Ansprechpartner: PD Dr. A. Alonso

Allgemeines

Traditionell zählt die neurovaskuläre Ultraschall-Forschung  zu den wichtigsten wissenschaftlichen Schwerpunkten der Neurologischen Klinik. Bereits seit den 1980er Jahren beschäftigt sich Klinikdirektor Professor M.G. Hennerici mit diesem diagnostischen Verfahren und hat entscheidend zu seiner Verbreitung zur Untersuchung von zerebrovaskulären Erkrankungen beigetragen. Professor M.G. Hennerici ist Herausgeber bekannter Fachbücher und Fachzeitschriften zu diesem Thema; er und seine Mitarbeiter haben zahlreicher wissenschaftliche Fachartikel auf diesem Forschungsgebiet publiziert. Aktuell erschienen ist das Buchprojekt „Translational Neurosonology“, das neben aktuellen Methoden der vaskulären Neurosonologie auch therapeutische Anwendungen von Ultraschall auf neurologischem Fachgebiet berücksichtigt, die gegenwärtig noch als experimentell zu gelten haben. Unter Leitung von Professor S. Meairs war die Forschungsgruppe in mehreren Forschungsprojekten der Europäischen Union federführend tätig: auf DOLPHINS folgte das UMEDS-Projekt „Ultrasonographic Monitoring and Early Diagnosis of Stroke“, das sich der Entwicklung nichtinvasiver Techniken zur frühen Diagnosestellung und bedside-Überwachung bei Schlaganfallpatienten widmete. Das EU-Projekt „European Stroke Research Network (EUSTOKE)“, ebenfalls von Prof. Meairs koordiniert, schlug die Brücke zur Grundlagenforschung des Schlaganfalls. Neben vielen anderen Inhalten wurde auch der Einsatz von Ultraschall zur Therapie neurologischer Erkrankungen experimentell untersucht (s.u.).

Schwerpunkte

Ultrasonographische Charakterisierung von Carotisstenosen

Die Intima-Media-Dicke (IMT) wird in zahlreichen klinischen Studien als Surrogatendpunkt für unerwünschte kardiovaskuläre Ereignisse genutzt. In sonographischen Längsschnitten der A. carotis (B-mode) ist die IMT als doppelte Linie zu erkennen, die den anatomischen Grenzflächen zwischen Lumen/Intima und Media/Adventitia entspricht. Davon abzugrenzen sind arteriosklerotische Plaques, die als fokale Verdickungen von mindestens 0.5 mm oder 50% der IMT in das Gefäßlumen ragen. Plaques der A. carotis stellen ein größeres Risiko für kardiovaskuläre Ereignisse dar und müssen daher sorgfältig von einer Erhöhung der IMT unterschieden werden. Mit der zuverlässigen sonographischen Differentialdiagnose von IMT und Carotisplaques beschäftigt sich die Arbeitsgruppe u.a. in Form von den 2004 eingeführten Mannheimer Consensus-Papieren. Ein aktuelles Update aus dem Jahr 2012 definiert Empfehlungen zur technischen Durchführung der IMT-Messung für die klinische Praxis sowie den Einsatz in klinischen Studien. Unverändert der wichtigste Marker für drohende Schlaganfälle aufgrund einer „symptomatischen“ Carotisstenose ist der Stenosegrad. Seit den 1980er Jahren können Carotisstenosen nichtinvasiv mit der Doppler-/ Duplexsonographie dargestellt und der Stenosegrad recht genau bestimmt werden. Unklar ist allerdings, ob und wann hochgradige bisher asymptomatische Carotisstenosen gefährlich werden können. Das Konzept der sogenannten „vulnerablen Plaques“ berücksichtigt daher auch die Zusammensetzung der arteriosklerotischen Plaques. Verschiedene Aspekte der Plaquemorphologie können dabei mittels Kontrastmittel-gestütztem Ultraschall (contrast-enhanced ultrasound, CEUS) dargestellt werden. Hierzu zählen potentiell emboligen wirksame Plaquecharakteristika wie Mikroulzerationen (siehe Abbildung) oder die Neubildung von Gefäßen in Plaques. Neben dem Einsatz verschiedener Ultraschallverfahren gewinnen auch andere moderne Bildgebungsverfahren wie hochauflösende MRT und PET an Bedeutung. Noch im experimentellen Stadium sind „Molecular imaging“-Verfahren, bei denen Biomarker von Plaques wie z.B. der Inflammationsmarker VCAM-1 mittels spezifischen Antikörpern markiert und mit Kontrastmittel dargestellt werden. Die Arbeitsgruppe Neurovaskulärer Ultraschall untersucht derzeit im Rahmen einer Kooperation mit dem Institut für Klinische Radiologie und Nuklearmedizin, der Gefäßchirurgie und der Pathologie Eigenschaften vulnerabler symptomatischer Plaques. Hierbei werden sonographisch definierte Plaquecharakteristika mit MR-morphologischen Ergebnissen verglichen und an histologischen Präparaten nach erfolgter Carotisendarterektomie validiert.

