Following traumatic brain injury (TBI), the hippocampus is particularly vulnerable to damage, and BDNF, an endogenous neurotrophin that activates the TrkB receptor, has been shown to play a key role in the brain’s neuroprotective response. Activation of the TrkB signaling pathway by BDNF in the CNS promotes cell survival and aids in cell growth. However, due to its inability to cross the blood brain barrier (BBB), the therapeutic advantages of BDNF treatment following TBI are limited. 7,8-Dihydroxyflavone (7,8-DHF) is a flavonoid that mimics the effects of BDNF, is a potent TrkB receptor agonist, and can successfully cross the BBB. Our lab has previously demonstrated that administration of 7,8-DHF post-TBI results in improved cognitive functional recovery, increased neuronal survival, and reduced lesion volume. The current study examined the effects of 7,8-DHF on neurogenesis and neuronal migration in the dentate gyrus following TBI. In this study, adult male Sprague-Dawley rats were subjected to moderate controlled cortical impact injury (CCI) or sham surgery. Injured animals received 5 daily single doses of 7,8-DHF treatment (i.p) or vehicle starting either 60 mins after injury or 2 days after injury. BrdU was administered in 3 doses at 2 days post-injury for animals sacrificed at day 15, and single daily doses at days 1-7 post-injury for animals sacrificed at day 28 to label cell proliferation. Animals were sacrificed at 15 days or 28 days post-injury to examine cell proliferation, generation of new neurons, and differentiation of newly generated cells using proliferation marker Ki67, immature neuronal marker DCX, and BrdU double-labeling with markers for mature neurons (NeuN), astrocytes (GFAP) and microglia (Iba1). We found that administration of 5 doses (5mg/kg) of 7,8-DHF beginning two days post-injury had the strongest effect on neurogenesis and migration, but did not have a significant prolonged effect on cell proliferation at 15 days post-injury. We also found that 7,8-DHF treatment given early or 2 days post-TBI did not affect the neuronal differentiation in the granule cell layer. However, a higher percentage of BrdU/GFAP+ and BrdU/IBa1+ cells were found in the hilus regions in 7,8-DHF treated animals, suggesting newly generated cells in this region are mostly glial cell types. Our results suggest that 7,8-DHF has neurotrophic-like therapeutic effects following injury, and due to increased neurogenesis (compared to injured animals treated with vehicle), may effectively contribute to greater cell survival long-term. Additionally, potential long-term survival coupled with increased outward migration from the subgranular zone may result in increased integration of newly formed neurons into existing hippocampal circuitry, further contributing to cognitive recovery.

Das posttraumatische Hirnödem trägt zur erhöhten Morbidität und Mortalität Schädel-Hirn-traumatisierter Patienten bei. Das vasodilatierende Bradykinin führt als ein Bestandteil des Kallikrein-Kinin-Systems über Bradykinin-2 (B2)-Rezeptoren zu einer Öffnung der Blut-Hirn-Schranke und trägt damit zur Entstehung und Aufrechterhaltung des vasogenen bzw. zytotoxischen Hirnödems bei. Eine selektive Hemmung der B2-Rezeptoren konnte bereits die Ausbreitung des posttraumatischen vasogenen Hirnödems erfolgreich vermindern. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde zunächst die Entwicklung des vasogenen Hirnödems, der hemisphäralen Schwellung und der Integrität der Blut-Hirn-Schranke im zeitlichen Verlauf bis 7 Tage nach Controlled Cortical Impact Injury (CCII) an Ratten anhand T2- und T1-gewichteter MRT-Bildgebung charakterisiert. Im zweiten Teil wurde eine mögliche therapeutische Wirkung des spezifischen B2-Antagonisten LF 16.0687 Ms auf das posttraumatische Ödem und der Blut-Hirn-Schrankenöffnung durch Anwendung von MRT- und gravimetrischer Methoden untersucht. In den T2-gewichteten Sequenzen kam es innerhalb von 90 Minuten nach CCII zum prozentual stärksten Anstieg der hemisphäralen Schwellung, ein Maximum lag zwischen 24 und 48 Stunden vor gefolgt von einer Abnahme bis 7 Tage danach. T1-gewichtete