Ein Tropfen zeigt mehr als tausend Bilder – Mikrodialyse
als Ergänzung zu bildgebenden Verfahren in der Gehirndiagnose

head x-ray

Beim AIC2014 in Linz stellten zwei Innsbrucker Mediziner Möglichkeiten der Verwendung der Mikrodialyse im klinischen Alltag einer Neurologischen Intensivstation vor.

Hier eine kurze geschichtliche Darstellung dieser aus der naturwissenschaftlichen Forschung kommenden und heute in den medizinischen Alltag integrierten Methode.

Im Jahre 1961 wird Stalin aus dem Lenin-Mausoleum entfernt und Juri Gagarin ist der erste Mensch im Weltall. Marshall Nierenberg arbeitet mit Heinrich Matthaei am Poly-U-Experiment – beide werden bereits zur Jahresmitte das Basentriplett UUU (das für die Aminosäure Phenylalanin steht) als erste identifizierte genetische Codierungseinheit definieren.
Die Welt will Großes erkunden und Kleines entdecken. Man möchte das Gehirn verstehen – etwas, das mit dem vorangegangen Satz recht passabel zusammengefasst wird. So beschreibt John Henry Gaddum im Journal of Physiology ein neues Verfahren mit der „push-pull cannulae“, die dem lebenden Versuchstier in das Gehirn eingebracht wird und dem Studium von Neurotransmittern dient. Bei dieser Form der Elektrode wird durch eine Kanüle Flüssigkeit in das zu untersuchende Gewebe eingebracht (push) und von einer zweiten Kanüle hernach abgesaugt (pull). Doch die Wissenschafter wollen noch weit mehr – über Dialyse sollen verschiedenste Stoffe im Gehirn analysiert werden und es erscheint nur fünf Jahre später „The concentration of free amino acids and other electrolytes in cerebrospinal fluid: in vivo dialysis of brain and blood plasma of the dog.“ der Autoren Bito, Davson, Levin, Murray und Snider. Der Beginn der Mikrodialyse – wenn auch noch in einer ziemlich groben, invasiven Form, indem den Versuchshunden ein Dialyse-Säcken in das Großhirnparenchym implantiert wird, welches für länger als zwei Monate dort verbleibt bis man es wieder operativ entfernt. Sein Inhalt wird auf vorhandene Aminosäuren hin untersucht.

Das Prinzip der Dialyse selbst ist einfach:
Während des Prozesses diffundieren passiv Moleküle durch eine semipermeable Membran (= „halbdurchlässige“ Membran – d.h. durch eine spezifische Beschränkung der Porenweite können nur Stoffe mit einem bestimmten Durchmesser durch die Membran gelangen) mittels Gradienten, also vom Ort der hohen Konzentration zu jenem der niedrigen bis sich ein Equilibrium einstellt.

