Abstract

Acute Stanford Type A Aortic Dissection (ATAAD) is one of the most life-threatening acute pathologies in the human body; without treatment mortality nears 100%. One third of ATAAD patients suffer from cerebral malperfusion, and permanent ischaemic brain injury occurs in approximately 10% of patients. ATAAD is treated with open aortic arch surgery that involves cardiopulmonary bypass (CPB) and deep or profound (18–24 °C) hypothermic circulatory arrest (HCA); they can provide sufficient cerebral protection for up to 20–30 minutes by lowering the glucose and oxygen consumption of the brain. However, additional strategies on cerebral protection are still needed.

ATAAD patients often present with shock, cardiac tamponade, malperfusion, or they could be still resuscitated while they are brought to the operation room. The rapid institution of antegrade cerebral blood flow through the CPB circuit is particularly vital for these patients and a new aortic cannulation strategy of direct true lumen cannulation after venous exsanguination (DTLC) was developed accordingly. However, associated normothermic circulatory arrest carries an inherent risk for neurologic sequalae.

Our research group has studied the field of cerebral protection in aortic arch surgery extensively for the last 20 years through the use of a porcine model that closely simulates the clinical situation. One of the most promising neuroprotective strategies that has emerged from this research has been remote ischaemic preconditioning (RIPC), which is based on the notion that applying short ischaemia-reperfusion periods to a skeletal muscle increases ischaemic tolerance in other organs including the brain. Therefore, the present thesis studied whether DTLC with a 5-minute normothermic circulatory arrest was safe in terms of cerebral ischaemia (I), if RIPC would prolong the permissible period of HCA (II), and if it would improve the neurologic outcome combined with moderate hypothermia (III).

The first study suggested that DTLC would not impair the neurologic outcome, even with a prolonged cannulation process. The second study proposed that RIPC would prolong the permissible period of HCA to up to nine minutes at 18 °C. The third study suggested that RIPC at 24 °C would provide five additional minutes of permissible HCA as compared to HCA alone at 18 °C. It also proposed that moderate HCA at 24 °C combined with RIPC would provide a superior neurologic outcome as compared to deep HCA alone at 18 °C.

Tiivistelmä

Tyypin A akuutti aortan dissekoituma (ATAAD) on edelleen yksi ihmiskehon hengenvaarallisimmista akuuteista sairaustiloista. Kolmanneksella potilaista aivojen verenkierto häiriintyy ja noin 10 prosenttia potilaista saa pysyvän aivovaurion joko itse sairaustilasta tai operaatiosta johtuen. ATAAD hoidetaan sydän-keuhkokoneen avulla syvässä (18–24°C) hypotermiassa eli alilämpöisyydessä tapahtuvan verenkierron seisautuksen (HCA) aikana. HCA vähentää sekä aivojen sokeriaineenvaihduntaa että hapen käyttöä, jolloin saadaan aikaa 20–30 minuuttia kirurgiselle toimenpiteelle riippuen lämpötilasta.

ATAAD-potilaat ovat usein kriittisessä tilassa saapuessaan leikkaussaliin. Heillä voi olla verenkiertoshokki, verenkierto pääte-elimiin voi olla estynyt, tai heitä voidaan elvyttää. Erityisesti näiden potilaiden kohdalla on tärkeää edetä nopeasti kehonulkoiseen verenkiertoon sydän-keuhkokoneen avulla. Tätä varten kehitettiin uusi nousevan aortan kanylaatiomenetelmä. Potilaan verenkierto pysäytetään valuttamalla veri sydän-keuhkokoneeseen, nouseva aortta avataan ja aorttakanyyli asetetaan aorttaan näkökontrollissa (DTLC). Normaalissa kehon lämpötilassa tapahtuva verenkierron seisautus kuitenkin altistaa nopeasti neurologisille vaurioille.

Tutkimusryhmämme on tutkinut aivojen suojaamista aortan kaaren kirurgian aikana jo 20 vuoden ajan kliinisesti merkittävän kokeellisen porsasmallin avulla. Etäinen iskeeminen esialtistus (RIPC) on osoittautunut lupaavaksi aivojen suojausmenetelmäksi. Siinä raajan lihaskudokseen kohdistetaan lyhyitä verenkierron pysäytyksiä ja palautuksia tavallisella verenpainemansetilla, minkä on osoitettu lisäävän aivojen sietokykyä hapenpuutteelta.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin, onko DTLC-kanylointimenetelmä aivojen kannalta turvallista, jos oletetaan sen kestävän viisi minuuttia (I). Lisäksi tutkimme, pidentääkö RIPC turvallista HCA:n kestoa (II) ja parantaako RIPC maltilliseen (24 °C) hypotermiaan yhdistettynä neurologista toipumista (III). Ensimmäinen tutkimus näytti, että DTLC ei vaikuta huonontavan neurologista lopputulosta. Toisen tutkimuksen perusteella RIPC pidentää turvallista HCA:n kestoa yhdeksällä minuutilla 18 asteen lämpötilassa. Kolmannen tutkimuksen mukaan RIPC pidentää turvallista HCA:n kestoa kymmenellä minuutilla 24 asteen lämpötilassa ja RIPC yhdessä maltillisen hypotermian kanssa parantaa neurologista lopputulosta.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Mustonen, C., Honkanen, H.-P., Lehtonen, S., Tuominen, H., Mäkelä, T., Kaakinen, T., Yannopoulos, F., Anttila, V., & Juvonen, T. (2019). Safety of direct true lumen cannulation after venous exsanguination: a study in a surviving porcine model†. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 56(3), 451–457. https://doi.org/10.1093/ejcts/ezz047

2. Mustonen, C., Honkanen, H.-P., Anttila, T., Herajärvi, J., Yannopoulos, F., Mäkelä, T., Kaakinen, T., Anttila, V., & Juvonen, T. (2019). Remote ischaemic preconditioning may prolong permissible period of hypothermic circulatory arrest in a porcine model. Scandinavian Cardiovascular Journal, 53(4), 192–196. https://doi.org/10.1080/14017431.2019.1629005

3. Mustonen, C., Honkanen, H.-P., Lehtonen, S., Tuominen, H., Mäkelä, T., Kaakinen, T., Kiviluoma, K., Anttila, V., & Juvonen, T. (2020). Moderate hypothermia with remote ischaemic preconditioning improves cerebral protection compared to deep hypothermia: a study using a surviving porcine model. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 58(2), 269–276. https://doi.org/10.1093/ejcts/ezaa065