Hjerneforskningens dilemma: Forsøgsdyr kan ikke bedøves, uden at det påvirker hjernen

Hjerneskanninger og anden præklinisk hjerneforskning foregår som oftest på bedøvede forsøgsdyr. Men det er selvsagt ikke muligt at bedøve et dyr uden samtidigt at påvirke hjernen og dermed resultaterne. Dette dilemma har ikke nogen let løsning, men mange forsøg er gjort de senere år.

Af Aage Kristian Olsen Alstrup, Nuklearmedicinsk Afdeling & PET, Aarhus Universitetshospital og Aarhus Universitet.

Forsøgsdyr bliver anvendt til undersøgelser af hjernen, og denne forskning foregår for det meste på bedøvede dyr. Lovgivningen kræver nemlig, at forsøgsdyrene som udgangspunkt

A

Gas

Injection

C B

Raclopride binding in the striatum of anesthetized rats

Binding potential (DVR-1)

D

Gas Injection

Type of anesthesia

Figur 1. Ofte har anæstesien større indflydelse på bindingen af PET-sporstoffer i hjernen end det, som man opnår under studierne. A og B viser således effekten af gas (isofluran) og injektion (Hypnorm-Dormicum) på [11C]racloprid-bindingen til dopamin D2/3-receptorerne i striatum i hjernen på rotter. Bindingen er mere end dobbelt så stor ved gas-anæstesi som ved injektionsanæstesi. Til sammenligning viser C (rotter) og D (mini grise) 19-29 procent reduktion i binding af det samme sporstof efter en dosis d-amfetamin (1 mg/kg) hos isofluran-bedøvede dyr. Illustration stammer fra figur 6 i [9] .

Figur 2. Grise er af velfærdsmæssige og praktiske grunde altid bedøvede under hjerneskanninger. Imidlertid er det ikke muligt at bedøve en grise uden også at påvirke dens hjerne. Det er derfor vigtigt at sikre en ensartet anæstesi for alle grise i studierne og samtidigt have in mente, at grisene var bedøvede, når resultaterne skal tolkes. Tolkningen kompliceres af, at vi i dag ikke kender anæstesimidlernes virkningsmekanismer i detaljer.

skal være bedøvede under forsøgene, om end der kan dispenseres herfor – blandt andet hvis det ikke er muligt at opnå brugbare resultater ved brug af bedøvelse.

Det kunne derfor synes oplagt at gøre brug af denne undtagelse ved helt at undgå bedøvelsesmidler, men dels kan dette være dyrevelfærdsmæssigt problematisk, og dels kan stress påvirke hjernen lige så meget, som bedøvelsesmidlerne gør.

Således har forskning vist, at fiksering af vågne rotter under hjerneskanninger skaber så meget stress hos dyrene, at det har mindst lige så stor indflydelse på resultaterne som det at anvende anæstesi [1]. Og så er man jo lige vidt – og tilmed med ringere dyrevelfærd. Fiksering af forsøgsdyr i skannere er altså ikke en farbar vej, men hvad gør man så?

Netop hjerneskanninger er et område, hvor problematikken omkring brug af bedøvelse ofte er yderst relevant. Nogle anatomiske skanninger af hjernen foretaget med CT– og MR-skannere er næppe så påvirkelige af hjernens fysiologi, og derfor kan de uden de store problemer udføres på bedøvede forsøgsdyr.

Men for de mere fysiologiske skanninger, der kan foretages med eksempelvis positron emission tomografi (PET)-skannere, kan bedøvelsen have meget stor indflydelse på resultaterne. Vi har således i vores forskergruppe på Aarhus Universitetshospital tidligere påvist, at bedøvelseseffekterne ofte er større end de effekter, som vi ønsker at studere i interventionsstudierne.

