Az újszülött agy vérkeringése

Domoki Ferenc

Miért szükséges tanulmányozni az újszülöttek agyi vérkeringését/metabolizmusát?� A perinatális korban szülészeti szövődményként

(változatos etiológiával) az agyi vér és oxigénellátás elégtelensége alakulhat ki, mely maradandó idegrendszeri károsodásokhoz vezethet (hipoxiás-iszkémiás enkefalopátia)

� Koraszülöttekben a fejletlen agyban vérzéses szövődmények (intraventrikuláris hemorrágia) léphetnek fel

� Ezek a kórképek jelentős társadalmi/gazdasági terhet jelentenek, így az effektív terápiák keresése fontos kutatási terület.

� Etikai megfontolások miatt (is), a kutatások jelentős része állatkísérleteken alapszik.

Mi lehet jó modellje az emberi újszülöttnek?

bárány

malacKutya, macska, makákó…

Mi lehet jó modellje az emberi újszülöttnek?

érett újszülött

sertés

malac

patkány

Girenkefál vs. lisszenkefál agy?Test és agy méreti hasonlósága?Agy érettségeFiziológiai és biokémiai paraméterek hasonlóságaHozzáférhetőség: folyamatos v. szezonális reprodukciós aktivitás

Az agy oxigén ellátása már a magzati korban is kitüntetett jelentőségű!

� A ductus venosus –v. cava inf. – foramenovale – BP/BK – aorta útvonalon a placentából jövő vér az agy (fej + felső végtagok) irányába söntölődik, így ezekben a szövetekben a legnagyobb az oxigénkínálat

Az agy(kéreg) fejlődése hosszú folyamat, amely nem fejeződik be a születéssel

� VZ ventricular zone� SP subplate� CP cortical plate� MZ marginal zone� RG radial glia� Zöld - CR Cajal-Retzius

sejt� Reelin – stop szignál� Barna: subplate sejt

Elvárható tehát, hogy az anyagcsere, a vérellátás és annak szabályozása is változik…

Luhmann HJ et al. Brain Res Bull 60:345-353

Vagy mégsem tűnnek el teljesen a CR sejtek…

Az agyi metabolizmus/vérellátás változásai az ontogenezis során

� Emberben a születés után az agyi glükóz és oxigénmetabolizmusfokozatosan növekszik, a 3-8. életév között éri el a maximumát (ekkor kb. 50%-kal magasabb a felnőtt értékeknél) és a csúcsot követően a 15-16. életévre csökken vissza a felnőttre jellemző mértékre.

Hogy is van ez újszülöttkorban?

CBF

Az agyi vérkeringés szabályozása

Idegi aktivitás

(alacsony) (magas)

CO2

CBF

CBFCBF

METABOLIKUS

NEUROGÉNKÉMIAI

szimpatikus ingerlés

(alkalosis) (acidosis)

Perfúziós nyomás

AUTOREGULÁCIÓ

agyi ECF pCO2

Az újszülött (malac) agyi keringés legfontosabb jellemzői

Moroz T et al. J. R. Soc. Interface 2012 9, 1499-1509

Magyarázat� A) van áramlási autoreguláció, DE a küszöbértékek

alacsonyabbak és az autoregulációs sáv is jelentősen szűkebb

� B) van hipoxiás vazodilatáció, DE az áramlásnövekedés mértéke jelentősen kisebb

� C) van szén-dioxid érzékenység de az áramlásnövekedés mértéke jelentősen kisebb

� E) Az oxigén metabolizmusa jelentősen kisebb újszülöttben, ezzel párhuzamosan a foszfokreatin/ATP szint összeomlása is alacsonyabb oxigénkínálat mellett következik be (D)

Mi történik, ha az agyi metabolizmus megváltozik?

3 példa:Alvás-ébrenlét ciklus?

Kérgi kúszó depolarizáció?Neurotranszmitter stimuláció?

