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Assessing protein biomarkers to detect lethal acute traumatic brain injuries in cerebrospinal fluid
(2021)
Diagnosing traumatic brain injury (TBI) from body fluids in cases where there are no obvious external signs of impact would be useful for emergency physicians and forensic pathologists alike. None of the previous attempts has so far succeeded in establishing a single biomarker to reliably detect TBI with regards to the sensitivity: specificity ratio in a post mortem setting. This study investigated a combination of body fluid biomarkers (obtained post mortem), which may be a step towards increasing the accuracy of biochemical TBI detection. In this study, serum and cerebrospinal fluid (CSF) samples from 30 acute lethal TBI cases and 70 controls without a TBI-related cause of death were evaluated for the following eight TBI-related biomarkers: brain-derived neurotrophic factor (BDNF), ferritin, glial fibrillary acidic protein (GFAP), interleukin 6 (IL-6), lactate dehydrogenase, neutrophil gelatinase-associated lipocalin (NGAL), neuron-specific enolase and S100 calcium-binding protein B. Correlations among the individual TBI biomarkers were assessed, and a specificity-accentuated threshold value analysis was conducted for all biomarkers. Based on these values, a decision tree modelling approach was performed to assess the most accurate biomarker combination to detect acute lethal TBIs. The results showed that 92.45% of acute lethal TBIs were able to be diagnosed using a combination of IL-6 and GFAP in CSF. The probability of detecting an acute lethal TBI was moderately increased by GFAP alone and considerably increased by the remaining biomarkers. BDNF and NGAL were almost perfectly correlated (p = 0.002; R\(^2\) = 0.944). This study provides evidence that acute lethal TBIs can be detected to a high degree of statistical accuracy using forensic biochemistry. The high inter-individual correlations of biomarkers may help to estimate the CSF concentration of an unknown biomarker, using extrapolation techniques.
A single, specific, sensitive biochemical biomarker that can reliably diagnose a traumatic brain injury (TBI) has not yet been found, but combining different biomarkers would be the most promising approach in clinical and postmortem settings. In addition, identifying new biomarkers and developing laboratory tests can be time-consuming and economically challenging. As such, it would be efficient to use established clinical diagnostic assays for postmortem biochemistry. In this study, postmortem cerebrospinal fluid samples from 45 lethal TBI cases and 47 controls were analyzed using commercially available blood-validated assays for creatine kinase (CK) activity and its heart-type isoenzyme (CK–MB). TBI cases with a survival time of up to two hours showed an increase in both CK and CK–MB with moderate (CK–MB: AUC = 0.788, p < 0.001) to high (CK: AUC = 0.811, p < 0.001) diagnostic accuracy. This reflected the excessive increase of the brain-type CK isoenzyme (CK–BB) following a TBI. The results provide evidence that CK immunoassays can be used as an adjunct quantitative test aid in diagnosing acute TBI-related fatalities.
