

Gruppen unterschiedlich stark an.

Zu Beginn der Reperfusion (Zeitpunkt t4) waren die Werte der Gruppe 1b

bzw. 2b in etwa gleich. In der Gruppe 2b stiegen die Werte dann mit

zunehmender Perfusionsdauer noch bis zum Versuchsende

hochsignifikant weiter an (Zeitpunkte t5 und t6) und erreichten die Werte

der Gruppe 1a.

Mit Beginn der Reperfusion (Zeitpunkt t4) lagen schon deutlich höhere

Werte in beiden α-stat-Gruppen (Gruppe 1a bzw. 2a) als bei den pH-stat-

Tieren vor. Die Werte der Gruppe 1a stiegen noch bis zum Beginn der

modifizierten Ultrafiltration stetig an um dann erst wieder abzufallen

(Zeitpunkt t7). Die Laktatwerte der Gruppe 2a lagen bis zum Versuchsende

deutlich über den Werten der anderen Gruppen auf konstant erhöhtem

Niveau wie in Abb.12 deutlich wird.

29

Lactat in mg/dl - Bulbus jugularis

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

time

Lactat in mg/dl

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

Abb. 12: Laktatwerte gemessen im Bulbus jugularis in mg/dl;





5.4 Neuropathologie

Wie schon eingangs erwähnt wurde von 8 der 26 Tiere das Gehirn nach

Beendigung des Versuches entnommen und histologisch untersucht. Die

in Formalin eingelegten Gehirne wurden in das neuropathologische Institut

der Universitätsklinik Erlangen transportiert, geschnitten und mit

Hämatoxylin-Eosin (H.E.) angefärbt. Die Auswertung der Schnitte erfolgte

visuell durch einen unabhängigen geblindeten Untersucher.

Tritt eine Ischämie im Bereich des Gehirns auf kommt es zunächst zu einer

eosinophilen Zellnekrose im Zuge derer die NISSL-Schollen der

Nervenzellen zerfallen. Die Zellkerne werden randständig und nach kurzer

Zeit pyknotisch. Das Zytoplasma wird eosinophil. Diese Vorgänge werden

häufig von einem Hirnödem begleitet, welches sich makroskopisch durch

abgeflachte Hirnwindungen und verstrichene Furchen äußert. Histologisch

wirkt die weiße Substanz aufgelockert und das Präparat erscheint heller.

Die Gliazellen und Astrozyten in der grauen Substanz sind geschwollen

oder nekrotisch (2, 57).

30

Um solche Veränderungen feststellen zu können wurden von besonders

ischämieanfälligen Hirnarealen histologische Schnittpräparate angelegt.

Untersucht wurden vorderer und hinterer Teil sowohl der rechten als auch

der linken Hippocampus-Formation, s. Abb. 13 und Abb. 14. Diese Region

ist eine zentrale Schaltstation des limbischen Systems und bildet als

medialer Teil des Telenzephalons den sogenannten Archicortex. Die

einzelnen Strukturen dieser Formation sind der Gyrus dentatus, das

Ammonshorn (Hippocampus), das Subiculum, Pre- und Parasubiculum

sowie der entorhinale Kortex.

Abb.13: Hippocampus-Formation in 1,25-facher Vergrößerung

31

Abb. 14: Ausschnitt der Hippocampus-Formation in 1,25-facher

Vergößerung

Das Körnerzellband ebenso wie das Pyramidenzellband wiesen bei allen

untersuchten Schnitten keine wesentlichen Schäden auf. Es konnten

lediglich einzelne geschädigte Zellen entdeckt werden.

Abb. 15: Körnerzellband in 20-facher Vergrößerung

32

Abb. 16: Pyramidenzellband in 20-facher Vergrößerung

Mit dem Hilus verhielt es sich auf beiden Seiten ähnlich, es konnten

vereinzelte Felder mit wenigen geschädigten Zellen entdeckt werden.

Größere ischämisch geschädigte Areale konnten aber nicht identifiziert

werden.

Abb. 17: Hilus in 20-facher Vergrößerung

33

Auch die Pyramidenzellen der Gyri des Kleinhirns blieben zum grössten

Teil intakt.

Abb. 18: Kleinhirn in 1,25-facher Vergrößerung

Abb. 19: Kleinhirn in 20-facher Vergrößerung

Die meisten verformten und verfärbten Zellen konnten in den Bereichen

des entorhinalen Kortex gezählt werden.

34

Abb. 20: entorhinaler Kortex in 1,25-facher Vegrößerung

EK= entorhinaler Kortex

Abb.21: entorhinaler Kortex in 20-facher Vergrößerung

35

LF

DHCA

Signifikanz

% intakt % geschädigt % intakt % geschädigt P-Wert

entorhinaler Kortex rechts 78,41 21,59 68,65 31,35 0,15 n.s.

entorhinaler Kortex links 82,82 17,18 83,24 16,76 0,48 n.s.

Hilus rechts 90,13 9,87 97,82 2,18 0,19 n.s.

Hilus links 94,55 5,45 99,32 0,68 0,22 n.s.

Pyramidenzellband rechts 98,90 1,10 98,68 1,32 0,47 n.s.

Pyramidenzellband links 99,77 0,23 98,32 1,68 0,30 n.s.

Körnerzellband rechts 99,34 0,66 98,35 1,65 0,32 n.s.

Körnerzellband links 99,07 0,93 95,76 4,24 0,16 n.s.

Kleinhirn 91,97 8,03 97,40 2,60 0,35 n.s.

Mittelwert 92,77 7,23 93,06 6,94

Tab. 2: Auswertung der histopathologischen Ergebnisse, Chi-Quadrat-Test

Es ergaben sich jedoch in keiner der Regionen signifikante Unterschiede

zwischen den beiden Gruppen.

5.5 Somatosensorisch evozierte Potentiale

Sowohl die Tiere der Gruppe 1 als auch die Tiere der Gruppe 2 zeigten

einen kompletten Verlust der Potentiale nach Beendigung der Kühlphase

an der HLM. In der Reperfusionsphase trat bei allen Tieren der Gruppe 1

(n=8; DHCA) bis zum Ende des Versuches keine Wiederkehr der

Potentiale ein, in der Gruppe 2 traf dies für 2 Tiere zu (n=7; LF; p<0,05).

Bei den restlichen 5 Tieren dieser Gruppe kam es zu einer deutlich

messbaren Wiederkehr der kortikalen Potentiale, s. Abb. 22.

36

Potentialwiederkehr in der Gruppe 1 und 2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12 15 17 19 t 5 23 25 27 29 t 6 33 35 37time

Amplitude in%

DHCA

LF

t4 t5 t6

Abb. 22: Verlauf der somatosensorisch evozierten Potentiale der Gruppen

1 und 2

5.6 Neuro-Marker S-100 und NSE

Um eine neurologische Schädigung im Serum nachweisen zu können

wurden exemplarisch zwei gängige „Neuro-Marker“ S-100 und die

neuronenspezifische Enolase im Serum der Tiere gemessen, welche z.B.

auch bei Schlaganfallpatienten und Patienten mit neurodegenerativen

Erkrankungen als Marker für das Ausmaß der Schädigung des Gehirns

verwendet werden (1, 44).

5.6.1 NSE

Die neuronenspezifische Enolase ist ein Isoenzym des Glykolyseenzyms

Enolase und wird klinisch vorwiegend als Tumormarker genutzt.

