Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Habil.-Schr., 2005

Frühe entzündliche Vorgänge scheinen eine große Rolle in der Entstehung der globalen Hirnschädigung in der Frühphase nach einer Subarachnoidalblutung (SAB) zu spielen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es den Effekt der anti-inflammatorischen Medikamente Methylprednisolon und Minozyklin auf die Gehirndurchblutung und frühe Hirnschädigung nach SAB zu untersuchen. Hierzu wurde ein randomisiertes und kontrolliertes Tierexperiment durchgeführt. Mit Hilfe des endovaskulären Perforationsmodells wurde bei männlichen Sprague-Dawley-Ratten eine SAB ausgelöst. Den Tieren wurde 30 Minuten nach Auftreten der SAB Methylprednisolon, Minozyklin oder Kochsalzlösung intraperitoneal verabreicht. Sowohl Methylprednisolon als auch Minozyklin verminderten den Anteil Caspase 3 positiver Zellen in immunhistochemischen Färbungen der Hippocampie der Versuchstiere signifikant. In Bezug auf die klinische Untersuchung, den intrakraniellen Druck und die Hirndurchblutung der Ratten ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den Versuchsgruppen. Die Ergebnisse suggerieren, dass Methylprednisolon und Minozyklin den akuten Zellschaden nach SAB reduzieren. Daher könnten sich beide Mittel als geeignet für die Therapie der „Early Brain Injury“ nach SAB erweisen. Weitere Studien zum besseren Verständnis der zugrunde liegenden Wirkmechanismen von Methylprednisolon und Minozyklin auf die Frühphase der SAB sind nötig. / Early inflammatory processes may play an important role in the development of early brain injury (EBI) after subarachnoid hemorrhage (SAH). The aim of this study was to investigate the effect of early treatment with methylprednisolone and minocycline on cerebral perfusion and global braindamage after SAH. We performed a randomized and controlled experiment using male Sprague-Dawley rats. The animals were subjected to SAH using the endovascular filament model. 30 minutes after SAH, they were randomly assigned to receive an intraperitoneal injection of methylprednisolone, minocycline or saline. Treatment with methylprednisolone or minocycline did not result in a significant improvement of cerebral perfusion, intracranial pressure or neurological recovery. Hippocampal damage significantly attenuated in both methylprednisolone and minocycline treated animals. Therefore, early treatment with the anti-inflammatory drugs methylprednisolone or minocycline in the acute phase after SAH has the potential to reduce brain damage and exert a neuroprotective effect.

Seit vielen Jahren werden Glukokortikoide routinemäßig eingesetzt, um Zeichen der inflammatorischen Reaktion nach kardiochirurgischen Eingriffen unter extrakorporaler Zirkulation (EKZ) zu mildern. Glukokortikoide sind jedoch für ihre immunsuppressiven Wirkungen bekannt, und bisher blieben die möglichen Auswirkungen auf immunologische Funktionen weitgehend hypothetisch. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, den Einfluss von Methylprednisolon (MP) und Tirilazad Mesylat (TM), einer antiinflammatorischen Substanz aus der Klasse der Aminosteroide auf immunologische Funktionen nach koronarchirurgischen Eingriffen mit EKZ zu untersuchen. 38 Patienten wurden randomisiert den Behandlungsgruppen Placebo (NaCl 0,9 %, n=13), MP (15 mg/ kg KG, n=12) und TM (10 mg/kg KG, n=13) zugeteilt. Die Verläufe der Plasmakonzentrationen von IL-6 und IL-10, der monozytären HLA-DR Expression und der ex vivo LPS-stimulierten TNF-alpha, IL-1RA, IFN-gamma und IL-12 Sekretion wurden bestimmt. Im Vergleich zu Placebo resultierte die Gabe von MP in geringeren postoperativen Plasmakonzentrationen von IL-6, aber einer deutlichen Erhöhung von IL-10. Die monozytäre HLA-DR Expression nahm postoperativ in allen Gruppen ab mit einer deutlichen Verstärkung durch MP. Die ex vivo stimulierte TNF-alpha Sekretion nahm postoperativ in allen Gruppen deutlich ab, ebenfalls mit einer deutlichen Verstärkung durch MP. Die IL-1RA Sekretion hingegen war zu keinem Zeitpunkt eingeschränkt. Die ex vivo stimulierte IFN-gamma und IL-12 war postoperativ in allen Gruppen stark vermindert ohne Einfluss einer medikamentösen Behandlung. Die Gabe von TM zeigte keinerlei Beeinflussung aller gemessenen Parameter im Vergleich zu Placebo. Nach koronarchirurgischen Eingriffen sind insbesondere monozytäre Funktionen stark eingeschränkt. Diese Suppression wird durch die Gabe von MP verstärkt, während die Gabe von TM nicht in einer zusätzlichen Immunsuppression resultiert. IL-10 scheint eine Schlüsselrolle bei der beobachteten