Herzfrequenz und Serumcortisol während der elektrophysiologischen Experimente

Unter Allgemeinanästhesie können verschiedene Parameter – z. B. Catecholamine, Serumcortisol, Glucose, arterieller Blutdruck, Herz- und Atemfrequenz – herangezogen werden, um bestehenden Stress für den Patienten oder das Versuchstier zu ermitteln (SMITH et al. 1996; CAMBRIDGE et al. 2000;

DESBOROUGH 2000; RAND et al. 2002). Diese Arbeit beschränkte sich auf die Verläufe von Herzfrequenz und Serumcortisol-Spiegel, einem gebräuchlichen Stressindikator bei der Katze (WILLEMSE et al. 1993; SMITH et al. 1996 u. 1999;

CAMBRIDGE et al. 2000; GLERUM et al. 2001; DOBBINS et al. 2002; GELLASCH et al. 2002)

Als Stressoren wurden einerseits die Narkose und eine eventuell unzureichende Narkosetiefe aufgrund mangelnder Kontrollmöglichkeiten (Reflexausfall durch Muskelrelaxation, kontrollierte Beatmung, keine Blutdruckmessung und keine EEG-Aufzeichnung), andererseits die elektrophysiologischen Ableitungen angenommen.

Dabei wurden nicht nur die Ableitungen an sich als belastend eingestuft, sondern auch die Fixation mittels Kopfhalter in der Stereotaxie, die Penetration der sensibel innervierten Dura mater, sowie der durch die zahlreichen elektronischen Geräte zur Aufzeichnung der neuronalen Aktivität bestehende Geräuschpegel.

Die Erkennung und Minimierung von Stress während Narkosen, bzw. operativer Eingriffe ist in den letzten Jahren eingehend untersucht worden (KEHLET 1997;

CAMBRIGE et al. 2000; DESBOROUGH 2000; KEHLET u. HOLTE 2001). Die Autoren benennen verschiedenen Vorteile für die Reduktion der Stressantwort: die postoperative Morbidität, sowie das Risiko kardialer, pulmonärer und thromboembolischer Komplikationen wird gesenkt, einer stressbedingten Immunsuppression entgegengewirkt und stressinduziert erhöhte Anforderungen an Organfunktionen werden reduziert. Insgesamt werden Rekonvaleszenz und Wundheilung verkürzt. Daher sollte gerade auch im Umgang mit Versuchstieren, die Narkosen und eventuell Operationen ausgesetzt sind, der Experimentator für bestehenden Stress sowie Möglichkeiten des Entgegenwirkens sensibilisiert werden.

Die Herzfrequenz kann zur Einschätzung der Narkosetiefe genutzt werden (FREY et al. 1996; THURMON et al. 1999; VILLENEUVE u. CASANOVA 2003). Bei Schmerzen werden zum Teil Herzfrequenzerhöhungen beobachtet (LENDL u.

TACKE 2003), sind allerdings zur sicheren Erkennung von Schmerzen kein zuverlässiger Parameter (SMITH et al. 1996 u. 1999; CAMBRIDGE et al. 2000;

GLERUM et al. 2001). Auch zur Erkennung von Stress wird die Herzfrequenz herangezogen, da Stress die Freisetzung von Catecholaminen aus dem Nebennierenmark provoziert, was unter anderem einen Anstieg der Herzfrequenz bewirkt (LADEWIG 1994; ALI u. AL-QARAWI 2002).

Die normale Herzfrequenz der wachen Katze beträgt nach GOODWIN (2001) und TILLEY et al. (2003) 140 bis 240 Schläge/Minute, im Mittel 197. Während der Narkoseerhaltung mittels Halothan (0,4-1,0 Vol.-%) und Lachgas im Rahmen dieser Arbeit war die Herzfrequenz niedriger, der Median lag bei 166,5 Schlägen/Minute, minimal wurden 120, maximal 217 Schläge/Minute gemessen. Wurden die verschiedenen Konzentrationsbereiche untereinander verglichen, so war die Herzfrequenz bei 0,8 bis 1,0 Vol.-% Halothan signifikant höher als bei 0,4 bis 0,6, bzw. 0,6 bis 0,8 Vol.-%, lag aber ebenfalls unter den Normalwerten wacher Katzen.