Bestehend aus zwei у-Untereinheiten beträgt ihre Halbwertszeit ca. 24

Stunden bei einem Molekulargewicht von 78 kDa (42, 74). Sie wird fast

ausschließlich in Neuronen und anderen Zellen neuroektodermalen

Ursprungs wie z.B. den neuroendokrinen Drüsen und Zellen gebildet

37

(APUD Zellen) und kann sowohl im Serum als auch im Liquor mittels

Immunoassay nachgewiesen werden (63). Physiologisch sind allerdings

nur geringe Mengen im Blut, da dieses Enzym nicht von den Neuronen

sezerniert sondern erst bei Schädigung der neuronalen Zellen freigesetzt

wird (28, 63). Den gleichen Effekt hat eine intraoperative neuronale

Ischämie, die während Operationen an der HLM mit oder ohne

Kreislaufstillstand auftreten kann und dazu führt, dass Neuronen ihre NSE

verlieren (63). Erhöhte NSE-Spiegel können also ein Hinweis auf eine

hypoxische Hirnschädigung sein und da die NSE außerhalb des

Nervensystems nur in geringen Mengen vorkommt ist sie ein relativ

verlässlicher Indikator für die Unterscheidung zwischen einer

ausgeprägten und weniger ausgeprägten neuronalen Schädigung (63). In

der vorliegenden Studie konnte allerdings kein relevanter Unterschied

zwischen den Kurvenverläufen der beiden Hauptgruppen nachgewiesen

werden. Die Werte zum Endpunkt der Studie lagen deutlich unter den

Ausgangswerten und zum Zeitpunkt t7 wies die Gruppe 2b (LF-pH)

signifikant höhere Werte auf als die Gruppe 2a (LF-α). Weitere

Auffälligkeiten ergaben sich jedoch nicht, s. Abb. 23.

NSE in ng/ml- im Serum

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7time

NSE in ng/ml

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

*

Abb.23: Verlauf der NSE in ng/ml; * p<0.05



38

5.6.2 S-100

S-100 ist ein Protein der Astrozyten und an vielen Zellfunktionen beteiligt,

wie z.B. dem Calcium-Metabolismus in der Zelle, dem Stickstoffoxid-

Metabolismus und der Signaltransduktion für Zelldifferenzierung,

Wachstum und Apoptose (1, 10, 29, 39, 80). Metabolisiert wird S-100 in

der Niere und folglich über den Urin ausgeschieden (29, 64). Die

Halbwertszeit beträgt etwa 2 Stunden und sein Molekulargewicht beträgt

ca. 21 kDa (42, 64). Im Serum wird es im Zusammenhang mit einer

Schädigung der Blut- Hirn- Schranke und den Astrozyten bzw. Schwann-

Zellen gesehen (39), da es normalerweise im Serum nicht nachzuweisen

ist (28, 29). Astrogliazellen sind in großer Zahl im Gehirn vorhanden und

reagieren ebenso wie Neurone empfindlich auf hypoxischen Stress.

Die häufigsten Dimere des S-100 sind das S-100 A1B und das S-100 BB,

die beide hauptsächlich zerebralen Ursprungs sind. Die β-Untereinheit

kommt vor allem in Schwann- und Astrogliazellen vor (4, 11). S-100 ist ein

sehr sensitiver Parameter und bereits bei einer Commotio im Serum

nachweisbar. Es kann bei Patienten mit neurologischen Komplikationen

nach Operationen am Aortenbogen erhöht nachgewiesen werden (39).

Hohe S-100 Werte korrelieren also wahrscheinlich mit dem Grad der

neurologischen Schädigung (39).

Die Ausgangswerte des in dieser Untersuchung gemessenen S-100 waren

in allen Gruppen in etwa gleich bis auf die Gruppe 1a (DHCA-α) deren

Ausgangswerte im Mittel ungefähr doppelt so hoch waren wie die der

anderen Gruppen. Bis zu einem Spitzenwert, der in den α-stat-Gruppen

zum Zeitpunkt t4 gemessen wurde und in den beiden pH-stat-Gruppen

zum Zeitpunkt t5, stiegen die Werte kontinuierlich an, um dann gegen

Ende des Versuchs wieder abzufallen. Das Ausgangsniveau wurde

wiederum in allen Gruppen bis auf die Gruppe 1a (DHCA-α) nicht mehr

erreicht, die Werte blieben um etwa das Doppelte erhöht. Ein signifikanter

Unterschied zwischen den beiden Hauptgruppen und den Untergruppen

konnte aber nicht nachgewiesen werden, s. Abb. 24.

39

S-100 - im Serum

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

time

S-100 in µg/l

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

Abb. 24: Verlauf des S-100 in µg/l;



5.7 NT-pro-BNP

Das B-type natriuretic peptide ist ein kardiales Neurohormon bestehend

aus 32 Aminosäuren und wird hauptsächlich im Myokard der Ventrikel

gespeichert. Sezerniert wird es zum größten Teil von den Ventrikeln des

Herzens als Antwort auf vermehrte Füllung mit erhöhter Wandspannung im

Ventrikel. Aktives BNP ist im Wesentlichen der natürliche Gegenspieler

des Renin-Angiotensin-Systems. Zusammen mit diesem System reguliert

das B-type natriuretic peptide über Natriurese, Diurese und Vasodilatation

den arteriellen Druck. Zu einem wesentlich geringeren Teil wird dieses

Peptid auch im Gehirn produziert und als inaktiver Vorläufer NT-pro-BNP

in die Blutbahn sezerniert. Dort wird dann das N-terminale Ende

abgespalten und es entsteht das biologisch aktive B-type natriuretic

peptide (BNP) (12).

Um einen Sezernierungs-Index unabhängig von der Größe der Tiere zu

erhalten wurden die ermittelten Werte auf die Körperoberfläche der Tiere

40

bezogen. Mit Beginn der Perfusion an der HLM, bis zur Beendigung der

EKZ verlief die Kurve des NT-pro-BNP der beiden Stillstands-Gruppen

deutlich über den Kurven der beiden Low-Flow-Gruppen. Es fanden sich

dabei signifikant bzw. hochsignifikant höhere Werte zu den Zeitpunkten t2,

(gegen Ende der Kühlphase), t4 (Beginn der Reperfusion) und zum

Zeitpunkt t6 (nach Abgang von der HLM). Erst zum Zeitpunkt t7 nähern

sich alle Kurvenverläufe wieder an wie in Abb. 25 sichtbar wird.

NT-pro-BNP in pg/ml bezogen auf die KÖF- im Serum

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7

time

NT-pro BNP in

pg/ml pro m2 KÖF

DHCA-alpha

DHCA-pH

LF-alpha

LF-pH

Abb. 25: Verlauf des NT-pro-BNP in pg/ml pro m2 KÖF;





41

6. Diskussion

Die genaue Einblicknahme in die Entstehung von neurologischen Schäden

an der Herz-Lungen-Maschine im Rahmen von Herzoperationen besaß in

der wissenschaftlichen Bearbeitung der nun möglichen Eingriffe, seit den

ersten herzchirurgischen Operationen einen entscheidenden Stellenwert.