Video: Neovaskularisation innerhalb eines arteriosklerotischen Plaques

Perfusionsimaging

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich sowohl mit klinischer als auch experimenteller Ultraschall-Forschung. Klinisch werden in enger Zusammenarbeit mit Ingenieuren der Firma Philips spezielle kontrastmittelspezifische sonographische Methoden (z.B. Pulse-Inversion-Harmonic /Power-Modulation Imaging) zur Darstellung der Mikrozirkulation im Gehirn evaluiert. In Verbindung mit Ultraschallkontrastmitteln können mit dieser Anwendung zerebrale Infarkte, aber auch umschriebene Gebiete mit aufgehobener oder stark verminderter Kontrastmittelanreicherung bei Schlaganfallpatienten dargestellt werden. In einer aktuellen Studie bei Patienten mit akutem Schlaganfall konnte gezeigt werden, dass solche Perfusionstechniken in der Lage sind, die frühe Gewebsschädigung unmittelbar am Patientenbett in Echtzeit darzustellen (Abbildung). Auch eine Verbesserung der Perfusion nach erfolgreicher Rekanalisation kann mit dieser Methode „bedside“ verfolgt werden. Die Anwendung direkt am Patientenbett während der laufenden Akuttherapie stellt dabei einen wesentlichen Vorzug gegenüber anderen bildgebenden Verfahren wie z.B. CT oder MRT dar. Auch die Abbildung von intrazerebralen Blutungen oder arteriovenösen Malformationen gelingt mit dieser Methode zuverlässig. Ultraschall-Perfusionsimaging

Ultraschall-Perfusionsimaging: Darstellung eines akuten Schlaganfalls mit verminderter Kontrastmittelanflutung (gelbe Kurve) im Vergleich zur gesunden Hemisphäre (grüne Kurve)

Sonothrombolyse

Neben diagnostischen Einsatzgebieten wird auch die therapeutische Anwendung von transkraniellem Ultraschall beim akuten Schlaganfall wissenschaftlich untersucht. Ultrasonographische Beschallung mit Frequenzen im diagnostisch genutzten Bereich können nachgewiesenermaßen die Thrombolyse beschleunigen. So konnten in klinischen und experimentellen Studien höhere Rekanalisationsraten durch Einsatz von kommerziellen 2MHz Ultraschallgeräten in Kombination mit Gewebsplasminogenaktivator (rtPA) als mit Verwendung von rtPA alleine erzielt werden. Eine Auflösung von Thromben ohne Einsatz von Lytika wie rtPA gelang unter experimentellen Bedingungen durch Verwendung von Ultraschall und Microbubbles in einem Frequenzbereich von wenigen Kilohertz (170 kHz) und im Megahertz-Bereich (1Mhz). Als Mechanismus dieses Effektes wird eine inerte Kavitation durch Platzen der Microbubbles genannt, die dann zu einer Destabilisierung des Thrombus führt. In neueren Arbeiten konnte auch die Bedeutung der sog. stabilen Kavitation nachgewiesen werden, bei der die Microbubbles in einem Ultraschallfeld mitschwingen ohne zu platzen. Eine Phase-II-Studie mit Anwendung von Ultraschall in diagnostischer Frequenz (2MHz) in Kombination mit Microbubbles und rtPA konnte eine signifikante Verbesserung der Rekanalisationsrate im Vergleich zu rtPA alleine ohne Erhöhung des Risikos einer sekundären Hämorrhagie zeigen. Unsere neurosonologische Gruppe hat in einem experimentellen Modell weitere Aspekte der Sicherheit dieses Therapieansatzes untersucht: In einem Rattenmodell der akuten Hirnblutung konnten wir zeigen, dass die Verwendung von 2MHz Ultraschall und Microbubbles zu keiner Vergrößerung der Hämorrhagie, des Umgebungsödems oder der Apoptoserate führt.

Um den thrombolytischen Effekt weiter zu optimieren, ist ein zielgerichtetes Ansteuern des Thrombus über eine spezifische Bindung von Microbubbles an das thrombotische Material ein vielversprechender Ansatz. Zu diesem Zweck hat unsere Gruppe neue sog. „Immunobubbles“ entwickelt, auf deren Oberfläche Abciximab, ein humanisierter monoklonaler Antikörper gegen den Glykoprotein IIb/IIIa-Rezeptor auf Thrombozyten, gebunden ist. Diese Immunobubbles zeigen ein hochspezifisches Bindungsverhalten an humanen Thrombus, so dass ein „molekulares Imaging“ des Gerinnsels in vivo möglich wird. Der kombinierte Einsatz von 2MHz-Ultraschall und Abciximab-Immunobubbles verfügt über ein gesteigertes thrombolytisches Potential im Vergleich zu unspezifischen Microbubbles oder alleinigem Ultraschall, wie wir in einem Rattenmodell des akuten thrombotischen Gefäßverschlusses zeigen konnten.

