Formation and Treatment of Cerebral Edema[1)] [2)]

Summary

Despite a considerable number of causes brain edema, formation of cerebral edema is basically brought about by two principal mechanisms, a vasogenic and a cytotoxic one. In the vasogenic type, an initial and locally confined damage of the blood brain barrier causes penetration of plasma constituents such as proteins, electrolytes and water into the interstitial space of the brain parenchyma, mainly in the white matter, whereas in the cytotoxic type, a somehow metabolic or toxic damage primarily affects the cells causing them to take up fluid.

In human edema forms, the vasogenic component may prevail, e.g. in traumatic edema forms, in cases with brain tumors or with cerebro-vascular disorders. The cytotoxic mechanisms may be operative, e.g. in uremic brain swelling, or in brain edema in the course of hepatic coma. In general, cytotoxic components are usually present also in vasogenic brain edema whereas the vasogenic component is missing in pure cytotoxic forms.

Therapy of brain edema today is still based on empirical knowledge and experiences rather than on an understanding of the mechanisms leading to edema formation. The rationale of edema therapy consists mainly of dehydration employing hypertonic solutions or powerful diuretics which are problematic measures in view of their nonspecific mechanisms and the restricted repeatability. Steroid compounds such as dexamethasone or aldosterone can be considered a useful complementation despite their relatively late onset of effect, and that they may be effective only in moderate edema forms. Their application, therefore, may be of optimal benefit in neurosurgery as pretreatment previous to operation to prevent or reduce postoperative cerebral edema.

Zusammenfassung

Der Entwicklung des Hirnödems liegen trotz einer Vielzahl von Ursachen im wesentlichen nur zwei Entstehungsmechanismen zu Grunde. Das vasogene, in seinen biochemischen Eigenschaften einem Plasmafiltrat ähnelnde Hirnödem breitet sich, ausgehend von einer lokal begrenzten Schädigung der Bluthirnschranke, im Interstitium der weißen Substanz aus. Das zytotoxische Hirnödem, welches sich auf dem Boden einer metabolischen oder toxischen Zellschädigung entwickelt, akkumuliert dagegen im intrazellulären Kompartment; seine chemische Zusammensetzung weicht von der des Plasmas ab. Die vasogene Komponente herrscht z. B. beim traumatischen Hirnödem vor, beim perifokalen Ödem in der Nachbarschaft von Hirntumoren, oder beim Hirnödem im Zusammenhang mit zerebro-vaskulären Erkrankungen. Der zytotoxische Mechanismus ist u. a. wahrscheinlich bei der urämischen Hirnschwellung oder dem Hirnödem beim hepatischen Koma wirksam.

Die zytotoxische Ödemkomponente läßt sich auch bei primär vasogenen Ödemformen nachweisen, während umgekehrt die vasogene Komponente keineswegs beim zytotoxischen Hirnödem vorhanden sein muß.

Die Therapie des Hirnödems ruht im wesentlichen auf empirischem Erfahrungsgut. Ansätze, das Hirnödem auf Grund bestehender Konzeptionen über dessen Entstehungsmechanismus zu behandeln, existieren kaum. Das Grundprinzip der Ödemtherapie ist nach wie vor die Entwässerung mit Hilfe von hypertonen Lösungen oder stark wirkender Diuretika. Wegen ihrer unspezifischen Wirkung und der begrenzten Wiederholbarkeit sind diese Maßnahmen jedoch problematisch. Steroide, wie z. B. Aldosteron oder Dexamethason können als sinnvolle Ergänzung der Therapiemaßnahmen angesehen werden, auch angesichts der Tatsache, daß ihre Wirkung relativ spät einsetzt und nur bei mäßig schwerem Hirnödem nachgewiesen ist, jedoch noch nicht beim massiven Hirnödem. Die Anwendung der Steroide erscheint besonders erfolgversprechend als Vorbehandlung bei neurochirurgischen Eingriffen, um die Entwicklung des postoperativen Hirnödems zu verhindern oder zumindest einzudämmen.

Résumé

Deux mécanismes fondamentaux doivent être distingués parmi les nombreux facteurs déterminant l'oedème cérébral:

Le mécanisme vasogène lié à une perturbation initiale et localisée de la barrière hémato-encéphalique ouvrant la porte à une pénétration des constituants plasmatiques dans l'espace interstitiel du parenchyme cérébral, particulièrement dans celui de la matière blanche.

Le mécanisme cytotoxique lié, contrairement à l:autre, à une perturbation primaire des cellules, métabolique ou toxique, les exposant à être gorgées de liquide.

Le premier est prévalent dans les formes de l'oedème humain. C'est celui du traumatisme, de la tumeur cérébrale, du trouble vasculaire. Le second est celui du coma hépatique ou de l'urémie. Il accompagne généralement l'autre qui, inversement, est absent dans les formes cytotoxiques pures.

L'oedème cérébral reste encore tributaire d'un traitement basé bien plus sur l'expérience et les connaissances empiriques que sur la compréhension du mécanisme intime de sa formation. La ligne thérapeutique générale tend essentiellement vers une deshydratation par des solutions hypertoniques ou de puissants diurétiques, mesures restant cependant aléatoires au regard de la non-spécificité de leurs mécanismes et de l'épuisement de leurs effets.

Key-words

vasogenic brain edema - metabolic brain edema - brain edema therapy - aldosterone - dexamethasone

1 Supported in part by DFG-Sonderforschungsbereich 51 – Medizinische Molekularbiologie und Biochemie – and US Public Health Service Grants 1 FO 5 TWO 1688 and NB-07658, and by the Deutsche Forschungsgemeinschaft Ba 452/1–2.

2 This paper is dedicated to Professor A. Van Harreveld for his 70th birthday.

1 Supported in part by DFG-Sonderforschungsbereich 51 – Medizinische Molekularbiologie und Biochemie – and US Public Health Service Grants 1 FO 5 TWO 1688 and NB-07658, and by the Deutsche Forschungsgemeinschaft Ba 452/1–2.

2 This paper is dedicated to Professor A. Van Harreveld for his 70th birthday.