Som et eksempel kan nævnes hjernens dopamin-system, som kan undersøges med det radioaktivt mærkede PET-sporstof [11C] racloprid, der binder til de frie dopamin D2/3-receptorer i hjernen. Racloprid er et gammelt antipsykotisk lægemiddel, der ikke længere anvendes i klinikken, men som har vundet stor udbredelse som sporstof til forskning i hjernens fysiologi hos mennesker og dyr.

Det er muligt med [11C]racloprid at undersøge frigivelsen af dopamin i hjernen, når grisene [2] eller rotterne [3] bliver PET-skannet med sporstoffet før og efter indtag af amfetamin. Amfetamin påvirker hjernens frigivelse af dopamin, som derfor vil konkurrere med [11C]racloprid om at binde sig til D2/3-receptorerne i striatum. Faldet i sporstofbinding fra før til efter amfetaminindtaget er derfor et indirekte mål for den endogene dopamin-frigørelse og anvendes derfor til forskning i misbrugsstoffers akutte effekt på hjernen.

Fra dyrestudier ved vi, at reduktionen i bindingen af sporstoffet er på cirka 19-29 procent efter indtag af standarddosis på 1 mg/kg d-amfetamin. Imidlertid har vi i rotter kunnet vise, at valget af anæstesi har en endnu større effekt på skanningsresultaterne end den indtagne amfetamin, idet [11C]racloprid-bindingen er mere end dobbelt så stor under isofluran-bedøvelse end under den såkaldte ”gnaver-blanding” bestående af HypnormDormicum (Figur 1) [4] .

Resultaterne viser, at en ensartet bedøvelse er afgørende, hvis man skal bruge resultaterne til noget, og at man må være beredt på, at bedøvelsen kan have en enorm betydning for resultaterne af skanningerne. Det er derfor afgørende altid at have bedøvelsens betydning i baghovedet, når man tolker skanningsbillederne.

Et større review over publicerede anæstesieffekter bekræfter da også, at valget af bedøvelsesmiddel kan have stor betydning for binding af en lang række forskellige sporstoffer i hjernen på mus, rotter, katte, hunde, grise og non-humane primater [5] .

Vores forskning tyder også på, at man ikke altid kan forudsige effekten af anæstesien, idet kinetikken af sporstofferne kan være ››

forskellig fra dyreart til dyreart, også selvom dyrene har været bedøvet på samme måde [6] .

Det er således ikke altid, at man på forhånd kan gætte sig til, hvilken effekt et anæstesimiddel har på et sporstofs kinetik og fordeling i hjernen. Men der er dog nogle generelle tendenser, som ses på tværs af dyrearterne.

Bedøvelsesmidlerne vil således generelt reducere stofskiftet i hjernen, hvilket man vil kunne måle med de sporstoffer, der bruges til undersøgelser af hjernens stofskifte – blandt andet det modificerede glukosemolekyle [18F]FDG, som bruges til at kortlægge glukoseforbruget i hjernen.

Endvidere er mange sporstoffer også stærkt påvirkelige af hjernens blodgennemstrømning, det cerebrale blodflow, nemlig alle de sporstoffer, som binder sig irreversibelt til strukturer i hjernen [5-7] . Dette er formentlig også den væsentligste forklaringen på, at [11C]racloprid-bindingen i hjernen var højere under isofluran-bedøvelse end under Hypnorm-Dormicum [4] , idet isofluran giver et højere cerebralt blodflow end Hypnorm-Dormicum.

Det er muligt at måle det cerebrale blodflow med PET-sporstoffet [15O]H2O. Udover at påvirke hjernens fysiologi har bedøvelsesmidlerne også indflydelse på puls, blodtryk og andre basale fysiologiske parametre. Hjernens autoregulatoriske mekanismer kan dog i et vist omfang kompensere for disse forskelle.

Det er selvsagt vanskeligt at forestille sig, at man kan bedøve en hjerne uden at påvirke den!. Dette faktum har gennem tiderne fået forskere til at lede efter alternativer til bedøvelse.

