University of Oulu

Remote ischemic preconditioning as a means to protect the brain against hypothermic circulatory arrest : an experimental study on piglets

Saved in:
Author: Yannopoulos, Fredrik1,2,3,4,5
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Clinical Medicine, Department of Surgery
3University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Clinical Medicine, Department of Anaesthesiology
4University of Oulu, Clinical Research Center
5Oulu University Hospital
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526201313
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2013
Publish Date: 2013-05-28
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium 1 of Oulu University Hospital, on 7 June 2013, at 12 noon
Tutor: Professor Tatu Juvonen
Reviewer: Doctor Antti Vento
Doctor Ari Mennander
Opponent: Professor Tómas Guðbjartsson
Description:

Abstract

Open aortic arch surgery almost always requires a bloodless operating field which necessitates the use of hypothermic circulatory arrest. Hypothermic circulatory arrest is a technique where the core temperature of a patient is lowered so that the systemic blood circulation can be stopped momentarily. This can cause unwanted damage to the brain. The risk for neurological impairment is at its highest when corrective surgery has to be performed in emergency situations. This highlights the need for additional neuroprotective methods.

Our research group has used a porcine model described in this thesis for about 12 years in various setups to study many neuroprotective hypotheses. We have tested and researched surgical and CPB strategies that could be useful in a HCA and aortic arch reconstruction setting. In this thesis we have combined both chronic surviving animal data with acute experiments and aim to shed light on the mechanisms and efficacy of RIPC as neuroprotective method.

In our experimental model, RIPC provided a mitigation of inflammatory response and cerebral injury after prolonged HCA. In general, the collected data showed homogeneity as similar biochemical results were seen in study I and II. Also interestingly, study III and IV possibly shed some light as to the mechanisms of the neuroprotective effect seen in Study II. These results seem to corroborate each other in a logical way.

In study I which was acute experiment we saw faster EEG recovery rates in the intervention group. Additionally we recorded beneficial biochemical changes from samples that were collected from the brain. In our chronic study, were the animals were followed for a 7 day period after hypothermic circulatory arrest, we saw a statistically significant neuroprotective effect of remote ischemic preconditioning. In studies III and IV we attempted to shed light on the mechanisms. Study III revealed that an altered oxygen usage profile during hypothermic circulatory arrest and recovery phase might have a role in the neuroprotection. In study IV we saw a reduced microcirculatory leukocyte accumulation in cerebrocortical vessels was noted using an intravital microscope. The intravital microscope also provided results that indicated a difference in the redox state of the mitochondria via NAD+/NADH autofluorescence measurements.

see all

Tiivistelmä

Sydän- ja aorttakirurgiassa tarvitaan jossain tilanteissa täysin veretöntä leikkausaluetta. Verettömän leikkausalueen saavuttamiseksi joudutaan joskus turvautumaan potilaan elimistön jäähdytyksen jälkeiseen verenkierron pysäytykseen. Tämän menetelmän haittana on kuitenki aivokudokselle aiheutuva hapenpuute ja tästä mahdollisesti seuraava vaurioituminen. Vaurioitumisen riski on korkeimillaan erityisesti päivystyksellisissä tilanteissa.

Tämän tutkimuksen tavoitteena on ollut selvittää, onko esialtistavalla raajaiskemialla kykyä suojata aivokudosta hapenpuutostilanteissa. Tutkimusryhmämme on viimeisen 12 vuoden aikana tutkinut sianporsailla eri keinoja, joilla voitaisiin parantaa aivojen suojausta sydän- ja aorttakirurgian aikana. Esialtistava raajaiskemia toteutetaan kiristämällä mansetti eläimen oikean takajalan ympärille. Tämän jälkeen mansetti täytetään viiden minuutin välein neljästi. Täyttökertojen välissä pidettään viiden minuutin tauko, jolloin mansetti on avatuna ja jalan verenkierto palautuu normaaliksi.

Ensimmäisessä tutkimuksessamme totesimme, että esialtistava raajiskemia vaikuttaa aivojen sähkökäyrän toipumista nopeuttavasti. Toisessa tutkimuksessamme seurasimme koe-eläimiä seitsemän päivän ajan kokeen jälkeen. Tämän tutkimuksen yhteydessä toteutessa aivokudoksen mikroskooppiananalyysissä havaitsimme, että raajaiskemia vaikutti suojaavan aivokudosta hapenpuutteen aiheuttamilta aivovaurioilta. Kolmanessa tutkimuksessa selvitimme, että raajaiskemia vaikuttaa aivojen happipitoisuuteen sekä verenkierron pysäytyksen aikana että toipumisvaiheessa. Viimeisessä tutkimuksessa kuvasimme aivojen pintaverisuonia mikroskoopilla. Seurasimme kokeessa valkosolujen käyttäytymistä aivokudoksessa käyttäen fluoresoivia lääkeaineita. Havaitsimme, että raajaiskemiaryhmässä valkosoluja oli aivokudoksen pintaverisuonissa merkittävästi vähemmän. Lisäksi samalla menetelmällä tutkimme sitruunahappokiertoon osallistuvan NAD+/NADH parin suhteita autofluoresenssi ilmiöllä. Autofluorensenssi tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että mitokondrioiden hapetus/pelkistys kyky oli parempi raajaiskemia ryhmässä.

Kokeissamme esialtistava raajaiskemia vähensi tulehdussolujen määrää aivokudoksessa sekä vähensi aivovauriota hapenpuutteen jälkeen.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-0131-3
ISBN Print: 978-952-62-0130-6
Issue: 1203
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2013. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.