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Background: Disease progression and delayed neurological complications are common after aneurysmal subarachnoid hemorrhage (aSAH). We explored the potential of quantitative blood-brain barrier (BBB) imaging to predict disease progression and neurological outcome.
Methods: Data were collected as part of the Co-Operative Studies of Brain Injury Depolarizations (COSBID). We analyzed retrospectively, blinded and semi-automatically magnetic resonance images from 124 aSAH patients scanned at 4 time points (24–48 h, 6–8 days, 12–15 days and 6–12 months) after the initial hemorrhage. Volume of brain with apparent pathology and/or BBB dysfunction (BBBD), subarachnoid space and lateral ventricles were measured. Neurological status on admission was assessed using the World Federation of Neurosurgical Societies and Rosen-Macdonald scores. Outcome at ≥6 months was assessed using the extended Glasgow outcome scale and disease course (progressive or non-progressive based on imaging-detected loss of normal brain tissue in consecutive scans). Logistic regression was used to define biomarkers that best predict outcomes. Receiver operating characteristic analysis was performed to assess accuracy of outcome prediction models.
Findings: In the present cohort, 63% of patients had progressive and 37% non-progressive disease course. Progressive course was associated with worse outcome at ≥6 months (sensitivity of 98% and specificity of 97%). Brain volume with BBBD was significantly larger in patients with progressive course already 24–48 h after admission (2.23 (1.23–3.17) folds, median with 95%CI), and persisted at all time points. The highest probability of a BBB-disrupted voxel to become pathological was found at a distance of ≤1 cm from the brain with apparent pathology (0·284 (0·122–0·594), p < 0·001, median with 95%CI). A multivariate logistic regression model revealed power for BBBD in combination with RMS at 24-48 h in predicting outcome (ROC area under the curve = 0·829, p < 0·001).
Interpretation: We suggest that early identification of BBBD may serve as a key predictive biomarker for neurological outcome in aSAH.
Fund: Dr. Dreier was supported by grants from the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (DFG DR 323/5-1 and DFG DR 323/10–1), the Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Center for Stroke Research Berlin 01 EO 0801 and FP7 no 602150 CENTER-TBI.
Dr. Friedman was supported by grants from Israel Science Foundation and Canada Institute for Health Research (CIHR). Dr. Friedman was supported by grants from European Union's Seventh Framework Program (FP7/2007–2013; grant #602102).
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst ein Vorschlag für eine Direktive zur Anwendung von Monitored Natural Attenuation (MNA) an Grundwasserschadensfällen durch Mineralölprodukte unter Berücksichtigung der in Deutschland geltenden Vorgaben für eine konkrete technische Durchführung erarbeitet. Das darin enthaltene Untersuchungs- und Auswertungsprogramm zum Nachweis von Natural Attenuation (NA) berücksichtigt die gesetzlichen Regelungen des Bundes-Bodenschutzgesetzes (BBodSchG) und der BundesBodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV). Das entwickelte Untersuchungs- und Auswertungsprogramm wurde in einem weiteren Schritt an einer laufenden MNA-Maßnahme aus der Praxis überprüft. Hierfür wurde ein Kerosin-kontaminierter Teilbereich am Standort des ehemaligen Militärflughafens Wegberg-Wildenrath in Nordrhein-Westfalen ausgewählt. Im Grundwasser liegt eine Kontamination überwiegend aus aromatischen Kohlenwasserstoffen (BTEX und weitere alkylierte Aromaten) sowie MKW (H18) vor. Anhand des Praxisbeispiels wurde die generelle Verwendbarkeit von bereits im Rahmen der bisherigen Altlastenbearbeitung erhobenen Daten im Sinne des erarbeiteten Untersuchungsprogramms aufgezeigt. Hydrogeologische Untersuchungen belegten eine Abhängigkeit der Konzentration von Schadstoffen im Wasser von einem bis zu /- 1,7 m schwankenden Grundwasserstand, wodurch ein instationäres Fahnenverhalten vorlag. Aufbauend auf den Erkenntnissen der hydrogeologischen Erkundung und der Auswertung von hydrochemischen Daten wurden für den Standort zwei sich ergänzende konzeptionelle Modellvorstellungen (ein hydrochemisches Modell sowie ein hydrodynamisches Modell) bezüglich der Prozesse, die das Fahnenverhalten steuern, entwickelt. Beim hydrochemischen Modell erfolgt durch schwankende Grundwasserstände ein Recycling der Elektronenakzeptoren S042- und Fe3 für den Schadstoffabbau im herdnahen Bereich. Bei hohem Grundwasserstand werden reduzierte Eisenspezies als unlösliche Eisenmonosulfide ausgefällt. Bei niedrigem Grundwasserstand werden diese Eisenmonosulfide in Folge von Belüftung zu löslichen Fe3 /SO42-haltigen Mischkristallen oxidiert. Bei einem erneuten Anstieg des Grundwassers steht dieser Elektronenakzeptorpool für einen weiteren Schadstoffabbau zur Verfügung, was wiederum zur Ausfällung der reduzierten Eisenspezies führt. Beim hydrodynamischen Modell werden die beobachteten Konzentrationsänderungen im Grundwasser hauptsächlich durch Schadstoff-Phasenübergänge und der Größe der dabei zur Verfügung stehenden Grenzflächen hervorgerufen. Der Austausch von Schadstoffen aus der NAPL (non-aqueous phase liquids)-Phase in die Bodenluft bei niedrigen Grundwasserständen ist erheblich größer im Vergleich zum Austausch der NAPL-Phase in die (Grund)wasserphase bei hohen Grundwasserständen. Daraus resultieren höhere Schadstoffgehalte im Schadenszentrum bei niedrigen Grundwasserständen und geringere Gehalte bei hohen Grundwasserständen. Eine wichtige Erkenntnis dieser Arbeit war die Herausarbeitung der Art des Einflusses schwankender Grundwasserstände auf die Fahnendynamik. Anhand der Untersuchung auf aromatische Säuren (Metabolite), die im (my)g/l-Bereich nachzuweisen waren, konnte der direkte Beweis für einen aktiven Bioabbau am Standort erbracht werden. Durch einen Vergleich des Aromatenspektrums mit dem vorgefundenen Metabolitenspektrum wurden Aussagen zum Abbauverhalten von einzelnen aromatischen Schadstoffgruppen ermöglicht. Die Abbauprognose ist aufgrund des instationären Fahnenverhaltens mit größeren Unsicherheiten behaftet. Attenuations- bzw. Abbauraten zwischen 0,0003 * 1/d und 0,001 * 1/d wurden anhand von zwei unterschiedlichen Verfahren ermittelt.