Es bedarf noch mehr als ein Jahrzehnt der Verbesserung bis in vivo Analysen des interstitiellen Gewebes zum ersten Mal im Menschen durchgeführt werden können und das Verfahren minimal-invasiven Charakter erhält (in der heutigen Form besteht die Mikrodialyse als Katheter mit einer feinen, doppellumigen Sonde, deren Ende eine Dialysemembran darstellt). Den nächsten Schritt in diese Richtung gehen Delgado, DeFeudis, Roth, Ryugo und Mitruka mit ihrer Forschung bereits bis zum Jahre 1972. Sie publizieren: „Dialytrode for long term intracerebral perfusion in awake monkeys.“ Die „Dialytrode“ kombiniert das Dialyseprinzip mit der push-pull-Elektrode, welche selbst wiederum von Myers (ebenfalls 1972) eine Weiterentwicklung erfährt. Sie erreichen damit, dass die durch Dialyse gewonnenen Substanzen kontinuierlich vom Experimentator entnommen werden können.
Zwei Jahre später präsentieren Ungerstedt und Pycock Ergebnisse zur Dopamin Neurotransmission in Ratten-Gehirnen, die sie mithilfe einer Verbesserung der Dialytrode gewonnen haben. Die Oberfläche der Dialyse-Membran wurde vergrößert, wodurch eine höhere Effizienz der Probengewinnung erreicht werden kann. Die Idee zur laufenden Fortentwicklung der Technik in den nächsten 20 Jahren entsteht während einer Untersuchung eines Querschnitts eines Blutgefäßes, das sich zwischen fluoreszierenden Nervenendigungen befindet. Ungerstedt kreiert eine „hollow dialysis fiber“ (das ist eine tubuläre semipermeable Membran mit einem Durchmesser von 200 – 300 µm, die stetig von einer physiologischen Lösung mit einer Flussgeschwindigkeit von 0,1 – 5 µL/min durchspült wird – abhängig von der Zusammensetzung dieser Flüssigkeit (Konzentrationsgradienten) können Moleküle aus dem als auch in das Gewebe transportiert werden) als eine Art „artificial blood capillary“ um biochemische Abläufe im Gewebe beobachten zu können. Die moderne Mikrodialyse ist geschaffen. Der Mediziner Urban Ungerstedt vom Karolinska-Institut in Stockholm und seine Kollegen werden bis zur Mitte der 1980er Jahre mit ihren weiteren Veröffentlichungen entscheidend zum weltweiten Bekanntheitsgrad der Mikrodialyse beitragen. 1984 präsentiert Ungerstedt die „needle probe“ – eine Sonde, die so einfach zu handhaben ist wie eine Injektionsnadel.
Zur gleichen Zeit arbeiten Hamberger, Berthold, Karlsson, Lehmann und Nyström an der Mikrodialyse im Gehirn von Hasen. In ihrer 1983 dazu veröffentlichten Arbeit „Extracellular GABA, glutamate and glutamine in vivo perfusion-dialysis of the rabbit hippocampus.” liefern sie weitere bedeutende Verbesserungen in der Anwendung der zerebralen Mikrodialyse.
Die Mikrodialyse ist nun bereits für jedes Gewebe einsetzbar, sogar am schlagenden Herzen.

1987 ist es dann soweit – erstmals findet beim Menschen eine Anwendung statt. Wiederum sind es schwedische Forscher, die für einen bedeutsamen Entwicklungsschritt dieser Methodik verantwortlich zeichnen. Peter Lönnroth und seine Kollegen Per-Anders Jansson und Ulf Smith vom Sahlgren‘s Hospital in Göteborg beginnen ihre im August 1987 im American Journal of Physiology veröffentlichte Studie mit folgendem Satz: „To evaluate the usefulness of the tissue-microdialysis technique in humans, the glucose concentration in the intercellular water space was measured in the abdominal subcutaneous region in healthy subjects.“ und beenden ihre Veröffentlichung, indem sie schlussfolgern: „In summary, the microdialysis method appears to be a most useful tool for measuring the intercellular concentrations of different substances in humans. Provided that the true recovery of every compound is adequately measured as described in this paper the method offers a unique approach to study ongoing metabolic events at the cellular level in vivo.“ (Beide Zitate aus: Lönnroth P, Jansson PA, Smith U. A microdialysis method allowing characterization of intercellular water space in humans. Am J Physiol. 1987 Aug;253(2 Pt 1):E228-31.)
Derzeit wird die Mikrodialyse-Technik im Bereich der Haut zumeist in der Erforschung der Hautpenetration von Medikamenten, deren dermalem Metabolismus, Stoffwechselvorgängen sowie der Freisetzung von Mediatoren bei Entzündungen und Mikrotraumen eingesetzt.

