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Background:
Traumatic brain injury (TBI) is a devastating neurological condition and a frequent cause of permanent disability. Posttraumatic inflammation and brain edema formation, two pathological key events contributing to secondary brain injury, are mediated by the contact-kinin system. Activation of this pathway in the plasma is triggered by activated factor XII. Hence, we set out to study in detail the influence of activated factor XII on the abovementioned pathophysiological features of TBI.
Methods:
Using a cortical cryogenic lesion model in mice, we investigated the impact of genetic deficiency of factor XII and inhibition of activated factor XII with a single bolus injection of recombinant human albumin-fused Infestin-4 on the release of bradykinin, the brain lesion size, and contact-kinin system-dependent pathological events. We determined protein levels of bradykinin, intracellular adhesion molecule-1, CC-chemokine ligand 2, and interleukin-1β by enzyme-linked immunosorbent assays and mRNA levels of genes related to inflammation by quantitative real-time PCR. Brain lesion size was determined by tetrazolium chloride staining. Furthermore, protein levels of the tight junction protein occludin, integrity of the blood-brain barrier, and brain water content were assessed by Western blot analysis, extravasated Evans Blue dye, and the wet weight-dry weight method, respectively. Infiltration of neutrophils and microglia/activated macrophages into the injured brain lesions was quantified by immunohistological stainings.
Results:
We show that both genetic deficiency of factor XII and inhibition of activated factor XII in mice diminish brain injury-induced bradykinin release by the contact-kinin system and minimize brain lesion size, blood-brain barrier leakage, brain edema formation, and inflammation in our brain injury model.
Conclusions:
Stimulation of bradykinin release by activated factor XII probably plays a prominent role in expanding secondary brain damage by promoting brain edema formation and inflammation. Pharmacological blocking of activated factor XII could be a useful therapeutic principle in the treatment of TBI-associated pathologic processes by alleviating posttraumatic inflammation and brain edema formation.
Based on recent findings that show that depletion of factor XII (FXII) leads to better posttraumatic neurological recovery, we studied the effect of FXII-deficiency on post-traumatic cognitive and behavioral outcomes in female and male mice. In agreement with our previous findings, neurological deficits on day 7 after weight-drop traumatic brain injury (TBI) were significantly reduced in FXII\(^{−/−}\) mice compared to wild type (WT) mice. Also, glycoprotein Ib (GPIb)-positive platelet aggregates were more frequent in brain microvasculature of WT than FXII\(^{−/−}\) mice 3 months after TBI. Six weeks after TBI, memory for novel object was significantly reduced in both female and male WT but not in FXII\(^{−/−}\) mice compared to sham-operated mice. In the setting of automated home-cage monitoring of socially housed mice in IntelliCages, female WT mice but not FXII\(^{−/−}\) mice showed decreased exploration and reacted negatively to reward extinction one month after TBI. Since neuroendocrine stress after TBI might contribute to trauma-induced cognitive dysfunction and negative emotional contrast reactions, we measured peripheral corticosterone levels and the ration of heart, lung, and spleen weight to bodyweight. Three months after TBI, plasma corticosterone levels were significantly suppressed in both female and male WT but not in FXII\(^{−/−}\) mice, while the relative heart weight increased in males but not in females of both phenotypes when compared to sham-operated mice. Our results indicate that FXII deficiency is associated with efficient post-traumatic behavioral and neuroendocrine recovery.
Introduction
Structural plasticity with synapse formation and elimination is a key component of memory capacity and may be critical for functional recovery after brain injury. Here we describe in detail two surgical techniques to create a cranial window in mice and show crucial points in the procedure for long-term repeated in vivo imaging of synaptic structural plasticity in the mouse neocortex.