Quantifizierung des postmortalen RNA-Status im Gehirn mittels Real-time-PCR: Ein Beitrag zur Bestimmung der Leichenliegezeit Der postmortale Nukleinsäureabbau verläuft unterschiedlich: während DNA im Allgemeinen als stabil angesehen wird und erst mit Einsetzen von Fäulniserscheinungen stärkerer Degradation unterliegt, wird RNA mit dem Sistieren der Kreislauftätigkeit relativ rasch abgebaut. Eine Reihe von Studien hat aber gezeigt, dass RNA in bestimmten Geweben eine höhere Stabilität besitzt als ursprünglich angenommen. Dies könnte Bedeutung für die molekulare Medizinforschung besitzen, die auf Genexpressionsstudien in postmortalem Gewebe angewiesen ist. Außerdem könnte eine Quantifizierung der RNA-Degradation z.B. durch Real-time-PCR zur Eingrenzung der Leichenliegezeit genutzt werden. In dieser Studie wurde ein quantitativer Vergleich verschiedener sog. Haushaltsgene (u.a. GAPDH, ß-Actin, FASN) in Gehirngewebe mit einer Leichenliegezeit zwischen 0 und 96 Stunden und unter alternativen Ansätzen zur reversen Transkription (oligo-(dT)-Primer mit und ohne sog. Anker, Random Hexamer Primer) durchgeführt. Zunächst erfolgten systematische Untersuchungen zur Effektivität der RNA-Isolierung, reversen Transkription und der PCR im Hinblick auf eine möglichst präzise Quantifizierung. Es zeigte sich, dass die Resultate der Real-time-PCR ein Maß für die ursprünglich in der Probe vorhandene mRNA-Menge darstellen. Weiterhin stellte sich heraus, dass eine deutliche und evtl. auch zur Liegezeitbestimmung nutzbare RNA-Degradation erst nach 24h einsetzt. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Random- und oligo-(dT)-priming der reversen Transkription war dabei nicht festzustellen. Diese Ergebnisse belegen zum einen, dass RNA im frühen postmortalen Intervall relativ stabil ist und als Substrat für quantitative Untersuchungen dienen kann, zum anderen, dass ein zeitabhängiger Abbau besteht, der eine Eingrenzung der Leichenliegezeit z.B. mittels Grenzwerten in ein frühes und mittleres Postmortalintervall zulässt.
Die dieser Arbeit zugrundliegenden Untersuchungen am postmortalen Hirngewebe und an den korrespondierenden Proben postmortalen Liquor cerebrospinalis (CSF) konnten einen Zusammenhang der Dichte der parenchymalen TMEM119-positiven Mikroglia und der der CSF belegen. Innerhalb der analysierten Kompartimente bestehend aus Kortex, Marklager und CSF ergaben sich weit gefächerte Messwerte zur jeweiligen Dichte der immuno-positiven Mikroglia. Die Ergebnisse implizierten eine schnelle Reaktion der Mikroglia im Hirngewebe und einen zeitverzögerten Nachweis von immuno-positiven Mikroglia in der CSF. Signifikante Effekte von Alter, Geschlecht, Hirngewicht und insbesondere einem steigenden Postmortalintervall konnten als potenzielle Einflussfaktoren hinsichtlich der CSF-Intensität ausgeschlossen werden. Eine positive Korrelation ergab sich hingegen zwischen der Mikroglia-Dichte der CSF und den Angaben bezüglich erfolgter Reanimationsmaßnahmen der eingeschlossenen Sterbefälle als Hinweis auf einen relevanten Zusammenhang mit dem zerebralen Blutfluss.
Neben dem ursprünglich angestrebten isolierten Vergleich zwischen der TMEM119-positiven Mikroglia-Profildichte der CSF, des Kortex und der des Markraums ergaben sich nach Analyse weiterhin morphologische Auffälligkeiten der identifizierten Mikroglia und teils spezifische Verteilungsmuster. Die abschnittsweise laminäre Anordnung der Zellen in den kortikalen Gewebeanteilen wies insbesondere in den supragranulären Schichten nahe der Hirnoberfläche strukturell auffällige Mikroglia-Profile mit annähernd rundem Zellkörper und wenigen bis keinen Zellfortsätzen auf. Ein annähernd identisches Bild konnte im perivaskulären Marklager festgestellt werden und wies auf einen Zusammenhang zum Übertritt der Mikroglia in die CSF sowie eine Assoziation zu den medullären Gefäßen hin. Der erstmalige Nachweis des aktiven Übertritts der TMEM119-positiven Mikroglia durch die weiche Hirnhaut implizierte einen aktiven Zugangsweg der Zellen in die CSF unter Ausbildung eines amöboid erscheinenden Phänotyps neben einem lediglich diffusen und passiven Übertritt der Zellen unter pathologischen Bedingungen.
