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Differential effects of Pigment epithelium derived factor and epidermal growth factor on Ischemia-reperfusion injury in rats - a magnetic resonance imaging study at 3 tesla

Unterschiedlichen Wirkungen von PEDF und EGF auf Ischämie-Reperfusionsschaden bei Ratten - Eine Kernspintomografie studie bei 3 Tesla

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-57341
  • Stroke, after myocardial infarction and cancer is the third most common cause of death worldwide and 1/6th of all human beings will suffer at least one stroke in their lives. Furthermore, it is the leading cause for adult disability with approximately one third of patients who survive for the next 6 months are dependent on others. Because of its huge socioeconomic burden absorbing 6% of all health care budgets and with the fact that life expectancy increases globally, one can assume that stroke is already, and will continue to be, the mostStroke, after myocardial infarction and cancer is the third most common cause of death worldwide and 1/6th of all human beings will suffer at least one stroke in their lives. Furthermore, it is the leading cause for adult disability with approximately one third of patients who survive for the next 6 months are dependent on others. Because of its huge socioeconomic burden absorbing 6% of all health care budgets and with the fact that life expectancy increases globally, one can assume that stroke is already, and will continue to be, the most challenging disease. Ischemic stroke accounts for approximately 80% of all strokes and results from a thrombotic or embolic occlusion of a major cerebral artery (most often the middle cerebral artery, MCA) or its branches Following acute ischemic stroke, the most worrisome outcome is the rapidly increasing intra-cranial pressure due to the formation of space-occupying vasogenic oedema which can have lethal consequences. Permeability changes at the Blood-Brain Barrier (BBB) usually accompanies the oedematous development and their time course can provide invaluable insight into the nature of the insult, activation of compensatory mechanisms followed by long term repair. Rodent models of focal cerebral ischemia have been developed and optimized to mimic human stroke conditions and serve as indispensable tools in the field of stroke research. The presented work constituting of three separate but complete works by themselves are sequential, where, the first part was dedicated to the establishment of non-invasive small animal imaging strategies on a 3 tesla clinical magnetic resonance scanner. This facilitated the longitudinal monitoring of pathological outcomes following stroke where identical animals can serve as its own control. Tissue relaxometric estimations were carried out initially to derive the transverse (T2), longitudinal (T1) and the transverse relaxation time due to magnetic susceptibility effects (T2*) at the cortical and striatal regions of the rodent brain. Statistically significant differences in T2*-values could be found between the cortex and striatal regions of the rodent brain. The derived tissue relaxation values were considered to modify the existing imaging protocols to facilitate the study of the rodent model of ischemic stroke. The modified sequence protocols adequately characterized all the clinically relevant sequels following acute ischemic stroke, like, the altered perfusion and diffusion characteristics. Subsequent to this, serial magnetic resonance imaging was performed to investigate the temporal and spatial relationship between the biphasic nature of BBB opening and, in parallel, the oedema formation after I/R injury in rats. T2-relaxometry for oedema assessment was performed at 1 h after ischemia, immediately following reperfusion, and at 4, 24 and 48 hours post reperfusion. Post-contrast T1-weighted imaging was performed at the last three time points to assess BBB integrity. The biphasic course of BBB opening with significant reduction in BBB permeability at 24 hours after reperfusion was associated with a progressive expansion of leaky BBB volume, accompanied by a peak ipsilateral oedema formation. At 48 hours, the reduction in T2-value indicated oedema resorption accompanied by a second phase of BBB opening. In addition, at 4 hours after reperfusion, oedema formation could also be detected at the contralateral striatum which persisted to varying degrees throughout the study, indicative of widespread effects of I/R injury. The observations of this study may indicate a dynamic temporal shift in the mechanisms responsible for biphasic BBB permeability changes, with non-linear relations to oedema formation. Two growth factor peptides namely pigment epithelium