Hjärnprotektion för nyfödda utopi eller klinisk verklighet Henrik Hagberg Perinatalmedicinskt Centrum, Sahlgrenska Akademin, Göteborg SFOG veckan, Skövde, Augusti, 2008
Fall Väntar sitt första barn, graviditet okomplicerad. Inkommer i värkarbete i 42+0. Livmoderhalsen öppen 7 cm, CTG normalt, 2h senare 9 cm öppningsgrad därefter ingen progress. Värkstimulering med oxytocin men rel snabbt försämras CTG och man får en bradykardi, urakut sectio, ablatio 4490 g; Apgar 1,2,2 ph 6.71; BE: -21 i navelsträngen återupplivning, ingen spontanandning vid 30 min, intubation,, ph 6.59 buffras, 12 h ökad irritabilitet, ökad muskel tonus, EEG: epileptisk aktivitet, multi-organ påverkan, HIE II. MRI (5 dgr ålder) : Skada i basala ganglierna /thalamus med avsaknad av signal i PLIC (korta pilen) Kramper fortfarande efter 8 månader. Sondmatas efter 1.5 åå, utveckling av tetraplegisk Cerebral Pares
Kan man göra någonting för att skydda hjärnan efter asfyxi?
Ablatio > moderkakan lossnar > upphävt/minskat gasutbyte, hypoxi, hypercapni, metabolisk acidos = ASFYXI Hypoxi -> hjärtat sviktar -> minskad perfusion av hjärnan -> HYPOXI ISCHEMI -> högenergifosfater (ATP) sjunker Återupplivning -> gasutbytet återställs -> organperfusionen återställs
Sekundär hjärnskada efter asfyxi Högenergifosfater i hjärnan Penrice et al. Pediatr Res 41: 795,1997 Azzopardi et al. Pediatr Res 25: 445,1989 Gilland et al. J Cereb Blood Flow Metab 18:222,1998 12h 24 h
PET-kamera ( 18F-FDG positron emission tomography) visar att hypermetabolism i hjärnan föregår hjärnskadeutveckling efter asfyxi hyperexcitation? Blennow et al. Acta Paediatr 1995 84(11):1289-1295
Excitotoxicitet glutamat NMDA-receptor Kalcium Calcium NO + Fria ee radikaler radicals proteaser proteases (calpain) (calpains) lipaser lipases mitokondriell mitochondrial dysfunktion dysfunction celldöd
Frisättning av excitatoriska aminosyror i hjärnan efter asfyxi på fårfoster 1 2 43 5 6 3 6 3 e.c. amino acids during asphyxia in fetal sheep SEP cortex striatum * * * CBF ml/(minxg) 1.5 1.0 0.5 Glutamate Aspartate times basal level Hagberg,Andersson, Kjellmer, Thiringer, Thordstein. Neurosci Lett 78:311-317.1987 12 10 8 6 4 2 striatum * * control moderate severe extreme ASPHYXIA cord 10 min occlusion reflow
Excitatoriska aminosyror ackumuleras i cerebrospinalvätskan hos nyfödda efter svår asfyxi Hagberg et al. 1994
Andiné et al. Neurosci Lett. 1988 90(1-2):208-12 Hagberg et al. Biol Neonate 66:205-13,1994 eatment with MK-801 Efterbehandling med Glutamat receptor antagonister minskar asfyktisk hjärnskada i djurförsök Hjärnskada 30 20 *** 10 *** (28) (28) (29) (25) (39) (31) (30) (32) 0 Control MK-801 0.3 mg/kg 0.3 mg/kg Control MK-801 0.5 mg/kg
NMDA recepter antagonister är teratogena. Andalaro et al. Pediatr Res 43(1)1-7,1998
Hypotermi minskar frisättningen av excitotoxiska aminosyror efter asfyxi Glutamate Hypothermia normothermia Excitotoxic index Hypothermia normothermia Thoresen et al.
