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Tiefe Hirnstimulation

Die tiefe Hirnstimulation (THS) hat sich in der Behandlung von Bewegungsstörungen zunehmend etabliert. Es werden je nach Krankheitsbild verschiedene Zielkerne im Bereich der Basalaganglien und des Thalamus durch die THS angesteuert. Ähnlich der Wirkung der THS im Globus pallidus internus (GPi) auf Überbewegungen bei der Parkinsonerkrankung kann das Verfahren auch zur Behandlung medikamentös nicht ausreichend therapierbarer Dystonien eingesetzt werden. Hier liegt auch der wissenschaftliche Schwerpunkt der Neurologischen Klinik der Universität Rostock: zum einen die Erforschung der klinischen Effekte der THS bei Patienten insbesondere mit dystonen Krankheitsbildern und der Parkinsonerkrankung, aber auch die experimentelle  Charakterisierung der molekularen und zellulären Mechanismen der Tiefen Hirnstimulation. 

Klinische Forschung

Prof. Dr. Reiner Benecke;  Dr. Alexander Wolters;  Dr. Matthias Wittstock 

Eine 2006 im New England Journal of Medicine veröffentlichte multizentrische Studie bei Patienten mit schwerer segmentaler und generalisierter Dystonie  hat einen eindeutigen Vorteil der Operation mit Stimulation versus Placebo-Stimulation gezeigt, die auch in der Nachbeobachtungszeit einen anhaltenden lindernden Effekt auf die Dystonie nachgewiesen hat.

In internationalen Veröffentlichungen wurde auch von einzelnen Patienten oder kleinen Gruppen  mit schwerer, therapierefraktärer zervikaler Dystonie berichtet, die sich der THS im GPi unterzogen haben, worunter sich mehrheitlich eine deutliche Besserung der Dystonie-Symptome erreichen ließ. Die Wirksamkeit der  THS bei therapierefraktärer zervikaler Dystonie wird aktuell in einer multizentrischen, randomisierten, kontrollierten Studie unter Leitung von Herrn Prof. Benecke (Rostock) und Herrn Prof. Müller (Berlin) untersucht, wobei die Rekrutierungsphase bereits abgeschlossen ist.

Eine weitere multizentrische, randomisierte, kontrollierte Studie unter Beteiligung der neurologischen Klinik der Universität Rostock (Leitung: Herr Prof. Kupsch, Berlin) untersucht die Wirksamkeit und Sicherheit der THS im GPi bei tardiven Dystonien.

In weiteren Projekten in Kooperation mit Herrn Prof. Walter, Neurologische Klinik der Universität Rostock, werden die Einsatzmöglichkeiten neurosonologischer Verfahren im Implantationsprozedere der Hirnstimulationselektroden untersucht. Hier konnte u. a. gezeigt werden, dass die Hirnparenchymsonographie in der Lage ist, die korrekte Plazierung der Elektroden im Kontext der anatomischen Strukturen zu überprüfen, dies auch online intraoperativ (Walter et al., Movement Disorders 2009; 24, 1538).

Experimentelle THS

Dr. Eilhard Mix
Interaktion von Elektroden und Gewebe bei der THS

Bearbeitete Fragestellungen: 

  • Molekulare und zelluläre Veränderungen (histologisch, immunhistochemisch, elektronenmikroskopisch und molekular-biologisch) nach Kurz- und Langzeit-TSH im Hemiparkinson-Modell der Ratte in unterschiedlichen Zielregionen (Nucleus subthalamicus, Globus pallidus internus,  Nucleus pedunculopontinus)
  • Korrelation der molekularen und zellulären Veränderungen mit den Stimulationsparametern Impulsstärke, -form, -dauer und Frequenz
  • Experimentelle Überprüfung numerischer Feldberechnungen zur Optimierung (optimale therapeutische Wirkung bei minimalen Gewebsschäden) von Stimulationsparametern und Elektrodenoberflächen (Nanorasen aus Edelmetall-Legierungen)

Das Forschungsprojekt wird im Rahmen des Graduiertenkollegs 1505/1 “Analyse und Simulation elektrischer Wechselwirkungen zwischen Implantaten und Biosystem (Welisa)“ (www.welisa.uni-rostock.de) bearbeitet.

