Weltweit erleidet einer von vier Erwachsenen über 25 Jahren im Laufe seines Lebens einen Schlaganfall, und 75 Prozent dieser Menschen haben dauerhafte Defizite in der motorischen Kontrolle ihrer Arme und Hände, was ihre körperliche Unabhängigkeit stark einschränkt.
ÜBERSICHT
Rückenmarkstimulation nach Schlaganfall
Ein spezielles Verfahren, bei dem das Rückenmark stimuliert wird, verbessert sofort die Beweglichkeit von Arm und Hand, so dass Menschen mit einem mittelschweren bis schweren Schlaganfall leichter ihren normalen täglichen Aktivitäten nachgehen können, berichten Forscher der University of Pittsburgh und der Carnegie Mellon University in der Fachzeitschrift Nature Medicine.
- Mit Hilfe von zwei dünnen Metallelektroden, die am Hals entlang geführt werden, können Schlaganfallpatientinnen und -patienten zum ersten Mal seit Jahren wieder ihre Faust vollständig öffnen und schließen, ihren Arm über den Kopf heben oder mit einem Besteck ein Steak schneiden.
Die Forschenden fanden heraus, dass die elektrische Stimulation bestimmter Regionen des Rückenmarks es den Patientinnen und Patienten ermöglicht, ihren Arm in einer Weise zu bewegen, die ohne Stimulation nicht möglich wäre.
- Das Video zeigt, wie durch elektrische Stimulation des Rückenmarks die Beweglichkeit von Armen und Händen nach einem schweren Schlaganfall wiederhergestellt werden kann.
Vielleicht noch interessanter ist laut Dr. Marco Capogrosso, Assistenzprofessor für neurologische Chirurgie an der Pitt University, die Tatsache, dass einige dieser Verbesserungen nach einigen Wochen der Anwendung auch dann erhalten bleiben, wenn die Stimulation abgeschaltet wird, was wiederum vielversprechende Möglichkeiten für die Zukunft der Schlaganfalltherapie eröffnet.
- Auf der Grundlage jahrelanger präklinischer Forschung konnten die Wissenschaftler ein praktisches, einfach zu handhabendes Stimulationsprotokoll entwickeln, das bestehende, von der FDA zugelassene klinische Technologien adaptiert und leicht in die klinische Praxis überführt werden kann.
Gegenwärtig gibt es keine wirksame Behandlung für Lähmungen im so genannten chronischen Stadium des Schlaganfalls, das etwa sechs Monate nach dem Ereignis einsetzt.
Nach Ansicht der beteiligten Forschenden der University of Pittsburgh und der Carnegie Mellon University hat die neue Technologie das Potenzial, Menschen Hoffnung zu geben, die mit bleibenden Behinderungen leben.
- Selbst leichte Defizite nach einem Schlaganfall können zu einer großen Belastung werden, wobei motorische Beeinträchtigungen in Armen und Händen besonders belastend sind und einfache alltägliche Aktivitäten wie Schreiben, Essen und Anziehen behindern.
Bei der Rückenmarkstimulation werden Elektroden auf der Oberfläche des Rückenmarks angebracht, um elektrische Impulse abzugeben, die die Nervenzellen im Rückenmark aktivieren.
Diese Technologie wird bereits zur Behandlung starker und anhaltender chronischer Schmerzen eingesetzt. Darüber hinaus haben mehrere Forschungsgruppen weltweit gezeigt, dass die Rückenmarkstimulation zur Wiederherstellung der Beweglichkeit der Beine nach einer Rückenmarksverletzung eingesetzt werden kann.
Komplexität der Arm- und Handsteuerung durch neuronale Signale
Die besondere Geschicklichkeit der menschlichen Hand in Verbindung mit dem großen Bewegungsumfang des Armes im Schulterbereich und die Komplexität der neuronalen Signale, die Arm und Hand steuern, stellen jedoch eine weitaus größere Herausforderung dar.
