Kliniknahe Therapiestudien

Evaluierung therapeutischer Substanzen beim transienten Schlaganfall im Schaf

MRT-Aufnahme eines akuten Schlaganfalls beim Schaf, grüne Bereiche vermindert oder gar nicht perfundiert (A) und Dar­stellung der entsprechenden Hirnlamelle nach TTC-Färbung, rote Bereiche vitales Gewebe, weiße Bereiche abgestorbenes Gewebe (B)
© Fraunhofer IZI

MRT-Aufnahme eines akuten Schlaganfalls beim Schaf, grüne Bereiche vermindert oder gar nicht perfundiert (A) und Dar­stellung der entsprechenden Hirnlamelle nach TTC-Färbung, rote Bereiche vitales Gewebe, weiße Bereiche abgestorbenes Gewebe (B)

Das menschliche Gehirn benötigt eine Blutversorgung von 80 ml / 100 g Hirngewebe und Minute. Bei schwerwiegenden Störungen des Blutflusses in umschriebenen Hirn­anteilen, zum Beispiel durch den Verschluss einer Hirnarterie, kann es dort zu massiven Funktions- und Gewebeverlusten kommen: Ein Schlaganfall tritt ein. Hirnareale, die komplett von der Blut- und damit Sauerstoffversorgung abgeschnitten sind, sterben innerhalb kürzester Zeit ab. Bei zeitnaher Wieder­herstellung einer Sauerstoffversorgung kann das betroffene Hirngewebe aber vor dem Untergang gerettet werden. Somit ist die zügige und anhaltende Anreicherung von Sauerstoff im geschädigten Gebiet entscheidend, um für den betroffenen Patienten eine möglichst nachhaltige Ver­besserung herbei­zuführen. Aufgrund der zeitlichen Limita­tionen (4,5 Stunden) und Kontraindikationen der derzeit verfügbaren Therapieoptionen des Schlaganfalls mit Wieder­eröffnung des Gefäßes werden derzeit nur ca. 30 Prozent aller Schlaganfall­patienten optimal behandelt.

Die Omniox Inc. und das Fraunhofer IZI haben sich das Ziel gesetzt, diese Situation durch ein neues Therapiekonzept zu verbessern. Es basiert auf einem Verfahren, bei dem der Sauer­stoffgehalt im minderperfundierten Gewebe bereits frühzeitig gezielt erhöht wird und somit das Zeitfenster für eine Wiedereröffnung des verschlossenen Blutgefäßes ver­längert und das vom Schlaganfall betroffende Gebiet ver­ringert werden kann. Anhand von aussagekräftigen Modellsystemen sollen sowohl die Sicherheit als auch die Wirksamkeit des Verfahrens überprüft werden. Hierbei werden unter anderem spezielle Bildgebungsverfahren zur ortsbezogenen Darstellung der Blutversorgung sowie Diffusion­vorgänge und damit der Sauerstoffversorgung des Gehirns in Kooperation mit der Klinik und Poliklinik für Nuklear­medizin der Universität Leipzig durchgeführt. Auf Basis dieser Untersuchungen kann das Konzept dann entsprechend evaluiert und die Entwicklung eines Therapeutikums vorangetrieben werden.

Externe Partner
Abteilung für Nuklearmedizin, Universitätsklinikum Leipzig
Omniox Inc.

Referenzprojekt: Autologe Knochenmarktransplantation nach Schlaganfall im Großtiermodell

Unlängst gelang die Etablierung eines Therapieprotokolls für den ischämischen Schlaganfall auf Basis stammzellhaltiger Knochenmarkspopulationen. Nach erfolgreichen Vorversuchen in unseren Rattenmodellen wurde das Therapieprotokoll auf das Großtier übertragen. Im Schaf erfolgte 24 Stunden nach Induktion eines ischämischen Infarkts durch permanenten Verschluss der mittleren Hirnarterie die Therapie durch intravenöse Gabe autologer Knochenmarkzellen. Eine engmaschige verhaltensphänotypische und bildgebende Überwachung unter Nutzung modernster Untersuchungsroutinen mittels Magnetresonanz- und Positronenemissionstomografie belegten dabei einen Therapieerfolg (Minderung von Infarktgröße und Funktionsausfällen), der später histologisch bestätigt werden konnte. Die Bildgebung wurde mit Partnern an der Universität Leipzig durchgeführt.