Az alvás-ébrenlét ciklus hatása az agyi vérátáramlásra (újszülött bárány)

CPP: cerebral perfusionpressure, agyi perfúziós nyomásCBF: cerebral blood flow, agyi vérátáramlásEOG: elektrookulogramEMGn: nucháliselektromiogramm(tarkóizomzatból)ECOG: elektrokortikogramm

nREM REM ébrenlét

Grant et al. J Cereb Blood Flow Metab 18:639-645

Az alvás-ébrenlét hatása az újszülött agy véráramlására

� Az ébrenléthez képest nREM alvásban minimális csökkenés, REM alvásban jelentékeny emelkedés jön létre az agyi vaszkuláris rezisztencia csökkenése miatt.

PCA: a. carotis nyomás, PIC: intrakraniális nyomás, CVR: cerebrovaszkuláris ellenállás

Az áramlási autoreguláció is függ az alvás-ébrenlét ciklustól

A CPP-t a a. brachiocephalica okklúziójával csökkentették, megfigyelhető az áramlásesés, ill. az azt követő autoregulációs válasz, ami a CVR csökkenésének következménye. Látható, hogy az autoreguláció a REM alvásban beszűkül (AS –active sleep), QS – quiet (nREM) alvás, W – wake (ébrenlét)

Grant et al. J Physiol 564.3:923-930

Az autoreguláció alsó küszöbértéke megemelkedik REM-ben

50 mmHg 45 mmHg 46 mmHg

Grant et al. J Physiol 564.3:923-930

Felnőttben (patkány), NMDA ingerlésre kérgi kúszó depolarizáció (CSD) és áramlásnövekedés jön létre

Lenti et al. Microcirculation 16:629-639

Az újszülött agyban (malac) még nincs CSD, de az NMDA ingerlésre itt is létrejön a hiperémia

Lenti et al. Microcirculation 16:629-639

Doppler Doppler

probeprobe 11

DopplerDoppler

probeprobe 22

DCDC

eleelecctrtrodeode

Az újszülött agyi arterioláknoradrenalinra jelentős vazokonstrikcióval reagálnak

Am J Physiol 258:H1432-H1438

Miről is volt szó eddig? Újszülöttkorban:

CBF

Az agyi vérkeringés szabályozása

Idegi aktivitás

(alacsony) (magas)

CO2

CBF

CBFCBF

METABOLIKUS

NEUROGÉNKÉMIAI

szimpatikus ingerlés

(alkalosis) (acidosis)

Perfúziós nyomás

AUTOREGULÁCIÓ

agyi ECF pCO2

megtartott

kisebb

megváltozott tartomány

fokozott érzékenység

Milyen cerebrovaszkulárisszabályzómechanizmusokműködnek az újszülött keringésben?

Hasonlít v. különbözik a felnőttben tapasztaltakhoz képest?

Vazoreaktív transzmitterekújszülött malacban

Busija DW. In: The human brain circulation, Eds: Bevan RD and Bevan JA, pp259-269, Humana Press

Egy érdekes példa: Ach

� Az acetil-kolinkonstriktor hatása muszkarinosreceptorok és TP tromboxánreceptorok közvetítésével jön létre

Wagerle LC and Busija DW: Circ Res 66:824-831

Azért nem minden a prosztanoidokon múlik…

Részben NO ill. prosztanoidfüggő

És azért a nitrogén monoxidról sem szabad megfeledkezni…

� Az endothelialis eredetű NO alárendelt szerepet játszik az újszülöttben a prosztanoid (és EDHF) mechanizmusokhoz képest, de

250 µm

100

120

140

160

5 10 15 20 25

100

120

140

160

min

10 µµµµmol/LNMDA

100 µµµµmol/LNMDA

50 µµµµmol/LNMDA

(µµµµm)

Domoki, F., Perciaccante, J.V., Shimizu, K., Puskar, M., Busija, D.W., and Bari, F; Am J Physiol Heart Circ Physiol 282:H1404-1409, 2002.