Die durchgeführten Untersuchungen belegen das enorme Potenzial der postmortalen CSF als Untersuchungsmedium insbesondere im Hinblick auf die Erhebung der Mikroglia-Dichte und die Analyse der Mikroglia-Morphologie in Bezug auf neuropathologische Beteiligung im ZNS und damit verbundenen Fragestellungen.
„Black esophagus“ oder „akute Ösophagusnekrose“ (AÖN) ist eine seltene Erkrankung, die sich makroskopisch durch eine zirkumferente Schwarzverfärbung der Ösophagusmukosa mit abruptem Ende am gastroösophagealen Übergang auszeichnet. Die genaue Pathogenese ist unbekannt; es werden multifaktorielle Einflüsse wie z. B. Säurereflux, Ischämie und verringerte Schutzmechanismen der Mukosa als mögliche Ursachen diskutiert.
Vorgestellt werden 2 Obduktionsfälle, die typische Befunde einer AÖN aufwiesen. Zusätzlich hatten Fall 1 eine Candida-Infektion und Fall 2 eine Appendizitis, sodass eine infektiöse Genese in beiden Fällen eine Rolle gespielt haben könnte.
Decreased oligodendrocyte number in hippocampal subfield CA4 in schizophrenia: a replication study
(2022)
Hippocampus-related cognitive deficits in working and verbal memory are frequent in schizophrenia, and hippocampal volume loss, particularly in the cornu ammonis (CA) subregions, was shown by magnetic resonance imaging studies. However, the underlying cellular alterations remain elusive. By using unbiased design-based stereology, we reported a reduction in oligodendrocyte number in CA4 in schizophrenia and of granular neurons in the dentate gyrus (DG). Here, we aimed to replicate these findings in an independent sample. We used a stereological approach to investigate the numbers and densities of neurons, oligodendrocytes, and astrocytes in CA4 and of granular neurons in the DG of left and right hemispheres in 11 brains from men with schizophrenia and 11 brains from age- and sex-matched healthy controls. In schizophrenia, a decreased number and density of oligodendrocytes was detected in the left and right CA4, whereas mean volumes of CA4 and the DG and the numbers and density of neurons, astrocytes, and granular neurons were not different in patients and controls, even after adjustment of variables because of positive correlations with postmortem interval and age. Our results replicate the previously described decrease in oligodendrocytes bilaterally in CA4 in schizophrenia and point to a deficit in oligodendrocyte maturation or a loss of mature oligodendrocytes. These changes result in impaired myelination and neuronal decoupling, both of which are linked to altered functional connectivity and subsequent cognitive dysfunction in schizophrenia.
Neben der Frage nach dem Lebensalter als Kriterium zur Identifizierung unbekannter Leichen und menschlicher Überreste, wird der Bedarf einer Altersschätzung an lebenden Personen derzeit immer größer. Hinzu kommt die Hoffnung, aus Spuren Rückschlüsse auf das Alter des Spurenlegers ziehen zu können. Ziel dieser Arbeit war es, aus verschiedenen biologischen Materialien das Alter anhand der 4.977 bp-Deletion in menschlicher mitochondrialer DNA abschätzen zu können, wobei der Schwerpunkt auf Material von lebenden Personen lag. Hierzu wurde mit