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Zur Utilisation von nicht-veresterten Fettsäuren und Ketonkörpern im Gehirn des Menschen

Utilisation of non-esterified fatty acids and ketone bodies in human brain

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Summary

(1) In 44 subjects without metabolic diseases, 20 diabetics and 5 patients with liver cirrhosis, non-esterified fatty acid levels were assessed in the arterial and cerebral venous blood. No significant a-v differences were found in either the mean values of all measurements or in the single groups showing elevated blood fatty acid levels (i.e. diabetics or after intravenous infusion of a fatty emulsion). These findings suggest that there is no utilisation of non-esterified fatty acids by the brain.

(2) Acetoacetate andβ-hydroxybutyrate in the arterial and cerebral venous blood were assayed enzymatically in 29 patients fasted for only 12–16 hours. The measurements revealed significant a-v differences.

(3) In 16 normal subjects the mean arterial-cerebral venous difference of acetoacetate was 0.03 µM/ml, that ofβ-hydroxybutyrate 0.01 µM/ml, and that of the total ketone bodies 0.04 µM/ml. The arterial level of the ketone bodies was 0.71 µM/ml.

(4) In 5 patients with chronic uremia (BUN 80 mg-%, art. pH 7.28) the mean arterial level of ketone bodies (1.18 µ M/ml) exceeded significantly the values found in normal subjects. The a-v differences attained 0.03 µM/ml for acetoacetate, 0.07 µM/ml forβ-hydroxybutyrate and 0.10 µM/ml for total ketone bodies. Compared with the normal values, the a-v difference of the total ketone bodies is significantly elevated.

(5) In 2 patients with severe cerebral arteriosclerosis and in 1 patient with hepatic insufficiency the arterial levels and the a-v differences were also elevated.

(6) A-v differences were normal in 5 diabetics without acidosis nor ketonaemia.

(7) There exists a significant correlation between the arterial level and the a-v differences of ketone bodies (p<0.01).

(8) In 8 patients (5 cerebral arteriosclerosis, 2 uremia, 1 hepatic insuffieiency) the metabolic balance of the brain was calculated: cerebral blood flow 49.6 ml/100 g·min, cerebral oxygen uptake 3.01 ml/100 g·min, cerebral glucose uptake 4.04 mg/100 g·min, cerebral acetoacetate uptake 0.12 mg/100 g·min, cerebralβ-hydroxybutyrate uptake 0.23 mg/100 g·min, cerebral lactate release 0.51 mg/100 g·min cerebral CO2 release 2.59 ml/100 g·min. The glucose-oxygen quotient (glucose a-v difference minus lactate a-v difference divided by oxygen a-v difference) was markedly reduced (1.17). Taking into account the oxygen substrate equivalents of the ketone bodies utilized by the brain an almost normal glucoseoxygen quotient results (1.32). In these patients about 10 % of the oxygen consumed was required for the oxydation of the ketone bodies.

(9) Our findings clearly demonstrate that under normal and especially under certain pathological conditions the human brain derives the energy required not only by the oxydative and glycolytic metabolization of glucose but also by the oxydative breakdown of ketone bodies.

Zusammenfassung

1. Bei 44 Stoffwechselgesunden, 20 Diabetikern und 5 Kranken mit Lebercirrhose wurde der Gehalt an nicht-veresterten Fettsäuren im arteriellen und hirn venösen Blut bestimmt. Signifikante A-V-Differenzen konnten weder im Mittel aller Messungen, noch bei erhöhtem Blutspiegel von Diabetikern oder bei intravenöser Infusion einer Fettlösung nachgewiesen werden. Damit ergab sich kein Anhalt für eine cerebrale Utilisation von nicht-veresterten Fettsäuren.

2. Bei 29 Patienten, die nur 12–16 Std nüchtern waren, wurden im arteriellen und hirnvenösen Blut Acetacetat undβ-Hydroxybutyrat enzymatisch bestimmt. Dabei ergaben sich statistisch signifikante A-V-Differenzen.