Diese Forschung dient v.a. der Entwicklung von Strategien um die Zahl

und Ausprägung neurologischer Komplikationen, mit ihrem erheblichen

Einfluss auf Morbidität und Mortalität, zu vermindern. Die Ergebnisse der

vorliegenden experimentellen Studie belegen den positiven Einfluss einer

erhaltenen Perfusion mit Optimierung des Temperaturmanagements und

des Säure-Basen-Haushalts.

6.1 Einfluss des Perfusionsverfahrens

Die Möglichkeiten zur Entstehung neurologischer Schäden im Rahmen von

Aortenbogenoperationen sind vielfältig, sowohl der zerebrale Blutfluss,

Mikro- und Makroembolien als auch eine durch Verwendung der HLM

erzeugte systemische inflammatorische Reaktion können dazu beitragen

(72). Das Outcome und Ausmaß des Schadens hängt dabei entscheidend

von der präoperativen Ausgangssituation und der postoperativen

hämodynamischen Situation („low-output-syndrome“) ab (15, 31, 70).

Im Rahmen dieser experimentellen Studie war gewährleistet, dass die

kardiovaskuläre Ausgangssituation nur durch das gewählte

Perfusionsverfahren beeinflusst wurde da die Ferkel alle zu Beginn des

Versuches hirn- und herzgesund waren. Das Temperaturmanagement

wurde weitestgehend den Standards der Neugeborenen- und

Kleinkinderherzoperationen angepasst. Die Zieltemperatur für den

hypothermen Kreislaufstillstand betrug 18-20 °C wohingegen in der Low-

Flow-Gruppe eine rektale Temperatur von 24-25 °C angestrebt wurde. Die

so gewählten Temperaturen sind einerseits neuroprotektiv, da der

Zellmetabolismus und der Sauerstoffbedarf des Gehirns sinken (1, 17, 45,

73, 76) und ermöglichen andererseits möglichst kurze Kühl- und

Wiedererwärmungsphasen an der HLM.

Wird eine kontinuierliche hypotherme Low-Flow-Perfusion angewandt, so

ist diese Methode einerseits chirurgisch „unbequemer“, da im Gegensatz

42

zum hypothermen Kreislaufstillstand das Operationsfeld nicht frei von

Kanülen und Blut ist (26), andererseits bietet sie jedoch Vorteile bei

Operationen komplexer Anomalien. Bei schwierigen, komplexen

Aortenbogenkorrekturen wird nicht selten die so genannte “sichere“

Grenze des Kreislaufstillstandes (ca. 45-60 Min.) überschritten, was

bedeutet dass hypoxiebedingte neurologische Komplikationen gehäuft

auftreten (13, 26, 55). Svensson beispielsweise konnte mit seiner

Arbeitsgruppe bei erwachsenen Patienten nachweisen dass sich bei

zerebralen Ischämiezeiten länger als 45 Minuten das Risiko für einen

postoperativen Schlaganfall erhöht und bei Ischämiezeiten länger als 60

Minuten die Mortalität ansteigt (66).

Weitere Vorteile der Low-Flow-Perfusion sind, dass die zentrale

Stoffwechsel- und Kreislaufsteuerung intakt bleibt und somit stabilere

Kreislaufverhältnisse beim Abgang von der HLM erwartet werden können.

Des Weiteren ist der postoperative Bedarf an Katecholaminen geringer

(13), der zerebrale Blutfluss ist verbessert und eine bessere metabolische

Erholung möglich (25). Verfechter des hypothermen Kreislaufstillstandes

betonen dabei aber die deutlich weniger ausgeprägte inflammatorische

Reaktion wenn auf kontinuierlichen Low- Flow- Bypass verzichtet wird (13).

Innerhalb einer Studie der Arbeitsgruppe um Bellinger et al. konnte

allerdings ein eindeutig schlechteres neurologisches Outcome bei Kindern

die aufgrund einer Transposition der grossen Arterien mit dem Verfahren

des hypothermen Kreislaufstillstandes operiert worden sind festgestellt

werden. Intelligenzquotient, kognitive Fähigkeiten und kompletter

neurologischer Status blieben zwar unbeeinflusst, die Kinder hatten jedoch

schlechtere Koordination und Planung, Defizite in Fein-, Grobmotorik und

Sprache sowie Anomalien der Mund- und Gesichtsbewegungen (8).

Nach der Switch-Operation erreichten die Kinder, die mit der Methode der

hypothermen Low-Flow-Perfusion operiert wurden folglich mehr Punkte

des psychomotorischen Entwicklungs-Index der Bayley Scales of Infant

Developments (5, 6, 8, 31, 32, 33) als die Kinder, die im hypothermen

Kreislaufstillstand operiert wurden. Dieser nachhaltig positive Effekt des

Perfusionsverfahrens war auch noch 4 Jahre nach der Operation in den

angewandten neurologischen Tests nachweisbar.

43

Wieder andere Studien konnten ein verbessertes neurologisches Outcome

bei Aneurysma-Patienten belegen (18, 35, 40, 43, 49, 58, 59, 67, 68, 69,

78, 79). Andererseits gibt es jedoch auch Untersuchungen, die zu einem

gegenteiligen Schluss gekommen sind und kein verbessertes Outcome bei

Verwendung einer kontinuierlichen hypothermen Low-Flow-Perfusion

nachweisen konnten (58, 67, 71, 78).

Im Rahmen der beiden verschiedenen Perfusionsmethoden und dem

dazugehörigen Blutgasmanagement, welche in diesem Experiment

untersucht wurden hat vor allem die extrakorporale Zirkulation auf

unterschiedliche Art und Weise auf die verschiedenen Organe und dabei

besonders auf die Gehirne der Versuchstiere Einfluss genommen, worauf

der Schwerpunkt der vorliegenden tierexperimentellen Untersuchung lag.

Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass eine erhaltene Perfusion für die

Tiere der entsprechenden Gruppen auch ein besseres neurologisches

Outcome bedeutete.

6.1.1 Histologie

Auf Sauerstoffmangel reagieren Nervenzellen der subkortikalen Hirnkerne

empfindlicher als Nervenzellen des Kortex oder des Rückenmarks. Die

größte Empfindlichkeit bei Hypoxie weisen die Zellen des Hippocampus

auf (57).

Kommt es zu einem bleibenden Abfall der zerebralen Perfusion, dann wird

zu einer bestimmten Zeit ein kritischer Punkt erreicht an dem der

Energiebedarf zur Erhaltung der funktionellen und strukturellen Integrität

der im Perfusionsareal betroffenen Neuronen nicht mehr gedeckt werden

kann. Die hypoxisch verursachten Schäden an den Neuronen und

Gliazellen können sofort oder aber auch erst nach mehreren Stunden oder

Tagen bemerkbar werden. Die Mechanismen hierfür sind multifaktoriell.

Die pathophysiologische Endstrecke des Zelltodes besteht aus einer

Hyperkalzämie ausgelöst durch erhöhten Ca2+-Einstrom bzw. -Freisetzung

und wird als Ursache für den endgültig eintretenden Zelltod gesehen (1).

Lichtmikroskopisch finden sich in den ischämisch geschädigten Arealen

Ödeme und Zellnekrosen.

44

Bei rechtzeitiger Reperfusion kommt es zunächst zu einer partiellen

Schädigung der Nervenzellen, die Gliazellen bleiben verschont, d.h. es

kommt zu einer selektiven Parenchymnekrose. Dauert die Hypoxie aber zu

lange an werden alle Zelltypen des Gehirns geschädigt und es entsteht

eine Kolliquationsnekrose (2, 57).

