DE10113986A1 - Veränderung der Ionenkonzentration in Hirnflüssigkeit zum Behandeln neurologischer Störungen - Google Patents
Veränderung der Ionenkonzentration in Hirnflüssigkeit zum Behandeln neurologischer StörungenInfo
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Abstract
Epilepsie und andere neurologische Störungen, die durch elektrische Potentialdifferenzen zwischen intrazellulärem Fluid und extrazellulärem Fluid, und damit durch die Potentiale der Zellmembranen und somit durch die Schwellen für die Kommunikation zwischen Gehirnzellen beeinflußt werden, können durch Rezirkulieren extrazellulären Hirnfluids, nachdem das Fluid so behandelt worden ist, daß seine Ionenkonzentrationen geändert wurde, kontrolliert werden. Eine computergesteuerte Pumpe kann die Entnahme und, nachdem die Ionenkonzentration des Fluids passend eingestellt worden ist, Abgabe von Hirnfluid präzise kontrollieren, bspw. geleitet durch die Goldman-Gleichung, die Abgabe des Hirnfluids präzise steuern. Wohl bekannte Techniken zum Verändern der Ionenkonzentrationen können verwendet werden, um die Ionenkonzentrationen nach Bedarf zu erhöhen oder abzusenken.
Description
Diese Erfindung betrifft Verfahren zum Behandeln medizinischer Störungen.
Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren zum Behandeln der Ursache
für Epilepsie, welches auf den durch die Goldman-Gleichung beschriebenen
grundsätzlichen Konzepten wurzelt. Diese Gleichung beschreibt die Beziehung
zwischen dem Ruhepotential der Zellmembran und der Konzentration von Ionen
innerhalb und außerhalb der Zellen in bspw. Nerven- und Muskelgewebe. Dies
impliziert, daß die Erregbarkeit der Zellen modifiziert werden kann und damit die
physiologische Verbindbarkeit (Interkonnektivität) zwischen den Zellen. Diese
Verbindbarkeit ist ein Hauptfaktor bei der Erzeugung bspw. einer Epilepsie. Das
Schlüsselkonzept dieser Erfindung liegt darin, daß, wenn die elektrischen
Ruhepotentiale der Zellmembranen verändert werden, eine Epilepsie und
gegebenenfalls andere neurologische Störungen effektiv kontrolliert werden
können.
Eine Epilepsie ist eine schwächende neurologische Störung. Die funktionelle
Kontrolle über viele oder alle Körperfunktionen kann verloren gehen, und darüber
hinaus resultieren dauerhafte Hirnschäden aus jedem allgemeinen epileptischen
Anfall.
Es ist bekannt, daß ein epileptischer Anfall durch ein unkontrolliertes Fortschreiten
von Nervenimpulsen durch die Nervenzellen in bestimmten Bereichen des Gehirns
ausgelöst wird. Die Nervenimpulse eines epileptischen Anfalls zeichnen sich durch
viele synchronisierte Entladungen aus, die das gesamte Gehirn mit einbeziehen
können. Als eine Konsequenz geht die Kontrolle über viele Körperfunktionen
verloren. Während epileptischer Anfälle wird die normale physiologische
Verbindbarkeit zwischen Gehirnzellen stark verändert, was zu einer
synchronisierten hoch pathologischen Gehirnaktivität führt.
Es ist wohl bekannt, daß die normale elektrische Ruhe-Membranpotentialdifferenz
zwischen intrazellulärem Fluid (von der Zellmembran eingeschlossenem Fluid) der
Hirnzellen und dem extrazellulären Hirnfluid (einem Fluid außerhalb der Membran)
etwa -0,07 Volt (-70 Millivolt bzw. mV) beträgt. Das intrazelluläre Gehirnfluid liegt
auf einem negativeren Potential als das Potential des extrazellulären Fluids. Wenn
dieses Potential negativer wird (die Zellen sind hyperpolarisiert), wird die
Wahrscheinlichkeit eines epileptischen Anfalls verringert. Auf dem Gebiet der
Biophysik beschreibt die wohlbekannte Goldman-Gleichung, wie das
Membranpotential von den Konzentrationen von Ionen in dem intra- bzw.
extrazellulären Medium abhängt. Diese Gleichung beschreibt folglich, wie
Veränderungen der extrazellulären Ionenkonzentrationen zu einer
Hyperpolarisation von Gehirnzellen führen, was zu einer Unterdrückung
epileptischer Anfälle führen wird.
