Physiologie der Liquorproduktion: Wichtige Grundlage für die Diagnostik

Die ersten Beschreibungen des Liquor cerebrospinalis (Liquor) als eine klare Flüssigkeit, die nach Verletzungen des Schädels austritt, finden sich bereits in ägyptischen Schriften 1.500 Jahre vor Christus und stammen sehr wahrscheinlich aus noch älteren Aufzeichnungen bereits 3.000 Jahre vor unserer Zeitrechnung [1, 2]. Im 15. Jahrhundert schuf Leonardo da Vinci eine erste annähernd rea­listische drei­dimensionale Abbildung der Anatomie des Ventrikelsystems [3].

Das Zentralnervensystem (ZNS; Gehirn und Rückenmark) als zentrales Steuerungsorgan des menschlichen Organismus ist vor äußeren Einwirkungen durch Knochen geschützt, und zwar entweder komplett, im Bereich des Gehirns seitens der Schädelknochen oder partiell im Bereich des Rückenmarks über die Wirbelkörper. Die Knochen sind zum ZNS hin mit verschiedenen Epithelschichten ausgekleidet. Direkt am Periost angelegt findet sich die Dura mater mit zwei Epithelschichten. Diesen folgt die Arachnoidea, die sich unmittelbar an die Dura mater anschließt. Die Pia mater, bestehend aus nur einer Zellschicht, bedeckt direkt die neuronalen Strukturen des Gehirns und folgt dabei auch der gewundenen Struktur der ZNS-Oberfläche. Der Liquor ist lokalisiert im Subarachnoidalraum, der sich zwischen der Pia mater und der Arachnoidea befindet und im Bereich des Gehirns den einzigen physiologischen Hohlraum darstellt. Der Liquor hat somit nur durch die Pia mater getrennt direkten Kontakt zu den neuronalen Zellen des Gehirns [4].

Gebildet wird der Liquor zu mehr als 50 % – wahrscheinlich bis zu 80 % – im Plexus choroideus, einer besonderen Formation aus Gefäßen und Epithelien [5]. Dieser findet sich jeweils am Boden der Temporalhörner der Seitenventrikel, am Boden des Corpus der Seitenventrikel, im Bereich des Foramen Monroi, im Dach des dritten Ventrikels und in der Medulla des vierten Ventrikels bis zum Foramen Luschka [5–7].

Die übrigen ca. 20 % des Liquors stammen sehr wahrscheinlich aus den Zellzwischenräumen und dem perivaskulären Gewebe des ZNS [5, 8–12].

Blut-Hirn-Schranke

Die mikroanatomische Struktur des Gefäßsystems und der perivaskulären Umgebung führt sowohl im Bereich des Plexus choroideus als auch in den anderen Bereichen des ZNS zu einer erhöhten Selektivität des Transports von Substanzen in den Liquor und die neuronalen Gewebe­strukturen, die allgemein als Schranke oder besser als Schrankenfunktion bezeichnet werden (Blut-Hirn-Schranke, Blut-Liquor-Schranke, Liquor-Hirn-Schranke) (Abb. 1) [13, 14].

Dabei sind die Endothelzellen der Gefäße – anders als im peripheren Gewebe – durch sogenannte Tight Junctions sehr eng mit­einander verbunden, sodass der Substanztransport über die Zellzwischenräume erheblich eingeschränkt ist. Tight Junctions sind interzelluläre Verbindungen, die über spezielle Proteine (Occludin, Junctional Adhesion Molecule, Claudin) gebildet werden und eine sehr undurchlässige Barriere für den interzellulären Transport von Molekülen bilden. Das Gefäßsystem zur direkten Versorgung der neuronalen Strukturen ist weitestgehend über dieses System gegenüber dem perivaskulären Raum abgeschottet. Im Bereich des Plexus choroideus sind diese Zell-Zell-Verbindungen jedoch nicht ganz so ausgeprägt, sodass hier ein vermehrter interzellulärer Transport aus dem Gefäßsystem möglich ist (fenestrierte Kapillaren). Diese Zellzwischenräume ermöglichen einen Durchtritt von Molekülen mit einem Molekulargewicht von 900 kDa (z. B. IgM), aber auch kleine Viren mit einem höheren Molekulargewicht können die Kapillare verlassen. Zudem zeigt sich im Bereich des Plexus choroideus eine stärkere Pinozytoseaktivität (transzellulärer Transport) als in anderen Bereichen des ZNS-Gefäßsystems. Zelluläre Bestandteile des Blutes werden aber auch hier primär zurückgehalten.