Methods
Transgenic Thy1-YFP(H) mice expressing yellow-fluorescent protein (YFP) in layer-5 pyramidal neurons were prepared under anesthesia for in vivo imaging of dendritic spines in the parietal cortex either with an open-skull glass or thinned skull window. After a recovery period of 14 days, imaging sessions of 45–60 min in duration were started under fluothane anesthesia. To reduce respiration-induced movement artifacts, the skull was glued to a stainless steel plate fixed to metal base. The animals were set under a two-photon microscope with multifocal scanhead splitter (TriMScope, LaVision BioTec) and the Ti-sapphire laser was tuned to the optimal excitation wavelength for YFP (890 nm). Images were acquired by using a 20×, 0.95 NA, water-immersion objective (Olympus) in imaging depth of 100–200 μm from the pial surface. Two-dimensional projections of three-dimensional image stacks containing dendritic segments of interest were saved for further analysis. At the end of the last imaging session, the mice were decapitated and the brains removed for histological analysis.
Results
Repeated in vivo imaging of dendritic spines of the layer-5 pyramidal neurons was successful using both open-skull glass and thinned skull windows. Both window techniques were associated with low phototoxicity after repeated sessions of imaging.
Conclusions
Repeated imaging of dendritic spines in vivo allows monitoring of long-term structural dynamics of synapses. When carefully controlled for influence of repeated anesthesia and phototoxicity, the method will be suitable to study changes in synaptic structural plasticity after brain injury.
Objective
Recently, we described a disintegrin and metalloproteinase 9 (ADAM9) overexpression by Schwann cells of vestibular schwannoma (VS) and suggested that it might be a marker for VS tumor growth and invasiveness. This research note provides additional data utilizing a small cohort of VS primary cultures and tissue samples. We examined whether reconstitution of Merlin expression in VS cells regulates ADAM9 protein expression and performed lentiviral ADAM9 knock down to investigate possible effects on VS cells numbers. Moreover, the co-localization of ADAM9 and Integrins α6 and α2β1, respectively, was examined by immunofluorescence double staining.
Results
ADAM9 expression was not regulated by Merlin in VS. However, ADAM9 knock down led to 58% reduction in cell numbers in VS primary cell cultures (p < 0.0001). While ADAM9 and Integrin α2β1 were co-localized in only 22% (2 of 9) of VS, ADAM9 and Integrin α6 were co-localized in 91% (10 of 11) of VS. Therefore, we provide first observations on possible regulatory functions of ADAM9 expression in VS.
Analysis of cerebral glucose metabolism following experimental subarachnoid hemorrhage over 7 days
(2023)
Little is known about changes in brain metabolism following SAH, possibly leading towards secondary brain damage. Despite sustained progress in the last decade, analysis of in vivo acquired data still remains challenging. The present interdisciplinary study uses a semi-automated data analysis tool analyzing imaging data independently from the administrated radiotracer. The uptake of 2-[18F]Fluoro-2-deoxy-glucose ([\(^{18}\)F]FDG) was evaluated in different brain regions in 14 male Sprague–Dawley rats, randomized into two groups: (1) SAH induced by the endovascular filament model and (2) sham operated controls. Serial [\(^{18}\)F]FDG-PET measurements were carried out. Quantitative image analysis was performed by uptake ratio using a self-developed MRI-template based data analysis tool. SAH animals showed significantly higher [\(^{18}\)F]FDG accumulation in gray matter, neocortex and olfactory system as compared to animals of the sham group, while white matter and basal forebrain region showed significant reduced tracer accumulation in SAH animals. All significant metabolic changes were visualized from 3 h, over 24 h (day 1), day 4 and day 7 following SAH/sham operation. This [\(^{18}\)F]FDG-PET study provides important insights into glucose metabolism alterations following SAH—for the first time in different brain regions and up to day 7 during course of disease.
We used a sensitive silver degeneration staining method to study the effects of insertion of microdialysis probes in rat dorsal hippocampus and neocortex. Nine animals were sacrificed 24 h, 3 days or 7 days after implantation of dialysis tubing. Although mild neuronal cell death and small petechial hemorrhages were seen in elose proximity to the implantation site, the striking finding was the presence of degenerating axons both adjacent to the implantation site and in remote sites such as the corpus callosum and contralateral hippocampus. The observed changes could alter brain function near or remote from the implantation site and should be considered in analysis of dialysis experiments.