Hilfe geeigneter DNA-Extraktionsmethoden aus verschiedenen Gewebearten, venösem Vollblut, Mundschleimhautabstrichen und Haarwurzeln ausreichend DNA guter Qualität gewonnen. Die Schwierigkeit dieser Untersuchung lag in der Ermöglichung einer Quantifizierungsmethode zur Erfassung der 4.977 bp-Deletion. Dieses Problem wurde, nach der Wahl optimaler Primer und Amplifizierung spezifischer DNA-Fragmente, für die deletierte und die normale mtDNA unter optimierten PCR-Bedingungen im Multi-plex-Ansatz, mit Hilfe der Kapillarelektrophorese gelöst. Mit ihr konnte der Anteil der 4.977 bp-deletierten und der normalen mtDNA durch die computeranalysierten Peakflächen der beiden Fragmente bestimmt und miteinander in Verhältnis gesetzt werden. Dieses Verhältnis wurde durch den Quotienten IDel/INorm ausgedrückt. Die gewonnenen Ergebnisse wurden anschließend ausgedehnten statistischen Erhebungen unterzogen. Die 4.977 bp-Deletion zeigte in allen untersuchten Materialien eine eindeutige Altersabhängigkeit. Dies wurde an der Zunahme des Quotienten IDel/INorm mit steigendem Alter ersichtlich. Für die verschiedenen Gewebearten war die Abhängigkeit dieser Deletion vom Alter bereits aus der Literatur bekannt. Im Blut wurde diese jedoch erstmalig gezeigt, ebenso wie in den Mundschleimhautabstrichen, die bisher noch nie für Untersuchungen der 4.977 bp-Deletion herangezogen wurden. In den Haarwurzeln konnte die Deletion nicht nachgewiesen werden. Auffällig war hierbei, dass die Altersabhängigkeit von Material zu Material unterschiedlich ausgeprägt war. Der größte Anteil deletierter mtDNA fand sich im Gehirngewebe, gefolgt von Skelettmuskulatur, Herz, Lunge, Milz, Niere Leber und Haut. Für diese unterschiedliche Akkumulierung der 4.977 bp-Deletion finden sich zwei mögliche Erklärungsansätze, die Theorie einer unterschiedlichen Mitoserate und die einer unterschiedlichen Stoffwechselaktivität, die beide die gewonnene Rangfolge bestätigen. Des Weiteren wurde eine Abhängigkeit der 4.977 bp-Deletion von der in die PCR eingesetzten DNA-Menge festgestellt. Dieser Effekt muss im Zusammenhang mit der unterschiedlichen Amplifizierungseffizienz der beiden relevanten DNA-Fragmente gesehen werden, wodurch jedoch die Einschränkungen der angewandten unkontrollierten Multiplex-PCR mit anschließender semi-quantitativer Detektion der Amplifikations- produkte deutlich werden. Unter Berücksichtigung der Einschränkungen gelang anhand von Perzentilentabellen eine Altersschätzung mit der Angabe einer Altersspanne von ungefähr 30 Jahren. Um eine genauere Altersschätzung zu erreichen, wäre eine Optimierung der Methode, z. B. durch Anwendung einer real-time quantitativen PCR, und eine Einbeziehung einer noch größeren Probenzahl nötig.
Glukosetransporter spielen eine wichtige Rolle in der Versorgung des Gehirns mit Nährstoffen und somit für den Erhalt der physiologischen Zellintegrität. Glukose wird über die Blut-Hirn-Schranke (BHS) mittels spezifischen transmembranen Transportproteinen der SLC-Genfamilie (GLUT, SGLT) befördert. Dabei scheint während physiologischen Bedingungen hauptsächlich der Glukosetransporter GLUT1 (SLC2A1) für die Energieversorgung des Gehirns zuständig zu sein.