Ein Verfahren zum Behandeln einer Epilepsie, wobei Anfälle durch Verwendung
eines extrazellulären Fluids (in dem zentralen Nervensystem, Hirn-
Rückenmarksfluid bzw. "CSF"), das aus dem Gehirn, bspw. aus einem der
Hirnventrikel, abgezogen wird, unterdrückt oder verhindert werden können. Das
extrahierte Hirnfluid wird behandelt, um die Konzentration von Ionen in dem Fluid
auf eine solche Weise zu verändern, daß von diesem veränderten Fluid umgebene
Zellen hyper- bzw. hypopolarisiert werden, was quantitativ durch die Goldman-
Gleichung vorausgesagt wird. Das bezüglich der Ionen eingestellte Fluid wird in
das Gehirn zu einer bestimmten Gehirnstruktur zurück injiziert, die die Gehirnzellen
enthalten kann, die den epileptischen Anfall erzeugen (es wird eine
Hyperpolarisation benötigt), oder in eine Gehirnstruktur, die den epileptischen
Bereich moduliert (es wird eine Hyperpolarisation für unterdrückende Strukturen
und eine Hypopolarisation für aktivierende Strukturen benötigt). Die erhöhte
negative Potentialdifferenz (Hyperpolarisation) zwischen dem intra- und dem
extrazellulären Fluid in der Epilepsien erzeugenden Gehirnstruktur erhöht die
Potentialdifferenz, die Nervenzellen überwinden müssen, um bei der Erzeugung
eines epileptischen Anfalls mit einbezogen zu werden. Als Effekt beinhaltet die
Erfindung ein Modulieren der Verbindbarkeit von Nervenzellen durch Modulieren
des elektrischen Ruhepotentials der Membranen.
Fig. 1 zeigt die Schritte des hierin enthaltenen Verfahrens.
Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Vorrichtung, die das
hierin offenbarte und beanspruchte Verfahren durchführen kann.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes, schematisches Blockdiagramm für ein
mechanisches System zum Behandeln von Epilepsie und anderen neurologischen
Störungen durch Modifizieren der Ionenkonzentration in dem Gehirnfluid. In Fig. 1
wird Fluid aus dem Gehirn 10 eines Patienten (das Fluid ist nicht gezeigt) mittels
einer Pumpe 14 aus dem Gehirn 10 entzogen (vorzugsweise aus einem der
Hirnventrikel). Extrazelluläres Fluid kann durch Anlegen eines vergleichsweise
negativen Drucks auf eine flexible Leitung mit einem kleinen Durchmesser (d. h.
einen Katheter oder Kapillarschlauch 12), dessen eines Ende mit der Pumpe
verbunden ist und der den negativen Druck bereitstellt, entnommen werden. Das
andere Ende der flexiblen Leitung wird in das Hirnventrikel eingeführt.
Extrazelluläres Hirnfluid wird durch einen Kapillarschlauch bzw. einen Katheter 12
von geeigneter Größe zu der Pumpe 14 gezogen, welche bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel eine rechnergesteuerte positive Verschiebungspumpe 14 war.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel liest die Pumpe 14 (die
rechnergesteuert sein kann) gespeicherte Programmanweisungen, die die Pumpe
dazu bringen, das extrahierte Fluid gemäß dem Programm und dessen
Parametern zu pumpen, und führt dieses aus. Bei vielen Anwendungen wird das
bezüglich der Ionen eingestellte Fluid nach Art eines "offenen Kreises" gepumpt, d. h.
entsprechend einem vorbestimmten Ablaufschema in dem gespeicherten
Programm der Pumpe. Abgabeverfahren mit offenem Kreis können entweder auf
dem pro Zeiteinheit abgegebenen Volumen des modifizierten, extrazellulären
Hirnfluids oder auf einem anderen Parameter basieren.
Die Pumpe 14 zwingt das extrahierte extrazelluläre Hirnfluid durch einen
Mechanismus 16 zur Einstellung der Ionenkonzentration. Die
Ionenkonzentrationen in dem extrahierten Hirnfluid werden in dem Mechanismus
16 zur Einstellung der Ionenkonzentration modifiziert. Die Ionenkonzentration des
Fluids kann durch im Stand der Technik wohl bekannte Einstellverfahren eingestellt
werden, inklusive geeigneter Ionenaustauschmechanismen, Filtration oder
chemischer Behandlung, ohne auf diese Verfahren beschränkt zu sein. Der
Mechanismus 16 zur Einstellung der Ionenkonzentration verändert die
Ionenkonzentration in dem Hirnfluid so, daß, wenn das Fluid zu dem Gehirn
zurückgeführt wird, die Ionenkonzentration in dem Hirnfluid zumindest in örtlich
begrenzten Bereichen modifiziert ist. Eine Ausgabe aus dem Mechanismus 16 zum
Einstellen der Ionenkonzentration wird durch einen Kapillarschlauch bzw. ein
Katheter 18 von geeigneter Größe zu dem Gehirn 10 zurückgeführt.
Die Verfahrensschritte des Verfahrens 200 der Erfindung sind in Fig. 2
dargestellt. CSF bzw. extrazelluläres Hirnfluid wird bei 210 entzogen, und die
Ionenkonzentration des Fluids wird bei 220 unter Verwendung eines geeigneten
Verfahrens eingestellt. Einige Techniken zum Verändern der Ionenkonzentration
können ein Filtern oder verschiedene chemische Behandlungsverfahren
beinhalten. Nachdem die Ionenkonzentration eingestellt worden ist, wird das Fluid
bei 230 mit modifiziertem Ionengehalt in das Gehirn des Patienten zurück injiziert.
An irgendeinem Punkt des Verfahrens wird die Flußrate des Hirnfluids aus dem
und/oder in das Gehirn des Patienten gemessen 240. Während dieser Schritt in
Fig. 2 als nach der Rückinjektion des Hirnfluids 230 gezeigt ist, können alternative
Verfahren sicherlich solche beinhalten, die diesen Schritt vollständig fallenlassen
und die Pumpe einfach in einem "offenen Kreis" laufen lassen, welcher dann
genau das tut, was die Programmanweisung vorgibt. Noch weitere
Ausführungsbeispiele können ein Berechnen oder Messen des Volumens des
extrahierten Fluids 210 ebenso wie des Volumens des rückgeleiteten Fluids
beinhalten. Insoweit das Hirnfluid inkompressibel ist, sollten sowohl das Volumen
des extrahierten Fluids als auch das Volumen des rückgeleiteten Fluids gleich sein,
mit der Ausnahme irgendeines während des Einstellvorganges für die
Ionenkonzentration verlorengegangenen Fluids.
Noch weitere Ausführungsbeispiele könnten die Ionenkonzentration in dem
Hirnfluid messen und abhängig von der gemessenen Ionenkonzentration die
Fluidabgaberate oder die Einstellung der Ionenkonzentration oder beide anpassen.
Bei einem optimalen System würde ein System mit geschlossenem Kreis und
Rückmeldung ein System beinhalten, welches die Ionenkonzentration (oder andere
elektrische Merkmale) mißt und diese Informationen verwendet, um die Entnahme,
die Abgabe oder die Ionenkonzentration des Fluids zu steuern, um so die optimale
elektrische Potentialdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite der
Gehirnzellen zu erreichen, dessen Unausgeglichenheit Epilepsie oder andere
neurologische Störungen verursachen könnte.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beinhalten eine lokalisierte
Abgabe eines ionenveränderten Hirnfluids ebenso wie verteilte
Abgabemechanismen, wie bspw. einen leckenden Katheter. Durch ein Ersetzen
von Hirnfluid durch eines mit einer veränderten Ionenkonzentration ist es möglich,
die elektrische Potentialdifferenz zwischen intrazellulärem und extrazellulärem
Hirnfluid zu verändern.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein Verändern der elektrischen
Potentialdifferenz über die Zellmembranen der Nervenzellen in der Epilepsien
erzeugenden Gehirnstruktur das Auftreten epileptischer Anfälle signifikant
beeinflussen. Wenn die Diagnose einer Epilepsie erst einmal erfolgt ist bzw. wenn
sich die Störung einstellt, wird ein Verändern der Ionenkonzentration in dem
extrazellulären Fluid zum Erhöhen der Potentialdifferenz von -70 Millivolt auf -80
oder mehr Millivolt die Gehirnzellen lokal hyperpolarisieren, und so Anfälle im
wesentlichen unterdrücken können.