Die WHO-Klassifikation der Hirntumoren von 2016 ebnete den Weg für molekulare Marker und Therapie-Angriffspunkte. Der Transkriptionsfaktor ATF5 könnte ein solcher sein. Er unterdrückt die Differenzierung von neuronalen Vorläuferzellen und wird in Glioblastomen (GBM) überexprimiert. Daten zur ATF5-Expression in WHO Grad II Gliomen (LGG) und GBM-Rezidiven sind nur spärlich vorhanden. Daher untersuchten wir 79 GBM, 40 LGG und 10 Normalhirnproben auf ihre ATF5-mRNA- und Proteinexpression mit quantitativer Echtzeit-PCR bzw. Immunhistochemie und verglichen sie mit multiplen, retrospektiv erhobenen klinischen Charakteristika der Patienten. ATF5 war in LGG und GBM verglichen zum Normalhirn sowohl auf mRNA-, als auch Proteinebene überexprimiert. Obwohl die ATF5-mRNA-Expression im GBM eine erhebliche Fluktuationsrate zeigte, gab es keine signifikanten Expressionsunterschiede zwischen GBM-Gruppen unterschiedlicher biologischer Wachstumsmuster. ATF5-mRNA korrelierte mit dem Alter der Patienten und invers mit der Ki67-Färbung. Kaplan Meier- und Cox-Regressionsanalysen zeigten eine signifikante Korrelation der ATF5-mRNA-Expression mit dem Überleben nach 12 Monaten sowie dem progressionsfreien Überleben. Die Methylierung des Promotors der O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) ist ein etablierter Marker in der Therapie des GBMs. Sie ist mit dem therapeutischen Ansprechen auf Temozolomid und dem Überleben assoziiert. Uns fielen inzidentell Veränderungen der MGMT-Promotormethylierung auf, woraufhin wir den aktuellen Wissensstand mittels einer ausführlichen Literatur-Metaanalyse zusammenfassten. Dabei fanden wir Veränderungen der MGMT-Promotormethylierung bei 115 der 476 Patienten. Wir schlussfolgern, dass die ATF5-mRNA-Expression als prognostischer Faktor für das Überleben der Patienten dienen könnte. Da seine in vitro-Inhibition zu einem selektiven Zelltod von Gliomzellen führte und wir eine Überexpression in glialen Tumoren nachweisen konnten, zeigt ATF5 Potential als ubiquitäres Therapieziel in Gliomen. Zum aktuellen Zeitpunkt ergibt sich keine klare Indikation, den klinischen Standard der MGMT-Teststrategie zu verändern. Trotzdem könnte eine erneute Testung der MGMT-Promotormethylierung für zukünftige Therapieentscheidungen sinnvoll sein und wir regen an, dass dieses Thema in klinischen Studien weiter untersucht wird.
Auditorische Hirnstammimplantate (ABI stellen die einzige Option der Hörrehabilitation bei bilateraler retrocochleärer Ertaubung dar. Die Implantate sind insbesondere in ihrer größten Nutzergruppe - Neurofibromatose Typ 2 Patienten - für ihr sehr variables Hörergebnis bekannt.
Die Evozierbarkeit und die Qualität der intraoperativ abgeleiteten elektrisch evozierten auditorischen Hirnstammantworten wird als möglicher Einflussfaktor auf das Outcome diskutiert. Bisher gelten weder für die Frage des Einsatzes an sich, noch für die Methodik oder die Analyse und Bewertung der EABR in der ABI-Chirurgie einheitliche Konzepte. Ziel dieser Studie ist die detaillierte Analyse der intraoperativ registrierten EABR während ABI-Implantation bei NF2-Patienten.