Von der Anwendung im perumbilikalen subkutanen Gewebe bis zu jener im frontalen Cortex dauert es allerdings noch bis ins Jahr 1992 als zwei Ärzte der Neurochirurigie und Klinischen Chemie des Universitätsspitals in Uppsala, Lennart Persson und Lars Hillered, die Mikrodialyse verwenden um neurochemisch das Gehirn von Neurointensiv-Patienten zu überwachen. Ihre Daten publizierten sie unter dem Titel „Chemical monitoring of neurosurgical intensive care patients using intracerebral microdialysis“. Darin beschreiben Persson und Hillered wie sie versuchten, eine Methode zu finden um routinemäßige den Gehirn-Energiestoffwechsel zu überwachen und die daraus erhaltenen Daten mit anderen klinischen Faktoren (wie intrakranielle Hypertension, oder die Gabe bzw. das Absetzen von Barbituraten als auch eine Liquordrainage) in Zusammenhang zu bringen. Der Studie zugrunde lagen Daten von vier Patienten (wovon drei schwere Kopfverletzungen aufwiesen und einer von einer schweren Subarachnoidalblutung betroffen war). Insgesamt wertete man 587 Dialyse-Proben aus und führte 4447 chemische Analysen durch. So wurden Werte von Metaboliten des Energiestoffwechsels (Lactat, Pyruvat und Hypoxanthin gemessen sowie die Rate Lactat:Pyruvat errechnet) berücksichtigt und bei einem Patienten auch unterschiedliche Aminosäuren (Glutamat, Aspartat, Taurin, Glutamin, Asparagin und Glycin) bestimmt. Die Autoren zeigen mit ihrer Arbeit, dass eine Mikrodialyse über einen längeren Zeitraum erfolgen kann und dass sich die daraus erhaltenen biochemischen Informationen mit verschiedenen anderen klinischen Ereignissen korrelieren lassen.
Heute ist, wie Oliver P. Gautschi, Martin Seule, Dieter Cadosch, Marc Land, Jean–Yves Fournier und Gerhard Hildebrandt in „Zerebrale Mikrodialyse – Möglichkeiten und Grenzen“ (Anästhesiol Intensivmed Notfallmed Schmerzther 2009; 44(4): 268-274) beschreiben, die zerebrale Mikrodialyse ein Monitoringverfahren bei Patienten mit Subarachnoidalblutung oder schwerem Schädelhirntrauma, die es ermöglicht, frühzeitig zerebrale Ischämien und sekundäre Hirnschäden zu erkennen, da ein umfangreiches Spektrum an Substanzen im zerebralen Gewebe untersucht werden kann. Der Lactat-Pyruvat-Quotient bildet zusammen mit dem Wert für Glutamat einen Marker für die Entstehung einer Ischämie, ferner geben Glycerol- und Glucose-Mengen Indizien für eine Minderdurchblutung des Gewebes. Lactat alleine wurde in diesem Zusammenhang nicht als zuverlässiger Indikator bewertet. Nachdem Implantationsartefakte auftreten können, benötigt es ungefähr eine Stunde bis die erhaltenen Werte als zuverlässig anzusehen sind. Zusätzlich zu einer Mikrodialyse, bei der Mikrodialysekatheter direkt neben das zerstörte Gewebe eingelegt werden sollen, erfolgt bei Patienten mit Schädelhirntrauma eine Überwachung des intrakraniellen Druckes und des zerebralen Perfusionsdruckes. Ein verzögertes ischämisches Defizit, welches häufig mit einem Vasospasmus vergesellschaftet ist, lässt sich zwischen 11 und 13 Stunden vor seiner klinischen Manifestation nach einer Subarachnoidalblutung durch Mikrodialyse diagnostizieren. Eine Kombination von verschiedenen Überwachungstechniken gemeinsam mit der Mikrodialyse kann helfen, sekundäre Gehirnschäden zu verhindern.