Auch INGWERSEN et al. (1988) und HIKASA et al. (1997) beschreiben im Vergleich zur wachen Katze eine signifikant verringerte Herzfrequenz unter Halothannarkose.

Das Verhalten der Herzfrequenz unter verschiedenen Halothankonzentrationen wird in der publizierten Literatur kontrovers diskutiert. Während in der eigenen Arbeit bei steigender Halothankonzentration eine zum Teil signifikante Erhöhung der Herzfrequenz beobachtet wurde, beschreiben GRANDY et al. (1989) und HIKASA et al. (1997) bei höheren Konzentrationen keine signifikanten Veränderung der Herzfrequenz. VILLENEUVE und CASANOVA (2003) hingegen weisen bei verschiedenen Halothankonzentrationen (0,5-1,64 Vol.-%) mit steigender Konzentration eine Reduktion der Herzfrequenz nach und werten die Herzfrequenz als zuverlässiges Maß für die Narkosetiefe. In dieser Studie lagen die Herzfrequenzen bis zu Konzentrationen von 1,15 Vol.-% Halothan im Mittel bei mindestens 210 Schlägen/ Minute und somit deutlich höher als in der eigenen Arbeit.

Eine mögliche Erklärung für die sehr unterschiedlichen Herzfrequenzen der eigenen

Arbeit und der Studie von VILLENEUVE und CASANOVA (2003) bei entsprechender Halothan- und Lachgaskonzentration ist die Verwendung von Gallamin als Muskelrelaxans in der zitierten Studie, welches in therapeutischen Dosierungen zur Tachykardie führt (CULLEN 1999; LÖSCHER 2002). In der eigenen Arbeit wurde Alcuroniumchlorid verabreicht, für das in therapeutischen Dosen keine Beschleunigung der Herzfrequenz beschrieben wird (LÖSCHER 1996).

In der vorliegenden Arbeit war nach Beginn der elektrophysiologischen Ableitungen die Herzfrequenz insgesamt um 1,5% geringer als die Herzfrequenz während elektrophysiologischer Ableitungen. Dieser Unterschied war zwar statistisch signifikant, ist aber klinisch unbedeutend, da die Herzfrequenz auch innerhalb ihres Normalbereichs sehr variabel ist und außerdem die gemessene Erhöhung innerhalb des Normalbereichs lag.

Da nach LEE et al. (2000) nach intravenöser Applikation von Fentanyl bei der Katze die maximale Plasmakonzentration bereits innerhalb von fünf Minuten erreicht wird, erfolgte die statistische Auswertung der Herzfrequenz nach Fentanyl-Verabreichung auf zwei Weisen. Um kurzfristige Effekte zu erkennen, wurde die jeweilige Herzfrequenz vor mit der ersten Herzfrequenz nach Fentanyl-Gabe (Bolus oder Infusion) für die verschiedenen Fentanyl-Dosierungen verglichen, was zu keinem signifikanten Unterschied führte. Auch ein Trend zu Anstieg oder Reduktion der Herzfrequenz nach Fentanyl war nicht vorhanden.

Der zweite Ansatz untersuchte mittelfristige, mögliche Effekte der Fentanyl-Verabreichung: der Mittelwert von zwei Herzfrequenzen vor Fentanyl-Bolus wurde über zwei Stunden mit den in zwanzigminütigen Abständen nach Fentanyl aufgezeichneten Frequenzen verglichen – zu keinem Zeitpunkt und bei keiner Fentanyl-Dosierung wich die Herzfrequenz signifikant von den Basalwerten ab.