Nach jahrelanger umfangreicher präklinischer Studien mit Computermodellierung und Tierversuchen an Makakenaffen mit partieller Armlähmung erhielten die Forschenden der University of Pittsburgh und der Carnegie Mellon University die Genehmigung, diese optimierte Therapie am Menschen zu testen.
Nach Angaben von Douglas Weber, Professor für Maschinenbau am Neuroscience Institute der Carnegie Mellon University, senden die sensorischen Nerven in Arm und Hand Signale an die motorischen Neuronen im Rückenmark, die die Muskeln der Gliedmaßen steuern.
Durch die Stimulation dieser sensorischen Nerven kann die Aktivität von Muskeln, die durch einen Schlaganfall geschwächt wurden, wieder erhöhen.
Entscheidend ist den Studienautoren zufolge, dass der Patient die volle Kontrolle über seine Bewegungen behält: Die Stimulation ist unterstützend und verstärkt die Muskelaktivität nur dann, wenn der Patient versucht, sich zu bewegen.
- In einer Reihe von Tests, die auf die einzelnen Patienten zugeschnitten waren, konnten die Probanden mit Hilfe der Stimulation Aufgaben unterschiedlicher Komplexität ausführen, vom Bewegen eines hohlen Metallzylinders über das Greifen von Alltagsgegenständen wie einer Dose Tomatensuppe bis hin zum Öffnen eines Schlosses.
Die klinische Auswertung der Forschungsergebnisse zeigte, dass die Stimulation der Halswirbelnervenwurzeln die Kraft, den Bewegungsumfang und die Funktion von Arm und Hand unmittelbar verbessert.
Die Wirkung der Stimulation scheint länger anzuhalten als ursprünglich angenommen und hält auch nach dem Entfernen des Geräts an, was darauf hindeutet, dass es sowohl als Hilfsmittel als auch als Rehabilitationsmethode für die oberen Gliedmaßen eingesetzt werden könnte.
Tatsächlich ermöglichen die unmittelbaren Auswirkungen der Stimulation ein intensives körperliches Training, das wiederum zu noch stärkeren langfristigen Verbesserungen führen könnte, als dies ohne Stimulation der Fall wäre.
Die Forscherinnen und Forscher nehmen weitere Studienteilnehmer auf, um herauszufinden, welche Patientinnen und Patienten am meisten von dieser Therapie profitieren und wie die Stimulationsprotokolle für die verschiedenen Schweregrade optimiert werden können.
Ziel für Schlaganfalltherapie in der Blut-Hirn-Schranke entdeckt
Wissenschaftler in Japan und den Vereinigten Staaten haben einen weiteren Mechanismus für den Abbau der Blut-Hirn-Schranke im Gehirn nach einem Schlaganfall identifiziert, bei dem Acrolein-induzierte Veränderungen der Proheparanase eine Rolle spielen.
- Auf der Grundlage dieser Entdeckung könnten neue und wirksamere Wirkstoffe zur Behandlung von Schlaganfallerkrankungen entwickelt werden. Bildnachweis: Toubibe von Pixabay
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist eine Struktur, die das Gehirn umgibt und verhindert, dass unnötige zirkulierende Zellen und Biomoleküle in das Gehirn eindringen. Die Blutgefäße der Blut-Hirn-Schranke sind mit einer ausgeprägten und schützenden Zuckerschicht, der sogenannten endothelialen Glykokalyx, ausgekleidet, die das Eindringen dieser Stoffe verhindert.
Im Falle eines Schlaganfalls, bei dem Blutgefäße im Gehirn blockiert oder durchtrennt werden, haben Untersuchungen gezeigt, dass diese Glykokalyx und damit die Integrität der Blut-Hirn-Schranke beeinträchtigt wird. Außerdem führt die Schädigung der Blutgefäße zum Absterben von Nervenzellen und zur Bildung toxischer Nebenprodukte wie Acrolein.
