key: cord-0006690-5p18gmeu authors: Emmrich, P.; Hahn, J.; Ogunlade, V.; Geiger, K.; Schober, R.; Mohr, F. W. title: Neuropathologische Befunde nach herzchirurgischen Operationen: Retrospektive über 6 Jahre date: 2003 journal: Z Kardiol DOI: 10.1007/s00392-003-1007-3 sha: 9069ee7a417df1594ece532889968d33f1411fcf doc_id: 6690 cord_uid: 5p18gmeu Neuropathological studies may contribute to the discovery of central nervous system complications after heart surgery and thus help to reduce the incidence of postoperative neurological or cognitive disturbances. We examined the brains of 262 such patients operated for coronary bypass, valve replacement, or heart transplantation. Circulatory disturbances (macro- and microhemorrhages, infarcts, subarachnoid hemorrhages, and hypoxemic brain damage) were present in 128 cases (49%), as the cause of death in 33 cases (12.6%). The infarcts were caused by local arteriosclerosis of brain arteries, arterial emboli originating from the operative sites or myocardial infarctions, or by fat emboli, foreign body emboli or megakaryocytic capillary emboli in rare cases. Inflammatory disturbances were present in 17 cases and consisted of fungal or bacterial septicopyemic changes (12) or of glial nodules (5) as the substrate of a viral or autoimmunencephalitis (Bickerstaff). An incidental finding was Alzheimer’s disease in 37 cases (14% of the material) of elderly patients, often associated with cerebral amyloid angiopathy but not as cause of death or cause of macroscopic brain hemorrhage. Since we have conducted an autopsy study, there is a limitation to transfer the documented changes to the total group of post-cardiac surgery patients with neurologic and cognitive deficits. Contrary to some previous reports, histologically overt microembolic phenomena do not seem to play a major role in our material. On the other hand, careful scrutiny revealed non-fatal white matter microhemorrhages of varying frequency in the different groups, especially after valve operations. These as well as the occasional glial nodules, after resorption and microscarring, could well be the cause of slight neurologic and cognitive impairments. n Summary Neuropathological studies may contribute to the discovery of central nervous system complications after heart surgery and thus help to reduce the incidence of postoperative neurological or cognitive disturbances. We examined the brains of 262 such patients operated for coronary bypass, valve replacement, or heart transplantation. Circulatory disturbances (macro-and microhemorrhages, infarcts, subarach-noid hemorrhages, and hypoxemic brain damage) were present in 128 cases (49%), as the cause of death in 33 cases (12.6%). The infarcts were caused by local arteriosclerosis of brain arteries, arterial emboli originating from the operative sites or myocardial infarctions, or by fat emboli, foreign body emboli or megakaryocytic capillary emboli in rare cases. Inflammatory disturbances were present in 17 cases and consisted of fungal or bacterial septicopyemic changes (12) or of glial nodules (5) as the substrate of a viral or autoimmunencephalitis (Bickerstaff). An incidental finding was Alzheimer's disease in 37 cases (14% of the material) of elderly patients, often associated with cerebral amyloid angiopathy but not as cause of death or cause of macroscopic brain hemorrhage. Since we have conducted an autopsy study, there is a limitation to transfer the documented changes to the total group of post-cardiac surgery patients with neurologic and cognitive deficits. Contrary to some previous reports, histologically overt microembolic phenomena do not seem to play a major role in our material. On the other hand, careful scrutiny revealed non-fatal white matter microhemorrhages of varying frequency in the different groups, especially after valve operations. These as well as the occasional glial nodules, after resorption and microscarring, could well be the cause of slight neurologic and cognitive impairments. n Key words Cardiac surgeryneuropathologycognitive deficiencies n Zusammenfassung Neuropathologische Untersuchungen sollen dazu beitragen, die Ursachen der zentralnervösen Komplikationen nach Herzoperationen aufzudecken und die Rate der postoperativen neurologisch-kognitiven Störungen zu reduzieren. Unter diesem Aspekt haben wir die Gehirne von 262 nach herzchirurgischen Operationen (Bypass-, Klappenoperationen und Herztransplantationen) Verstorbenen untersucht. Es finden sich Zirkulationsstörungen (Makro-und Mikroblutungen, Infarkte, Subarachnoidalblutungen, hypoxämische