Externe Partner
Abteilung für Nuklearmedizin, Universitätsklinikum Leipzig
Abteilung Neuroradiologie, Universitätsklinikum Leipzig
Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig
Vita 34

Steigerung der zerebralen Blutversorgung nach ischämischem Schlaganfall

Coronal (links), sagitale (Mitte) und transversale (rechts) Aufnahmen eines Schafgehirns mit 3D T1 MRT (oben) und 15O-H2O PET (mitte) sowie die überlagerten Aufnamen (unten).
© Fraunhofer IZI

Coronal (links), sagitale (Mitte) und transversale (rechts) Aufnahmen eines Schafgehirns mit 3D T1 MRT (oben) und 15O-H2O PET (mitte) sowie die überlagerten Aufnamen (unten).

Trotz der Einrichtung von spezialisierten Einheiten in Krankenhäusern (stroke units) bleiben nach einem Schlaganfall für die Rettung von verbliebenem Hirngewebe (Penumbra) nur wenige Stunden. Durch die selektive Steigerung der zerebralen Blutversorgung könnten die zerebralen Schäden vermindert werden. Unter praxisnahen Bedingungen wurde daher ein inhalatives Neuroprotektivum am Großtier Schaf getestet. Nach Verschluss der mittleren Hirnarterie in erwachsenen Tieren entwickelte sich ein Schlaganfall. Innerhalb der darauffolgenden 4,5 Stunden erfolgte eine funktionelle Verlaufsuntersuchung der zerebralen Blutversorgung mit und ohne Therapie durch modernste Bildgebung (Positronen-Emissions-Tomographie und Magnet-Resonanz-Tomographie) zusammen mit unseren Kooperationspartnern. Es konnte gezeigt werden, dass während der Inhalation mit dem Neuroprotektivum der zerebrale Blutfluss in der Penumbra selektiv gesteigert und damit das potenziell rettbare Hirngewebe vergrößert werden kann.

Externe Partner
Abteilung für Nuklearmedizin, Universitätsklinikum Leipzig
Abteilung Neuroradiologie, Universitätsklinikum Leipzig
Walter-Brendel-Zentrum für Experimentelle Medizin, Universität München
Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig

Markierung und Relokalisation von ovinen mesenchymalen Stammzellen mittels Very Small Superparamagnetic Iron oxide particles (VSOP)

Eisenfärbung mit Berliner-Blau Methode (links) und 3T MRT (rechts)
© Fraunhofer IZI

Eisenfärbung mit Berliner-Blau Methode (links) zeigt die Inkooperation der VSOP-Partikel (blau) in die ovinen MSC (rot, Gegenfärbung mit Eosin). Diese führen im 3T MRT (rechts) zu einer umschriebenen Signalauslöschung (roter Kreis).

In verschiedenen präklinischen Studien konnte die Effektivität einer Transplantation mesenchymaler Stammzellen (MSC) nach Schlaganfall gezeigt werden. Kenntnisse hinsichtlich der Wirkungsweise dieser therapeutischen Option sind jedoch bis heute limitiert. In der vorliegenden Studie wurde daher für MSC aus Schafen ein Markierungsprotokoll mit VSOP entwickelt, mit dem Ziel, die autolog transplantierten Stammzellen im lebenden Organismus mit Hilfe der Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) zu lokalisieren. Nach Bestimmung der Vitalität und Markierungsintentsität wurden in Schafen verschiedene Mengen an VSOP markierten Stammzellen stereotaktisch, intrazerebral transplantiert und die Grenze der Nachweisbarkeit mittels 3T MRT (Siemens) sowie histologischen Methoden bestimmt. Im weiteren Versuchablauf werden die autologen, mit VSOP markierten MSC aus Knochenmark nach Schlaganfall eingesetzt, um deren Migrationsverhalten unter pathologischen Bedingungen zu untersuchen.