Die Basalmembranen der Gefäße und des Plexusepithels stellen einen weiteren Filter dar, der insbesondere Proteine zurückhält. Das sich anschließende, aus einer Monozellschicht bestehende eigentliche Plexus­epithel zeigt wiederum Zellverbindungen überwiegend mittels Tight Junctions (Zonulae occludentes). Diese sind jedoch insbesondere an Kontaktpunkten mehrerer Plexuszellen nicht ganz so ausgeprägt, sodass eine gewisse Anzahl an „Lücken“ (Leaks) auftritt. Über diese Leaks können insbesondere auch Serumproteine das Plexusepithel interzellulär passieren. Diese Filterfunktion erklärt in Teilen, warum sich Serumproteine im Liquor finden lassen – allerdings in niedrigerer Konzentration als im Plasma [15–19].

Die Schrankenfunktion des Plexus choroideus selektiert im Wesentlichen über die hydrodynamische Molekülgröße der Substanzen [20, 21].

Der transepitheliale Transport hingegen hängt wesentlich von der Lipophilie eines Moleküls ab [22]. Hinzu kommen noch aktive Carrier-vermittelte Transportsysteme für Elektrolyte, Aminosäuren, Glukose, Laktat und andere Substanzen [23].

Der Übertritt zellulärer Bestandteile des Blutes wie zum Beispiel Monozyten und aktivierte Lymphozyten stellt einen aktiven Vorgang dieser Zellen dar. Über einen aktiven Durchtritt können auch pathogene Krankheitserreger in den Liquorraum gelangen [24, 25].

Protein- und Liquorproduktion

Neben den in anderen Organen produzierten und im Blut auffindbaren Prote­inen wird eine Reihe von Proteinen auch intrathekal oder in den Epithelien der ZNS-nahen Strukturen produziert. Das betrifft zum Beispiel das Transthyretin, das zwar zu einem geringen Teil auch in der Leber, jedoch in größerem Ausmaß im Plexus­epithel gebildet wird [26]. Beispielhaft für lokal synthetisierte Substanzen seien auch Tau-Transferrin, β2-Mikroglobulin als epithelial bzw. meningeal gebildete Proteine sowie S100 und neuronale Enolase als neuronale bzw. gliöse Substanzen genannt.

Die mikroanatomischen Strukturen und das Spektrum der lokal gebildeten Proteine erklären einen Großteil der Unterschiede zwischen den Subtanzkonzentrationen in Liquor und Serum. Entscheidend für die Bildung des Liquors an sich ist jedoch die kontinuierliche Produktion von Wasser an der apikalen Seite des Plexusepithels. Daran sind vier enzymatische Funktionen beteiligt:

Die Na-K-ATPase (NKA) (erhöht die Natrium- und senkt die Kaliumkonzentration) sowie der elektronenneutrale Natrium/Bikarbonat-Cotransporter (NKCC1) sind anders als in anderen Geweben bzw. bei klassischen sekretorischen Drüsen an der apikalen Seite der Plexusepithelzellen verstärkt zu finden. Sie erzeugen somit sehr wahrscheinlich einen starken osmotischen Gradient als treibende Kraft für den Wasserfluss in die Ventrikel zur Bildung des Liquors [27–29]. Die NKA hat für diesen Prozess die größere Bedeutung [30, 31].

Das Wasserkanalprotein Aquaporin-1 unterstützt diesen Vorgang und ermög­licht so den Wasserfluss zehnmal schneller durch die lipophile Lipiddoppelschicht der Zellmembran als die reine Wasserdiffusion [32, 33].  Die Bedeutung der NKCC1 könnte aber auch in einer beschleunigten Kaliumaufnahme in die Plexusepithelien bei vermehrtem Kaliumanfall im Liquor fungieren [28].

Der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) hält die durchlässigen, gefensterten Kapillaren im Plexus aktiv offen [34].

Die stündlich gebildete Liquormenge beträgt bei Erwachsenen im Durchschnitt ca. 20 ml [35] bzw. 0,37 ml/min [36, 37] und damit täglich etwa 500 ml (bis 1.000 ml) [38–41], bei einer Gesamtmenge an Liquor von 130 bis 150 ml (12 bis 23 ml je Ventrikel, 30 ml im spinalen Subarachnoidalraum). Stündlich werden somit ca. 17 % des Gesamtvolumens erneuert, und der Liquor wird damit ca. vier- bis fünfmal täglich komplett ausgetauscht [8, 13].

Erste Studien geben auch einen Hinweis auf einen zirkadianen Rhythmus der Liquorproduktion mit einem Maximum von 0,7 ml/min gegen 2:00 Uhr und einem Minimum von 0,3 ml/min um 18:00 Uhr [42]. Der in den beiden Seitenventrikeln gebildete Liquor drainiert über die Foramina interventrculare (Foramen Monroi) in den dritten Ventrikel und weiter über den Aquaeductus mesencephali in den vierten Ventrikel. Von dort aus nimmt der Liquorfluss über die Foramina lateralis (Foramen Luschkae) und die Apertura mediana (Foramen Magendi) zwei Verlaufsrichtungen – zum einen in Richtung Großhirnrinde, wo ein großer Teil des Liquors über die Paccioni-Granulationen (Ausstülpungen des Subarachinoidalraums in das Gefäßlumen der venösen Gefäße [Sinus sagittalis]) ohne Filtration (Bulk Flow) drainiert wird, und zum anderen entlang des Rückenmarks, wo sich im Bereich der Nervenwurzeln ebenfalls Strukturen ähnlich den Paccioni-Granulati befinden (Abb. 2) [43, 44].