derived factor (PEDF) and epidermal growth factor (EGF) with widely different trophic properties were considered for their beneficial effects, if any, in the established rodent model of I/R injury and studied up to one week employing magnetic resonance imaging. Both the selected, trophic factors demonstrated significant neuroprotection as demonstrated by a reduction in infarct volume, even though PEDF was found to be the most potent one. PEDF also demonstrated significant attenuation of oedema formation in comparison to both the control and EGF groups, even though EGF could also demonstrate oedema suppression. In the present work, we noticed that interventions with macromolecule protein/peptides by itself could mediate remote oedema at distant sites even though the significance of such an observation is not clear at present. Susceptibility (T2*) weighted tissue relaxometric estimations were considered at the infarct region to detect any metabolic changes arising out of any neuroprotection and/or cellular proliferation / neurogenesis. PEDF group demonstrated a striking reduction of the T2*-values, which is indicative of an increased metabolic activity. Moreover, all the groups (Control, EGF and PEDF) demonstrated significantly elevated T2*-values at the contralateral striatum, which is indicative of widespread metabolic suppression usually associated with a variety of traumatic brain conditions. Moreover, as expected from the properties of PEDF, it demonstrated an extended BBB permeability suppression throughout the duration of the study. This study underlines the merits of considering non-invasive imaging strategies without which it was not possible to study the required parameters in a longitudinal fashion. All the observations are adequately supported by reasonably well defined mechanisms and needs to be further verified and confirmed by an immunohistochemical study. These results also need to be complemented by a functional study to evaluate the behavioural outcome of animals following these treatments. These studies are progressing at our laboratory and the results will be duly published afterwards.show moreshow less
  • Schlaganfall ist nach Herzinfarkt und Krebs die dritthäufigste Todesursache weltweit und 1/6 aller Menschen erleiden mindestens einen Schlaganfall in ihrem Leben. Wichtiger ist jedoch, dass Schlaganfallerkrankungen ist die führende Ursache für dauerhafte Behinderungen darstellen. Ungefähr ein Drittel dieser Patienten, die die ersten 6 Monate überleben sind auf die Hilfe anderer angewiesen. Die enorme Wichtigkeit des Schlaganfalls begründet sich zudem dadurch, dass schon jetzt die sozioökonomischen Kosten 6% der gesamten GesundheitausgabenSchlaganfall ist nach Herzinfarkt und Krebs die dritthäufigste Todesursache weltweit und 1/6 aller Menschen erleiden mindestens einen Schlaganfall in ihrem Leben. Wichtiger ist jedoch, dass Schlaganfallerkrankungen ist die führende Ursache für dauerhafte Behinderungen darstellen. Ungefähr ein Drittel dieser Patienten, die die ersten 6 Monate überleben sind auf die Hilfe anderer angewiesen. Die enorme Wichtigkeit des Schlaganfalls begründet sich zudem dadurch, dass schon jetzt die sozioökonomischen Kosten 6% der gesamten Gesundheitausgaben betragen und die globale Lebenserwartung weiter steigen wird. Der ischämische Hirninfarkt ist der mit 80% vorherrschende Schlaganfalltyp und resultiert aus thrombotischen und embolischen Verschlüssen der großen hirnversorgenden Arterien und deren Ästen (insbesondere der A. cerbri media). Die wichtigste Komplikation mit hoher Mortalität nach einem ischämischen Schlaganfall ist Entwicklung eines raumfordernden vasogene Ödementwicklung. Änderungen der Permeabilität der Blut-Hirn Schranke (BHS) begleitet die Ödementwicklung und Analyse der zeitlichen BHS Permeabilität können wichtige Erkenntnisse über den natürlichen Verlauf eines Hirninfarkts und die Aktivierung kompensatorischer Mechanismen, die in Reparaturvorgänge münden, liefern. Verschiedene modelle des akuten ischämischen Schlaganfalls mit Nagetieren wurden entwickelt um die Schlaganfalltherapie des Menschen weiter zu entwickeln. Sie sind momentan unersetzliche Instrumente in der Schlaganfallforschung. Die hier vorgestellte Arbeitet setzt sich auch 3 abgeschlossenen sequentiellen Teilprojekten zusammen. Das erste Teilprojekt befasst mit der Etablierung von der nicht-invasiven Kleintierbildgebung auf einem klinischen 3 Tesla Kernspintomographen. Diese Arbeit bildet die Grundlage für das in vivo Monitoring der pathologischen Veränderungen nach Schlaganfall in einem identischen Versuchstier nachverfolgt werden kann und so die eigene Kontrolle darstellt. Gewebs relaxometrische Messungen wurden initial durchgeführt um die transverse (T2), longitudinal (T1) und transverse (T2*) Relaxationszeit (aufgrund der magnetischen Suszeptibilitätseffekte) in kortikalen und striatalen Hirnregionen der Nagetiere zu bestimmen. Statistisch signifikante Unterschiede in der T2*- Werte konnte zwischen der kortikalen und Striatalen Regionen des Gehirn von Nagetieren gefunden werden. Hierdurch konnten bestehende Messprotokolle vom Menschen auf die Nagetiere optimiert und für die Untersuchungen des Schlaganfalls genutzt werden. Diese Vorarbeiten erlauben klinisch relevante Veränderungen wie eine veränderte Diffusion und Perfusion nach ischämischen Schlaganfall zu verfolgen. Basierend auf diesen Vorarbeiten wurde die örtliche und zeitliche Charakterisierung der bi-phasischen BHS-Öffnung und der Ödementwicklung nach experimenteller I/R der Ratte mittels serieller Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht. Hier diente die T2-Relaxometrie zur Ödemquantifizierung und wurde 1 Stunde nach Beginn der zerebralen Ischämie, unmittelbar nach Reperfusion und im Intervall von weiteren 4, 24 und 48 Stunden durchgeführt. Eine T1-gewichtete Sequenz wurde vor und nach Gabe von Kontrastmittel an den drei letztgenannten Zeitpunkten zeigte den bi-phasischen Verlauf der BHS-Öffnung 4 und 48 Stunden nach Reperfusion. Eine signifikante Reduktion der BHS Permeabilität 24 Stunden war zum einem mit einer Erhöhung des Gesamtvolumens der gestörten BHS und zum anderen mit Maximum der Ödementwicklung assoziiert. Darüber hinaus konnte 48 Stunden nach Reperfusion bereits eine Resorption des Ödems anhand der T2-Relaxometrie gemessen werden während die zweite Phase der bi-phasischen BHS-Öffnung auftrat. Zusätzlich trat 4 Stunden nach Reperfusion eine Ödembildung auch der nicht-ischämischen Striatum auf, welche in unterschiedlichem Maße über die Studiendauer persistierte. Dies spricht dafür, dass Ischämie und Reperfusion Effekte auf das gesamte Gehirn haben können. Zusammenfassend sprechen die Beobachtung dafür, dass der zeitlichen Entwicklung des Hirnödems verschiedene Mechanismen der erhöhten Blut-Hirn Schranken Permeabilität zu Grunde liegen. Zwei Wachstumsfaktoren, der, Pigment epithelium abstammende Wachstumsfaktor (PEDF) und der epidermale Wachstumsfaktor (EGF), mit deutlich unterschiedlichen trophischen Eigenschaften wurden auf ihre positiven Effekte im etablierten Tiermodel der zerebralen I/R hin untersucht. Dabei wurden serielle MRT Untersuchungen bis hin zu einer Woche genutzt. Beide Wachstumsfaktoren führten im Model zu einer signifikanten Neuroprotektion, die sich in einer Reduktion des Infarktvolumens gegenüber einer Kontrolle mit Kochsalz zeigte. PEDF allerdings hatte gegenüber EGF eine potentere Wirkung und zeigte darüber hinaus und noch deutlicher als EGF eine signifikante Verminderung der Ödembildung. Allerdings zeigte eine Behandlung mit diesen großmolekularen Proteinen zumindest nach 24 Stunden auch eine Neigung zur Ödembildung in vom Schlaganfall nicht betroffenen Hirnarealen, deren Signifikanz allerdings noch unklar ist. T2*- gewichtete Relaxationsmessungen können dazu genutzt werden, um metabolische Veränderungen, die aus neuroprotektiven Therapieansätzen bzw. zellulärer Proliferation bzw. Neurogenese entstehen, zu quantifizieren. Hier zeigten insbesondere mit PEDF behandelte Versuchstiere eine hochsignifikante Reduktion der T2*-Werte, welche als Hinweis auf eine erhöhte metabolische Aktivität gewertet werden können. Insgesamt zeigten alle Behandlungsgruppen (Kochsalzkontrollen, EGF und PEDF) behandelte Tiere signifikant erhöhte T2*-werte auf des kontralateralen Striatums, welche auf eine weitreichende metabolische Suppression hindeuten, wie sie normalerweise bei einer Reihe von traumatischen Hirnerkrankungen gefunden werden können. Ein weiterer Befund ist, wie erwartet, die ausgedehnte Verminderung der BHS-Durchgängigkeit durch PEDF über die gesamte Dauer der Untersuchung hinweg. Diese Studie unterstreicht den Nutzen nicht-invasiver Bildgebungsstrategien, ohne die die Untersuchung der benötigten Parameter in einem longitudinalen Design nicht möglich wäre. Ausblickend müssen diese gut mittels MRT charakterisierten Prozesse durch immunhistologische und funktionelle Untersuchungen gestützt und nachfolgend publiziert werden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Deepu Pillai
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-57341
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2011/06/22
Language:English
Year of Completion:2011
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Schlaganfall; Ischemie; NMR-Tomographie; Epidermaler Wachstumsfaktor
Tag:MRI
EGF; Ischemia; MRI; PEDF; Stroke
Release Date:2011/06/30
Advisor:PD Dr. med. Felix Schlachetzki
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht