DE10113986A1 - Veränderung der Ionenkonzentration in Hirnflüssigkeit zum Behandeln neurologischer Störungen - Google Patents

Veränderung der Ionenkonzentration in Hirnflüssigkeit zum Behandeln neurologischer Störungen

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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

Bereich der Erfindung
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.
Hintergrund der Erfindung
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.
Zusammenfassung der Erfindung
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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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