Wurde die Herzfrequenz vor Beginn der elektrophysiologischen Ableitungen derjenigen während der Ableitungen und bei Applikation von Fentanyl gegenübergestellt, änderte sich die Herzfrequenz bei elf von zwölf nach Halothankonzentration und Fentanyl-Dosierung aufgeschlüsselten Fraktionen nicht signifikant.

Diese Feststellung, dass Fentanyl in den gewählten Dosierungen keinen signifikanten Einfluss auf die Herzfrequenz der Katze ausübt, bestätigen DASKALOPOULOS et al. (1975), TAUBERGER et al. (1975a) und LENNANDER et al. (1996), welche anästhesierten Katzen Fentanyl in Dosierungen von 4,2 bis 40 µg/kg KM intravenös applizieren. Im Gegensatz dazu ermitteln GRANDY et al. (1987) nach 44 µg/kg KM intravenös appliziertem Fentanyl einen über zwei Stunden bestehenden signifikanten Anstieg der Herzfrequenz, wohingegen DUKE et al.

(1994) nach 4 µg/kg KM epidural verabreichtem Fentanyl über eine Dauer von ebenfalls zwei Stunden eine signifikante Reduktion der Herzfrequenz beobachten.

Die Vergleichbarkeit der zitierten Studien untereinander, bzw. mit der eigenen Arbeit bleibt fraglich, da in keinem Falle ausschließlich Fentanyl verwendet wurde, sondern die Katzen bereits anästhesiert waren oder nicht anästhesierten Katzen Fentanyl in Kombination mit Droperidol verabreicht wurde. Aufgrund der unterschiedlichen Anästhesieverfahren und -tiefen bestanden zum Zeitpunkt der Fentanyl-Applikation also keine einheitlichen Bedingungen. Studien bei frühgeborenen, unterstützt beatmeten, nicht anästhesierten Säuglingen ermitteln nach intravenöser Applikation von 3 µg/kg KM Fentanyl eine sechzig Minuten anhaltende, signifikante Reduktion der Herzfrequenz (GUINSBURG et al. 1998).

In der vorliegenden Arbeit konnte kein Einfluss von Fentanyl auf die Herzfrequenz anästhesierter Katzen nachgewiesen werden. Für eine stichhaltigere Aussage hätte jedoch die Herzfrequenz nach Fentanyl-Applikation bei nicht anästhesierten Katzen bestimmt werden müssen.

Im Rahmen dieser Arbeit wird von einem Referenzbereich des Serumcortisols adulter, ungestresster, wacher Katzen von 0,15 bis 5,09 µg/dl ausgegangen.

Während mehrstündiger Halothan-Lachgasnarkosen ohne elektrophysiologische Ableitungen lag der Median des Serumcortisols im unteren Referenzbereich, unabhängig davon, ob Fentanyl als Infusion verabreicht wurde oder nicht.

Die Halothankonzentration nahm keinen signifikanten Einfluss auf den Serumcortisol-Spiegel. Dieses berichten für die Katze auch SMITH et al. (1996) und MOON (1997) bei Kombinationsnarkosen ohne bzw. vor operativen Eingriffen. Der Anstieg des Plasmacortisols als Reaktion auf iatrogene ACTH-Applikation wird durch Halothan

nicht unterbunden (MOON 1997). Humanmedizinische Studien kommen ebenfalls zu entsprechenden Ergebnissen. Die überwiegende Anzahl der Studien untersucht den Cortisol-Spiegel während der Narkoseerhaltung mittels Halothan und zum Teil Lachgas, nachdem bereits verschiedene Präparate zur Prämedikation und Narkoseeinleitung verabreicht wurden. Der Cortisol-Spiegel ist in dieser Phase oft unverändert, steigt aber während des operativen Eingriffes und in der Extubations- und Aufwachphase an (KONO et al. 1981; LACOUMENTA et al. 1986 u. 1987;

SEITZ 1991). Im Gegensatz dazu führen Experimentalnarkosen ausschließlich mit Halothan nach BRANDT et al. (1988) zu einem signifikanten Absinken des Plasmacortisols.