Hirnschäden) in 128 Fällen (49%), davon kommen 33 Fälle als Todesursache in Betracht (12,6%) . Als Ursachen der Infarkte sind neben einer stenosierenden Arteriosklerose von Hirnarterien und Thromboembolien (Operationsgebiet, Myokardinfarkte) in seltenen Fällen Fettembolien (2), Fremdkörperembolien (1) (31) , dass die dysfunktionell-kognitiven Störungen nach kardiochirurgischen Interventionen (aortokoronare Bypassoperation) viel umfangreicher sind als bisher angenommen und dass sie auch wesentlich länger erhalten bleiben. Sie sind nach 6 Monaten noch zu 10-30% vorhanden und können nach Jahren noch nachweisbar sein. Er spricht von irreversiblen Veränderungen, die mit einem Verlust an kognitiver Leistungsfähigkeit gleichzusetzen sind, wie er normalerweise zwischen dem 40. und 60. Lebensjahr eintritt (31) . In diesem Sinne haben wir eine größere Zahl von Gehirnen Erwachsener, die nach kardiochirurgischen Interventionen verstorben und obduziert worden sind, neuropathologisch untersucht. Im Vordergrund der Studie stehen zirkulatorische und entzündliche Krankheitsbilder. Wenngleich von den neuropathologischen Veränderungen der postoperativ Verstorbenen kein unmittelbarer Vergleich zu den klinisch beobachteten Bildern möglich ist, kann über einen Analogieschluss versucht werden, ähnliche pathologisch-anatomische Befunde -auch im mikroskopischen Bereich -diesen zuzuordnen. Aus den Jahren 1996-2001 wurden von 262 Patienten, die nach einem herzchirurgischen Eingriff verstorben sind, die Gehirne neuropathologisch untersucht. Kinderfälle wurden ausgeschlossen. Nach der Art des Eingriffs wurden 4 Patientengruppen gebildet: Fälle mit Bypass-Operation, mit Herzklappenersatz oder -rekonstruktion, mit Klappenoperationen und gleichzeitiger Bypass-Anlage und mit HTX (Tab. 1). Unter den Bypass-Operationen überwiegt deutlich das männliche Geschlecht (89 : 35) , sonst ist das Geschlechtsverhältnis ausgeglichen. Bei der Altersverteilung sind die Jahrgänge zwischen 60 und 79 Jahren bevorzugt (allein 105 Fälle mit Bypass-Operationen, siehe Tab. 2). Im genannten Zeitraum wurden im Herzzentrum Leipzig 15 534 Operationen durchgeführt, die sich auf die vorgegebenen Patientengruppen verteilen (Abb. 1). Die Mortalität unter allen diesen Operationen beträgt 4,7% und ist mit 27% bei den Herztransplantationen erwartungsgemäß am höchsten (Tab. 3). Von den 733 Verstorbenen wurden in schwankender Inzidenz mit in den letzten Jahren steigender Tendenz 30% (für die Jahre 1996-1999) bis 35% (die letzten beiden Jahre des vorgelegten Materials) obduziert. Sie ist mit 70% bei den Herztransplantierten am höchsten. Davon wurden in den 4 Gruppen insgesamt 262 Fälle neuropathologisch untersucht (Tab. 4). Während in den Jahren 1996-1998 zunächst von allen Herzoperierten bei der Obduktion die Gehirne untersucht wurden, betraf das in den folgenden 3 Jahren nur noch nach dem klinischen und makroskopischen Befund ausgewählte Fälle. Diese Tatsache limitiert unsere Aussagen zur Pathologischen Anatomie im Gesamtobduktionsmaterial. Von den 262 Fällen des Materials ist die postoperative Überlebenszeit kurz in der Gruppe der Bypass-Operationen und der der Klappen-und Bypassoperationen. Wesentlich länger ist sie nach Klappenoperationen und nach Herztransplantation. In beiden Gruppen sind aber statistisch gesehen -sog. Der Fall mit einer immunhistochemisch nachgewiesenen Cytomegalie ist insofern erwähnenswert, als es sich um eine blande (immunhistochemisch positive) Reaktion von endothelialen Zellen in Kapillaren und Arteriolen ohne gewebliche Begleitveränderungen handelt. Die Topographie der Gliaknötchen bzw. der lymphozytären perivaskulären Infiltration betrifft vorwiegend den Hirnstamm, teilweise die Stammganglien und die Medulla oblongata, jedoch auch andere Lokalisationen. Häufig werden die Knötchen von einer Mikrogliavermehrung in der Umgebung begleitet (Abb. 3 f). Nach den eigenen Untersuchungen, besonders aber nach den Angaben aus der Literatur, muss man nach herzchirurgischen Operationen am Zentralnervensystem mit morphologischen, insbesondere aber auch mit neurologisch-dysfunktionellen Ausfällen rechnen. Die letzte wesentliche Publikation (31) zu dieser Problematik gibt die Häufigkeiten 53% (unmittelbar postoperativ), 36% (nach 6 Wochen), 24% (nach 6 Monaten) und -wiederum ansteigend -42% nach 5 Jahren postoperativ an. Während die Pathologische Anatomie des Gehirns zu diesen neurologischen Daten keinen unmittelbaren Beitrag liefern kann, ist es wohl möglich, alle (21) . Zu den klinisch-neurologischen Ausfällen