Aufnahmen zeigten ein durch die Extravasation von Gadolinium-DTPA erzeugtes Maximum der Kontrastverstärkung innerhalb des Läsionszentrums bereits 6 Stunden nach CCII, während die Kontrastverstärkung in der Ödemperipherie erst nach 48 Stunden Maximalwerte erreichte. Bei einer frühzeitigen Gabe des Kontrastmittels 90 Minuten nach CCII kam es im Verlauf zu einer signifikant höheren Kontrastverstärkung innerhalb der traumatisierten Hemisphäre, vermutlich durch eine Retention des extravasierten Kontrastmittels. Dies könnte für eine frühe Restitution der Blut-Hirn-Schranken Integrität innerhalb der Kontusion sprechen, während der Verschluß perikontusionell erst später erfolgt. LF 16.0687 Ms führte bei frühzeitiger Gabe nach CCII zu einer signifikanten Reduktion der gravimetrisch bestimmten posttraumatischen hemisphäralen Schwellung um 27%. Hierbei korrelierte die im MRT ermittelte hemisphärale Schwellung signifkant mit den gravimetrisch gemessenen Werten. / Posttraumatic brain edema contributes to a higher morbidity and mortality in severe head-injured patients. Vasodilatating bradykinin, part of the kallikrein-kinin-system, mediates over bradykinin 2 (B2) receptors an blood-brain-barrier (BBB) disfunction and causes the formation and maintenance of vasogenic and cytotoxic brain edema. A selective blocking of the B2 receptors has been shown to successfully reduce brain edema formation. One objective of this study was to analize the development of vasogenic brain edema, lesion-size, hemispheric swelling and BBB-integrity after controlled cortical impact injury (CCII) in rats over a period of 7 days using magnetic resonance imaging (MRI) techniques (T2- and T1-weighted MRI, Gadolinium-DTPA (Gd-DTPA)). The other purpose was to investigate the protective effect of the novel nonpeptide B2 receptor antagonist LF 16-0687 Ms on posttraumatic edema and BBB-opening using MRI- and gravimetric methods. T2-weighted imaging showed the highest percentual increase of hemispheric swelling during the first 90 minutes after CCII, a maximum between 24 and 48 hours after CCII and and a decrease after 7 days. T1-weighted imaging revealed a maximum of contrast enhancement caused by extravasation of Gd-DTPA in the lesion-center 6 hours after CCII, while contrast enhancement in the lesion periphery reached its maximum at 48 hours.After an early administration of Gd-DTPA (90 minutes after CCII) contrast enhancement in the traumatized hemisphere was significantly higher compared to the non-traumatized hemisphere. This could be explained by a retention of Gd-DTPA caused by an early closure of the BBB in the lesion-center, while BBB-integrity in the lesion-periphery re-establishes later. The novel nonpeptide B2 receptor antagonist LF 16-0687Ms significantly reduced brain swelling by 27% after single administration measured by gravimetric wet-dry-weighting. Gravimetric and T2-weighted MRI-measurements of hemispheric swelling correlated significantly.

Die Höhe des optimalen zerebralen Perfusionsdruckes nach schwerem Schädel-Hirn-Trauma wird kontrovers diskutiert. Während im sogenannten Lund-Konzept ein niedriger Perfusionsdruck angestrebt und die Gabe von Katecholaminen aufgrund potentieller zerebraler vasokonstringierender und weiterer Nebeneffekte vermieden wird, befürwortet das CPP-Konzept nach Rosner eine Anhebung des zerebralen Perfusionsdruckes, wenn notwendig unter intravenöser Gabe von Katecholaminen. Vor diesem Hintergrund galt es, in einem experimentellen Schädel-Hirn-Trauma- Modell der Ratte (Controlled Cortical Impact Injury) den Bereich des optimalen zerebralen Perfusionsdruckes nach traumatischer Hirnkontusion zu ermitteln und den Effekt von Katecholaminen auf den posttraumatischen zerebralen Blutfluss und die Entwicklung des sekundären Hirnschadens zu untersuchen. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: In der Akutphase nach Hirnkontusion liegt der Bereich des zerebralen Perfusionsdruckes, welcher die Entwicklung des Kontusionsvolumens nicht beeinflusst, zwischen 70 und 105 mm Hg. Eine Senkung des Perfusionsdruckes unterhalb bzw. Anhebung oberhalb dieser Schwellenwerte vergrößert das Kontusionsvolumen. Die Anhebung des Blutdruckes mittels intravenöser Infusion von Dopamin oder Noradrenalin führt sowohl in der Frühphase als auch in der Spätphase nach Trauma (4 Stunden bzw. 24 Stunden nach kortikaler Kontusion) zu einem signifikanten Anstieg im kortikalen perikontusionellen Blutfluss und in der Hirngewebe-Oxygenierung. Die durch Anhebung des zerebralen Perfusionsdruckes auf über 70 mm Hg induzierte Verbesserung des posttraumatischen zerebralen Blutflusses bewirkte jedoch keine Reduzierung der Hirnschwellung. Für eine Katecholamin-induzierte zerebrale Vasokonstriktion nach kortikaler Kontusion gibt es keinen Anhalt. Um die Entwicklung des sekundären Hirnschadens nach kortikaler Kontusion zu minimieren, sollte der zerebrale Perfusionsdruck nach traumatischem Hirnschaden nicht unterhalb 70 mm Hg liegen. Eine Anhebung des Perfusionsdruckes auf über 70 mm Hg erscheint nicht notwendig oder vorteilhaft zu sein. Wenn notwendig, kann sowohl in der Früh- als auch Spätphase nach Trauma der zerebrale Perfusionsdruck mittels intravenöser Gabe von Katecholaminen angehoben werden. / The optimum cerebral perfusion pressure after severe traumatic brain injury remains to be controversial. In the Lund concept a relatively low cerebral perfusion pressure is preferred, and administration of catecholamines is avoided due to potential catecholamine-mediated cerebral vasoconstriction and other side effects. In contrast, the CPP concept of Rosner recommends elevation of cerebral perfusion pressure, if needed by intravenous administration of catecholamines. Based on this, in an experimental model of traumatic brain injury of the rat (Controlled Cortical Impact Injury) the optimum range of cerebral perfusion pressure after traumatic brain contusion and the effects of catecholamines on posttraumatic cerebral perfusion and development of secondary brain injury were investigated. The most significant results can be summarized as follows: In the acute phase after brain contusion the range of cerebral perfusion pressure that does not affect the development of posttraumatic contusion volume was found to be between 70 and 105 mm Hg. Reduction of the cerebral perfusion pressure below or elevation above these thresholds increases contusion volume. Elevation of blood pressure by intravenous infusion of dopamine or norepinephrine during the early (4 hours) as well as late (24 hours) phase after trauma results in a significant increase in pericontusional blood flow and brain tissue oxygenation. The increase in cerebral blood flow by elevating cerebral perfusion pressure above 70 mm Hg did not decrease cerebral edema formation. There was no evidence of a catecholamine-induced cerebral vasoconstriction after cortical contusion. In order to minimize secondary brain injury after cortical contusion, cerebral perfusion pressure should not fall bellow 70 mm Hg. However, a further active elevation of cerebral perfusion pressure does not appear necessary or beneficial. If needed cerebral perfusion pressure can be elevated by administration of catecholamines in the early as well late phase after trauma.

Fragestellung: Ein neues Modell der kortikalen Kontusion (Controlled Cortical Impact Injury, CCII) soll in der vorliegenden Arbeit für den Einsatz von Therapiestudien evaluiert werden. Material und Methoden: Bei 89 Sprague Dawley Ratten wurden eine links parieto-temporale Kontusion appliziert. 23 Stunden nach Trauma erfolgte eine neurologische Untersuchung. Die Gehirne wurden 24 Stunden nach Trauma entnommen. Das posttraumatische Hirnödem wurde gravimetrisch anhand des Wassergehalts und der Hemisphärenschwellung bestimmt. Das Kontusionsvolumen wurde mittels TTC-Färbung planimetrisch gemessen. Die Extravasation von Evans blue wurde spektralfotometrisch quantifiziert. Die histologische Charakterisierung erfolgte anhand der Hämatoxylin/Eosin-Färbung, Bielschowsky-Färbung und Evans blue Fluoreszenzmikroskopie. In einer repräsentativen Therapiestudie mit einem 5-Hydroxytryptamin1A-Agonisten (Bay X 3702) wurden 24 Stunden nach Trauma vergleichend das Kontusionsvolumen, der Wassergehalt und die Hemisphärenschwellung bestimmt. Ergebnisse: Neurologisch zeigten sich Einschränkungen in der Spontanaktivität und der Balancierfähigkeit nach Trauma. Der posttraumatische Wassergehalt war in der traumatisierten Hemisphäre (82,5 ± 0,12%) gegenüber der Kontralateralen (79,98 ± 0,07%) signifikant erhöht. Die posttraumatische Hemisphärenschwellung lag bei 14,3 ± 1,2%. In der traumatisierten Hemisphäre zeigte sich eine signifikant höhere Evans blue Extravasation (47,28 ± 11,8 ng/mg TG). Das Kontusionsvolumen wurde mit 58,9 ± 9,1 cmm bestimmt. Histologisch zeigte sich eine kortikale hämorrhagische Nekrose. Der axonalen Schaden war auf das perikontusionelle Gewebe beschränkt. Evans blue zeigte sich perikontusionell im Intra- und Extrazellulärraum. In der Therapiestudie mit Bay X 3702 zeigten der Wassergehalt und die Hemisphärenschwellung keine signifikanten Unterschiede in den Versuchsgruppen. Im Gegensatz zu neuroprotektiven Eigenschaften in Modellen der zerebralen Ischämie war das Kontusionsvolumen nach Bay X 3702 Gabe mit 126 ± 21,8 cmm signifikant größer als in der Plazebo-Gruppe (58.6 ± 7.5 cmm). Es wurde eine signifikante Abnahme des arteriellen Blutdrucks bis 30 Minuten nach Injektion der Substanz gemessen. Die Abnahme des mittleren Blutdrucks und die Zunahme des Kontusionsvolumens korrelierte signifikant. Schlußfolgerung: Das CCII imitiert wichtige Aspekte des menschlichen Schädel-Hirn-Traumas. Der posttraumatische Schaden ist reproduzierbar und quantifizierbar. Trotz fehlendem Nachweis eines neuroprotektiven Effekts in der durchgeführten Therapiestudie konnte gezeigt werden, daß das CCII als Modell der fokalen Kontusion für Therapiestudien geeignet ist. / Objective: A new model of focal contusion (Controlled Cortical Impact Injury, CCII) should be evaluated to proof potential neuroprotective drug effects on posttraumatic alterations. Materials and Methods: In 86 Sprague Dawley rats a left temporo-parietal contusion was applied. 23 h following CCII rats were examined neurologically. In all animals brains were removed 24 hours after contusion. Posttraumatic hemispheric swelling and water content were determined gravimetrically. Using the triphenyltetrazoliumchloride (TTC) staining contusion volume was measured planimetrically. Extravasation of Evans blue was quantified sepctrophotometrically. For histological characterization hematoxylin/eosin staining, Bielschowsky staining and Evans blue fluorescence microscopy was used. In a representative study the potential neuroprotective effect of a 5-hydrxoytryptamine1A receptor agonist (Bay X 3702) on contusion volume and brain edema following CCII was determined. Results: Neurological examination showed deficits in motility and beam balance task, respectively. Posttraumatic hemispheric water content increased significantly after contusion (82.5 ± 0.12%) versus contralateral hemisphere (79.8 ± 0.08%). Posttraumatic swelling was 14.3 ± 1.2%. Spectrophotometrically, concentration of extravasated Evans Blue was 47.3 ± 11.8 ng/mg dry weight. Contusion volume was 58.9 ± 9.1 cmm. Histologically, a hemorrhagic necrosis was observed following CCII. Axonal injury was found in pericontusional area, only. Evans Blue was detected pericontsionally in the ipsilateral extra- and intracellular space. Bay X 3702 had no significant effect on posttraumatic hemispheric swelling and water content. In contrast to neuroprotective effect, shown following focal and global ischemia Bay X 3702 administration resulted in significant increase of contusion volume to 126 ± 21.8 cmm, versus placebo group (58.6 ± 7.5 cmm) following CCII. MABP showed significant decreased values after injection of Bay X 3702 up to 30 Minutes following trauma. A significant correlation could be shown between decrease of MABP and increase of contusion volume. Conclusion: The Controlled Cortical Impact Injury represents important aspects of human focal traumatic brain injury. The posttraumatic lesion is reproduceable and quantifiable. Although a neuroprotective effect of the 5-hydroxytryptamine1A agonist could not be verified, effects of potential neuroprotective agents can accurately be proved in this model.