Hjerneødem ved leversvigt -nyt lys på sygdomsmekanismen
Væskeophobning i hjernen – hjerneødem – er en hyppig dødsårsag ved akut leversvigt. Forhøjede niveauer af ammoniak i blodkredsløbet og tilstødende infektioner synes at være afgørende for sygdomsprocessen. Vi har undersøgt den kombinerede effekt af disse to faktorer i dyreforsøg.
Af Hans Rudolf Pedersen, Fin Stolze Larsen og Helmer Ring-Larsen
Fra Lægemiddelforskning 2007
Leveren opretholder kroppens stofskifte gennem produktion af livsvigtige molekyler samt via omdannelse og nedbrydning af affaldsstoffer, som derpå udskilles via nyrerne eller galden. Dette er baggrunden for, at akut leversvigt fører til udvikling af hjerneødem og leverkoma, hvilket i svære tilfælde kan medføre døden.
I Danmark behandles patienter med akut leversvigt på Rigshospitalets Hepatologiske Intensive Klinik. Behandlingen er igennem de seneste år blevet intensiveret med levererstatningsbehandling eller levertransplantation. Imidlertid hindres nye epokegørende behandlingstiltag af, at vi mangler viden om de patofysiologiske mekanismer, der fører til udvikling af hjerneødem.
To faktorer synes imidlertid at være af afgørende betydning for udviklingen af hjerneødem og forhøjet intrakranielt tryk ved akut leversvigt. For det første sker der en ændring i osmolariteten af hjernens støtteceller, hvilket fører til en ophobning af vand i astrocytterne. For det andet udvides hjernens blodkar, og gennemblødningshastigheden i hjernen stiger.
Når leveren svigter
En normalt fungerende lever sørger for, at ammoniak, som er et nedbrydningsprodukt fra kroppens stofskifte, omdannes til urinstof og udskilles gennem nyrerne. Når leveren svigter, nedsættes denne funktion kraftigt, og det fører til hyperammonæmi. Talrige eksperimentelle studier har vist, at hyperammonæmi som følge af leversvigt er en central del af sygsdomsprocessen bag hjerneødem, og kliniske studier har vist, at forhøjede koncentrationer af ammoniak i arterierne korrelerer med graden af svigtende bevidsthed og leverkoma.
I centralnervesystemet varetager enzymet glutaminsynthetase metaboliseringen af ammonium via omdannelse af glutamat til glutamin. Processen finder sted i astrocytter, og netop en for kraftig ophobning af glutamin i astrocytterne menes at være af afgørende betydning for udvikling af hjerneødem. Det skyldes glutamins osmotiske effekt, som medfører, at vand suges ind i astrocytterne.
Patienter med akut leversvigt har nedsat immunforsvar og udvikler ofte livstruende infektioner, hvilket forringer chancen for overlevelse betydeligt. Den medfølgende systemiske inflammation har en vis effekt på udviklingen af hjerneødem og forhøjet intrakranielt tryk. Årsagen er formentlig, at infektioner kan modulere hjernens blodkar.
- (a): Figuren viser det intra¬kranielle tryk 60 minutter efter infusion af ammoniak (NH3) og lipopolysaccharid (LPS) i rotter (6-7 dyr i hver gruppe). #P<0.01 vs. saltvand (S)+vehicle (V) og NH3+V ; **P<0.01 vs. S+V, NH3+V og S+LPS. (b): Her vises ændrin¬gen i hjernegennemblødnings¬hastighed CBF (%Δ) i forskel¬lige tidsintervaller. **P<0.01 vs. S+V, NH3+V og S+LPS.
- Graferne viser effekten af indomethacin og diclofenac på udviklingen i forhøjet intra¬kranielt tryk (ICP) og ændring i hjernegennemblødningshastighed CBF (%Δ) i rotter, der har modtaget lipopolysac¬charid (LPS) og ammoniak (NH3). *P<0.05 vs. LPS + NH3 + Indomethacin og LPS + NH3 + Diclofenac
Hul gennem blod-hjernebarrieren
I modsætning til de endothelceller, der danner karvæggen i det systemiske kredsløb, er hjernens endothelceller nærmest limet sammen. Limen består af membranproteiner, som binder sig til hinanden, hvorved afstanden imellem endothelcellerne minimeres. Disse tætte forbindelser danner blod-hjernebarrieren, som beskytter hjernen mod toksiner fra blodkredsløbet.
Blod-hjernebarrierens endothelceller er udstyret med receptorer, som aktiveres af signalmolekyler, cytokiner, som frigives af et aktiveret immunsystem. Når cytokinerne binder sig til receptorerne, sker der en opregulering af signalstoffer inde i endothelcellerne. Det påvirker funktionen af de tætte forbindelser mellem cellerne, hvorved blod-hjernebarrieren bliver utæt.
Den kliniske tilstand er kendetegnet ved høje koncentrationer af toksiner i blodet samt af cytokiner, der kan ændre funktionen af blod-hjernebarrieren og påvirke hjernefunktionen. Ændringerne i blod-hjernebarrieren menes således at være en del i udviklingen af hjerneødem og leverkoma ved akut leversvigt.