Beim AIC 2014 Kongress, der Jahrestagung der Österreichischen Gesellschaft für Anästhesiologie, Reanimation und Intensivmedizin, in Linz stellten Priv.-Doz. Dr. Raimund Helbok und Priv.-Doz. Dr. Bettina Pfausler von der Universitätsklinik für Neurologie in Innsbruck dem interessierten Publikum Ergebnisse im Rahmen ihrer Forschung als auch des Klinikalltags vor. Da an dieser Universitätsklinik seit einiger Zeit die Möglichkeit der Mikrodialyse besteht, wurde dem Thema auch deutliche Beachtung geschenkt.
Einige Beispiele dafür sind:
− In der Zerebrospinalflüssigkeit detektiertes Tau-Protein (das Mikrotubuli assoziiert ist) mag ein Biomarker für einen schlechten Verlauf bei Subarachnoidalblutungen sein, obwohl bildgebende Verfahren zu diesem Zeitpunkt noch keinen Anlass dafür geben (Helbok R, Schiefecker A, Delazer M, Beer R, Bodner T, Pfausler B, Benke T, Lackner P, Fischer M, Sohm F, Hackl W, Stover JF, Thomé C, Humpel C, Schmutzhard E. Cerebral tau is elevated after aneurysmal subarachnoid haemorrhage and associated with brain metabolic distress and poor functional and cognitive long-term outcome. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 2014 Apr 16. doi: 10.1136/jnnp-2013-307326. [Epub ahead of print]).
− Weiters wird durch Messung des Glucose-Spiegels im Gehirn eine Hypo- als auch Hyperglycämie verhindert und zusätzlichen Zell-Schädigungen bei Neurointensiv-Patienten vorgebeugt.
− Bei bakteriell bedingten Erkrankungen des Gehirns ist es möglich, durch die Verwendung der Mikrodialyse sowohl das Vorhandensein (ein Passieren der Blut-Hirn-Schranke) als auch die Konzentration des verabreichten Antibiotikums nachzuweisen und gegebenenfalls die Therapie aufgrund der Messungen zu verbessern.
Die Nutzung der Mikrodialyse als zusätzliches Diagnostik-Tool erweist sich somit als nützlich und nötig. Ebenso wird es eindringlich bewusst, dass nicht alle Gehirnschäden gleich sind und mit den selben Mitteln und Methoden erfolgreich therapiert werden können. Jedoch scheinen Biomarker zu helfen, den richtigen Weg zu finden und Diagnosen, die auf bildgebenden Verfahren wie Magnetresonanztherapie (MRT), Röntgen oder Computertomographie (CT) beruhen, zu ergänzen.

Heute findet die Mikrodialyse in nahezu allen Geweben und in vielen Organsystemen (wie bereits erwähnt in der Haut und im Gehirn – ebenso im Skelettmuskel, dem Myokard, der Leber, dem Pancreas, im Knochen-, Fett- und Tumorgewebe etc. in jeweils modifizierter Form) ihre Einsatzgebiete im Menschen. Gleichzeitig wird sie zudem in vitro als auch in der präklinischen Phase in vivo am Tiermodell eingesetzt.

Bereits 2002 wurde sie sowohl von der U.S. amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) als auch der Conformité Européenne (CE) freigegeben. Daher sind Katheter in einer großen Vielzahl auf dem Markt. Dazu werden Echtzeit-Messgeräte angeboten, die neben dem Krankenbett auf der Intensivstation verfügbar sind.

Seit dem Beginn der Entwicklung der Vorläufer der Mikrodialyse-Technologie und dem Bemühen um ein besseres Verständnis der biochemischen Vorgänge des menschlichen Gehirns ist tatsächlich Großes erkundet und Kleines entdeckt worden – Menschen betraten erstmalig den Mond (1969), Sonden erkunden den Mars (ab 1971) und die geplante erste Landung Europas auf einem Kometen erfolgte am 12. November 2014 mit dem Lander „Philae“, der von der Weltraumsonde „Rosetta“ zu „67P/Tschurjumow-Gerassimenko“ gebracht wurde; seit mehr als einer Dekade ist das Humangenomprojekt abgeschlossen (2003) und die Mikrodialyse wird nicht nur zur Untersuchung des Gehirns sondern des gesamten Gewebes des menschlichen Körpers verwendet – nur Stalin liegt noch immer in der Nekropole an der Kremlmauer…

Verfasser: Dr. Carmen Ranftler

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