Nogle har kastet sig over at fiksere forsøgsdyrene i skannerne, således at de ikke kan flytte sig, men stadig er vågne. Men fiksering regnes for en meget stressfuld tilstand, og derfor er metoden ikke acceptabel velfærdsmæssigt og giver desuden problemer med, at studierne således er udført på stressede dyr.

Alternativt har forskere trænet forsøgsdyr til at sidde stille, således at de kan skannes i vågen og ustresset tilstand. Nonhumane primater lader sig forholdsvis let træne, og derfor kan de, i lighed med frivillige forsøgspersoner, PET-skannes i vågen tilstand. Ligeledes er rotter og mus blevet trænet, og det er vist, at rotter kan trænes til at sidde stille under skanningerne ved daglig træning igennem otte dage, hvor de i begyndelsen blot sidder stille i et-to minutter ad gangen og herefter gradvist i længere tid.

Såvel vejrtrækning, puls som kortisolniveau falder dag for dag under træningen. Træningen er tidskrævende, og gnaverne skal trænes i en opstilling, der minder om at befinde sig i skanneren, for at det skal lykkes. For at undgå bevægelsesforstyrrelser under skanningerne bliver gnaverne fastholdt i en hovedholder, men det er altså vigtigt, at de er tilvænnet procedurerne, så de ikke stresses heraf [8] .

Som alternativ til at rotterne skal sidde stille, er der på det seneste udviklet mikroskannere, som spændes om hovedet på rotterne og tillader dem at gå rundt under skanningerne – eller alternativt at fotografiske teknikker korrigerer for, at dyrene bevæger sig inde i skanneren. Problematikken omkring anvendelsen af bedøvede grise og rotter i PET-skanningsstudier af hjernen er et væsentligt tema i en kommende veterinær doktordisputats [9] . 

Figur 3. Rotter og mus kan PET-skannes i såkaldte microPET-skannere, der er designet til gnavere. Som oftest foregår PET-skanning på bedøvede dyr, selvom der er store effekter af bedøvelsen på skanningsbillederne. Nogle forskergrupper træner dog gnaverne til at blive skannet vågne.

1. Patel VD et al. (2008) Imaging dopamine release with positron emission tomography (PET) and 11C-raclopride in freely moving animals. Neuroimaging 41, 1051-1066. 2. Pedersen K et al. (2007) Mapping the amphetamine-evoked changes in [11C]racloprid binding in living rat using small animal PET: modulation by

MAO-inhibition. Neuroimage 35, 38-46. 3. Lind NM et al. (2005) Mapping the amphetamineevoked dopamine release in the brain of the Göttingen minipig. Brain Research Bulletin, 65, 1-9. 4. Alstrup AKO et al. (2011) Type of anesthesia influences positron emission tomography measurements of dopamine D2/3 receptor binding in the rat brain. Scandinavian Journal of Laboratory

Animal Science. 38, 195-200. 5. Alstrup AKO et al. (2013) Anaesthesia for positron emission tomography scanning of animal brains. Laboratory Animals 47, 12-18. 6. Alstrup AKO et al. (2013) Effects of anesthesia and species on the uptake or binding of radioligands in vivo in the Göttingen minipig. BioMed Research

International 808713, 1-9. 7. Landau AM et al. (2020) Type of anaesthesia influences [11C]MDL100,907 binding to 5HT2A receptor in porcine brain. Molecular Imaging and

Biology, 10.1007/s11307-020-01476-x, 1-8. 8. Lindhardt TB & B Hansen (2020) Det er tid til at vågne op! Aktuel Naturvidenskab, 2, 30-34. 9. Alstrup AKO (2020) PET neuroimaging in pigs with focus on anaesthesia, monitoring, radioligand injection and animal welfare. Aarhus University & Aarhus University Hospital, 52 sider.

ISBN 978-87-973293-0-6.