Ein Teil der ischämischen Schäden äußert sich normalerweise aber erst in

späteren Phasen nach einer Operation mit Minderperfusion des Gehirns

oder komplettem Kreislaufstillstand und wird somit auch erst später unter

dem Mikroskop sichtbar. Dies wurde in einem Tiermodell von der Gruppe

um H. Abdul-Khaliq festgestellt. Nach 60-minütigem Kreislaufstillstand

konnten zwar diffuse perivaskuläre Ödeme und eine Schwellung der

astrozytären Endfüsse festgestellt werden jedoch keine signifikant

hypoxisch veränderten Neurone (2). Ebenso konnten auch in der

vorliegenden Studie außer im Bereich des entorhinalen Kortex keine

größeren Areale mit hypoxisch geschädigten Zellen entdeckt werden.

Signifikante Unterschiede zwischen den betrachteten Regionen der beiden

Gruppen konnten ebenfalls nicht beobachtet werden. Die Gehirne wurden

jedoch direkt im Anschluss an die Operation entnommen und somit

konnten nur die akuten Schäden unter dem Mikroskop beurteilt werden.

Nicht zu vernachlässigen ist bei der Betrachtung der Schnitte außerdem

der Einfluss des programmierten Zelltodes (Apoptose) der parallel zu allen

anderen Vorgängen abläuft. Die Apoptose äußert sich mikroskopisch

ebenfalls durch Kern- und Zellschrumpfung, Auflösung der Zellorganellen

und Zellkontakte und Bildung von Apoptose-Körperchen. Somit ist eine

exakte Differenzierung von hypoxischem und programmiertem Zell-

untergang histologisch nur schwer möglich (1, 36).

45

6.1.2 Neurologie

Die Wiederkehr der kortikalen SSEP bei allen Tieren der Gruppe 2 belegt

die neuroprotektive Überlegenheit des Low-Flow-Perfusionsverfahrens mit

antegrader Perfusion des Gehirns über den Truncus brachiocephalicus

rechts gegenüber der Methode des tiefen hypothermen Kreislauf-

stillstandes. Das Low-Flow-Verfahren scheint in Folge der erhaltenen,

kontinuierlichen Hirnperfusion eine bessere cerebrale Protektion

garantieren zu können.

Die höhere Perfusionstemperatur scheint dabei für diese Gruppe nicht von

Nachteil zu sein, da während des Aortenbogeneingriffs definitionsgemäß in

Gruppe 2 eine höhere Temperatur (25°C) im Gehirn vorherrschte als in

der Gruppe 1 (20°C). Die homogene Kühlung und gleichmäßige Perfusion

beider Gehirnhälften trotz einseitiger Kanülierung wird in der Low-Flow-

Perfusion über den Circulus arteriosus willisii ermöglicht. Die Temperatur

des Gehirns ist in dieser Phase soweit reduziert, dass zelluläre Aktivitäten

immer noch möglich sind und die Neuronen nicht geschädigt werden und

somit ihre intrazellulären Energiespeicher erhalten bleiben (12, 69). Die

experimentell ermittelte Mindestperfusion zum Erhalt der neuronalen

Integrität beträgt ca. 10 ml/kg/min (12, 58) und wurde in dem vorliegenden

Versuch mit 30 ml/kg/min (30% des Sollflusses) deutlich überschritten. Die

histologischen Untersuchungen der beobachteten Gehirnareale konnten

kein ausgeprägtes Hirnödem feststellen, welches durch eine relative

Hyperperfusion verursacht hätte werden können.

Bereits andere Arbeitsgruppen haben herausgefunden, dass eine

homogene Perfusion beider Gehirnhemisphären vorausgesetzt werden

kann (16, 55, 79). Auch in der vorliegenden Studie gibt es Hinweise dafür

wie z.B. die Flow-Zunahme in der Arteria carotis zum Zeitpunkt t3 auf das

Doppelte im Vergleich zu den Zeitpunkten t2 (vor Aortenabklemmung) und

t4 (Reperfusionsbeginn). Mit der Tatsache dass nur die rechte Arteria

carotis während der kontinuierlichen hypothermen Low-Flow-Perfusion den

cerebralen Blutfluss für eine antegrade Hirnperfusion durchlässt, lässt sich

erklären, dass der messbare Fluss im Gefäß, im Gegensatz zum

Ausgangsfluss fast doppelt so hoch war.

46

Bei Anwendung der Low-Flow-Perfusionsmethode können in Folge der

homogenen und kontinuierlichen Kühlung keine regionalen

Temperaturunterschiede zwischen den perfundierten Regionen entstehen,

da durch die maschinelle hypotherme Perfusion eine absolute

Temperaturgleichverteilung im Gehirn erzielt wird. Würden intracerebral

solche Gradienten entstehen, könnten in den wärmeren Anteilen einzelne

betroffene „Neuroneninseln“ maximal geschädigt werden, was schon in

anderen Studien nachgewiesen wurde (14, 77).

Eine Grundvoraussetzung der homogenen Perfusion und damit Kühlung

ist, dass die zerebrale Autoregulation weitestgehend erhalten bleibt.

Deshalb sind die Regulierung des Perfusionsdrucks und das

Blutgasmanagement von entscheidender Bedeutung.

Die Art und Weise wie die Perfusion durchgeführt wird, ebenso wie die

Temperatur haben einen entscheidenden Einfluss auf das neurologische

Outcome nach extrakorporaler Zirkulation. 1984 konnte Molina in Studien

an Hunden nachweisen, dass sowohl bei hypothermer

Ganzkörperperfusion als auch mit regionaler zerebraler Perfusion bei

identischer Temperatur (18 °C) ähnliche histopathologische Schäden am

Gehirn entstehen wie im hypothermen Kreislaufstillstand bei 18 °C (46).

Eine homogene Kühlung des gesamten Körpers ist wichtig, da rektal

gemessene niedrige Temperaturen nicht immer bedeuten dass alle

Organe die gleiche niedrige Temperatur besitzen und damit optimal

geschützt sind. Deshalb haben die Kühlung sowohl der Körperoberfläche

als auch die Kühlung des Körperkerns mit Hilfe der HLM (31, 33) den

besten Effekt bezüglich der Organprotektion. Dies umzusetzen gestaltet

sich jedoch schwierig da eine Körperoberflächenkühlung mittels Eiswanne

im Operationssaal umständlich ist. Die externe rasche Abkühlung des

Körpers führt außerdem oft zu verfrühtem Kammerflimmern was das

Operationsrisiko noch erhöht (31).

Die Ergebnisse der vorliegenden tierexperimentellen Studie und die oben

bereits erwähnte Studie von Molina et al. belegen, dass histologische

Schäden an Neuronen durch Low-Flow-Perfusion zwar nicht komplett

verhindert aber zumindest in ihrem funktionellen Ausmaß stark reduziert

werden können (13, 49, 69).

47

Weiterhin wurde in diesem Versuch nicht nur der cerebrale Mindestfluss

von 10 ml/kg/min für die Hirnperfusion zur Verfügung gestellt, sondern

sogar mit einem “luxuriösen“ Fluss von 30 ml/kg/min perfundiert um auf

jeden Fall den zerebralen Stoffwechsel zu erhalten. Die theoretisch

überschüssigen 20 ml/kg/min sollten eine somatische Perfusion über

native Kollateralen ermöglichen. Die im Studienprotokoll erarbeitete

Kreislaufsteuerung sicherte die Aufrechterhaltung der zerebralen

Autoregulation und somit waren keine negativen Folgen einer theoretisch

möglichen Hyperperfusion im Gehirn zu befürchten (52).