Blut-Hirn-Schranken-Öffnung

Die Therapie zahlreicher Erkrankungen des ZNS wird durch die Barrierefunktion der Blut-Hirn-Schranke (BBB) erschwert. Die aus spezialisierten Kapillaren, einer Basalmembran sowie Astrozyten mit ihren Fortsätzen als Hauptkomponenten bestehende Einheit dient der Aufrechterhaltung der Ionenbalance und verhindert einen Übertritt von Makromolekülen, denen die meisten Therapeutika zuzurechnen sind, in das ZNS.

Seit einigen Jahren gewinnt der Einsatz von kontrastmittelunterstütztem Ultraschall zunehmend an Bedeutung. Unter Verwendung geeigneter Ultraschallparameter kann eine transkranielle Beschallung von intravenös applizierten Microbubbles eine fokale und reversible BBB-Öffnung induzieren. Hierzu scheint vorwiegend eine repetitive Oszillation der Ultraschall-angeregten Microbubbles mit Induktion von Scherspannung an den Gefäßwänden beizutragen. Der molekulare Mechanismus der eigentlichen Ultraschall-induzierten BBB-Öffnung ist noch nicht abschließend geklärt. Tierexperimentelle Arbeiten legen eine transiente Desintegration der Tight junctions nahe, die bei intakter Blut-Hirn-Schranke den parazellulären Raum zwischen den Endothelien siegelartig verschließen.

Unsere aktuellen Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Transfer von intravenös applizierten viralen Vektoren, die die intakte BBB nicht überwinden, in das Gehirn mittels Ultraschall-induzierter BBB-Öffnung möglich ist. Die viralen Vektoren konnten fokal im Gehirn, vorwiegend in Neuronen, über die Expression des Zielgens nachgewiesen werden. Diese Methode stellt daher einen experimentellen Therapieansatz für Erkrankungen des ZNS mit fokaler Pathologie wie z.B. Basalganglienerkrankungen (M. Parkinson u.a.) oder auch Tumoren des ZNS dar.

Die neurosonologische Arbeitsgruppe beschäftigt sich zudem mit den pathophysiologischen Vorgängen, die eine Ultraschall-induzierte BBB-Öffnung auslöst. Wir konnten zeigen, dass die beschallten Neuronen mit einer spezifischen Stressreaktion antworten, die dem raschen Abbau geschädigter Proteine und der zügigen Wiederherstellung der gestörten Homöostase dient. Weitere pathophysiologische Auswirkungen sowie Langzeitfolgen der Ultraschall-induzierten BBB-Öffnung werden noch untersucht, entsprechend stehen klinische Studien zu diesem Therapieansatz derzeit noch aus.bbb opening s

Fokale Öffnung der Blut-Hirn-Schranke mittels Ultraschall mit Austritt von intravenös appliziertem Farbstoff (Evans Blue, A-C) bzw. Albumin (D) im beschallten Areal. (E, nicht beschallte Hemisphäre)

Perspektiven

Herausforderungen der modernen Ultraschalldiagnostik sind insbesondere, die Stärken des Verfahrens im Wettbewerb bzw. in Kombination mit anderen sich ebenfalls rasch entwickelnden bildgebenden Verfahren zu nutzen. Zu diesem Zweck wird derzeit u.a. ein 9.4 Tesla Hochfeld-Kernspintomograph für Kleintiere genutzt. Die Hochfeld-MRT unter Verwendung einer speziellen Kryospule ermöglicht dabei eine sehr hohe örtliche Auflösung, die trotz der geringen Größe von Nagerhirnen eine der klinisch-humanen MR-Bildgebung vergleichbare Bildqualität liefert. In Zusammenarbeit mit IGT (Image Guided Therapy) konnte kürzlich ein Ultraschallgerät (LabFUS) in den Kernspintomographen integriert werden. Die Kombination beider Modalitäten erlaubt verschiedene therapeutische Anwendungen von Ultraschall wie z.B. fokale Erhitzung zur lokalisierten Gewebedestruktion (nutzbar u.a. in der Tumortherapie) unter gleichzeitiger MR-tomographischer bildgebender Kontrolle. Derzeit etabliert die neurosonologische Arbeitsgruppe in Weiterentwicklung der bisherigen Projekte die Methode zur MR-gesteuerten fokalen Blut-Hirn-Schranken-Öffnung mittels Kontrastmittel-gestütztem Ultraschall.