Hypotermi under 6 timmar efter asfyxi minskade hjärnskadan 4 * * normothermia hypothermia 3 2 1 0 n=16 n=16 n=31 n=30 P14 P49 Bona et al. 1998
% neuroprotektion med posthypoxisk hypothermia i djurexperimentella studier 100 80 60 40 20 0 NS Nyfödd gris, 4 o C, 3h, Halland et al. 1997 * * * * * * * Nyfödd gris, 4 o C, 12h, Thoresen et al. 1997 Nyfödd råtta, 3 o C, 3h, Thoresen et al. 1996 NS NS Fårfoster Nyfödd Nyfödd Nyfödd Nyfödd, 90-72 gris, 12 råtta, 2 o C, råtta, 5 o C, råtta, 5 o C, tim head h, 4 o C 72h, 3h, 1 3h, 4 5 o C, Amess Sirimanne vecka, veckor, Gunn et et al. et al. Trescher Trescher al. 901997 min-72h 1997 1996 et al. 1 week et al. head:5-10 C 1997 survival survival 1997 Nyfödd råtta, 5 o C, 6h, 1 + 6 veckor, Bona et al. 1997 Modified after: Thoresen and Wyatt Acta Paediatr 86:1029-33,1997
The cool-cap trial pilot säkerhetsstudie, 28 barn, Nya Zealand 25 centra, NZ, Canada, USA, UK fullgångna barn med svår asfyxi och encefalopati selektiv kylning av huvudet inom 5.5 h efter födseln under 72 h (rektalt 34-35 o C vs. 36.8-37.2 o C) selektion av fall med hjälp av EEG (CFM) 18 månaders uppföljning utfallet: död eller grovneurologiska handikapp 234 nyfödda randomiserades 1999-2002 (116 vs. 118)
Kylmössan som användes i Gluckman et al. Lancet 1995
Kylmadrass med temperaturregulator som användes i Shankaran et al. 2005
Sekundär hjärnskada efter hypoxi-ischemi µmol/100gx min (mean±sem) CMRglc 20 15 Gilland et al. J Cereb Blood Flow Metab 18:222,1998 10 5 0 0 h 3 h 6 h 12 h 24 h
Sekundära hjärnskademekanismer Oxygen fria radikaler Excitotoxicitet I N S U L T NO Mitokondriell skada NO?? Apoptotiska mekanismer Inflammation Reparativa/regenerativa processer time
djurmodell för hypoxi-ischemi Unilateral ligering av Carotisartären 7-dgr-gamla råttor, 9 dgr möss 1 2 tim återhämtning 60-120 hypoxi (8% or 10%);36 o C Utvärdering av hjärnskada 3 dgr- 8 veckor efter insulten (morfologi, sensori-motorisk funktion) (Levine 1960; Rice et al. 1981; Andiné et al. 1990)
Apoptotiska mekanismer av betydelse? Ljus- och elektronmikroskopi visar celler med DNA fragmentation (Ferrer et al. 1994) och morfologiska tecken på apoptos efter hypoxi-ischemi (Mehmet et al. 1994) Men, de flesta studier visar en blandbild med ett nekrotiskt-apoptotiskt continuum efter hypoxi-ischemi i den immatura hjärnan (Portera-Cailliau et al. 1997; Martin et al. 1998; Puka- Sundvall et al. 2000; Leist and Jäättilä,2001) Nekros apoptos
Kroemer and Martin, Nat Med. 2005 Jul;11:725-30
Bildning av en apoptosom efter hypoxi-ischemi Zhu et al. 2003 Cyt c Ctrl 10 8 Caspase-9 activity 1 h Pmoles/min/mg protein 6 4 2 Northington et al. et al. 2001 24 h 0 Cont 3h 6h 24h After hypoxia-ischemia Blomgren et al. 2002
Hypoxi-ischemi inducerar aktivering av caspase-3 Caspas-3 aktivitet pmol AMC/min x mg protein 800 700 600 500 400 300 200 100 0 P7 P10 P13 1h 3h 8h 24h 3d 6d * * ** ** Caspas-3 klyvning C I C I C I C I C I C I C I C I C I P7 P10 P13 1h 3h 8h 24h 3d 6d Cheng et al. J Clin Invest 101:1992-9,1998 Wang et al. Biol Neonate 79:172-9,2001 32 29 17