NMDA-val kiváltott pia arteriola dilatáció

Simandle, SA., Kerr BA, Lacza, Z., Eckman, DM, Busija, D.W. and Bari, F; Microvasc Res 70:76-83, 2005

Az NMDA nem vazoaktív izolált agyi ereken

Pia

l a

rte

rio

lar

dia

me

ter

( µµ µµm

)

100

120

140

L-NNA beforeL-NNA after

base 0,1 1 10 µµµµmol/L NMDA

* *

base 100

7-NI before

7-NI after*

Meng et al., Stroke 26:857–862. 1995; Bari et al. J Cereb Blood Flow Metab 16: 1158–1164, 1996

Az nNOS gátlók csökkentik az NMDA-valkiváltott vazodilatációt

NO

x-l

evels

(

µµ µµm

ol/L

) in

aC

SF

2

4

6

base 100 µ µ µ µm ol/L NM D A

*

Domoki, F., Perciaccante, J.V., Shimizu, K., Puskar, M., Busija, D.W., and Bari, F; Am J Physiol Heart Circ Physiol 282:H1404-1409, 2002.

Az NMDA fokozza az NO metabolitok aCSF koncentrációját

Busija, D.W., Bari, F., Domoki, F., and Louis, T., Brain Res Rev 56:89-100, 2007

Az NMDA-val kiváltott vazodilatáció mechanizmusa

Miről volt szó eddig?� Az érett újszülött agy rezisztenciaerei lényegében az

összes fontos vazoaktív mediátor-rendszer tagjaival szemben már érzékenyek.

� Az Ach az újszülöttben konstriktor� A prosztanoidok kitüntetett fontos közvetítő szerepet

játszanak a vaszkuláris hatásokban újszülöttkorban: dilatátor, konstriktor, permisszív szerepet is betölthetnek.

� Az endotheliumból származó NO kevésbé jelentős, de a parenchymából felszabaduló fontos szerepet játszik

HipoxiásHipoxiás--iszkémiásiszkémiás enkefalopátiaenkefalopátia(HIE)(HIE)

� A központi idegrendszer perinatális időszakban kialakuló károsodása az agyi oxigén és/vagy vérellátás zavarát követően, jellemzően ÉRETT újszülöttekben.

� Incidencia a fejlett országokban: 1-8/1000 élveszülés� WHO becslések szerint világszerte, évente kb. 2 millió

halvaszületés/csecsemőhalál oka, további 1.1 millió súlyos fogyatékosságokkal túlélő gyermek.

� Anyagiak: a CDC adatai szerint az USA-ban a HIE kezelés költségei évente mintegy 5,5 milliárd USD-ttesznek ki, a „life-long costs” ennek mintegy duplájára becsült.

� Ugyanakkor, a kis „fizetőképes” kereslet és a nagy beruházásigény miatt a gyógyszergyári kutatás számára a terület nem vonzó.

� A HIE kutatásában a közfinanszírozott célzott alapkutatásnak kulcsszerepe van.

Hamel E., J Appl Physiol 100: 1059–1064, 2006

A A neurovaszkulárisneurovaszkuláris egységegység

� Az idegsejtek anyagcsereigényeihez illesztett véráramlást egy összetett kiszolgálószemélyzet, az ún. neurovaszkulárisegység alakítja.

� A HIE neuronkárosodásmechanizmusában a neurovaszkulárisegység diszfunkciójajelentős szerepet játszhat.

A A neurovaszkulárisneurovaszkuláris egység egység integritását a integritását a hipoxia/iszkémiahipoxia/iszkémia--szenzitívszenzitív cerebrovaszkuláriscerebrovaszkulárisválaszokkal lehet vizsgálniválaszokkal lehet vizsgálni

� NMDA-val kiváltott vazodilatáció(neuronális-vaszkuláris reakció)

� Hiperkapniával kiváltott vazodilatáció(cerebrovaszkuláris válasz, endotél-függő)

Lenti et al. Brain Res 1283:50-57

éértrtáággííttóó stimulusstimulus éértrtáággííttóó stimulusstimulus

RRR

CSFCSF CSFCSF

III

PACAP38PACAP38

mműűttéétt

� I: 10 perc iszkémia, R: 1 óra reperfúzió

� PACAP: pituiter adenilátcikláz aktiváló peptid

� VIP: Vazoaktívintesztinális polipeptid

� A VIP csak a hiperkapniára adott érválaszt védi meg, míg a PACAP mindkét stimulussal szembeni érválaszt megvédi

Különböző protektív előkezelésekkel az akut károsodás kivédhető

A HIE azonban két „hullámban” A HIE azonban két „hullámban” okoz okoz neuronálisneuronális károsodástkárosodást

Busija, D.W., Meng, W., Bari, F., McGough, P.S., Errico R.A., Tobin, J.R., and Louis, T.M. : Am. J. Physiol. 270:H1225-1230, 1996.