3. Bei 16 Normalpersonen betrugen die arterio-hirnvenösen Differenzen für Acetacetat 0,03 µMol/ml, fürβ-Hydroxybutyrat 0,01 µ Mol/ml und für die Gesamtketonkörper 0,04 µMol/ml. Der arterielle Ketonkörpergehalt lag bei 0,73 µMol/ ml.

4. Bei 5 Kranken mit chronischer Urämie (Harnstoff-N 80 mg-%, pH art. 7,28) lag der arterielle Ketonkörperspiegel mit 1,18 µMol/ml signifikant über dem der Normalpersonen. Die arterio-hirnvenösen Differenzen betrugen für Acetacetat 0,03 µMol/ml, fürβ-Hydroxybutyrat 0,07 µMol/ml und für die Gesamtketonkörper 0,10 µMol/ml. Die Ketonkörper-A-V-Differenzen sind gegenüber dem Normalkollektiv statistisch signifikant erhöht.

5. Bei 2 Kranken mit ausgeprägter cerebraler Arteriosklerose sowie bei 1 Kranken mit Leberinsuffizienz waren die arteriellen Blutspiegel und A-V-Differenzen ebenfalls erhöht.

6. Bei 5 Diabetikern ohne Stoffwechselentgleisung waren die arteriellen Blutspiegel und A-V-Differenzen normal.

7. Es besteht eine statistisch signifikante Korrelation zwischen Höhe des Ketonkörperblutspiegels und Größe der A-V-Differenz.

8. Bei 8 Kranken (5 Hirnarteriosklerosen, 2 Urämien, 1 Leberinsuffizienz) wurde eine Stoffwechselbilanz ermittelt: Hirndurchblutung 49,6 ml/100 g·min, O2-Verbrauch 3,01 ml/100 g·min, Glucoseverbrauch 4,04 mg/100 g·min, Acetacetatverbrauch 0,12 mg/100 g·min,β-Hydroxybutyratverbrauch 0,23 mg/100 g·min, Gesamtketonkörperaufnahme somit 0,35mg/100 g·min, Lactatabgabe 0,51 mg/100 g·min, CO2-Abgabe 2,59 ml/100 g·min. Der Glucoseoxydationsquotient (Glucose-A-V-Differenz minus Lactat-A-V-Differenz: O2-A-V-Differenz) war mit 1,17 stark reduziert. Unter Berücksichtigung der Sauerstoffäquivalente für die vom Hirn aufgenommenen Ketonkörper ergibt sich ein fast normaler Quotient von 1,32. Etwa 10 % des aufgenommenen Sauerstoffs wurde bei diesen Kranken für die Oxydation der Ketonkörper verbraucht.

9. Mit unseren Befunden konnten wir nachweisen, daß das Gehirn des Menschen unter normalen und besonders unter bestimmten krankhaften Bedingungen nicht ausschließlich Glucose zur Energiegewinnung oxydativ und glycolytisch abbaut, sondern auch Ketonkörper utilisiert.

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Authors and Affiliations

  1. I. Med. Univ.-Klinik Kiel, Germany

    U. Gottstein, W. Müller, W. Berghoff, H. Gärtner & K. Held

  2. Medizinische Klinik des Bürgerhospitals, Nibelungenallee 37–41, BRD-6000, Frankfurt a. M., Deutschland

    U. Gottstein

Authors
  1. U. Gottstein
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  2. W. Müller
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  3. W. Berghoff
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  4. H. Gärtner
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  5. K. Held
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Herrn Prof. W. Bargmann in Verehrung zum 65. Geburtstag.

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Gottstein, U., Müller, W., Berghoff, W. et al. Zur Utilisation von nicht-veresterten Fettsäuren und Ketonkörpern im Gehirn des Menschen. Klin Wochenschr 49, 406–411 (1971). https://doi.org/10.1007/BF01484996

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