Die Erforschung der SGLT-Expression ist in den letzten Jahren ein wichtiger Ansatzpunkt für neue Behandlungsstrategien vieler Erkrankungen, wie Diabetes Mellitus, maligne Neoplasien oder eines Herzinfarkts, geworden. Jedoch ist über deren Expression und Funktion im menschlichen Gehirn nur wenig bekannt. Besonders die Lokalisation entlang der BHS bleibt fraglich. Ein Großteil bisheriger Forschungsarbeiten beschäftigt sich hauptsächlich mit der Expressionsanalyse des Transporters SGLT1 im tierischen Gehirn in vivo (Poppe et al. 1997; Balen et al. 2008; Yu et al. 2013). Es konnte aufgezeigt werden, dass SGLT1 mRNA exklusiv in Neuronen und nicht an der BHS exprimiert wird. Dies wird durch in vitro Analysen einer humanen Hirnendothelzelllinie bestätigt. Demnach kann kein SGLT1 unter physiologischen Bedingungen nachgewiesen werden (Sajja et al. 2014). Im menschlichen Hirngewebe besitzen SGLTs somit keine zentrale Funktion für den Glukosetransport an der BHS. Im Gegensatz dazu konnte eine Expression von SGLT sowohl in vivo als auch in vitro während hypoglykämischen Bedingungen belegt werden (Vemula et al. 2009; Sajja et al. 2014). Die Expression der SGLT-Transporter während einer ischämischen Hypoglykämie führt zu der Annahme, dass diese Transporter für die Aufrechterhaltung der Energieversorgung des geschädigten Hirngewebes notwendig sind. Um die physiologischen Mechanismen nach einem Glukosemangel zu untersuchen, wurden SHT-Modelle etabliert (Salvador et al. 2013). In einem experimentellen Modell des Schädel-Hirn-Traumas im Rahmen eines DFG-gefördertes Projekts ist ein Expressionsverlauf von Glukosetransportern im Maushirn und in Hirnendothelzellen erarbeitet worden (Wais 2012; Salvador et al. 2015). Somit könnten SGLTs als Ansatzpunkt für den Nachweis der Überlebenszeit nach einem SHT fungieren.
Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf die Expression der Natrium-abhängigen Glukosetransporter SGLT1 und SGLT2 im menschlichen Gehirn. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf der Lokalisation dieser Transporter an der menschlichen BHS von post mortalem Hirngewebe. Weiterhin wird untersucht ob die Expressionsstärke von SGLT1 und SGLT2 eine Aussage über die Überlebenszeit von Verstorbenen nach einer traumatisch bedingten Hirnveränderung zulässt.
Die Lokalisation von SGLT1 und SGLT2 an der menschlichen BHS konnte durch die Etablierung eines Protokolls zur Isolation von Hirnkapillaren erfolgen. Vorab wurden alle verwendeten Antikörper auf ihre Spezifität mittels siRNA Transfektion und Blockierung der Immunfluoreszenzsignale mittels immunisierten Peptids getestet. Somit ist die Spezifität der detektierten SGLT1- und SGLT2-Expression in menschlichen Hirnkapillaren gewährleistet. Anschließend wird untersucht, in welchen zeitlichem Verlauf nach einer traumatisch bedingten Hirnveränderung die verschiedenen Formen der Glukosetransporter exprimiert werden und ob ggf. der Umfang und die Verteilung von SGLT1, SGLT2 und GLUT1 sowie das Verhältnis zueinander Auskünfte über eine vitale bzw. postmortale Entstehung eines Traumas bzw. dessen Überlebenszeit zulässt. Hierfür wird ein Expressionsschema der Glukosetransporter generiert, abhängig von Todeszeitpunkt und Todesursache. Es konnte festgestellt werden, dass GLUT1 nicht als Target für die Ermittlung der Überlebenszeit nach einem Trauma geeignet ist. Dahingegen zeigen SGLT1 und SGLT2 eine signifikante Änderung der Expressionsstärke im contusionalen Gewebe in Abhängigkeit von der Überlebenszeit. Obwohl diese vorläufigen Daten einen neuen Ansatzpunkt für die forensische Fragestellung aufzeigen, müssen weitere Experimente mit einem erhöhten Umfang der Probenanzahl und kürzere Zeitspannen der Überlebenszeiträume durchgeführt werden.
Intramuscular hemorrhages in the pathway of an electric current through the body - two case reports
(2023)
Intramuscular hemorrhages at autopsy can have a variety of traumatic as well as non-traumatic causes, but their recognition in electrical deaths is almost a rarity. We report on two autopsy cases of electrical fatalities, the first relating to a portion of the right upper human extremity, consisting (only) of the forearm and hand, while the other case relates to a female child who died after a high voltage electrical shock. In both cases, layered dissection of the upper limb revealed fresh intramuscular hemorrhages in the skeletal muscles that could be topographically related to the path taken by the current through the body. Externally visible electric marks were present in both cases. The hemorrhages were most likely caused by current-induced tetanic muscle contractions, producing an internal muscle trauma with rupture of fibers and bleedings. In complex situations, such as inconspicuous marks or a complete lack of visible signs on the body, the finding may be helpful in solving the case in consideration of the case history and circumstances. The vitality, topography, and pattern of the hemorrhages are discussed in the light of the available literature.
Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Landmarke Pterion am menschlichen Schädel, morphometrisch untersucht wurden populationsspezifische und geschlechtsspezifische Unterschiede von vier verschiedenen Populationen.
Hierfür wurden digital vermessene Krotaphion-Sphenion-Distanzen (K-S-Distanz) für beide Seiten des Schädels von 124 afroamerikanischen Schädeln (männlich: 73, weiblich: 51), 664 euroamerikanischen Schädeln (männlich: 439, weiblich: 225), 89 deutschen Schädeln (männlich: 61, weiblich: 28) und 98 ruandischen Schädeln (männlich: 61, weiblich: 37) miteinander verglichen, um zu untersuchen, ob es einen statistisch signifikanten Unterschied bei der K-S-Distanz gibt. Dabei stellte sich heraus, dass es zwischen den Geschlechtern und den verschiedenen untersuchten Ethnien einen statistisch signifikanten Unterschied bei der K-S-Distanz gibt. Bei den weiblichen Schädeln zeigte die linke Seite mit einem Mittelwert von 13,28 mm (SD 5,25) und die rechte Seite mit einem Mittelwert von 12,5 mm (SD 4.80) eine kürzere Distanz als bei den männlichen Schädeln (links: 14,17 mm, SD 5,23, rechts: 13,53 mm, SD 5,22 mm). Im Independent T-Test zeigte sich auf beiden Seiten mit einem p-Wert < 0,05 ein statisch signifikanter geschlechtsspezifischer Unterschied.
Bei dem Vergleich zwischen den Ethnien zeigten die Schädel der deutschen Population die größte Asymmetrie, der Mittelwert für die K-S Distanz lag rechts bei 14,5 mm und links bei 15,6 mm. Somit ergibt sich eine Differenz von 1,1 mm. Die ruandische Population wies die kleinste mittlere K-S-Distanz bei einem Mittelwert für rechts und links von jeweils 8,7 mm auf und zeigten somit die stärkste Symmetrie in Bezug auf die K-S-Länge. Die ANOVA Analyse, die in dieser Studie durchgeführt wurde, ergab einen statistisch signifikanten Unterschied zwischen den einzelnen Populationen, sowohl auf der linken als auch auf der rechten Seite des Schädels. Überprüfte man in weiteren Analysen (Turkey HSD und Games-Howell-Test), wie die Gruppen abschneiden, wenn sie untereinander verglichen, so sah man, dass die afroamerikanische und die ruandische Population sich entweder von allen Gruppen oder nur von der euroamerikanischen und der deutschen Population unterscheiden. Genauso unterscheiden sich die euroamerikanische und deutsche Population entweder von allen Gruppen oder nur von der afroamerikanischen und ruandischen Population. Dieser Trend zeigt sich sowohl auf der rechten als auch auf der linken Seite.
Die durch diese Studie analysierten Unterschiede bei der K-S-Distanz bezüglich des Geschlechts und der Herkunft könnten in der weiteren Forschung hilfreich sein, um die Aussagekraft und Praktikabilität der Geschlechts- und Herkunftsdifferenzierung am Pterion zu verbessern. Gestützt von weiterer Forschung wäre ein Einsatz der K-S-Distanz für die Geschlechts- und Herkunftsdifferenzierung in Zweifelsfällen indiziert oder dann, wenn nur noch Reste des Schädels vorhanden sind. Auch wäre ein Einsatz möglich, wenn nur die Schläfe eines Schädels und damit das Pterion als Ganzes vorhanden wären.