Die SSEP’s die während des Versuches bei allen Tieren abgeleitet wurden

können nachweisen dass die funktionelle Integrität der Ferkelgehirne,

welche mit dem Low-Flow-Verfahren operiert wurden erhalten blieb, da in

dieser Gruppe bei fast allen Tieren die kortikalen Potentiale zurückkehrten.

Trotz dieses gravierenden Unterschiedes in der postoperativen

Hirnfunktion konnten in den Untersuchungen des Serums auf die Neuro-

Marker S-100 und NSE keine signifikanten Veränderungen zwischen den

Gruppen festgestellt werden. Die einzige Auffälligkeit beider Gruppen

bestand darin, dass die S-100 Werte zum Ende des Versuches etwa auf

das doppelte erhöht blieben wohingegen die NSE-Kurven sogar unter den

Ausgangswert sanken. Da der Ursprung der beiden Marker unterschiedlich

ist, das Protein S-100 stammt aus den Gliazellen und die NSE aus den

Neuronen, kann man dieses Ergebnis dahingehend interpretieren dass in

der vorliegenden Studie hauptsächlich Gliazellen geschädigt wurden und

weniger die Neurone selbst.

Mehrere Studien wiesen bereits auf die Spezifität und den neurologisch

prädiktiven Wert der beiden biochemischen Marker nach herzchirurgischen

Eingriffen hin (22, 30, 60), andere zweifelten jedoch am diagnostischen

Wert aufgrund des möglichen extrazerebralen Ursprungs und

Kontaminationen (1, 3, 39, 63, 64, 67). S-100 kann beispielsweise auch in

Melanozyten, Adipozyten, Chondrozyten und epidermalen

Langerhanszellen nachgewiesen werden, ebenso wie in Muskel-, Herz-

und Nierenzellen (4, 11). Falsch hohe Spiegel können durch Kardiotomie,

Saugen, Verletzungen anderer Gewebe und Autotransfusion verursacht

werden.

48

Abdul-Khaliq schlussfolgerte in einer seiner Studien dass das Protein

S-100 der Astrogliazellen, da es in allen Hirnregionen vorkommt, sich als

Marker globaler als auch fokaler Schäden des Gehirns eignen würde und

die neuronalen Marker wie die neuronenspezifische Enolase dagegen nur

eine untergeordnete Rolle spielen würden da diese aufgrund ihres höheren

Molekulargewichts in nicht messbaren Konzentrationen in die Blutbahn

gelangen würden (1). Der prognostische und diagnostische Wert dieser

beiden Neuro- Marker für das neurologische Outcome bleibt also weiterhin

umstritten.

Im Rahmen einer Contusio cerebri oder anderer neurologischer Traumen,

bzw. Erkrankungen mit Hirnödem als Folge, können beispielsweise

erhöhte Werte der Marker gemessen werden ohne dass man daraus direkt

auf die Ausprägung der tatsächlich entstandenen Schäden schließen kann.

Aufgrund der Höhe der in diesem Versuch gemessenen Werte und der

Tatsache dass die beiden Kurvenverläufe relativ parallel verliefen, kann

man dennoch davon ausgehen dass in beiden Gruppen quantitativ nur

wenig an Hirnsubstanz geschädigt wurde. In einer Studie an

Schlaganfallpatienten wurde allerdings festgestellt, dass die

Veränderungen der Laborwerte analog zu den neurologisch feststellbaren

Symptomen verlaufen. Histopathologische Schäden werden in

experimentellen Untersuchungen meist deutlich nach dem auslösenden

Ereignis unter dem Lichtmikroskop sichtbar. Das Maximum der S-100-

Werte wird erst 2 bis 3 Tage nach einem Schlaganfall erreicht, während

sich die Werte innerhalb der ersten 12 Stunden nach dem Ereignis in

einem weitgehend normalen Bereich bewegen (11). Die Gruppe um

Herrmann legte ein Zeitfenster von 6-30 Stunden nach einer

herzchirurgischen Operation fest in dem NSE und S-100 den höchsten

prognostischen Wert haben (28) und Rosén et al. nehmen an, dass ein

früher Anstieg des S-100 ein reversibles Gehirnödem in Kombination mit

einer Störung der Funktion der Blut-Hirn-Schranke als Ursache hat und

somit erst bleibend hohe oder nach zwei Tagen ansteigende Werte

persistierende Schäden anzeigen können (61). In dem vorliegenden

Experiment wurde aber direkt anschließend an die Operation der Versuch

beendet, daher lassen sich keine Aussagen über den postoperativen

49

Verlauf der Kurven der beiden Neuro-Marker und die damit

zusammenhängenden neuropathologischen Ergebnisse machen.

Deutlich signifikante Unterschiede wies dagegen das NT-pro-BNP

bezogen auf die Körperoberfläche der Tiere auf. Zu den Zeitpunkten t2 und

t4, d.h. gegen Ende der Kühlphase und zu Beginn der Reperfusion wies

die Gruppe im Kreislaufstillstand deutlich höhere Werte auf als die Gruppe

2 der Low-Flow-Tiere. Es ist jedoch nicht klar ob das zu diesen

Zeitpunkten vermehrt gebildete vasoaktive Peptid hauptsächlich zerebraler

oder größtenteils kardialer Herkunft war. Die kardiale Herkunft ist jedoch

wahrscheinlicher da wie oben bereits erwähnt die Neuro-Marker S-100 und

NSE keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Gruppen

nachweisen konnten.

Die Durchführung der Operation hatte in den beiden Hauptgruppen also

unterschiedliche Folgen, was an der Auswertung der SSEP’s deutlich zu

sehen ist, weshalb auch von unterschiedlichen Pathomechanismen der

Schäden ausgegangen werden kann.

Fokale Gehirnschäden im Bereich des Hippocampus, kortikaler und

bulbärer Zentren sind ein entscheidender Nachteil bei Operationen im

hypothermen Kreislaufstillstand und wurden schon in vielen anderen

Studien (31, 36, 38) so wie in diesem Versuch beobachtet. Die Auswertung

der SSEP konnte belegen dass in der Gruppe 1 fokale Schäden an

funktionell wichtigen Stellen entstanden, den Ergebnissen dieser Studie

nach zu urteilen ganz sicher im Bereich des sensorischen Kortex. Andere

Regionen wie z.B. der motorische Kortex wurden im Rahmen dieses

Versuchsprotokolls nicht untersucht, doch auch hier wären, wenn man

vergleichsweise die Studien von Bellinger et al. betrachtet, Schäden zu

erwarten (8).

Nachdem im hypothermen Kreislaufstillstand keine Perfusion des Gehirns

erfolgt stellt die Hypothermie die einzige neuroprotektive Massnahme für

dieses Operationsverfahren dar. Mit Beginn des Kreislaufstillstandes und

dem Ende der hypothermen Perfusion tritt eine transkranielle

Wiedererwärmung durch die Schädelkalotte ein. In der Klinik wird versucht

den Kopf von Außen mit Kühlaggregaten gegen eine Wiedererwärmung

abzuschirmen, was in diesem Experiment ebenfalls durchgeführt wurde.