Die in der vorliegenden Arbeit nicht vorhandene Einflussnahme der Halothankonzentration auf die Cortisolkonzentration sollte daher als Produkt der Wirkungen der zur Prämedikation (Atropin), Narkoseeinleitung (Ketamin, Xylazin) und –erhaltung (Lachgas und Halothan) verwendeten Präparate interpretiert werden.

Die Annahme, dass elektrophysiologische Ableitungen Stress auf das anästhesierte Versuchstier ausüben, konnte bestätigt werden: während der elektrophysiologischen Ableitungen befand sich der Median der Cortisolkonzentrationen zwar im Referenzbereich, war aber dennoch vierfach höher als die Cortisol-Werte vor Beginn der elektrophysiologischen Ableitungen. Dieser Anstieg war höchst signifikant.

Bezogen auf die Auswirkungen elektrophysiologischer Versuche auf den Cortisol-Spiegel wurden zwar keine publizierten Studien gefunden, aber nach anderen Stressorexpositionen bei Katzen unter Allgemeinanästhesie wie Elektrostimulation des Hypothalamus (KOKKA et al. 1972), Elektroejakulation (CARTER et al. 1984) oder intradermalem Allergietest (WILLEMSE et al. 1993) wurden vergleichbare, 1,7- bis dreifache Anstiege des Cortisol-Spiegels beobachtet und ebenfalls als endokrine Stressantwort gewertet.

Bezogen auf die Ermittlung von Stress ist insgesamt der Serumcortisol-Spiegel ein sensiblerer Parameter als die Herzfrequenz, die sich nach Beginn der elektrophysiologischen Ableitungen nicht signifikant veränderte. Genauer als die Bestimmung der Herzfrequenz wäre die Analyse der Catecholamine gewesen, da

Ursache für eine Erhöhung der Herzfrequenz bei Stress die gesteigerte Catecholaminfreisetzung aus dem Nebennierenmark ist, während die Herzfrequenz selbst durch verschiedene Parameter (z. B. Körpertemperatur, Gefäßdruck, Störungen des Elektrolytehaushaltes, Pharmaka) beeinflusst wird.

Circa zwei Stunden nach Beginn der elektrophysiologischen Ableitungen fand die erste Fentanyl-Applikation statt. Zu diesem Zeitpunkt bestand bereits eine Erhöhung des Serumcortisols. Zwar war beim direkten Vergleich des Wertes vor mit dem ersten Wert nach Fentanyl der Cortisol-Spiegel nach Fentanyl-Applikation stets verringert, für fünf von sechs Gruppen sogar signifikant, längerfristig konnte Fentanyl in den gewählten Dosierungen die Stressantwort jedoch nicht signifikant reduzieren. Die ausbleibende Reduktion des bereits erhöhten Cortisol-Spiegels ergibt sich wahrscheinlich durch die Halbwertszeit von Cortisol im Serum. Speziell für die Katze wurde diese zwar bisher nicht beschrieben, bei Hund und Mensch werden jedoch Halbwertszeiten von 50 bis 90 Minuten angegeben (LANG 1994; THUN u.

SCHWARTZ-PORSCHE 1994).

Wurde hingegen Fentanyl bereits als Infusion verabreicht, bevor mit den elektrophysiologischen Ableitungen begonnen wurde, blieb der Anstieg des Serumcortisols aus (Median beider Gruppen: 0,1 µg/dl). Fentanyl ist geeignet, die endokrine Antwort auf versuchsbedingten Stress zu reduzieren. Dazu sollte im Rahmen neurophysiologischer Versuche an anästhesierten Tieren bereits vor Beginn der elektrophysiologischen Ableitungen Fentanyl als Dauertropfinfusion verabreicht werden, da bei bereits bestehender Stressantwort sich diese deutlich weniger beeinflussen lässt.

Einen ähnlichen Effekt beobachten GLERUM et al. (2001) bei Verwendung des transdermalen Fentanyl-Patches (TFP) perioperativ bei Ovariohysterektomien der Katze. Im Vergleich zur Kontrollgruppe ohne Analgesie bleibt der Cortisol-Spiegel während und nach dem chirurgischen Eingriff signifikant geringer. GELLASCH et al.

(2002) notieren ebenfalls bei der Katze unter Verwendung des TFP niedrigere Cortisolkonzentrationen nach Onychektomien als in den Stunden vor dem Eingriff.

Zahlreiche humanmedizinische Studien zeigen unter Fentanyl-Gabe ebenfalls einen verminderten oder ausbleibenden Cortisol-Anstieg bei chirurgischen Eingriffen im

Vergleich zu Kontrollgruppen (KONO et al. 1981; LACOUMENTA et al. 1987; SEITZ 1991; DESBOROUGH 2000). Wird Fentanyl (3 µg/kg KM) unterstützt beatmeten, nicht anästhesierten Frühgeborenen verabreicht, sinkt der Serumcortisol-Spiegel (GUINSBURG et al. 1998) und auch gesunde, nicht anästhesierte Männer reagieren auf 1,4 bis 3,5 µg/kg KM intravenös appliziertem Fentanyl mit einer Reduktion des Plasmacortisols (HOEHE et al. 1988). Sämtliche zitierten Literaturstellen beschreiben eine verminderte endokrine Stressantwort nach Fentanyl-Applikation, aber keine Blockade der Freisetzung von Cortisol aus der NNR: je nach gewählter Dosierung und Intensität des Stressors oder Schmerzreizes kommt es trotz Fentanyl-Gabe zum Anstieg der Cortisolkonzentration im Serum (HOEHE et al. 1988;

DESBOROUGH 2000).

Um eine endokrine Stressantwort zu reduzieren, empfiehlt sich insgesamt die Verabreichung von Analgetika vor Exposition zu stressvollen oder schmerzhaften Stimuli, wie die Ergebnisse der eigenen Arbeit und Untersuchungen von CAMBRIDGE et al. (2000) zeigen.

3 Cortisolnormalwerte der institutseigenen Katzenpopulation

Zur wiederholten Blutentnahme bei der Katze werden verschiedene Techniken beschrieben. GLERUM et al. (2001) arbeiten mit venösen Verweilkanülen, während JOHNSTON und MATHER (1979) und CARTER et al. (1984) die Venenpunktion durchführen. Die häufigste Methode gerade in neuerer Zeit ist jedoch die Blutentnahme mittels Zentralvenenkatheter (z. B. SMITH et al. 1996 u. 1999; MOON 1997; CAMBRIDGE et al. 2000; GELLASCH et al. 2002; RAND et al. 2002). In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst für die in fünfzehnminütigen Abständen erfolgenden Blutentnahmen eine Verweilkanüle in die V. cephalica antebrachii gelegt. Die venöse Verweilkanüle wurde von einigen Katzen nicht toleriert und von ihnen vor Versuchsende entfernt. Gerade für die Langzeitmessungen erwies sich diese Technik daher als ungeeignet.

Das Einführen eines Zentralvenenkatheters in die rechte V. jugularis erforderte eine Anästhesie und war somit deutlich invasiver als die letztendlich am häufigsten

gewählte Methode der Punktion der V. cephalica antebrachii, was von den Tieren aufgrund des vorangegangenen intensiven Handlings sehr gut toleriert wurde. Da die Cortisol-Bestimmung selbst im Isotopenlabor der Ruhr-Universität durchgeführt wurde, war zur Analyse nur ein Volumen von 25 µl Serum, bzw. 0,3 ml Vollblut notwendig, weshalb die Venenpunktion sehr rasch durchzuführen war. Die Cortisol-Spiegel der mittels ZVK gewonnenen Blutproben waren gegenüber den Werten nach der Venenpunktion signifikant niedriger, so dass die Probennahme mittels ZVK als die für Katzen stressfreiere Methode zu werten ist – von Nachteil ist allerdings der deutlich höhere Aufwand der ZVK-Technik gegenüber der Venenpunktion (ALEF und OECHTERING 1998).