Pia

art

eri

ola

tág

ula

t(%

)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Alap1 h 2 h 4 h

Poszt-Iszkémia

10-4 mol/L NMDA

∗

Neurovaszkuláris funkció

?6 h 24 h 72 h

HI stresszMásodlagos energiaháztartás

zavar, apoptózisAkut neuronális

károsodás

Kísérleti protokollKísérleti protokoll

85 µm 135 µm

Előkészítés

2,1 % H2,1 % H22

(4h)(4h)

ASZFIXIA

(8 min)

Kontroll (n=9)

Aszfixia (n=9)

Aszfixia+H2 (n=9) 24 óra túlélést követően

10-5 M

NA

10-4 M

NA

5 %

CO2

10 %

CO2

10-5 M

NMDA

10-4 M

NMDA

Érreaktivitásvizsgálata

Monitorizált fiziológiai paraméterek• maghőmérséklet

• O2 szaturáció

• vérnyomás

• aEEG

• vérgáz, glükóz (minden 4h)

• intubálás

• vénabiztosítás

• antibiotikumok

idő (perc)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

feszültség (

µV

)

0

10

20

30

40

50

AszfixiaAszfixia hatása az hatása az aEEGaEEG--rere

Lélegeztetés felfüggesztése!

*

0

-10

-20

-30

-40

-50

*

†

50

40

30

20

10

0

Control

Asphyxia

Asphyxia+H2

A B

C D

Pia

lart

erio

lar

dila

tio

n(%

of

bas

elin

e)P

iala

rter

iola

rd

ilati

on

(% o

fb

asel

ine)

Pia

lart

erio

lar

dila

tio

n(%

of

bas

elin

e)P

iala

rter

iola

rd

ilati

on

(% o

fb

asel

ine) 50

40

30

20

10

0

10 µM 100 µM 10 µM 100 µM 10 µM 100 µM

NMDA

1 µM 10 µM 1 µM 10 µM 1 µM 10 µM

SNP

10 µM 100 µM 10 µM 100 µM 10 µM 100 µM

NE

5% 10% 5% 10% 5% 10%

CO2

*

†*

A viszonylag enyhe mértékű idegsejtkárosodás miatt a hidrogén hatékonyságát nem tudtuk kimutatni

* *

*

*†

* ** *

*

25

20

15

10

5

0

Per

cen

tage

of

red

neu

ron

s(%

)

Control

Asphyxia

Asphyxia+H2

Frontal Parietal Temporal CA1 Cerebellum Med.obl.

Mivel 8 percnél hosszabb tracheaokklúzió nem volt kivitelezhető, új modell után néztünk…

A

C

D

F

B E

1 2 3 4

60

80

100

120

140

1 2 3 4

60

80

100

120

140

2 4 6 8 10 12 14 16

50

100

150

200

250

2 4 6 8 10 12 14 16

0

50

100

150

200

250

2. BCAO

3. BCAO1. BCAO

Asph.

ReventHypoxia

KCl

B

C A

D

normoxia hypoxia

Pa

rench

ym

alp

erf

usio

n

(% o

fba

se

line

va

lues)

Pa

rench

ym

alp

erf

usio

n

(% o

fp

reocclu

sio

nva

lue

s)

time (min)

Time (min)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130

Rela

tive C

oB

F c

han

ges (

%)

0

10

2080

100

120

140

160

B1 5%10%

R1 B2 B2W1 -3 W2-4 B4 5%10%

R2 + Rel.