Hjernens modstandskar, de små arterier, er forsynet med glatte muskelceller, som er placeret uden på endothelcellerne. Muskelcellernes funktion er at kontrollere hjernens gennemblødningshastighed. Når de glatte muskelceller trækkes sammen, formindskes volumen i de små arterier, og en mindre mængde blod kan løbe igennem pr. tidsenhed. De glatte muskler påvirkes af inflammatoriske signalstoffer, så de er mindre tilbøjelige til at trække sig sammen.
Hyperammonæmi og inflammation
Vi har undersøgt den isolerede effekt af hyperammonæmi og systemisk inflammation på udviklingen af forhøjet intrakranielt tryk og forøget gennemblødningshastighed i en dyremodel. Til forsøgene brugte vi rotter, som blev inddelt i grupper med seks dyr i hver gruppe.
Under fuld bedøvelse blev der lagt katetre i vener og arterier i lysken for at måle blodtryk og injicere stoffer intravenøst. Et termometer tilsluttet en termostat blev placeret i bughulen, så rotternes temperatur kunne holdes konstant ved hjælp af en varmepude. Hyperammonæmi blev opnået ved at give rotterne en kontinuerlig infusion af en opløsning af ammoniumacetat. Systemisk inflammation blev induceret ved at give rotterne et stof fra Gram-negative bakteriers cellevæg. Dette lipopolysaccharid er en af de mest potente stimulatorer af immunsystemet.
For at monitorere det intrakranielle tryk blev der via et lille borehul i kraniet lagt et kateter ned i cisterne magna, som er et af hjernens væskefyldte hulrum. Herved kunne trykket i cerebrospinalvæsken måles og overtryk i hjernen påvises. Ændring i hjernens gennemblødningshastighed blev målt ved hjælp af laser-Doppler flowmetry. Ved denne teknik registreres ændringer i gennemstrømningen af røde blodlegemer. Selve målingen blev foretaget i hjernebarken, hvor målesonden blev placeret, igen via et lille borehul i kraniet.
Før indgiften af ammonium og lipopolysaccharid målte vi basisværdier for det intrakranielle tryk og hjernegennemblødningshastigheden samt blodværdier for de centrale blodgasser CO2, O2 og H+. Når disse værdier var stabile, blev forsøget startet ved først at injicere en høj enkeltdosis af lipopolysaccharid (2 mg/kg). Derpå blev den kontinuerlige infusion af ammoniumacetat sat i gang. Målingerne blev foretaget over en periode på 70 minutter, hvorefter forsøget blev stoppet og de sidste blodprøver taget. Efter aflivning af rotterne blev hjernerne nedfrosset i flydende kvælstof og gemt til videre analyse af hjernemetabolitter.
- Forsøgsopstillingen på Afdeling for Eksperimentel Medicin på Rigshospitalet
Bedre behandling af inflammation
Forsøgene viste, at infusion med ammonium i sig selv ikke ændrer det intrakranielle tryk eller gennemblødningshastigheden i hjernen. Derimod kan lipopolysaccharid alene inducere en mindre stigning i begge parametre. Kombinerer man ammonium med lipopolysaccharid medfører det en betydelig stigning i det intrakranielle tryk samt i hjernegennemblødningshastigheden.
For at undersøge mekanismen bag denne effekt fik nogle af forsøgsdyrsgrupperne anti-inflammatoriske stoffer, som hæmmer specifikke enzymer i den inflammatoriske proces. Vi fokuserede især på enzymet cyclooxygenase (COX), der varetager dannelse af prostaglandiner, som både kan modulere blod-hjernebarrieren og gennemblødningshastigheden i hjernen.
Målinger på blod, som blev udtaget fra dyrene ved forsøgets afslutning, viste høje koncentrationer af prostaglandiner i de grupper, der havde modtaget lipopolysaccharid. For at hæmme COX-enzymerne benyttede vi to anti-inflammatoriske stoffer, indomethacin og diclofenac. Begge stoffer modvirkede dannelse af prostaglandiner i blodet, og de reducerede samtidig stigningen i det intrakranielle tryk og gennemblødningshastigheden i de dyr, som både fik ammoniak og lipopolysaccharid.
Vore forsøg viser, at kombinationen af hyperammonæmi og systemisk inflammation har en synergistisk virkning på udviklingen af forhøjet intrakranielt tryk og forøget hjernegennemblødningshastighed i rotter. Eksperimenterne peger på, at prostaglandiner er direkte involveret i patofysiologien ved hjerneødem som følge af akut leversvigt, fordi hæmning af COX-enzymerne med indomethacin og diclofenac modvirkede denne effekt.
Indomethcin er blevet brugt på forsøgsbasis til behandling af forhøjet intrakranielt tryk hos patienter med akut leversvigt. Indomethacin har dog uhensigtsmæssige bivirkninger, bl.a. nedsat nyrefunktion, hvilket ofte gør det vanskeligt at benytte stoffet. En nærmere kortlægning af, hvilke undertyper af COX-enzymer, der er involveret, kan eventuelt åbne op for nye behandlingsstrategier, hvor man anvender mere specifikke COX-hæmmere.