Als Referenzbereich des Serumcortisols der Katze nennen die meisten Quellen Werte von ca. 0,5 bis 4 µg/dl (THUN und SCHWARTZ-PORSCHE 1994; SMITH et al. 1996 u. 1999; CAMBRIDGE et al. 2000; GLERUM 2001). In der eigenen Arbeit wurde für die gesamte Katzenpopulation ein entsprechender Referenzbereich von 0,24 bis 3,88 µg/dl ermittelt. In diesem Bereich lagen 80% aller gemessenen Serumcortisolkonzentrationen. Wurden die Cortisolkonzentrationen adulter, mindestens elf Monate alter Katzen und juveniler, maximal sechs Monate alter Katzen getrennt betrachtet, so war die Serumcortisolkonzentration der adulten Tiere signifikant höher. Mit 0,15 bis 5,09 µg/dl war dieser Normalbereich der adulten Tiere ebenfalls größer als der in der Literatur beschriebene Referenzbereich. Auch erwachsene Menschen zeigen höhere Serumcortisolwerte als Kinder (ELMLINGER et al. 2002; WEILAND 2002).

Ein Stimulationstest mit synthetischem ACTH ergab für alle Katzen der institutseigenen Population eine physiologische Funktion der Nebennierenrinde, so dass die Werte aller Tiere bei den Auswertungen der Lang- und Kurzzeitmessungen berücksichtigt werden konnten.

Es konnte gezeigt werden, dass bei den untersuchten Katzen keine circadiane Sekretion von Cortisol vorliegt. Die zu unterschiedlichen Tageszeiten entnommenen Proben unterschieden sich hinsichtlich der Cortisolkonzentration in der Varianzanalyse nicht signifikant voneinander.

Das Fehlen einer circadianen Cortisolsekretion bei der Katze bestätigt die Ergebnisse von JOHNSTON und MATHER (1979) und KEMPPAINEN und PETERSON (1996), die ebenfalls keine Tagesrhythmik ermitteln. Im Gegensatz dazu beschreiben KRIEGER et al. (1968) für die Katze erhöhte Cortisol-Spiegel zwischen 20 Uhr abends und 4 Uhr morgens. Insgesamt liegen die Cortisolkonzentrationen in dieser Studie deutlich höher als in anderen Untersuchungen. „Niedrige“ Cortisol-Spiegel liegen um 8 Uhr morgens im Mittel bei 7,5 µg/dl (±2,27 STD), hohe um 4 Uhr morgens bei im Mittel 16,7 µg/dl (±2,85 STD). Auch zeigen laut KRIEGER et al.

(1968) nicht alle Katzen eine circadiane Rhythmik, diese werden in seiner Studie nicht berücksichtigt. Um wie viele Katzen es sich dabei anteilsmäßig handelt, wird nicht erwähnt, so dass diesen Ergebnissen keine zu große Bedeutung beigemessen werden sollte.

In der vorliegenden Arbeit konnten innerhalb der gewählten Dosierungen keine signifikanten Auswirkungen des Opioids Fentanyl und des Inhalationsnarkotikums Halothan auf die Vorzugsgeschwindigkeit, sowie die reizgetriebene und spontane Aktivität colliculärer und corticaler Neurone nachgewiesen werden.

Es konnte anhand des Cortisol-Spiegels gezeigt werden, dass elektrophysiologische Ableitungen Stress für das anästhesierte Versuchstier bedeuten. Fentanyl erwies sich als geeignet, den Anstieg zu reduzieren, wobei die geringsten Cortisol-konzentrationen beobachtet wurden, wenn Fentanyl bereits vor Beginn der elektrophysiologischen Ableitungen als Dauertropfinfusion verabreicht wurde.