In der Studie, die im Journal of Biological Chemistry veröffentlicht wurde, haben die Wissenschaftler um Dr. Higashi erstmals einen möglichen Mechanismus identifiziert, der die Akkumulation von Acrolein mit Veränderungen der Glykokalyx in Verbindung bringt, die zu einer Schädigung der Blut-Hirn-Schranke (BHS) führen.
- Um die Mechanismen hinter dem Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke (BHS) im Detail zu untersuchen, nutzten die Forscher sowohl Schlaganfallmodelle an Mäusen als auch in vitro („im Labor“) Experimente mit zerebralen Kapillarendothelzellen.
Zunächst stellten die Wissenschaftler fest, dass die wichtigsten Zucker der Glykokalyx, Heparansulfat und Chondroitinsulfat, in der „hyperakuten Phase“ nach einem Schlaganfall erniedrigt sind. Außerdem wurde eine erhöhte Aktivität von Glykokalyx-abbauenden Enzymen wie Hyaluronidase 1 und Heparanase festgestellt. Weitere In-vitro-Untersuchungen an Zelllinien zeigten, dass die Exposition gegenüber Acrolein zu einer Aktivierung der Heparanase-Vorstufe (proHPSE) führt.
Insbesondere zeigte sich, dass das Acrolein bestimmte Aminosäuren in der Struktur der proHPSE veränderte und sie dadurch aktivierte. Die Forscher schlossen daraus, dass dieser Mechanismus zum Abbau der Glykokalyx und damit zur Störung der Blut-Hirn-Schranke (BHS) führen könnte.
- Die Entdeckung des Teams ist von entscheidender Bedeutung, da das durch Acrolein modifizierte proHPSE ein neuartiger und potenziell wirksamer Angriffspunkt für Medikamente gegen Entzündungen nach einem Schlaganfall sein könnte.
- Die Wissenschaftler hoffen, dass die weitere Erforschung dieses Mechanismus zu wirksameren Therapien gegen Schlaganfallerkrankungen führen wird.
Wie die Darmsanierung die Gehirnfunktion nach einem Schlaganfall rettet
Schlaganfälle sind eine der Hauptursachen für Tod, Demenz und schwere Langzeitbehinderungen. Nach Angaben der American Heart Association haben Schlaganfallpatientinnen und -patienten auch ein erhöhtes Risiko für Depressionen, die sich negativ auf die funktionelle und kognitive Erholung auswirken.
Das wichtigste von der Food and Drug Administration (FDA) für die Behandlung von Schlaganfällen zugelassene Medikament, ein rekombinanter Gewebeplasminogenaktivator, muss innerhalb einer bestimmten Zeit nach Beginn des Schlaganfalls verabreicht werden und ist nur begrenzt wirksam.
Um die Ergebnisse der Schlaganfall-Behandlung zu verbessern, untersuchen Wissenschaftler der Texas A&M University School of Medicine den Zusammenhang zwischen der durch den Schlaganfall verursachten Durchlässigkeit des Darms und kognitiven Beeinträchtigungen.
Die Wissenschaftler der Texas A&M University untersuchten in ihrer Studie, ob die Transplantation von intestinalen epithelialen Stammzellen (intestinal epithelial stem cells, IESCs) von gesunden Spendern die Darmbarriere nach einem Schlaganfall regenerieren (wiederherstellen) und die Folgen eines Schlaganfalls verbessern kann.
Die Ergebnisse der präklinischen Studie, die in der Fachzeitschrift Brain, Behavior and Immunity veröffentlicht wurden, zeigen, dass die IESC-Transplantation die durch den Schlaganfall verursachte Sterblichkeit reduziert, das Volumen des abgestorbenen Gewebes und die Undichtigkeit des Darms verringert und die durch den Schlaganfall verursachte kognitive Beeinträchtigung verhindert.
- Zwei Drittel der Schlaganfallpatienten und -patientinnen entwickeln eine kognitive Beeinträchtigung und ein Drittel aller Schlaganfallpatienten und -patientinnen erkranken später an Demenz.