Methodik der THS bei Hemiparkinsonratten

Das Hemiparkinson-Syndrom wird in männlichen Wistarratten durch partielle striatale 6-Hydroxydopamin-Läsion erzeugt. Die Implantation der Stimulationselektrode erfolgt im stereotaktischen Rahmen (Stoelting, Wood Dale, IL, USA) in den ipsilateral zur Läsionsseite gelegenen Nucleus subthalamicus (STN). Die  Koordinaten des STN in Bezug auf die Interaurallinie und den Berührungspunkt (Bregma) von Kranznaht (Sutura coronalis) und Pfeilnaht (Sutura sagittalis) sind nach Paxinos und Watson (The Rat Brain in Stereotaxic Coordinate; Academic Press, San Diego, 1998): 

  Interaurallinie mm Begma mm
Anterior + 5,2 - 3,6
Lateral ± 2,5 ± 2,5
Ventral + 2,0 - 7,6

Als Elektroden werden konzentrische, bipolare Stimulationselektroden mit einem inneren Pol aus Platin/Iridium und einem äußeren Pol aus Edelstahl und Spitzendurchmessern von 25 μm bzw. 75 μm der Fa. FHC (Bowdoinham, ME, USA) verwendet (siehe Abb. 5A). Die THS erfolgt über einen regulierbaren Stimulator, der typischerweise biphasische Rechteckstromimpulse mit balancierter Pulsladung generiert (siehe Abb. 5B).

Abbildung 5 (A) Schematische Darstellung einer für die THS im Tiermodell verwendeten Stimulationselektrode mit farbkodierter Illustrierung der Stromdichte an der Elektrodenoberfläche in wässriger Lösung (aus: Gimsa et al., J Neurosci Meth 2006; 150, 212).
(B) Stimulator für die THS im Tiermodell mit Darstellung eines typischen Stimulationsimpulses. (aus: Henning, Wirkungen der tiefen Hirnstimulation - Analyse der Gen- und Proteinexpression in einem optimierten Rattenmodell, Dissertation, Universität Rostock, 2007)

 

Motorfunktionstest bei THS-behandelten Hemiparkinsonratten

Zur Beurteilung der funktionellen Auswirkung der THS bei Hemiparkinson-ratten wird außer dem Zylindertest nach Schallert et al. (Neuropharmacology 2000; 39, 777) zur subtileren Prüfung der Feinmotorik der Vorderpfoten-Pelletgreiftest nach Metz und Whishaw (Behav Brain Res 2000; 116, 111) eingesetzt. Dabei werden dem Versuchstier durch den Schlitz einer Plexiglasbox Futterpellets (TSE-Systems) angeboten und die erlernten Bewegungsmuster beim Ergreifen eines Pellets durch Videoaufzeichnung dokumentiert. Die Analyse des feinmotorischen Bewegungsablaufs bewertet 11 Bewegungskomponenten (von der Orientierung zum Futter bis zur Einwärtsdrehung einer Vorderpfote zur Pelletablage in der Schnauze) mit insgesamt 35 Einzelbewegungen (von der Ausrichtung des Kopfes zum Ziel bis zum Anheben der zum Pellet kontralateralen Vorderpfote). Die Funktionstests werden unter verschiedenen THS- und Kontrollbedingungen durchgeführt, um den Einfluss folgender Faktoren zu prüfen:

  • Unterschiedliche Stimulationsparameter,
  • unterschiedliche Elektrodenmaterialien und -oberflächenstrukturen und
  • unterschiedliche Zielregionen.