aspas-3 aktivering är tvecklingsberoende Hypoxi-ischemi vid PND 7-60 Caspas-3 aktiveras vid PND 7 och 14 men ej senare under utvecklingen Hu et al. J Cereb Blood Flow Metab20: 1294-1300,2000 Zhu et al. Cell Death Diff (2005) 12:162
Caspas-3 klyver ICAD, PARP och fodrin efter hypoxi-ischemi ICAD PARP Fodrin 45 32 31 C I 116 85 C I 240 150 145 120 ICAD - inhibitor of caspase-activated DNase PARP- polyadp-ribose polymerase C I Wang et al. Biol Neonate 79:172,2001 Blomgren et al. J Biol Chem 276: 10191, 2001
Caspas-3 aktivering och DNA skada Caspas-3 aktivering ICAD Inhibitor of caspase activated DNase CAD caspase activated DNAse DNA Enari et al. Nature 391:43-50,1998
Transgen XIAP överutrryckande möss Human 1.5 kb XIAP cdna subcloned into a murine Thy 1.2 construct (Trapp et al. 2003). Specifically expressed in postnatal brain neurons (Vidal et al. 1990, Caroni 1997, Saarelainen et al. 2000). C57BL/6 mice TG-XIAP Wild 60 kda 57 kda
Caspas aktiveringen hämmas av XIAP överuttryck! Wild-type XIAP overexpression Activity (pmol AMC/min x mg protein Activity (pmol AMC/min x mg protein 14 12 10 8 6 4 2 0 350 300 250 200 150 100 50 0 C9days C9days HI3h *** HI3h ** HI24h ** HI24h Caspase-9 HI72h HI72h C13days Caspase-3 C13days
Protektion i TG-XIAP möss Wild-type TG-XIAP 60 Volume loss of brain tissue (mm 3 ) 50 40 30 20 10 (n=31) *** (n=26) 0 Wild-type TG-XIAP Wang et al. Neurobiol Dis. 2004 16:179-89
Bcl-2 Bcl-XL Kroemer and Martin, Nat Med. 2005 Jul;11:725-30
Zhu et al. J Neurochem 86:306-17 2003 AIF translokerar till cellkärnan efter hypoxi-ischemi COX IV AIF + COX IV AIF C HI
AIF translokationen är utvecklingsberoende Developmental changes P5 P9 P21 P60 Mitochondrial loss of AIF after HI P5 P9 P21 P60 CL IL CL IL CL IL CL IL 57 kda 57 kda OD/µg protein x 10000 6 4 2 0 P5 P9 P21 P60 Percent of AIF release 30 25 20 15 10 5 0 * P5 P9 P21 P60 Translocation of AIF from mitochondria to the nucleus after HI (IHC) Control HI 20µm Zhu et al. Cell Death Diff 2005 Positive cells / visual field 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Cortex P5 P9 P21 P60 P5 3h 8h 24h 72h P9 3h 8h 24h 72h P21 3h 8h 24h 72h P60 3h 8h 24h 72h
Bredspektrum caspas hämmare (Q-Vd-Oph) minskar hjärnskadan i vild-typ och AIF fattiga mice infarkt volym 20 16 12 8 4 0 * Wt Vehicle Q-Vd-Oph * Hq Zhu et al. Cell Death Differ. 2007 14(4):775-84; Zhu et al. 2007 J Exp Med 204(8):1741-8
Kroemer and Martin, Nat Med. 2005 Jul;11:725-30 Bcl-2 Bcl-XL Caspas-2
Utveckling av en caspas-2 hämmare
TRP-601 (caspas-2 hämmare) minskar skada vid neonatal stroke, hypoxisk-ischemisk och excitotoxisk skada Chauvier et al. 2008
Tack! Senior: Carina Mallard, Prof Xiaoyang Wang, M.D, Ph.D Karin Sävman, M.D.,Ph.D Post docs: Catie Rousset Ph.D Justin Dean Ph.D. Doktorander: Katarina Puglisi Tina Doverhag Pernilla Svedin Rose-Marie Holst Helen Elden Ylva Karlsson Jan Söderlund Mårten Strömberg BMA: Anna-Lena Leverin Barbro Jilderos Samarbete: Changlian Zhu, M.D,Ph.D Milos Pekny, Prof, Marcela Pekna, M.D.,Ph.D Klas Blomgren ass.prof Center for Brain Repair and rehabilitation, Sahlgrenska Academy, Göteborg Michael Johnston, Prof Mary Ann Wilson ass.prof Kennedy Krieger Inst, Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, USA Roberto Romero, Prof Perinatology Branch, NIH, Bethesda, USA