monozytären Funktionseinschränkung einzunehmen. / Glucocorticoids have been routinely applied in cardiac surgery involving cardiopulmonary bypass (CPB) for many years in order to diminish inflammatory stress reactions. On the other hand glucocorticoids are well known for their immunosuppressive effects, and data on the consequences on immune function are scarce. Thus it was the aim of this trial to determine the influence of methylprednisolone (MP) and tirilazad mesylate (TM), an antiinflammatory drug of the class of aminosteroids, on immunological parameters after coronary surgery involving CPB. 38 patients were randomised to receive either placebo (NaCl 0.9 %, n=13), MP (15 mg/kg, n=12) or TM (10 mg/kg, n=13) treatment. Plasma concentrations of IL-6 and IL-10, monocyte surface expression of HLA-DR and the ex vivo endotoxin-stimulated secretion of TNF-alpha, IL-1RA, IFN-gamma und IL-12 were measured. Compared to placebo IL-6 concentrations were lower after MP treatment, whereas IL-10 levels were much higher. The rate of HLA-DR+-monocytes decreased in all groups with a significant aggravation by MP treatment. The ex vivo stimulated TNF-alpha secretion was postoperatively diminished in all groups, with again significantly lower values after MP treatment. IL-1RA secretion was not suppressed at any point. The ex vivo stimulated IFN-gamma and IL-12 secretion was strongly suppressed postoperatively regardless of the treatment. TM treatment resulted in no alterations of any parameter measured. It was demonstrated that especially monocyte functions are depressed after coronary surgery, and that MP treatment results in marked aggravation of this immunosuppression, whereas TM treatment shows no additional immunosuppressive effect. IL-10 seems to play a key role in the observed monocyte functional depression.

Der TRPC5-Ionenkanal gehört zur Familie der transienten Rezeptorpotenzial-Kanäle und wird vorwiegend im Zentralnervensystem exprimiert. Um die Funktionsweise des Kanals besser zu verstehen, wurden in dieser Arbeit im Rahmen eines Wirkstoffscreenings die folgenden Verbindungen als neue Ionenkanalmodulatoren identifiziert und charakterisiert: Mit einer EC50 um 9 μM aktiviert das Glucocorticoid Methylprednisolon den TRPC5-Kanal. Seine, für den Konzentrationsbereich gute TRPC5-Selektivität und die Erfahrung aus jahrzehntelanger Anwendung in der Medizin machen es zu einer vielversprechenden Verbindung. Das Benzothiadiazin-Derivat BTD ist mit einer EC50 von 1,3 μM nach Englerin A derzeit die Verbindung mit der zweithöchsten Potenz. BTD kennzeichnet eine hohe Selektivität und eine ausgeprägte Subtypspezifizität, denn der nächstverwandte TRPC4-Kanal reagiert nicht auf BTD-Stimulation. Gleichzeitig aktiviert BTD sämtliche heteromere Kanalkomplexe mit TRPC5-Beteiligung. In elektrophysiologischen Versuchen an Zellen mit endogener TRPC5-Expression löste eine BTD-Stimulation TRPC5-ähnliche Ströme aus. Durch Struktur-Wirkungsbeziehungen in Verbindung mit den Hits des Primär-screenings wurden Verbindungen mit Adamantan Grundstruktur als weitere TRPC5-Modulatoren identifiziert. Diese zeigen ein bimodales Verhalten, da sie TRPC5-Kanäle in nanomolarer Konzentration aktivieren, in mikromolarer Konzentration jedoch inhibieren können. Dem strukturverwandten Anti-Parkinsonmedikament Amantadin und dem Antidementivum Memantin konnten ebenfalls TRPC5-aktivierende Wirkungen nachgewiesen werden. / TRPC5 belongs to the family of transient receptor potential channels and is predominantly expressed in the central nervous system. A compound screening assay was performed to identify and characterise novel TRPC5 channel modulators. Here, we present methylprednisolon as a TRPC5 channel activator with an EC50 of 9 µM. The compound shows a satisfying selectivity for TRPC5 channels. Due to years of experience in medicinal application, methylprednisolone is an interesting substance. The benzothiadiazine derivative BTD is even more potent, showing an EC50 of 1.3 µM. Thus BTD belongs to the most potent TRPC5 channel activators available. Furthermore, BTD is highly selective for TRPC5 channels. In addition, BTD activates all heteromeric channel complexes containing TRPC5 subunits. Several compounds with adamantine substituents were identified as TRPC5 channel modulators. Among them are channel activators, inhibitors and bimodal modulators, covering a potency range from nanomolar to micromolar concentrations. Interestingly, the neuroactive substances amantadine and memantine were identified as novel TRPC5 channel activators with nanomolar potency.