Ausgewählte Publikationen
  • Alonso A, Hennerici MG, Meairs S (eds.). Translational Neurosonology. Front Neurol Neurosci. 2015;36.
  • Alonso A, Artemis D, Hennerici MG. Molecular Imaging of Carotid Plaque Vulnerability. Cerebrovasc Dis. 2014 Dec 24;39(1):5-12.
  • Bolognese M, Artemis D, Alonso A, Hennerici MG, Meairs S, Kern R. Real-time ultrasound perfusion imaging in acute stroke: assessment of cerebral perfusion deficits related to arterial recanalization. Ultrasound Med Biol. 2013 May;39(5):745-52.
  • Alonso A, Reinz E, Leuchs B, Kleinschmidt J, Fatar M, Geers B, Lentacker I, Hennerici MG, de Smedt SC, Meairs S. Focal Delivery of AAV2/1-transgenes Into the Rat Brain by Localized Ultrasound-induced BBB Opening. Mol Ther Nucleic Acids. 2013 Feb 19;2:e73.
  • Meairs S, Alonso A, Hennerici MG. Progress in sonothrombolysis for the treatment of stroke. Stroke. 2012 Jun;43(6):1706-10.
  • Touboul PJ, Hennerici MG, Meairs S, Adams H, Amarenco P, Bornstein N, Csiba L, Desvarieux M, Ebrahim S, Hernandez Hernandez R, Jaff M, Kownator S, Naqvi T, Prati P, Rundek T, Sitzer M, Schminke U, Tardif JC, Taylor A, Vicaut E, Woo KS. Mannheim carotid intima-media thickness and plaque consensus (2004-2006-2011). An update on behalf of the advisory board of the 3rd, 4th and 5th watching the risk symposia, at the 13th, 15th and 20th European Stroke Conferences, Mannheim, Germany, 2004, Brussels, Belgium, 2006, and Hamburg, Germany, 2011. Cerebrovasc Dis. 2012;34(4):290-6.
  • Kern R, Diels A, Pettenpohl J, Kablau M, Brade J, Hennerici MG, Meairs S. Real-time ultrasound brain perfusion imaging with analysis of microbubble replenishment in acute MCA stroke. J Cereb Blood Flow Metab 2011;31(8):1716-24.
  • Alonso A, Dempfle CE, Della MA, Stroick M, Fatar M, Zohsel K, Allemann E, Hennerici MG, Meairs S. In vivo clot lysis of human thrombus with intravenous abciximab immunobubbles and ultrasound. Thromb Res 2009; 124: 70-4.
  • Fatar M, Stroick M, Griebe M, Alonso A, Kreisel S, Kern R, Hennerici M, Meairs S. Effect of combined ultrasound and microbubbles treatment in an experimental model of cerebral ischemia. Ultrasound Med Biol 2008; 34: 1414-20.
  • Kern R, Kablau M, Sallustio F, Fatar M, Stroick M, Hennerici MG, Meairs S. Improved detection of intracerebral hemorrhage with transcranial ultrasound perfusion imaging. Cerebrovasc Dis. 2008;26(3):277-83.
  • Alonso A, Della Martina A., Stroick M, Fatar M, Griebe M, Pochon S, Schneider M, Hennerici M, Allemann E, Meairs S. Molecular imaging of human thrombus with novel abciximab immunobubbles and ultrasound. Stroke 2007; 38: 1508-14.
  • Stroick M, Alonso A, Fatar M, Griebe M, Kreisel S, Kern R, Gaud E, Arditi M, Hennerici M, Meairs S. Effects of simultaneous application of ultrasound and microbubbles on intracerebral hemorrhage in an animal model. Ultrasound Med Biol 2006; 32: 1377-82.
  • Kern R, Perren F, Kreisel S, Szabo K, Hennerici M, Meairs S. Multi-planar transcranial ultrasound imaging - standards, landmarks and correlation with magnetic resonance imaging. Ultrasound Med Biol 2005; 31: 311-5.
  • Kern R, Perren F, Schoeneberger K, Gass A, Hennerici M, Meairs S. Ultrasound microbubble destruction imaging in acute middle cerebral artery stroke. Stroke 2004; 35: 1665-70.
  • Daffertshofer M, Hennerici M. Ultrasound in the treatment of ischaemic stroke. Lancet Neurol 2003; 2: 283-90.
  • Meairs S, Daffertshofer M, Neff W, Eschenfelder C, Hennerici M. Pulse-inversion contrast harmonic imaging: ultrasonographic assessment of cerebral perfusion. Lancet 2000; 355: 550-1.