im vorliegenden Material können verständlicherweise die Angaben nur sehr lückenhaft sein, weil die große Zahl der geringfügigen neurologischen Komplikationen im postoperativen Gesamtgeschehen keine Rolle spielen. Vergleicht man diese Angaben mit den oben angegebenen Häufigkeiten postoperativer neurologischer Störungen (31), so resultiert daraus eine Problematik, die dringender Klärung bedarf. Sie ist allgemein, auch in der Öffentlichkeit, bekannt und wird in den Medien unter der Überschrift "Operation gelungen, Hirn defekt" diskutiert (13) und sogar in der Belletristik als mögliche Schädigung nach einer Herzoperation erwähnt (40) . Wir wollen versuchen, hierfür einen pathologisch-anatomischen Beitrag zu liefern, um über den Weg der Analogie eine mögliche Erklärung der neurologischen Störungen geben zu können. Man muss bei der möglichen morphologischen Erklärung für die postoperativen Schäden zwischen zwei Gruppen von Wir möchten an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich auf die im eigenen Material gefundenen Mikroblutungen eingehen, die am häufigsten nach Klappenoperationen gefunden worden sind (32,4% der Fälle). Sie müssen bei alleinigem Auftreten nicht zum Tode führen, können resorbiert werden und vernarben, hinterlassen aber bei multifokalem Auftreten im Marklager mit Sicherheit Defizite, die sich nicht fokal-neurologischen, sondern in diffusen kognitiven Einbußen äußern können. Interessant erscheint noch ein Vergleich der neuropathologischen Komplikationsrate von Bypassund Klappenoperationen. Allgemein wird eingeschätzt, dass die Bypassoperationen stärker von Komplikationen belastet sind, möglicherweise auch deshalb, weil die allgemeine Arteriosklerose wie die Koronararteriensklerose so auch die der Hirnbasisarterien und der intracerebralen Arterien als hochgradiger einzuschätzen sind und so auch die neuropathologischen Veränderungen vermehrt auftreten (16, 23, 41) . Andere Autoren geben für die Kombination Bypass-und Klappenoperation die höchste Komplikationsrate an (2) . Im eigenen Material liegen die Klappenoperationen an der Spitze, das bei den Makro-und Mikroblutungen und bei der Summe der todesursächlichen Ereignisse, während Makroinfarkte deutlich häufiger bei den Bypassoperationen vorgekommen sind. Wenn man von der Vorstellung ausgeht, dass bei der chirurgischen Manipulation im Gefäßsystem (Klappenoperation) unterschiedlich große organische oder Fremdpartikel abgelöst werden, die dann nach dem Einsetzen des normalen Kreislaufs abgespült werden und u. a. ins Gehirn gelangen und zu Makroinfarkten und Mikroinfarkten führen, dann trifft diese pathogenetische Überlegung für unser Material nicht zu. Außerdem haben wir versucht, aus der Anwesenheit eines frischen Myokardinfarktes mit Parietalthrombose im li. Ventrikel zum Zeitpunkt der Operation (Bypassanlage als Notoperation) oder bei der Operation einer bakteriellen (polypösen) Endokarditis eine Verbindung zu einer möglichen Embolisierung ins Gehirn mit Ausbildung eines Makroinfarktes herzustellen. Bei den Klappenoperationen besteht kein Unterschied in der Komplikationsrate zwischen bakterieller und chronisch-fibroplastischer (rheumatischer) Endokarditis. Immerhin besteht ein solcher Zusammenhang bei den Fällen mit einem frischen Myokardinfarkt und der Bypass-Operation: von 53 Fällen mit einem neuropathologischen Befund hatten 45 einen frischen Myokardinfarkt und 19 von diesen (42%) einen dazu passenden Hirnbefund. Bedeutungsvoll für die Entstehung zerebraler Infarkte soll die Cerebrale Amyloid-Angiopathie (CAA) sein, die wiederum eine kausalgenetische Verbindung zur Alzheimer-Krankheit besitzt und für intrazerebrale Blutungen im höheren Lebensalter verantwortlich sein kann. Unabhängig von herzchirurgischen Eingriffen ist diese Tatsache an Hirnbiopsien gefunden worden. Es besteht eine hohe (statistisch signifikante) Syntropie zwischen der CAA und den cerebralen Infarkten (10), nicht aber zu den Amyloidplaques. Unsere Zusammenstellung der Fälle im Material mit Alzheimer-Krankheit und gleichzeitiger CAA, deren Häufigkeit den allgemeinen Angaben zur Häufung der Alzheimer-Krankheit in diesem Lebensalter sowie den Ergebnissen eigener Studien zu dieser Problematik entspricht, belegen die Bedeutung dieser pathogenetischen Verbindung. Unter den Entzündungen des Zentralnervensystems nehmen die septischen bzw. septikopyämischen Neuropathologic complications of cardiac surgery Cerebral complications after coronary artery bypass and heart valve surgery: risk factors and onset of symptoms Neuropathology of heart transplantation