50

Jedoch erreicht man mit dieser Maßnahme keine Kühlung der tieferen

Regionen sondern nur eine kutane Kühlung, somit kann in den tieferen

Bereichen des Kortex keine protektive Wirkung erzielt werden und es

können für das Gehirn schädliche Temperaturgradienten in Folge der

internen Wiedererwärmung entstehen (14, 20, 36, 38, 77).

Bei den Tieren der Gruppe 2 wird durch die Perfusion des Gehirns eine

homogenere Kühlung erreicht und die dennoch möglichen

Temperaturgradienten bei 25°C fallen kleiner aus als bei 20°C in tiefer

Hypothermie. So fällt die Tatsache dass eine höhere Temperatur mit

geringerem neuroprotektiven Effekt erreicht wird nicht ins Gewicht. Ein

geringer Gehirnschaden kann aber auch bei diesen Tieren nachgewiesen

werden, was die Kurvenverläufe der Neuro-Marker und die histologischen

Ergebnisse belegen. Diese Schäden sind jedoch nicht fokal wie bei

Gruppe 1 lokalisiert sondern quantitativ über das gesamte Gehirn verteilt,

weshalb sich keine funktionellen Schäden nachweisen lassen.

In dem vorliegenden Experiment wurden leider keine radiologischen

bildgebenden Verfahren (z.B. NMR) eingesetzt um die Schäden an den

Gehirnen plastischer darstellen zu können (41), sondern man musste sich

auf die histologischen und serologischen Untersuchungen beschränken.

6.2 Einfluss des Blutgasmanagements

Unter physiologischen Bedingungen ist unumstritten, dass für intrazelluläre

Stoffwechselvorgänge ein pH von 7,40 und eine Körpertemperatur von

37°C optimale Voraussetzungen darstellen (31, 33). Für verschiedene

kinderherzchirurgische Eingriffe ist die Hypothermie als organprotektive

Maßnahme aber eine unabdingbare Voraussetzung im Rahmen der

geplanten Korrektur. Mit der Abkühlung verändern sich der Blut-pH sowie

die Dissoziationskonstante für Sauerstoff und Kohlendioxid, so dass trotz

langjähriger Erfahrung verschiedener Kinderherzchirurgischer Zentren

nicht Einigkeit darüber besteht welches Blutgasmanagement (pH-stat-

Methode oder α-stat-Methode) mehr Vorteile für den Patienten bietet.

Bisher konnten Studien an Erwachsenen einen deutlichen Vorteil des

α-stat Verfahrens das neurologische Outcome betreffend nachweisen

(19, 53). Andere Gruppen berichten von einem Vorteil der pH-stat-Methode

51

für die Präoxygenierung des Gehirns vor Stillstands- oder Low-Flow-

Phasen und somit von einem protektiven Effekt für das Gehirn (7, 13, 19,

34, 56, 57). Was Operationen am Herzen betrifft unterscheiden sich aber

sowohl die Operationstechniken als auch die Mechanismen der

Schädigung des Gehirns bei Erwachsenen und Kindern voneinander (19,

27). Bei Erwachsenen überwiegen Schäden, welche durch

atherosklerotische Emboli oder zerebrovaskuläre Stenosen hervorgerufen

werden. Bei Kindern dagegen ist meist eine globale zerebrale

Hypoperfusion Ursache der neuronalen Schäden (19, 27).

In der Natur existieren beide Versionen des Blutgasmanagements.

Poikilotherme Tiere wie Reptilien lassen eine Alkalisierung ihres Blutes bei

Abkühlung zu und versetzen sich in einen Zustand der respiratorischen

Alkalose die dem α-stat-Verfahren sehr ähnelt. Im Gegensatz dazu

steigern homoiotherme Tiere wie z.B. alle Säugetiere den CO2-Gehalt

ihres Blutes um den pH-Wert im Rahmen einer Abkühlung bei 7,4 zu

halten. Nach dem gleichen Prinzip funktioniert das pH-stat-Management

(27). Die Beobachtungen aus der Natur sind durchaus auf die klinische

Situation in der Kinderherzchirurgie übertragbar.

Reduziert man durch aktive Kühlung im Rahmen einer Operation mit

extrakorporaler Zirkulation die Bluttemperatur, so verändert sich der

neutrale pH in der Zelle auf ca. 7,70 bei 20°C Körperkerntemperatur, da

sich die Dissoziationskonstante des intrazellulären Wassers mit der

Temperatur verändert (12, 56). Der intrazelluläre pH-Anstieg wird dadurch

möglich, dass die Dissoziation der α-Imidazolgruppen des Histidins, das

einen wesentlichen Bestandteil des intrazellulären Puffersystems darstellt,

konstant bleibt. Es kommt also zu einer Verschiebung der CO2-

Bindungskurve bei absinkender Temperatur und somit zu einer

Alkalisierung des intrazellulären Raumes. Auch bei erhöhtem alkalischen

pH sind intrazelluläre Stoffwechselvorgänge möglich jedoch können diese

nur verlangsamt im Zustand der Hypothermie stattfinden.

Dieses Prinzip wird zumeist auch in der Kinderherzchirurgie angewandt um

in Hypothermie Organsysteme vor größeren Schäden zu schützen. Die

praktische Durchführung bedeutet, dass die Blutgase ohne

Temperaturkorrektur bestimmt werden. Man versucht lediglich den pH in

52

seinen physiologischen Grenzen durch Regulation des HLM-Flusses und

Bikarbonat-Zugabe bei Bedarf zu halten (ca. 7,40). Die einfache Art der

praktischen Durchführung, der geringe apparative Aufwand und die

akzeptablen Ergebnisse haben zu einer breiten Anwendung dieses

Verfahrens geführt (31, 33). Da die α-Imidazolgruppe als Puffersystem hier

eine wichtige Rolle spielte wurde dieses Verfahren α-stat-Verfahren

genannt. Der postulierte Nachteil dieser Methode ist jedoch die Tatsache

dass sich der tatsächliche pH-Wert des Blutes in Hypothermie immer im

alkalischen Bereich befindet. Des Weiteren besteht auch eine geringe

metabolische Suppression (27, 48, 54, 56, 57). Die Vorteile des Verfahrens

sind, dass eine Autoregulation erhalten bleibt, die zelluläre Enzymaktivität

optimiert wird und durch einen geringeren zerebralen Blutfluss weniger

Emboli in die zerebrale Zirkulation gelangen (27, 48, 54).

Im Gegensatz hierzu wird beim pH-stat-Verfahren, versucht den

tatsächlichen pH-Wert des Blutes temperaturkorrigiert im physiologischen

Bereich zu halten. Hier werden die Werte also mit einer entsprechenden

Temperaturkorrektur am Blutgasgerät gemessen und je nach Bedarf wird

dem Oxygenator CO2 insuffliert damit sich die Werte nicht zu weit in den

alkalischen Bereich verschieben können. Die Zugabe von CO2 bewirkt im

Vergleich zur α-stat-Methode eine relative Azidose mit Ansäuerung des

Blutes, welche eine verbesserte Sauerstoffabgabe in der Peripherie und

zusätzlich eine Vasodilatation bewirkt. Die Organe werden also in

Hypothermie besser präoxigeniert (7, 31, 32, 33, 34, 56, 57, 62, 75) und

durch die erweiterten Gefäße das Gewebe homogener und schneller

gekühlt. Die Nachteile dieser Methode sind das größere Risiko einer

Mikroembolisation („spontane Mikrobläschenbildung“) sowie durch freie

Radikale mediierte Schäden (27, 48, 54, 56, 57).