Bei einem der alternativen Ausführungsbeispielen kann eine in einen lokalisierten
Bereich des Gehirns 10 eingeführte, elektrische Sonde 20 von einem Computer
ausgelesen werden, der die Pumpe 14 steuert, um so eine Rückmeldung für einen
geschlossenen Kreis zu erhalten, um so die Ionenkonzentrationen noch genauer
zu steuern und daher epileptische Anfälle noch genauer zu kontrollieren. Eine in
das Hirnfluid des Gehirns eingeführte Sonde kann die Ionenkonzentration mittels
der Leitfähigkeit bzw. des Widerstandes des Fluids messen. Bei einem solchen
Ausführungsbeispiel ist es zu bevorzugen, die Ionenkonzentration zu messen,
nachdem das ionenangepaßte Fluid in das Gehirn des Patienten zurückgeleitet
worden ist. Das resultierende, modifizierte Membranpotential kann unter
Verwendung der wohl bekannten Goldman-Gleichung berechnet werden. Bei
einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel können die Ionenkonzentrationen
des extrazellulären Fluids anhand einer gemessenen elektrischen Aktivität der
Nervenzellen in bestimmten, bei der Entstehung epileptischer Anfälle beteiligten
Hirnstrukturen eingestellt werden. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann die
elektrische Aktivität der Gehirnzellen durch Injizieren von mehr oder weniger
modifiziertem Hirnfluid auf eine solche Weise kontinuierlich eingestellt werden, daß
Anfälle vermieden werden können. Solch ein System mit geschlossenem Kreis
kann verwendet werden, um die Rate, unter der ionenangepaßtes Fluid zu dem
Gehirn gegeben wird, in Echtzeit sorgsam zu kontrollieren oder um die durch den
Mechanismus 16 zur Einstellung der Ionenkonzentration bewirkten Veränderungen
der Ionenkonzentration zu ändern. Ein Steuersignal 22 von der
computergesteuerten Pumpe 14 kann verwendet werden, um die
Ionenkonzentration in dem Fluid zu verändern, welches an das Gehirn 10
abgegeben wird. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann es möglich
sein, die elektrischen Potentialdifferenzen über die Zellmembranen einfach duch
Hinzufügen oder Abmessen einer vorbestimmten Flüssigkeit oder einer anderen
Substanz zu dem Hirnfluid zu verändern, um so das elektrische Potential über den
Gehirnzellen zu verändern.
Ein Fachmann wird erkennen, daß ein Verändern der Ionenkonzentration von
extrazellulärem Hirnfluid andere nützliche Effekte bei der Behandlung anderer
neurologischer Störungen durch Einstellen des Grades der Kommunikation
zwischen Gehirnzellen haben kann. Dieser Grad der Kommunikation hängt ab von
dem Level des Membranpotentials. Hyperpolarisierte oder unterdrückte Zellen
erhöhen die Schwelle für eine Zellkommunikation, während hypopolarisierte oder
erregte Zellen die Schwelle für eine Zellkommunikation absenken. In Fällen, in
denen neurologische Störungen durch Modulieren der Kommunikation zwischen
Gehirnzellen kontrolliert werden können, wird die Erfindung bei der Behandlung
dieser anderen Störungen Anwendung finden können.
Claims (17)
1. Verfahren zum Behandeln von Epilepsie oder anderen neurologischen
Störungen des Gehirns mit folgenden Schritten:
- a) Entnehmen von Fluid aus einer Hirnkavität eines Patienten;
- b) Verändern der Ionenkonzentrationen des Fluids, um ein Fluid mit verändertem Ionengehalt zu erhalten;
- c) örtlich begrenztes Zurückführen des Fluids mit verändertem Ionengehalt in das Gehirn des Patienten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt c) des
Zurückführens des Fluids mit verändertem Ionengehalt in das Gehirn des
Patienten weiterhin folgenden Schritt c) aufweist: Zurückführen des Fluids mit
verändertem Ionengehalt in das Gehirn des Patienten in zumindest einen
örtlich begrenzten Bereich des Gehirn des Patienten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt c) des
Zurückführens des Fluids mit verändertem Ionengehalt in das Gehirn des
Patienten weiterhin folgenden Schritt aufweist: c) Pumpen des Fluids mit
verändertem Ionengehalt in das Gehirn des Patienten entsprechend einem
vorbestimmten Schema für die Flußrate.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren
weiterhin den Schritt c) des Zurückführens des Fluids mit verändertem
Ionengehalt in das Gehirn des Patienten in einen allgemeinen Bereich des