Zudem stellt Beurteilung der Hörfunktion mit ABI bei NF2-Patienten stellt aufgrund oftmals begleitender Symptomatik der Grunderkrankung eine besondere Herausforderung dar. Sprachtests allein spiegeln die Hörfunktion in dieser Patientengruppe nicht immer umfassend wider. Die in dieser Studie angewendete Würzburger Skala für Implantat-Hören soll dieser Problematik gerecht werden, indem Ergebnisse eines etablierten Sprachtests mit der klinischen Kommunikationsfähigkeit kombiniert werden.
Zusammenfassung der Hauptergebnisse:
Nach intraoperativer Stimulation mittels ABI zeigten sich EABR-Antworten mit null bis 3 Vertex-positiven Peaks (P1, P2, P3), welche in dieser Kohorte im Mittel nach 0,42 ms (P1), 1,43 ms (P2) bzw. 2,40 ms (P3) auftraten. Eine 2-Peak Wellenform war in dieser Studie die am häufigsten beobachtete Morphologie (78,8%). Bei der Stimulation unterschiedlicher Elektrodenkontakte zeigten sich Unterschiede in der EABR-Wellenmorphologie. Alle Antworten konnten in eine der fünf Kategorien der Würzburger EABR-Klassifikation eingeordnet werden.
Für die Latenz von P2 konnte eine statistisch signifikante Korrelation mit der Tumorausdehnung nach Hannover Klassifikation gezeigt werden.
Die Einstufung des Hörergebnisses mit ABI in NF2 nach Ergebnis im MTP-Test und nach Kommunikationsfähigkeit im Alltag unterschied sich in 7 von 22 Fällen (31,2%) um eine Kategorie. Bei der Einordnung in die Würzburger Skala für Implantat-Hören zeigte sich nach Diskussion der divergenten Fälle in 2 Fällen die Kategorisierung zugunsten des Ergebnisses im MTP-Test und in 5 Fällen zugunsten des Ergebnisses der Kommunikationsfähigkeit im Alltag.
Nützliches Hören mit ABI konnte in 95,5% der Patienten gezeigt werden, davon erzielten 68,2% Sprachverständnis.
Die Auslösbarkeit reproduzierbarer intraoperativer EABRs konnte in 95,5% Hörvermögen hervorsagen.
Auswertung der Schraubenposition nach navigierter, O-Arm-kontrollierter spinaler Instrumentierung
(2020)
In dieser Studie wurden retrospektiv zwischen Juni 2010 und Juni 2015 die Schrauben bezüglich ihrer Lage und Länge nach navigierter, O-Arm kontrollierter dorsaler Stabilisierung der Wirbelsäule untersucht. In diesem Zeitraum wurden in der Neurochirurgie des Universitätsklinikums Würzburg 2666 Schrauben bei 433 Patienten in 413 Operationen platziert, wobei 2618 Schrauben in dieser Studie ausgewertet werden konnten. Gründe für eine operative Stabilisierung der Wirbelsäule waren im Gesamtkollektiv mit 58,43% am häufigsten degenerative Veränderungen gefolgt von Traumata mit 21,94%, Tumorerkrankungen mit 11,78% und entzündlichen Veränderungen mit 7,85%. Im Bereich der HWS waren die häufigsten Operationsindikationen traumatische Verletzungen mit 46,06%, auf Höhe der BWS Tumordiagnosen mit 46,77% und im Bereich der LWS degenerative Veränderungen mit 76,82%.
Die Schrauben wurden auf Höhe der BWS und LWS bezüglich ihrer Lage nach der etablierten Einteilung von Zdichavsky et al. klassifiziert. Die Grundlage dieser Klassifikation ist die Relation der Pedikelschraube zum Pedikel und die Relation der Pedikelschraube zum Wirbelkörper, wobei eine korrekte 1a-Lage vorliegt, wenn mindestens die Hälfte des Pedikelschraubendurchmessers innerhalb des Pedikels und mindestens die Hälfte des Pedikelschraubendurchmessers innerhalb des Wirbelkörpers liegt.