Die Wahl des Blutgasmanagements hat auf die verschiedenen

Blutgasparameter unterschiedlich Einfluss genommen. Was die Hb-Werte

bzw. den Hämatokrit betrifft zeigte sich jedoch wenig Abhängigkeit von der

Wahl des Verfahrens, da die Kurven der vier Gruppen sich in ihrem Verlauf

ähnelten.

Die Werte des in der Arteria femoralis gemessenen Sauerstoffpartialdrucks

lassen auf eine gute Sauerstoffversorgung der unteren Körperhälfte

53

schließen, die Werte lagen immer über 100 mmHg so dass auch die

Sauerstoffsättigung immer 100% betrug.

Die zerebral venöse Sättigung, die durch Messungen der

Sauerstoffsättigung im Bulbus der Vena jugularis ermittelt wurde weist in

diesem Versuch bis auf die Zeitpunkte t2 und t3 Normwerte auf, d.h. Werte

im Bereich zwischen 55 und 75%. Werte unter 55% würden für eine im

Verhältnis zum zerebralen Sauerstoffverbrauch inadäquate Perfusion

sprechen. Diese Grenze wurde in diesem Versuch aber in beiden Gruppen

nie unterschritten, so dass nach gängigem Ermessen nie ein

Sauerstoffmangel infolge unzureichender Perfusion bzw. eines zu

niedrigen Sauerstoffangebots vorlag.

Die kontinuierliche Messung normaler Sauerstoffsättigungen im Bulbus

jugularis schließt Hirnschäden allerdings nicht aus. Zum einen sind fokale

Ischämien schwierig zu identifizieren, da die Areale teilweise zu klein sind

um Auswirkung auf die Sauerstoffsättigung zu haben, zum anderen variiert

die Kapillarisierung des Gehirns zum Teil stark. Außerdem können trotz

ischämischer Veränderungen normale Werte gemessen werden wenn es

zu einer Summation von hypo- und hyperischämischen Bereichen oder zu

einer Dislokation des Katheters kommt.

Die Werte des Kohlendioxidpartialdrucks waren stets im erweiterten

Normbereich und bewegten sich (je nach Blutgasmanagement) zwischen

35 und 46 mmHg, womit ein ausgeglichener Säure-Basen-Haushalt

gewährleistet wurde.

Der Verlauf der gemessenen Glukose-Werte dieser Studie spiegelt die

typischen Reaktionen des Organismus auf die Belastung während eines

großen operativen Eingriffes wider. Durch vermehrte Katecholamin-

Ausschüttung und Einsetzen einer inflammatorischen Reaktion kommt es

zu einem Anstieg der Glukosewerte weit über das Niveau diabetischer

Werte. Die Werte können selbst nach dem Ende einer Operation noch

erhöht sein, da im so genannten “Postaggressionsstoffwechsel“ ebenfalls

ein erhöhter Grundumsatz besteht, der mit erhöhter Glukosebereitstellung

einhergeht.

Bei den Laktatwerten gab es im Gegensatz zu den oben genannten

Parametern deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen

54

Verfahren des Blutgasmanagements. Die in diesem Versuch gemessenen

Laktatwerte der mit dem pH-stat-Verfahren perfundierten Tiere, die zum

Zeitpunkt t2 und zum Zeitpunkt t4 am niedrigsten ausfielen, können den

Effekt der verbesserten Präoxygenierung dieses Verfahrens faktisch

belegen. Zumal das zum Zeitpunkt t4 bestimmte Laktat aus dem Bulbus

jugularis das Reperfusionslaktat des Gehirns darstellt. Die zu erwartende

Zunahme des Flusses in der Arteria carotis sowie die homogenere und

schnellere Kühlung konnten jedoch nicht objektiv nachgewiesen werden.

Die Laktatwerte in der Gruppe 1b (DHCA-pH) waren insgesamt am

niedrigsten. Dennoch kann die Methode des hypothermen

Kreislaufstillstands nicht als hundertprozentig neuroprotektiv betrachtet

werden, da bei allen Tieren dieser Gruppe keine Wiederkehr der SSEP zu

beobachten war. Genau umgekehrt verhielt es sich in der Gruppe 2a

(LF-α), die zwar die höchsten Laktatwerte aufwies aber in der dennoch

eine Wiederkehr der kortikalen Potentiale eine ungestörte kortikale

Funktion belegen konnte. Die kontinuierliche Perfusion des Gehirns stellt

folglich, selbst bei „minderwertigem“ pH-Management einen erheblichen

Vorteil dar. Im Bezug auf eine verbesserte Organperfusion und erhaltene

kortikale Funktion stellt sich also die Kombination aus pH-stat-Methode

und Low-Flow-Perfusion als bestes Verfahren heraus.

6.3 Limitation des Projekts und Schlussfolgerungen

Bei diesem Projekt war man stets bemüht die Bedingungen des Versuchs

an die klinische Situation anzupassen. Somit entsprechen die

Versuchsdauer, die Belastung, der operative Zugangsweg und das

Perfusionssystem in etwa denen der Aortenbogenoperationen an

Kleinkindern und Neugeborenen.

Wie bei menschlichen Neugeborenen besteht auch bei Hausschweinen

nach der Geburt eine relative Anämie. An der HLM kommt es zusätzlich

trotz Blutpriming zur Hämodilution was aber ebenfalls der klinischen

Situation entspricht. Wurden Bluttransfusionen nötig wurde Schweineblut

verwendet und nicht humane rhesusnegative Erythrozytenkonzentrationen

der Blutgruppe 0. Xenoreaktive Effekte konnten somit ausgeschlossen

werden.

55

Das endgültige Ausmaß der entstehenden neurologischen Schäden

konnte im Rahmen des Versuches nicht beurteilt werden, da hierfür die

Versuchsdauer ebenso wie die Lebenszeit nach Beendigung der Operation

zu kurz waren. Um eindeutigere Aussagen über das Ausmaß der

neurologischen Schäden machen zu können hätte man die Tiere nach der

Operation intensivmedizinisch nachversorgen und ca. 3-5 Tage

beobachten müssen, was aus logistischen Gegebenheiten der Universität

Erlangen nicht möglich war. Zu erkennen wären die Schäden z.B. an

Gleichgewichtsstörungen und motorischen Bewegungsdefiziten, doch auch

hier ist oft die Schwere der Schäden schwierig zu objektivieren (43, 49).

Es wurden während des Versuches SSEP’s abgeleitet und nach

Beendigung des Versuches 8 Tieren das Gehirn entnommen und

histologisch untersucht, was zu einer relativ objektiven Beurteilung der

Akut- und Frühschädigung des Cerebrums führt.