Obwohl sich die herkömmliche Schlaganfallforschung auf das Gehirn konzentriert, reagiert der Darm früh und schnell auf einen Schlaganfall mit Veränderungen, die vielen Entzündungsprozessen im Zusammenhang mit einem Schlaganfall vorausgehen können.
Diese Veränderungen im Darm, wie beispielsweise eine erhöhte Durchlässigkeit, führen wahrscheinlich dazu, dass Produkte, die im Darm synthetisiert werden, in den Blutkreislauf gelangen.
- Viele dieser Produkte sind toxisch und daher in der Lage, die Entzündung zu verstärken und die durch den Schlaganfall verursachte Hirnschädigung zu verschlimmern.
Verschiedene wissenschaftliche Studien zeigen, dass intestinale epitheliale Stammzellen den Darm reparieren und die Darmpermeabilität verringern. Nach einem Schlaganfall können diese Reparaturprozesse entscheidend für den Erhalt der kognitiven Funktionen sein.
Die Darm-Hirn-Achse ist nach Aussage von Dr. Farida Sohrabji, Regents-Professorin und Hauptautorin der Studie, zweifellos an der Schädigung nach einem Schlaganfall beteiligt.
Die Berücksichtigung der Auswirkungen der Darmgesundheit auf das Gehirn nach einem Schlaganfall könnte es den Forschern ermöglichen, Schlaganfalltherapien effektiver zu gestalten.
Vor diesem Hintergrund transplantierten Sohrabji und ihr Team primäre intestinale epitheliale Stammzellen (IESC) von gesunden Spendern nach einem Schlaganfall in ein präklinisches Modell. Die intestinalen epithelialen Stammzellen von jungen Spendern reparierten die Darmarchitektur und verringerten die Darmpermeabilität, wodurch die Blutspiegel von Proteinen und anderen Molekülen, die für Gehirnzellen toxisch sind, sanken.
Die Transplantation von intestinalen epithelialen Stammzellen (IESC)verhinderte auch depressionsähnliche Zustände und kognitive Beeinträchtigungen in den Wochen nach dem Schlaganfall.
- Die IESC-Transplantation von älteren Spendern verbesserte die Schlaganfallergebnisse nicht, was darauf hindeutet, dass eine erfolgreiche Transplantation vom Alter des Spenders abhängt.
Obwohl sich diese Forschung noch im präklinischen Stadium befindet, unterstreicht sie laut Sohrabji die Bedeutung einer frühzeitigen therapeutischen Intervention nach einem Schlaganfall und wird die zukünftige Richtung der Arbeit bestimmen.
Zukünftige Forschungsarbeiten werden sich auf die Verfeinerung der Dosierung und des Zeitpunkts des Protokolls konzentrieren. Eine systematische Untersuchung alternder Stammzellen wäre auch wichtig, um zu erklären, warum ältere Menschen schwerere Schlaganfälle erleiden.
Quellen
- University of Pittsburgh
- Carnegie Mellon University
- Tokyo University of Science
- Texas A&M University
- Marco Capogrosso, Epidurale Stimulation des zervikalen Rückenmarks bei Parese der oberen Extremitäten nach einem Schlaganfall, Nature Medicine (2023). DOI: 10.1038/s41591-022-02202-6 . www.nature.com/articles/s41591-022-02202-6
- Marco Capogrosso, Epidural electric stimulation of the cervical dorsal roots stellt die freiwillige Kontrolle der oberen Extremitäten bei gelähmten Affen wieder her, Nature Neuroscience (2022). DOI: 10.1038/s41593-022-01106-5 . www.nature.com/articles/s41593-022-01106-5
- Kenta Ko et al, Ischemic stroke disrupts the endothelial glycocalyx through activation of proHPSE via acrolein exposure, Journal of Biological Chemistry (2020). DOI: 10.1074/jbc.RA120.015105
- Kathiresh Kumar Mani et al, Intestinal epithelial stem cell transplants as a novel therapy for cerebrovascular stroke, Brain, Behavior, and Immunity (2022). DOI: 10.1016/j.bbi.2022.10.015
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