Im Bereich der BWS lagen bereits nach dem ersten intraoperativen Scan 89,72% der Schrauben in einer 1a-Lage, nach intraoperativer Revision von 41 Schrauben sogar 93,03% der Schrauben. Auf Höhe der LWS lagen nach dem 1. intraoperativen Scan 94,88% in einer 1a-Lage, nach intraoperativer Revision von 37 Schrauben konnte der Anteil an 1a-Lagen auf 96,14% erhöht werden.
In Anlehnung an die Klassifikation von Zdichavsky et al. entstand eine neue Klassifikation für die HWS mit der Überlegung, dass die Stabilität und die Gefahr für neurologische und vaskuläre Komplikationen durch die Lage der Schrauben im Knochen definiert werden kann. Auch hier liegt eine korrekte 1a-Lage vor, wenn mindestens die Hälfte des Schraubendurchmessers innerhalb des Pedikels bzw. der Massa lateralis verläuft.
Nach dem ersten intraoperativen Scan lagen bereits 93,93% der Schrauben in einer 1a-Lage, nach intraoperativer Revision von 32 Schrauben lagen sogar 96,20% der Schrauben in einer 1a-Lage.
Die Bewertung der Schraublänge erfolgte relativ zur Länge des Schraubeneintrittspunkts und der Vorderkante des Wirbelkörpers, wobei alle Schraubenlängen zwischen 85% und 100% als „gut“ eingestuft wurden. Im Bereich der HWS hatten demnach zu Operationsende 65,62% der Schrauben eine gute Lange, in der BWS 69,72% und in der LWS 71,92%.
Aufgrund einer primären Fehllage mussten lediglich 2 Schrauben (0,08% aller Schrauben) bei einem Patienten in einer Folgeoperation revidiert werden, wobei diese Fehllage retrospektiv auch in der initialen intraoperativen Bildgebung hätte erkannt werden können.
Weitere Parameter wie Operationsdauer und Operationsart, Anzahl an intraoperativer Bildgebung sowie Anzahl der verschraubten Wirbelsegmente oder intraoperative Komplikationen wurden untersucht.
In der klinischen Verlaufskontrolle zeigte sich außerdem eine signifikante Verbesserung der Schmerzen, nämlich in jeder Kategorie (Bein-, Arm-, Rücken-, Nackenschmerzen) gaben mindestens 75% der nachkontrollierten Patienten eine Komplettremission oder relevante Verbesserung der Symptome an. Auch in der neurologischen Verlaufskontrolle zeigte sich bei 68,86% der Patienten in der Nachkontrolle eine Komplettremission bzw. signifikante Verbesserung der neurologischen Beschwerden. In der postoperativen radiologischen Abschlussuntersuchung zeigten sich lediglich bei 3,07% der Schrauben Auffälligkeiten in Form von Schraubenlockerung (2,40%), Schraubendislokation (0,49%) oder Schraubenbrüchen (0,19%).