In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Verfahren untersucht, die eine erfolgreiche Protektion vor hepatischer Ischämie/Reperfusionsschädigung versprachen: ischämische Präkonditionierung (IP) und pharmakologische Konditionierung mit Methylprednisolon (MP). Dabei wurde zunächst das Ausmaß der hepatozellulären Schädigung nach warmer Leberischämie durch Abklemmen der blutzuführenden Gefäße im Ligamentum hepatoduodenale (Pringle-Manöver) analysiert, wobei beide Behandlungsstrategien eine vergleichbar starke Gewebsprotektion erzielten. Nach 70%-iger Leberteilresektion mit Pringle-Manöver war jedoch trotz reduzierter Ischämie/Reperfusionsschädigung die Leberregeneration nach IP-Behandlung nachhaltig eingeschränkt. Im Gegensatz dazu waren die regenerativen Vorgänge nach MP-Behandlung nicht schneller, aber doch mit einer vergleichbaren Kinetik zu unbehandelten, ischämischen Kontrollen abgelaufen. Zusammenfassend gilt, daß sowohl IP- als auch MP-Behandlung die Ischämie/Reperfusionsschädigung deutlich reduzieren. Dies hat jedoch keinen positiven Einfluß auf die nachfolgende Regeneration nach Leberteilresektion mit Pringle-Manöver. / The present study analyses two strategies to protect from hepatic ischemia-reperfusion injury: ischemic preconditioning (IP) and pharmacologic administration of methylprednisolone (MP). First, the extent of hepatocellular damage after warm liver ischemia induced by cross clamping of the hepatic vessels in the hepatoduodenal ligament (Pringle manöver) was analysed demonstrating comparable tissue protection by both treatment modalities. After 70% partial hepatectomy including Pringle manöver however, the hepatocellular regerneration was markedly decreased after IP treatment, despite reduced ischemia-reperfusion injury. Moreover, MP treatment did not improve hepatic regeneration since it showed a comparable timing to untreated, ischemic controls. In conclusion, both IP and MP significantly reduced hepatic ischemia-reperfusion injury. However, no beneficial effects on hepatocellular regeneration after partial hepatectomy including pringle manöver were observed.

Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie (KSTH) wird in der Herzchirurgie zur Korrektur komplexer angeborener Herzfehler angewendet. In den letzten Jahren zeigte sich eine Abnahme der Morbidität und Mortalität nach kardiochirurgischen Eingriffen. Es entstanden aber gleichzeitig Bedenken über eine Beeinträchtigung der neurologischen Funktion und psychomotorischen Entwicklung der operierten Kinder. Wir untersuchten das morphologische Schädigungsmuster im Gehirn nach extrakorporaler Zirkulation mit Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie (KSTH) in einem neonatalen Tiermodell. Zusätzlich evaluierten wir morphologisch den Einfluss einer neuroprotektiven Vorbehandlung mit systemischer und intrathekaler Applikation von Methylprednisolon (MP). Material und Methoden: 24 neugeborenen Ferkeln mit einem Alter unter 1 Woche (Gewicht: 2,1 ± 0,5 kg KG) wurden mittels eines cardiopulmonalen Bypass(CPB) bei 15 °C rektaler Körpertemperatur einem totalen Kreislaufstillstand (KSTH) von 120 Minuten ausgesetzt. Nach Reperfusion wurden die Tiere vom CPB entwöhnt und für 6 Std. überwacht. Eine Gruppe ohne Intervention mit 12 Tieren diente als Kontrollgruppe, bei 7 Tieren wurde eine systemische und bei 5 Tieren eine intrathekale Methylprednisolongabe (Urbason) präoperativ durchgeführt. Das Gehirn wurde nach Fixierung regional histologisch und immunhistochemisch untersucht. Die nekrotischen und apoptotischen Neurone wurden quantitativ in Hippocampus, Kortex, Stammganglien und Kleinhirn erfasst. Molekulargenetische Untersuchungen erfolgten im frontalen Kortex und es wurde die Genexpression mittels "Real-time PCR" für das Hitze-Schock-Protein 70 kD (HSP 70) und die apoptotischen Gene Bak, FAS und Bcl-xL erfasst. Ergebnisse: Das Schädigungsmuster nach KSTH von 120 Minuten bestand aus Nekrose der Neuronen mit einem Fokus