Die Regenerationsfähigkeit des Gehirns bei menschlichen Neugeborenen

ist besonders gut ausgeprägt was für Eingriffe am Aortenbogen von

besonderer Bedeutung ist. In einer Versuchsreihe von Galli aus der

Arbeitsgruppe um Gaynor et al. aus Philadelphia konnte im MRT bei 50%

aller Neugeborenen bei denen eine Operation durchgeführt wurde

postoperativ eine periventrikuläre Leukomalazie nachgewiesen werden,

besonders nach Operationen mit dem Verfahren des Kreislaufstillstandes

(9, 23, 24, 41, 51). Von diesen Kindern zeigten allerdings nur wenige

neurologische Auffälligkeiten, da dies einerseits aufgrund des Alters

schwer zu beurteilen war und andererseits regenerative Prozesse von

statten gegangen sein können. Eine ergänzende begleitende bildgebende

Untersuchungsmöglichkeit für Versuchstiere lag während der

Studiendurchführung leider noch nicht vor. Auch Bellinger und Jonas et al.

aus Boston konnten bei Kindern acht Jahre nachdem sie im

Kreislaufstillstand operiert wurden keine neurologischen Unterschiede

mehr feststellen, was ebenfalls auf eine gute Regenerationsfähigkeit des

Neugeborenen- und Kleinkindgehirnes unter spezieller Förderung

zurückschliessen lässt, da vier Jahre zuvor dieselben Kinder noch

deutliche Unterschiede aufwiesen (13, 33). Um ein solches Ergebnis zu

erreichen muss für die Betroffenen auch ein hoher finanzieller und

56

personeller Aufwand betrieben werden um entsprechende Massnahmen

wie Sprachtherapie und Krankengymnastik etc. ermöglichen zu können.

Ein unterschiedliches Ausmaß der akuten neuronalen Schädigung durch

die beiden Perfusionsverfahren und ihrer Modifikationen unmittelbar nach

Beendigung des Versuches konnte dargestellt werden. Der chronische

Schaden und das regenerative Potential der Schweinegehirne waren nicht

Gegenstand der vorliegenden Akutstudie.

Trotz dieser Limitationen liefert der vorliegende Versuch also wichtige

Erkenntnisse und Anhaltspunkte im Hinblick auf die Vor- und Nachteile der

unterschiedlichen Perfusionsverfahren und kann als Ausgangspunkt für

weitere Studien in dieser Richtung genutzt werden.

Die Schlussfolgerungen der tierexperimentell ermittelten Ergebnisse haben

Einzug in den klinischen Alltag der Kinderherzchirurgie in Erlangen

gefunden und werden konsequent umgesetzt. Im Rahmen von

Aortenbogenkorrekturen bei Neugeborenen, Kindern und Jugendlichen

wird eine Perfusionsmöglichkeit des Gehirns über den Truncus

brachiocephalicus etabliert. Die angestrebte protektive Temperatur liegt

für diese Operationen bei ca. 25°C, zur Verstärkung des neuroprotektiven

Effekts wird als intraoperatives Blutgasmanagement ein pH-stat-Protokoll

bevorzugt.

57

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68

8. Abkürzungsverzeichnis

ACT Aktivierte Koagulationszeit (activated clotting time)

Art. Arteria

AP Alkalische Phosphatase

APUD Amine and Precursor Uptake and Decarboxylation

BNP B-type Natriuretic Peptid

Ca Kalzium

CO2 Kohlendioxid

CPB Cardiopulmonary Bypass

DHCA Deep Hypothermic Circulatory Arrest

EK Entorhinaler Kortex

EKG Elektrokardiogramm

EKZ Extrakorporale Zirkulation

ELISA Enzyme-linked-Immuno-Sorbent- Assay

HAES Hydroxy-Aethyl-Stärke

Hb Hämoglobin

Hct Hämatokrit

H.E. Hämatoxylin-Eosin

HLM Herz-Lungen-Maschine

IVC Inferior Vena Cava

KÖF Körperoberfläche

LF Low Flow

MRT Magnet-Resonanz-Tomographie

NSE Neuronenspezifische Enolase

NT-pro-BNP N-terminaler inaktiver Vorläufer des BNP

O2 Sauerstoff

OP Operation

PAK Pulmonalarterienkatheter

PVL Periventrikuläre Leukomalazie

SSEP somato-sensorisch evozierte Potentiale

69

9. Danksagung Herrn Prof. Dr. Robert Cesnjevar gilt mein aufrichtiger Dank für die

Überlassung des Themas, die Anleitung und die Unterstützung bei der

Durchführung der Experimente und der Auswertung der Ergebnisse.

Außerdem möchte ich Herrn Dr. Palmars und Frau Dr. Mauser-Weber für die

Durchführung der Narkose und das Monitoring danken. Herrn Dr. Messner

und Herrn Dr. Leuthold gilt mein Dank für die Ableitungen und Auswertung der

SSEP’s, Herrn Prof. Dr. Blümcke und Frau Dr. Hildebrandt für die

Unterstützung bei der histologischen Aufarbeitung sowie Herrn Bretzger und

Herrn Münch aus der Kardiotechnik für die Unterstützung im Versuch.

Ganz besonderer Dank gilt meinen Eltern Ulrike und Dr. med. Wolfgang

Schlude für die Unterstützung meines Studiums und den Rückhalt, den sie mir

auch während der gesamten Zeit meiner Doktorarbeit gegeben haben.

70

10. Tabellarischer Lebenslauf

Persönliche Daten

Name: Schlude Ina- Kristin

Geburtsdaten: 21.01.1982

Anschrift: Krackerstr.2

91710 Gunzenhausen

Telefon: 09831/619771

e-mail: [email protected]

Familienstand: ledig

Staatsangehörigkeit: deutsch

Schulausbildung

09/1988- 07/1992: Stephanie Grundschule Gunzenhausen

09/2001- 06/2001: Simon- Marius- Gymnasium Gunzenhausen

ab 10/2001: Medizinstudium an der Friedrich- Alexander

Universität Erlangen/Nürnberg

Famulaturen

03/2004: Universitätskrankenhaus Innsbruck, Abteilung

der plastischen Chirurgie

08/2004: Universitätsklinik Erlangen, Zentrum für

Herzchirurgie

03/2005: Groote Schuur Hospital Kapstadt, Abteilung

der Herz- und Thoraxchirurgie

09/2005: Charité Berlin, Abteilung der Radiologie

02/2006: Universitätsklinik Erlangen- Nürnberg,

Neurologische Klinik

03/2006: Allgemeinarztpraxis Dr. Wolfgang Schlude

Gunzenhausen

71

Praktisches Jahr

08/2006-12/2006: 1.PJ-Tertial: Zweite Allgemeine Chirurgie,

Sanitätsbetrieb Bozen, Italien,

Lehrkrankenhaus der Universität Verona

12/2006-03/2006: 2.PJ-Tertial: Radiologisches Institut,

Universitätsklinik Erlangen-Nürnberg

03/2007-06/2007: 3.PJ-Tertial: Innere Medizin, Universitätsklinik

Erlangen-Nürnberg, (Medizinische Klinik 3-

Rheumatologie und Immunologie)

2. Abschnitt der ärztlichen Prüfung Oktober bis Dezember 2007

Weiterbildung

02/2008-06/2009: Anstellung als Weiterbildungsassistentin im

Institut für bildgebende Diagnostik und

Therapie Erlangen-Tennenlohe

seit 07/2009: Anstellung als Weiterbildungsassistentin im

Radiologischen Institut der Friedrich-

Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Documents

Leiter: Prof. Dr. med. Robert Cesnjevar - OPUS 4 · This experimental animal study compares two different perfusion techniques in 26 male piglets, regarding their neuro-protective