CO2CO2NMDA

Eredeti felvétel: parenchymálisérválasz hiperkapniára és NMDA-ra

2nd HIE model: 20 min asphyxiawith by ventilation of a 6%O2-20% CO2 gas mixture� based on many preliminary experiments tooptimize FiO2 and asphyxia duration

� Introducing single-use cartridge based bloodgas analyzer (EPOC®) that yields alsoelectrolytes and metabolites (glucose, lactate)

� introducing multi-channel EEG (Nicolet®) designed for neonatology

� introducing brain interstitial pH measurements using ion-sensitivemicroelectrodes

20 perc aszfixia: 6%O2- 20% CO2 lélegeztetéssel, hemodinamika és kérgi mikrocirkuláció

Me

an

art

eri

al b

loo

d p

res

su

re (

mm

Hg

)

50

60

70

80

90

100

110

120

Sa

tura

tio

n O

2 (

%)

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Time (min)

0 5 10/0 5 10 15 20/0 5 10

Hea

rt r

ate

(1

/min

)

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

Baseline Room air6% O2, 20% CO

2, RR=15 1/min

Aszfixia (min)

Time (min)

0 5/0 5 10 15 20/0 5 10

Re

lative C

oB

F c

han

ges (

%)

60

80

100

120

140

160

180

200

220Baseline Room air6% O

2, 20% CO2, RR=15 1/min

Aszfixia (min)

20 perc aszfixia 8 perc aszfixia

pH

6,6

6,7

6,8

6,9

7,0

7,1

20 perc aszfixia 8 perc aszfixia

PC

O2 (H

gm

m)

60

80

100

120

Súlyosabb acidózis, hiperkapnia és hiperglikémia jött létre

20 perc aszfixia 8 perc aszfixia

Glü

kóz (

mm

ol/l)

2

4

6

8

10

12

20 min 8 minasphyxia

20 min 8 minasphyxia

20 min 8 minasphyxia

Súlyosabb idegsejtkárosodásjött létre

Σ h

isto

path

olo

gy s

core

s

0

5

10

15

20

25

30

35

40

% o

f dam

aged n

euro

ns

0

20

40

60

80

100

CA1 CA3 Basalganglia

ASPH (8 min)

ASPH (20 min)

Cerebral cortex

*

Asp

hyxia

Perf

usio

n f

ixation,

bra

in h

arv

est

Anaesthesia, intubation,

instrumentation,

randomisation

CTR

ASPH

ASPH+H2

LSCI

Survival time (h)

n=7

n=7

n=7

n=5

Ventillation: 21% O2, balance N2, RR: 30-35 1/min, PIP: 120-135 mmH2O, 2-3 l/min

Arterial blood samples:

- pH, pO2, pCO2

- glucose

Continuously monitored:

- core temperature

- HR, ABP

- O2 saturation

- EEG, ECG

21% O2, N2

2.1% H2

B A 0,5 1 4 8 12 16 20 24

Megismételtük a H2 hatását célzó vizsgálatot a súlyosabb HIE modellben

ScoreMorphology of

cortical damage

Ratio of the most

severe pattern per

area

0 No damage

1

Scattered

<20 %

2 21-50%

3 50%<

4

Grouped

<20 %

5 21-50%

6 50%<

7

Panlaminar

<20 %

8 21-50%

9 50%<0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

††† §§†§

§

Temporal Parietal Occipital Frontal

His

tolo

gysc

ore

s

CTR ASPH ASPH+H2

Par

ieta

lco

rtex

A B C

† vs. time CTR, § vs. ASPH+H2ANOVA on Ranks, p<0.05

CTRASPHASPH+H2

Thal

amu

sC

A1

CA

3

D E F

G IH

J LK

M N O

Bas

algg

l.

CTR ASPH ASPH+H2

† vs. time CTR, § vs. ASPH+H2

ANOVA on Ranks, p<0.05

CTRASPHASPH+H2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Cerebellu

m

Basal ganglia

Thalamus

CA1CA3

†§

†§

†§

†§

†§

His

tolo

gysc

ore

s

ÖsszefoglalásÖsszefoglalás

� HI stressz után 24 órával jelentős neurovaszkulárisdiszfunkció figyelhető meg.

� A neurovaszkuláris egység működészavara kiterjed mind a tisztán cerebrovaszkuláris, mind a neurovaszkuláris regulációs mechanizmusokra.

� A korai reventilációs időszakban (klinikai transzlációs körülmények között) alkalmazott H2 kezelés mérsékli a késői neurovaszkuláris károsodásokat, és a neuronális károsodást.

� További vizsgálatok szükségesek a H2 hatásmechanizmusának megállapítására

� Az aszfixiás újszülöttek reszuszcitációjakor alkalmazott gázkeverékhez adott H2 neuroprotektív hatású lehet.