Externe Partner
Abteilung Neuroradiologie, Universitätsklinikum Leipzig
Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig
Institut für analytische Chemie, Universität Leipzig
Institut für Diagnostische Radiologie und Neuroradiologie, Ernst Moritz Arndt Universität Greifswald
Institut für Neurowissenschaften, Technische Universität München

Schlaganfalltherapie mit NSC: Untersuchungen im Großtiermodell

Darstellung der Fasern des Gehirns (T1 MRT) nach Schlaganfall durch Fibertracking im 3D rekonstruierten Gehirn
© Fraunhofer IZI

Darstellung der Fasern (rot, DTI MRT) des Gehirns (T1 MRT) nach Schlaganfall (helle Bereiche, DWI MRT) durch Fibertracking im 3D rekonstruierten Gehirn.

Ziel des Versuchsvorhabens ist es, die Effektivität von neuronalen Stammzellen (die vor dem Stichtag 2007 gewonnen wurden) nach zerebraler Ischämie im Großtiermodell Schaf unter Berücksichtigung relevanter Mechanismen im Zeitverlauf zu überprüfen. Vor dem Hintergrund einer angestrebten humanmedizinischen Anwendung in der Regenerativen Medizin wurden diese GMP-konform hergestellten Zellen der humanen neuralen Zelllinie gemäß den Kriterien der Food and Drug-Association (FDA, USA) unter GMP-Konditionen von der Arbeitsgruppe um den Neurochirurgen Prof. Gary Steinberg in Stanford (Palo Alto, Kalifornien, USA) in verschiedenen Kleintiermodellen charakterisiert. Das Projekt soll die Fragestellungen der therapeutischen Effizienz einer lokalen, neuralen Stammzelltransplantation im Großtiermodell Schaf eruieren, die Sicherheit der Anwendung nach lokaler Applikation auch über lange Zeiträume im gyrenzephalen Gehirn überprüfen und die Umsetzbarkeit eines individualisierten (d.h. speziell für das vorliegende Infarktbild) zugeschnittenen Behandlungsprotokolls durch (stereotaktischen) Applikation der Zellen validieren.

Externe Partner
Stanford University, Kalifornien, USA
Translationszentrum für Regenerative Medizin (TRM) Leipzig, Universität Leipzig
Abteilung für Nuklearmedizin, Universitätsklinikum Leipzig
Abteilung Neuroradiologie, Universitätsklinikum Leipzig
Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig

Evaluierung eines Ultraschallverfahrens zur Diskriminierung von akuten zerebralen Ischämien und Hirnblutungen im Schafmodell

T2-gewichtete MRT-Aufnahme einer Hirnblutung in der rechten Hemisphäre
© Fraunhofer IZI

T2-gewichtete MRT-Aufnahme einer Hirnblutung in der rechten Hemisphäre. Diese dient neben dem Ischämiemodell als Referenzobjekt für den Ultraschall.

Die derzeit einzig anerkannte Therapieoption eines ischämischen Schlaganfalls bietet die Rekanalisation der verlegten Gefäße mittels Thrombolyse durch rtPA-Applikation. Der dafür zur Verfügung stehende Behandlungszeitraum ist auf 4,5 Stunden begrenzt, was die Erfolgschancen der Thrombolyse stark limitiert.

Neben der allgemeinen Diagnostik eines Schlaganfalls muss eine genaue Charakterisierung zum Ausschluss einer Hirnblutung (strenge Kontraindikation) stattfinden. Gegenwärtig ist dazu eine zeitaufwendige Bildgebung (u.a. MRT, CT) notwendig, die meist nur in spezialisierten Kliniken zur Verfügung steht.

Ein neuartiges Ultraschallverfahren soll im Großtiermodell evaluiert werden, um im Akutstadium am Patienten eine eindeutige und schnelle Differentialdiagnose zu ermöglichen. Nach Bestimmung der Sensitivität und Effektivität des zu prüfenden Verfahrens soll deren sichere Anwendung dargestellt werden.

Das im eigenen Hause vorhandene Schlaganfallmodell am Schaf dient als Grundlage der Studie. Zur schonenden Umsetzung eines Blutungsmodells wurde eine MRT-basierte Stereotaxie-Technik etabliert. Eine im Vorfeld durchgeführte Machbarkeitsstudie belegt bereits die Eignung der gewählten Modelle und Verfahren.

Externer Partner
SONOVUM AG