Schwellung und Schädigung von Nerven- und Gliazellen durch Azidose

Zusammenfassung

Ziel: Die Azidose ist ein bedeutsamer pathophysiologischer Faktor bei akuten zerebralen Prozessen, z. B. der Ischämie oder dem schweren Schädel-Hirn-Trauma. Die Entgleisung des Säure-Basen-Status im Hirnparenchym ist u.a. an der Entstehung des zytotoxischen Hirnödems beteiligt, vermutlich auch an der irreversiblen Schädigung von Nerven- und Gliazellen. In der vorliegenden Studie wurde die pathophysiologische Funktion der Azidose für die Entwicklung der zytotoxischen Zellschwellung und -Schädigung von Glia- und Nervenzellen in vitro untersucht unter Bedingungen, die der ischämischen Penumbra in vivo entsprechen - der noch vitalen perifokalen Randzone in der Nachbarschaft eines Infarkts mit u.a. erhöhten interstitiellen K⁺- und H⁺-Ionenkonzentrationen. Die Messungen der Zellvolumenzunahme durch Azidose wurden kombiniert mit Untersuchungen über beteiligte Mechanismen als Grundlage für therapeutische Maßnahmen zur Behandlung des zytotoxischen Hirnödems in vivo.

Methodik: C6-Gliomazellen, Astrozyten aus Primärkultur sowie Neuro-2A-Zellen wurden nach Standardverfahren gezüchtet, geerntet und unter kontinuierlicher Kontrolle von pH, pO₂ und Temperatur als Einzelzellen suspendiert. Das Zellvolumen und die Zellvitalität wurden durchflußzytometrisch quantifiziert. Azidose wurde durch isotone Schwefel- oder Milchsäure induziert.

Ergebnisse: Die Ansäuerung des Mediums führt zur Zellschwellung, sobald ein pH-Wert von 7,0 unterschritten wird. Die Zellvitalität hingegen wird bis zu einem Azidosegrad von pH 6,2 nicht beeinträchtigt, ab pH 5,6 kommt es jedoch zum Absterben von Zellen in Abhängigkeit von der Azidosedauer. Die azidoseinduzierte Zellschwellung kann durch Blockade von Ionenaustauschmechanismen, z.B. des Na⁺/H⁺-Antiporters bzw. durch Elimination von Nationen aus dem Medium abgeschwächt oder verhindert werden.

Schlußfolgerung: Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über das Wesen der zytotoxischen Zellschwellung und -Schädigung im zentralen Nervensystem durch Azidose, unter Berücksichtigung beteiligter Mechanismen. Der azidoseinduzierten Zellschwellung liegt demzufolge eine Aktivierung von Ionenaustauschmechanismen zugrunde, z.B. von Na⁺/H⁺- und Cl^-/HCO₃ ^--Antiportern mit dem Ziel, den Säure-Basen-Status der Zelle aufrechtzuerhalten. Dieser Kompensationsvorgang ist jedoch mit der Preisgabe des normalen Zellvolumens durch Nettoaufnahme osmotisch wirksamer Solute verknüpft. Die unter diesen Bedingungen eintretende Zunahme des Zellvolumens ist somit eher das Ergebnis eines Regulationsmechanismus zur Wiederherstellung der Homöostase als die Folge einer zytotoxischen Zellschädigung. Therapeutische Ansätze in vivo müssen daher berücksichtigen, die Hemmung der Zellschwellung nicht durch eine Erhöhung der Vulnerabilität zu erkaufen.

Summary

Objective: Development of acidosis is a prominent pathophysiological factor in acute cerebral disorders, such as ischaemia or severe brain trauma. The impairment of the acid-base state in brain parenchyma among others is involved in the development of brain oedema, eventually leading to irreversible damage of neurons and glial cells. In the present study the pathophysiological role of acidosis for cytotoxic cell swelling and damage of glial and neuronal cells was investigated in vitro under conditions found in the ischaemic penumbra in vivo - the still viable perifocal border zone surrounding an infarct with elevated interstitial K⁺- and H⁺-concentrations. Assessment of cell swelling by acidosis was combined with experiments on underlying mechanisms as a basis for therapeutical interventions to inhibit cytotoxic brain oedema in vivo.

Methods: C6 glioma cells, astrocytes from primary culture, as well as Neuro-2A cells were cultivated, harvested und suspended as single cells under continuous control of pH, pO₂, and temperature according to a standard procedure. Cell volume and cell viability were quantified by flow cytometry. Acidosis was induced by isotonic sulfuric- or lactic acid, respectively.

Results: Acidification of the medium led to cell swelling once pH fell below 7.0. Cell viability, however, was not affected by the increasing acidosis down to pH 6.2, while pH 5.6 or below was associated with cell death dependent on the duration of exposure. Acidosis-induced cell swelling was attenuated or completely inhibited by blocking of ion exchange mechanisms, such as the Na⁺ /H⁺-antiporter, or elimination of Na⁺ ions from the medium.

Conclusion: The present results provide new information on the nature of cytotoxic cell swelling and damage in central nervous system by acidosis under consideration of underlying mechanisms. Accordingly, acidosis-induced cell swelling is attributable to activation of ion exchange mechanisms, such as the Na⁺/H⁺- and Cl^-/ HCO₃ ^--antiporter, in order to maintain a normal cellular acid-base state. This compensation process, however, is associated with the loss of cell volume control by net uptake of osmotic active solutes. Consequently, cell swelling occurring under these conditions is a result of regulatory mechanisms to defend homoeostasis rather than a consequence of cytotoxic cell damage. If cell swelling is inhibited by appropriate treatment, care should be exercised not to enhance the vulnerability of the nerve and glial cells.