Die glymphatische Hypothese beschreibt darüber hinaus den Liquorabfluss entlang der Zellzwischenräume des ZNS und letztlich entlang perivaskulärer Räume in das Gefäßsystem des ZNS und das Lymphsys­tem [45, 46].

Liquorfluss

Die Fließgeschwindigkeiten des Liquors sind darüber hinaus auch an den unterschiedlichen anatomischen Strukturen different gemessen worden. So beträgt der Liquorfluss im Aquädukt 0,6 ml/min (0,86 l/Tag), während dieser am Foramen magnum bei denselben Personen mehr als dreimal so hoch war (2,7 ml/min oder 3,9 l/Tag) [47]. Ebenso scheint eine hormonelle [48–52] sowie sympathische und parasympathische Beeinflussung des Liquorflusses zu bestehen [42, 53–55]. Ferner finden sich Hinweise, dass der Liquorfluss altersbedingt abfällt [36, 56–58].

Die Druckdifferenz zwischen arteriellem und venösem Blut ist der wesentliche Antrieb für den Liquorfluss, der durch weitere Faktoren wie Atmung, Herzfunktion, Husten, Wechsel der Körperhaltung und andere Faktoren beeinflusst werden kann. Dabei entsteht eine Pendelbewegung des Liquors, die aber in Summe der geschilderten Flussrichtung entspricht [59].

Funktion des Liquors

Aus den genannten Einblicken in die anatomische Aufteilung der Liquorräume sowie die physiologischen Prozesse der Bildung des Liquors und dessen Fließverhalten lassen sich seine wesentlichen Funktionen ableiten [60].

Das Gehirn liegt basal im Schädel auf dem Liquorflüssigkeitsbett (Auftrieb) und wird auch in den anderen Bereichen vor einer übermäßigen Deformation geschützt.

Der Liquor gleicht wechselnde Druckgradienten durch Bewegung zwischen Gehirn und Wirbelsäule sowie durch den Wechsel des Blutvolumens im Schädel während des Herz- und Atemzyklus aus.

Nichtselektiv wird eine Vielzahl von Abfallstoffen aus dem Gehirn über den Flüssigkeitsstrom entfernt, und es werden verschiedene Substanzen einschließlich Vitaminen und Hormonen durch das Gehirn in Form des genannten Flusses transportiert.

Klinische Implikationen

Für die Beurteilung der Ergebnisse einer Liquordiagnostik ist es weiterhin wichtig, dass der Liquor mit bekannt geringer Fließgeschwindigkeit entlang epithelialer Strukturen, den genannten anatomischen und funktionellen Gegebenheiten folgend, insbesondere im Bereich des Rückenmarks, eine Veränderung seiner Substratkonzentrationen nach kaudal erfahren muss. Diese gilt insbesondere für lumbal gewonnenen Liquor und zeigt sich unter anderem an den unterschiedlichen ermittelten Referenzbereichen des Schrankenfunktionsparameters Serum/Liquor-Albumin-Quotient in ven­trikulär, zisternal oder lumbal gewonnenem Liquor. Die Veränderungen sind dabei im Wesentlichen durch die Konzentrationsunterschiede der Proteine zwischen Plasma und dem liquorumgebenden Gewebe sowie dem Liquor bedingt. Bei dem in Summe nach kaudal gerichteten Liquorfluss steigen die Konzentrationen der Plasmaproteine im Liquor, beeinflusst durch die Diffusionsgeschwindigkeit des entsprechenden Proteins (die wiederum abhängig von der Molekülgröße, dem lokalen Konzentrationsunterschied und dem Diffusionskoeffizienten ist) und der Liquorflussgeschwindigkeit, auch physiologischerweise ständig an [61]. Die Zusammensetzung des Liquors im Bereich Großhirnoberfläche ist aus den genannten Gründen different vom lumbalen Liquor.

Die hier geschilderten Grundlagen der Liquorproduktion und des Liquorflusses sind Grundlage für die Interpretation einer Liquordiagnostik. Darüber hinaus wird auch deutlich, dass nur ein Teil des ZNS seitens einer Liquoruntersuchung diagnostisch erfasst werden kann und insbesondere Prozesse im kranialen Teil des Gehirns zumindest von einer lumbalen Liquorpunktion nicht abgebildet werden.