In dieser experimentellen Studie wurde der Einfluss einer moderaten Hypothermie nach Induktion einer epiduralen, extraaxialen Raumforderung auf das neurologische Outcome, auf histopathologische Veränderungen und mittels bildgebender Methoden untersucht. Der Hauptaugenmerk wurde dabei eindeutig auf die neurologischen Verlaufsuntersuchungen mit Hilfe einer neuropsychologischen Testbatterie gelegt.Damit konnte in etwa die Hauptphase der klinischen Rekonvaleszens nach Trauma abgedeckt werden.Zudem hatten die meisten experimentellen Arbeiten bereits nach wesentlich kürzeren Zeiträumen ihre Nachuntersuchungen abgeschlossen.Die Gesamtmortalität betrug bei den normotherm behandelten Tieren 55% und bei den hypotherm behandelten Tieren 45%. Der Unterschied betrug damit nur 10% und war nicht signifikant. Betrachtet man aber die Mortalitätsraten differenzierter, so zeigt sich bezüglich der rein schädigungsbedingten Mortalität als Folge von schweren neurologischen Defiziten wie Hemiparese, Inaktivität und damit verbundenen dramatischen Gewichtsverlust eine Mortalität von 5% für die Hypothermiegruppe und 30% in der Normothermiegruppe. Dies findet seine Bestätigung auch in anderen experimentellen Untersuchungen. Für die Anwendung von Hypothermie bei Schädel – Hirn –Traumen und zerebralen Ischämien in klinischen Studien ist die Datenlage bisher noch widersprüchlich. Die bisher größte Multicenterstudie in den USA von 1994 -1998 musste bei 392 Patienten mit SHT abgebrochen werden, nachdem kein therapeutischer Effekt unter Hypothermie festzustellen war (Clifton et al., 2001¹). Nähere Analysen zeigten jedoch eine Verbesserung des Outcomes bei Patienten unter 45 Jahren welche bei Aufnahme bereits hypothermen Bedingungen ausgesetzt waren. Damit stellt sich natürlich die Frage nach dem optimalen Zeitfenster für den Beginn einer hypothermen Behandlung. Als therapeutische Konsequenz erscheint damit unter Umständen ein sofortiger Beginn der Hypothermiebehandlung mit Eintreffen des Notarztes als wirkungsvoller. Zusätzlich konnten wiederum neueste Untersuchungen bei Patienten mit zerebraler Ischämie nach Herz- und Kreislaufstillstand einen protektiven Effekt einer moderater Hypothermie auf das neurologische Outcome aufzeigen (Bernard et al., 2002; Holzer et al., 2002).In unserer Studie sollte aber auf keinen Fall der nur geringe Unterschied in der Gesamtmortalität mit 55 % in der normothermen und 45 % in der hypothermen Gruppe vernachlässigt werden. Die Annäherung der Gesamtmortalität war hierbei auf eine deutlich erhöhte Rate systemischer oder lokaler Infektionen unter den hypothermen Tieren zurückzuführen.In klinischen Studien mehren sich allerdings die Hinweise auf eine durch Hypothermie bedingte Immunsuppression und damit verbundenen erhöhten Infektionsneigung. So konnten erhöhte Pneumonieraten (Schwab et al., 1998; 2001 ; Shiozaki et al., 2001) aber auch ein vermehrtes Auftreten von Meningitiden (Shiozaki et al.,2001) beobachtet werden. Shiozaki konnte zudem signifikant erhöhte Raten von Leuko- und Thrombozytopenien sowie Elektrolytentgleisungen im hypothermen Kollektiv finden (Shiozaki et al., 2001). Schwab fand in einer eigens zur Überprüfung der Nebenwirkungen von Hypothermie bei Patienten mit zerebraler Ischämie aufgelegten Studie erhöhte Raten an Pneumonien (48%), Thrombozytopenien (70%) und Bradykardien (62%) (Schwab et al.,2001). Prospektive Studien von Patienten mit kolorektalen Eingriffen wiesen ebenso unter milder Hypothermie signifikant vermehrt Wundheilungsstörungen (Kurz et al., 1996) und eine geringere Lymphozytenaktivität auf (Beilin et al., 1998). Angewandt auf unsere Studie zeigte sich ebenfalls eine erhöhte Rate von Wundheilungsstörungen unter Hypothermie, ohne dabeijedoch zu einer Beeinflussung der Ergebnisse in den neuropsychologischen Testreihen zu führen.Abschließend kann festgehalten werden, dass in dieser Studie die Induktion einer moderaten Hypothermie nach epiduraler, extraaxialer Raumforderung, zu einer Verbesserung neurologischer Defizite und damit zu einer Besserung der Lebensqualität jener Versuchstiere führte, die den Beobachtungszeitraum überlebten. Eine Verringerung der Gesamtmortalität konnte nicht erreicht werden.