Hirnfunktionen toter Schweine mit maschineller Hilfe wiederhergestellt


  • Michael Simm
  • Studien – kurz & knapp
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Kernbotschaft

Isolierte und intakte Gehirne von Schweinen – und vermutlich auch anderen großen Säugetieren, einschließlich des Menschen – verfügen über eine bislang unterschätzte Kapazität zur Restauration der Mikrozirkulation wie auch zellulärer und molekularer Aktivitäten bis zu 4 Stunden nach dem Tod.

Hintergrund

Die Gehirne großer Säugetiere wie des Menschen sind wegen ihres hohen Energiebedarfs sehr anfällig für Sauerstoffmangel und reduzierten Blutfluss. Nach bisheriger Meinung führt dies innerhalb kürzester Zeit zu einem progressiven und weitgehend irreversiblen Hirnschaden. Andererseits gibt es Hinweise aus Tierversuchen und aus der Elektrophysiologie von humanen Hirnschnitten, dass mehrgleisige Interventionen die Schadensprogression nach einem Insult aufhalten könnten.

Design

Entwickelt und getestet wurde sowohl eine Operationstechnik als auch ein Perfusionssystem zur Unterstützung des Gehirngewebes (BrainEx) mit dem Ziel, den Zusammenbruch der Funktionen nach dem Tod bei normaler Körpertemperatur über mehrere Stunden aufzuhalten. Erprobt wurde es 4 Stunden post mortem an 32 Ex-Cranio Gehirnen von 6 bis 8 Monate alten, dekapitierten Schweinen aus einer US-amerikanischen Schlachterei, nachdem die Tiere für die Lebensmittelproduktion geopfert worden waren.   

Das Perfusionssystem, bestehend unter anderem aus mehreren Pumpen, Sensoren, Hämodiafiltration, Pulsgenerator und Temperaturregelung, wurde für einen Blutdruck zwischen 20 und 140 mm Hg und einen Puls von 40 – 180 Schläge / Minute ausgelegt. Die Gehirne wurden operativ an die Karotisarterien angeschlossen und ruhten in einer Kammer, wo sie gleichzeitig per Ultraschall überwacht wurden.

Die Perfusionsflüssigkeit wurde ebenfalls speziell für diese Versuchsreihe entwickelt. Sie wird als Hämoglobin-basiert, a-zellulär, nicht-koagulierend, echogen und zytoprotektiv beschrieben.

Die Gehirne wurden 4 Stunden post-mortem an BrainEx angeschlossen, die ex-vivo Zirkulation von da an 6 Stunden aufrechterhalten. Als Kontrollen dienten 1. eine Gruppe mit einer isotonischen Lösung als Kontroll-Perfusat, 2. nicht durchspülte Hirne nach 10 Stunden bei Raumtemperatur sowie 3. Nach einer Stunde durchspülte Gehirne, als Repräsentation für die derzeit schnellstmöglichen Techniken zur Gewebebearbeitung.

Hauptergebnisse

  • Die Forscher beobachteten 4 Phasen des Gewebezerfalls. Die Perfusion konnte maximal 6 Stunden aufrechterhalten werden, bis der Fluss verebbte und schwere Gewebeschäden / Ödeme auftraten.
  • Bis dahin zeigten angeschlossene Gehirne und solche aus Gruppe 2 ein robustes Hämoglobinsignal in allen Blutgefäßen. Das Signal bei den Kontrollen war vernachlässigbar.
  • Die Vaskulatur blieb pharmakologisch responsiv, was durch erhöhten Blutfluss nach einer Bolus-Gabe von Nimodipin gezeigt wurde, die zu einer deutlichen Zunahme der Flussgeschwindigkeit führte.
  • Die anatomische Integrität – gemessen z. B. am Kontrast zwischen grauer und weißer Substanz im MRI - war vergleichbar der von in-vivo Gehirnen und anders als bei den Kontrollen gab es keine größeren pathologischen Veränderungen.
  • Die Zytoarchitektur in für Anoxie und Ischämie besonders anfälligen Hirnregionen wie dem Hippocampus, Neokortex und Zerebellum war in Gehirnen, die an BrainEx angeschlossen waren, nach 10 Stunden ähnlich gut wie für Gruppe 3 nach 1 Stunde. Ähnliches galt für Feinstrukturen wie die Myelinschicht, die Morphologie spezifischer Nervenzellpopulationen und für die per Patch-Clamp-Technik verifizierten elektrophysiologischen Eigenschaften von Pyramidenzellen in Schnitt-Kulturen.

Klinische Bedeutung

Die Entwicklung eines Support-Systems, das Schweinhirne nach dem Tod der Tiere über mehrere Stunden hinweg vor dem Verfall schützen kann, darf als wissenschaftliche Sensation gelten, der viele Schlagzeilen gewiss sein dürften. Wegen der sehr ähnlichen Größe und Physiologie dürfte das hier Demonstrierte nämlich prinzipiell auch bei menschlichen Gehirnen möglich sein. Die Forscher betonen zwar, dass auch mit dem BrainEx-System eine Wiederherstellung höherer Hirnfunktionen nicht möglich ist, und dass diese neue Technologie zunächst einmal Untersuchungen ermöglichen könnte, die mit herkömmlichen Präparaten nicht möglich sind. Gleichzeitig kommt man mit dieser Forschung aber auch Interventionen näher, die helfen könnten, verlorene Hirnfunktionen nach längerem Sauerstoffmangel wiederherzustellen – etwa nach einem Herzinfarkt oder bei Ertrunkenen. Dass solch ein Verfahren auch ethische Fragen aufwirft, ist den Forschern nicht entgangenen, und wird in der Fachzeitschrift Nature gleich in zwei begleitenden Artikeln ausführlich diskutiert.

Finanzierung: National Institutes of Health, Yale School of Medicine.