Präanalytik und Indikation

Ferner ergeben sich aus den dargestellten Gegebenheiten der Liquorproduktion und des Liquorflusses einige Besonderheiten in der Präanalytik. Aufgrund des hohen Aufwands für eine Liquorpunktion sollte eine ausreichende Menge an Liquor – mindestens 10 ml bei einer primären Punktion (bei Verdacht auf eine maligne Besiedelung auch bis zu 30 ml) – gewonnen werden, um auch genügend Probenmaterial für spezielle Diagnostiken sicherzustellen [63].

Die visuelle Begutachtung des Liquors gehört zwingend zur präanalytischen Einschätzung der Probe. Ab einer Erythrozytenzahl von ca. 1.000 Erythrozyten/µl findet sich eine rötliche Färbung des Liquors. Um artifizielle Blutbeimengungen zu erkennen, sollten zumindest drei Liquorportionen in getrennten Probengefäßen abgenommen werden. Bei Vorliegen einer artifiziellen Blutbeimengung nimmt die rötliche Färbung entsprechend ab [64]. Eine opalweiße Trübung findet sich ab ca. 1.000 Leukozyten/µl [64].

Die Abnahme von fünf Liquorproben erleichtert oft eine mikrobiologische oder molekulare Infektionsdiagnostik, da diese teilweise erst später angefordert wird und methodisch bedingt oft in verschiedenen Laborbereichen stattfindet. Selbstverständlich muss der Liquor mit sterilen Gefäßen abgenommen werden [64].

Durch die geringe Zellzahl (< 5 Zellen/µl) und insbesondere die geringe Proteinkonzentration ist die Pufferkapazität des Liquors sehr gering. Somit steigt der ph-Wert von 7,32 bis 7,36 (Normalbereich im Liquor) nach der Punktion bedingt durch den sofortigen Kontakt mit den atmosphärischen Gaskonzentrationen auf einen alkalischen Wert von bis zu 7,8 und höher. Hierdurch kommt es zu einer erhöhten Vulnerabilität der Zellen, und autolytische Prozesse werden beschleunigt. Aus diesem Grund sollte eine zelluläre Diagnostik innerhalb von zwei bis vier Stunden erfolgen [65].

Seitens der Proteindiagnostik ist zu beachten, dass prinzipiell Polypropylenröhrchen verwendet werden sollten; insbesondere, wenn eine Bestimmung von Demenzmarkern in Erwägung gezogen wird, da in diesen Gefäßen keine Absorption der entsprechenden Proteine an die Gefäßwände zu erwarten ist [64].

Weiterhin kann eine Proteindiagnostik – vor allem die Bestimmung der Immunglobulinklassen – wenn auch mit Einschränkung und ggf. rechnerischer Korrektur nur bis zu einer Zahl von 7.000 Erythrozyten/µl erfolgen. Eine taggleiche Abarbeitung ist wünschenswert, jedoch ist bei einer Lagerung von 4 ˚C für die meisten Parameter der Proteindiagnostik auch eine Bestimmung nach einigen Tagen möglich. Zudem ist zu beachten, dass wie beschrieben insbesondere die Proteinkonzentrationen im Liquor in einem engen Zusammenhang mit den Konzentrationen im Serum stehen und dass für eine aussagekräftige Diagnostik die Proteinbestimmung in beiden Materialien notwendig ist. Dabei ist eine Abnahme der beiden Materialien mit geringem zeitlichem Abstand zu fordern (max. 30 bis 60 Minuten), um den Steady State in diesen beiden Kompartimenten zu erfassen. Zwingend muss aber eine therapeutische Intervention mit Flüssigkeits- oder Proteinsubstitution in das Gefäßsystem vermieden werden.

Für die Anforderung und Interpretation der Liquordiagnostik ist es wichtig, die Vorgaben für die Präanalytik zu beachten und diese zu dokumentieren. Nur so kann die geforderte Gesamtinterpretation der Befunde unter Berücksichtigung der (patho-)physiologischen Prozesse der Liquorproduktion gewährleistet werden. Ebenso sind eine klare Fragestellung und eine klare Verdachtsdiagnose als hilfreich für die Steuerung der Liquordiagnostik anzusehen. Als Indikation für eine Liquorpunktion können insbesondere genannt werden [63]:
Verdacht auf

• akute entzündliche Erkrankungen (Meningitis, Enzephalitis, Myelitis, Radikulitis und [Poly-]Neuritis),
• chronische entzündliche Erkrankungen/Autoimmunerkrankungen,
• demenzielle Erkrankungen sowie deren Differenzialdiagnosen,
• eine Subarachnoidalblutung,
• eine Normaldruckhydrozephalus- oder idiopathische intrakranielle Hyper­tension und
• eine Meningeosis carcinomatosa oder lymphomatosa.