in Hippocampus, Kleinhirn und Kortex. Zusätzlich kam es im Gyrus dentatus zum Auftreten apoptotischer Neuronenveränderungen, wobei durch die MP-Vorbehandlung die Anzahl apoptotischer Neurone zunahm. Unter der systemischen Steroidbehandlung kam es zu einer signifikanten Hyperglykämie. Molekulargenetisch zeigten sich bei systemischer Steroidvorbehandlung eine Induktion pro-apoptotischer Gene. Nach intrathekaler Steroidgabe war das Verhältniss zugunsten der anti-apoptotischen Gene signifikant verändert. Die Expression des HSP-70 war nur in der intrathekalen Gruppe signifikant erhöht und scheint im Zusammenhang mit einer geringeren neuronalen Zellschädigung zu stehen. Schlussfolgerung: Eine systemische Vorbehandlung mit MP zeigte keinen neuroprotektiven Effekt, im Gegenteil kam es zu einer Zunahme nekrotischer und apoptotischer neuronaler Zellveränderungen. Bei intrathekaler Applikation des MP und Umgehung der Blut-Hirn-Schranke kam es zu einer signifikanten Reduktion der nekrotischen Zellveränderungen im Sinne einer neuroprotektiven Wirkung. Die routinemäßige Applikation von Steroiden in der Kinderherzchirurgie sollte aufgrund dieser Ergebnisse kritisch überdacht werden. / We evaluated the mode of neuronal cell injury and the possible neuroprotective effect of pretreatment with high dose steroids in a neonatal piglet model with CPB and 120 minutes deep hypothermic circulatory arrest (DHCA). Methods: 24 neonatal piglets (age < 10 days and 2,1 ± 0,5 kg BW) were included in this study. Three groups were formed, one group without any additional pharmacological treatment (n=12) served as control group, two groups with a high dose methylprednisolone (MP) pretreatment, where 30 mg / kg/ BW MP (Urbason) was administered either systemically preoperatively (n=7), or intrathecally 4-6 hours preoperatively (n=5). All animals were anaesthetized, intubated and mechanically ventilated. After median sternotomy the animals were connected to CPB by cannulation of the aorta and right atrium. Full flow CPB (200 ml/kg/min) was initiated to achieve homogeneous systemic cooling. Circulatory arrest for 120 min. was induced when rectal temperature of 15°C was achieved. After rewarmed reperfusion and establishment of stable cardiac ejection the animals were weaned from CPB and monitored for 6-8 hours. Thereafter the animals were sacrificed and the brain was immediately removed, cut in standardized sections and fixated and frozen for further histological and immunohistochemical studies. Neuronal cells were counted in cerebral cortex, basal ganglia, hippocampal region and cerebellum in respect to apoptotic and hypoxic-necrotic neuronal cell changes in each animal. Real-time PCR was performed from frozen brain sections for analysis of expression of heat-shock-protein 70kD (HSP 70), FAS, Bak and Bcl-xl. Results: The main preliminary findings of this neonatal ischemic brain model were the quantitative evaluation of cell injury including perivascular astroglial cells and necrotic and apoptotic neuronal cell changes. The systemic application of high dose methylprednisolone lead only to a slight reduction of edema, but it produced a significant hyperglycemia and aggravation of neuronal necrosis. Intrathecal MP was effective in reducing neuronal necrosis without appearance of hyperglycemia. Application of steroids lead to an induction of neuronal apoptosis in the hippocampus. Increased pro-apoptotic gene expression were detected with steroid pretreatment. Increased expression of HSP 70 may reflect reduction in neuronal cell death. Conclusion: Systemic pretreatment with methylprednisolone seems not to be effective for neuroprotective goal during cardiac surgery with DHCA. In contrast intrathecal steroid treatment could reduce neuronal cell death significant. The pronounced apoptotic neuronal cell changes, which were seen after steroid pretreatment, raises concern with regard to the routine use of methylprednisolone during pediatric cardiac surgery.