Central nervous system complications of cardiac surgery Evidence for improved cerebral function after minimally invasive bypass surgery Autopsy study of cerebral complications of congenital heart disease and cardiac surgery Prevention of neurological damage during openheart surgery Brain damage complicating open-heart surgery: A Neuropathological study of 46 patients Cerebral fat embolism from cardiopulmonary bypass Cerebral beta amyloid angiopathy is a risk factor for cerebral ischemic infarction. A case control study in human brain biopsies Brain embolic phenomena associated with cardiopulmonary bypass Acute cerebral dysfunction after open-heart surgery. A reaction -time study Operation gelungen Treatment of Bickerstaff's brainstem encephalitis with immune globulin Neurological complications of cardiac surgery Evidence suggestive of diffuse brain damage following cardiac operations Morphological damage to the central nervous system following open heart surgery Immune and inflammatory response after cardiopulmonary bypass A case of brainstem encephalitis associated with Epstein-Barr virus infection: differentiation of acute disseminated encephalomyelitis and Bickerstaff's brainstem encephalitis Cardiopulmonary bypass: studies on its damaging effects Central nervous system complications after cardiac surgery: a comparison between coronary artery bypass grafting and valve surgery Brain microemboli during cardiac surgery or aortography Brain microemboli associated with cardiopulmonary bypass: A histologic and magnetic resonance imaging study Leucocyte reduction in cardiovascular surgery Etiology and incidence of brain dysfunction after cardiac surgery Changes in cognition following cardiac surgery Effect of aging on cerebral autoregulation during cardiopulmonary bypass. Association with postoperative cognitive dysfunction Predictors of cognitive decline after cardiac operation Longitudinal assessement of neurocognitive function after coronary-artery bypass surgery Neurological complications after organ transplantation Head and Heart -neurological and psychological reactions to open heart surgery Neuropathology of cardiac transplantation Neurologic and neuropsychological morbidity following major surgery: comparison of coronary artery bypass and peripheral vascular surgery Issues associated with the identification of cognitive change following coronary artery bypass grafting Brain changes in newborns, infants and children with congenital heart disease in association with cardiac surgery. Additional observations CNS aspergillosis in organ transplantation: a clinicopathological study Rabbit at Rest. Knopf Results of open heart surgery in patients with recent cardiogenic embolic stroke and central nervous system dysfunction Komplikationen im Rahmen von oder nach herzchirurgischen Eingriffen den größten Raum ein, wenngleich die Rate der entzündlichen Veränderungen im Vergleich zu den Zirkulationsstörungen weitaus geringer ist (6,5%). Die Fälle mit einer Septikopyämie rekrutieren sich überwiegend aus Pilzinfektionen (vorwiegend Aspergillus) bei immunsupprimierten Patienten nach Herz-oder Herz-Lungen-Transplantation. Diese Art der Komplikation tritt häufig auf (32, 34, 39) . Bakterielle Allgemeininfektionen treten diesen gegenüber in den Hintergrund. Allgemein wird als mögliche Ursache entzündlicher Begleitphänomene bei Herzoperationen mit CPB eine Leukozytendepression (26, 27) bzw. eine allgemeine inflammatorische Reaktion (19, 36) gesehen.Weitaus interessanter ist die disseminierte entzündliche Reaktion des Zentralnervensystems, z. B. mit Ausbildung von Gliaknötchen oder einer lymphozytären perivaskulären Reaktion um intracerebrale Gefäße ohne ein erkennbares pathogenetisches Substrat. Derartige Bilder werden -sitzen sie im Stammhirn-und Brückenbereich -als Bickerstaff-Enzephalitis bezeichnet und als viralen Ursprungs angesehen. Sie sind auch von klinischer Seite beschrieben (14, 20) und zeigen morphologisch (immunhistochemisch) neben einer positiven Reaktion aus LCA auch eine deutliche Mikrogliaproliferation. Neben der Virusgenese wird eine atypische immunologische Reaktion des Zentralnervensystems vermutet. Weitere Untersuchungen werden notwendig sein, derartige Befunde pathogenetisch abzuklären.Es kann aber davon ausgegangen werden, dass derartige Läsionen bei multifokalem Auftreten ebenso wie die disseminierten Mikroblutungen zu solchen diffusen kognitiven Leistungseinbußen führen, wie sie von Newman et al. (31) mit stark erhöhter Inzidenz nach Herzoperationen beschrieben worden sind.