Gehirn des Patienten aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin die
folgenden Schritte aufweist:
- a) Messen der Ionenkonzentration in dem Hirnfluid, nachdem das Fluid mit verändertem Ionengehalt zu dem Gehirn des Patienten zurückgeführt worden ist;
- b) Einstellen der Abgabe des Fluids mit verändertem Ionengehalt, basierend auf der unter Schritt d) gemessenen Ionenkonzentration.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin die
folgenden Schritte aufweist:
- a) Berechnen der Ionenkonzentration in dem Hirnfluid unter Verwendung der Goldman-Gleichung;
- b) Einstellen der Abgabe des Fluids mit verändertem Ionengehalt, basierend auf der unter Schritt d) berechneten Ionenkonzentration.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin die
folgenden Schritte aufweist:
- a) Messen der elektrischen Leitfähigkeit des Hirnfluids, nachdem das Fluid mit verändertem Ionengehalt zu dem Gehirn des Patienten zurückgeführt worden ist;
- b) Einstellen der Abgabe des Fluids mit verändertem Ionengehalt, basierend auf der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid mit
verändertem Ionengehalt unter Verwendung der Goldman-Gleichung
berechnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu dem
Gehirn zurückgeführte Fluid mit verändertem Ionengehalt eine
Spannungsdifferenz zwischen dem intrazellulären Fluid und dem
extrazellulären Fluid erzeugt, welche auf einen solchen Level verändert
werden kann, daß epileptische Anfälle kontrolliert werden.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid mit
verändertem Ionengehalt unter Verwendung einer Rückmeldung mit
geschlossenem Kreis an das Gehirn des Patienten abgegeben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin einen
Schritt des Einstellens der Abgabe des Fluids mit verändertem Ionengehalt
basierend auf der gemessenen elektrischen Aktivität von vorbestimmten,
höchstwahrscheinlich epileptischen Gehirnzellen aufweist.
12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid mit
verändertem Ionengehalt unter Verwendung eines verteilten Abgabesystems
zu dem Gehirn zurückgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid mit
verändertem Ionengehalt zu dem Hirnventrikel zurückgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid mit
verändertem Ionengehalt unter Verwendung einer computergesteuerten
Pumpe zu dem Gehirn zurückgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid mit
verändertem Ionengehalt an einer vorbestimmten Stelle durch direkte
Injektion in einen begrenzten Bereich zu dem Gehirn zurückgeführt wird.
16. Verfahren zum Behandeln von Epilepsie oder anderen neurologischen
Störungen des Gehirns mit folgenden Schritten:
- a) Diagnostizieren eines epileptischen Zustandes bei einem Patienten;
- b) im wesentlichen kontinuierlich Entnehmen von Fluid aus dem Gehirn des Patienten;
- c) Verändern der Ionenkonzentrationen des Fluids unter Verwendung eines vorbestimmten Verfahrens, um ein Fluid mit verändertem Ionengehalt zu erhalten;
- d) im wesentlich kontinuierliches Pumpen des Fluids mit verändertem Ionengehalt zurück zu einem örtlich begrenzten Bereich des Gehirns des Patienten;
- e) Überwachen der Ionenkonzentration des Hirnfluids nahe dem Bereich, in dem das Fluid mit verändertem Ionengehalt in das Gehirn des Patienten zurückgeführt wird.
17. System zum Kontrollieren epileptischer Anfälle mit:
- a) Diagnostizieren eines epileptischen Zustandes;
- b) einem Pumpenmechanismus zum Pumpen von Hirnfluid mit einem mit einem Gehirn eines Patienten zum Entnehmen von Hirnfluid verbundenen Einlaß und einem Auslaß;
- c) einem mit dem Auslaß des Pumpenmechanismus zum Pumpen von Hirnfluid verbundenen Ioneneinstellmechanismus für das Fluid, wobei der Ioneneinstellmechanismus für das Fluid einen Auslaß aufweist, aus dem das ionenangepaßte Fluid erzeugt wird;
- d) einem Katheter mit einem mit dem Auslaß des
Ioneneinstellmechanismus für das Fluid verbundenen Einlaß und einem in
einen vorbestimmten Bereich eines Gehirns eines Patienten eingeführten
Auslaß;
wobei Hirnfluid aus dem Gehirn eines Patienten entnommen wird, die Ionenkonzentration des Fluids eingestellt wird und das Hirnfluid in das Gehirn zurück injiziert wird.
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