Intradermale microdialyse: een benadering voor het onderzoeken van nieuwe mechanismen van microvasculaire disfunctie bij mensen
Summary
Intradermale microdialyse is een minimaal invasieve techniek die wordt gebruikt om de microvasculaire functie bij gezondheid en ziekte te onderzoeken. Zowel dosis-respons- als lokale verwarmingsprotocollen kunnen voor deze techniek worden gebruikt om mechanismen van vasodilatatie en vasoconstrictie in de huidcirculatie te onderzoeken.
Abstract
Het cutane vasculatuur is een toegankelijk weefsel dat kan worden gebruikt om de microvasculaire functie bij mensen te beoordelen. Intradermale microdialyse is een minimaal invasieve techniek die wordt gebruikt om mechanismen van vasculaire gladde spieren en endotheelfunctie in de huidcirculatie te onderzoeken. Deze techniek maakt de farmacologische dissectie mogelijk van de pathofysiologie van microvasculaire endotheeldisfunctie, zoals geïndexeerd door verminderde stikstofmonoxide-gemedieerde vasodilatatie, een indicator van het risico op de ontwikkeling van hart- en vaatziekten. Bij deze techniek wordt een microdialysesonde in de huidlaag van de huid geplaatst en wordt een lokale verwarmingseenheid met een laser Doppler-flowmetriesonde over de sonde geplaatst om de flux van rode bloedcellen te meten. De lokale huidtemperatuur wordt vastgeklemd of gestimuleerd met directe warmtetoepassing, en farmacologische middelen worden door de sonde geperfundeerd om intracellulaire signaalroutes te stimuleren of te remmen om vasodilatatie of vasoconstrictie te induceren of om interessante mechanismen (co-factoren, antioxidanten, enz.) te ondervragen. De vasculaire geleiding van de huid wordt gekwantificeerd en mechanismen van endotheeldisfunctie in ziektetoestanden kunnen worden afgebakend.
Introduction
Hart- en vaatziekten (HVZ) zijn de belangrijkste doodsoorzaak in de Verenigde Staten. Hypertensie (HTN) is een onafhankelijke risicofactor voor beroerte, coronaire hartziekten en hartfalen en treft naar schatting meer dan ~50% vande bevolking van de Verenigde Staten 2. HTN kan zich ontwikkelen als een onafhankelijke HVZ (primaire HTN) of als gevolg van een andere aandoening, zoals polycysteuze nierziekte en/of endocriene aandoeningen (secundaire HTN). De breedte van de etiologieën van HTN bemoeilijkt het onderzoek naar de onderliggende mechanismen en de schade aan de eindorganen die met HTN worden waargenomen. Diverse en nieuwe onderzoeksbenaderingen naar de pathofysiologie van de schade aan eindorganen geassocieerd met HTN zijn nodig.
Een van de vroegste pathologische symptomen van hart- en vaatziekten is endotheeldisfunctie, zoals gekenmerkt door verminderde stikstofmonoxide (NO)-gemedieerde vasodilatatie 3,4,5. Flow-gemedieerde dilatatie is een veelgebruikte benadering die wordt gebruikt om de endotheeldisfunctie geassocieerd met HVZ te kwantificeren, maar endotheeldisfunctie in microvasculaire bedden kan zowel onafhankelijk zijn van als voorloper zijn van die van grote leidingslagaders 6,7,8. Bovendien worden weerstandsarteriolen directer beïnvloed door lokaal weefsel dan leidingslagaders en hebben ze meer directe controle over de afgifte van zuurstofrijk bloed. Microvasculaire functie is voorspellend voor ongunstige cardiovasculaire gebeurtenisvrije overleving 9,10,11. De cutane microvasculatuur is een toegankelijk vaatbed dat kan worden gebruikt om reacties op fysiologische en farmacologische vasoconstrictieve of vaatverwijdende stimuli te onderzoeken. Intradermale microdialyse is een minimaal invasieve techniek, die tot doel heeft de mechanismen van zowel de vasculaire gladde spier als de endotheelfunctie in de cutane microvasculatuur te onderzoeken met gerichte farmacologische dissectie. Deze methode staat in contrast met andere technieken, zoals post-occlusieve reactieve hyperemie, die geen farmacologische dissectie mogelijk maakt, en iontoforese, die farmacologische toediening mogelijk maakt, maar minder nauwkeurig is in zijn werkingsmechanisme (elders grondig besproken12).
De grondgedachte achter de ontwikkeling en het gebruik van deze techniek wordt elders uitgebreid besproken13. Deze benadering werd oorspronkelijk ontwikkeld voor gebruik in neurologisch onderzoek bij knaagdieren en werd vervolgens voor het eerst toegepast op mensen om de mechanismen die ten grondslag liggen aan actieve vasodilatatie te onderzoeken vanuit een thermoregulerend standpunt. Aan het eind van de jaren 1990 werd deze methode gebruikt om zowel neurale als endotheelmechanismen te onderzoeken met betrekking tot lokale verwarming van de huid. Sinds die tijd wordt de techniek gebruikt om een aantal neurovasculaire signaleringsmechanismen in de huid te onderzoeken.
Met behulp van deze techniek hebben onze groep en anderen de mechanismen van endotheeldisfunctie in de microvasculatuur van verschillende klinische populaties onderzocht, waaronder, maar niet beperkt tot, dyslipidemie, primaire veroudering, diabetes, chronische nierziekte, polycysteus ovariumsyndroom, pre-eclampsie, depressieve stoornis 14,15,16,17,18,19 en hypertensie 20,21,22,23,24. Uit een eerdere studie bleek bijvoorbeeld dat normotensieve vrouwen met een voorgeschiedenis van pre-eclampsie, die een verhoogd risico lopen op HVZ, een verminderde NO-gemedieerde vasodilatatie in de huidcirculatie hadden in vergelijking met vrouwen met een voorgeschiedenis van normotensieve zwangerschap20. In een ander onderzoek vertoonden volwassenen met de diagnose primaire HTN een verhoogde angiotensine II-gevoeligheid in de microvasculatuur in vergelijking met gezonde controles21, en het is aangetoond dat chronische sulfhydryldonerende antihypertensieve farmacotherapie bij primaire HTN-patiënten de bloeddruk verlaagt en zowel waterstofsulfide- als NO-gemedieerde vasodilatatie verbetert22. Wong et al.23 vonden verminderde sensorisch gemedieerde en NO-gemedieerde vasodilatatie bij prehypertensieve volwassenen, wat samenviel met onze bevinding van een progressie van endotheeldisfunctie met toenemende HTN-stadia, zoals gecategoriseerd door de richtlijnen van de American Heart Association en het American College of Cardiologyuit 2017 24.
De intradermale microdialysetechniek maakt streng gecontroleerd mechanistisch onderzoek naar de microvasculaire functie in gezondheids- en ziektetoestanden mogelijk. Daarom heeft dit artikel tot doel de intradermale microdialysetechniek te beschrijven zoals toegepast door onze groep en anderen. We beschrijven de procedures voor zowel farmacologische stimulatie van het endotheel met acetylcholine (ACh) om de dosis-responsrelatie te onderzoeken als fysiologische stimulatie van endogene NO-productie met een lokaal verwarmingsstimuleringsprotocol van 39 °C of 42 °C. We presenteren representatieve resultaten voor elke benadering en bespreken de klinische implicaties van de bevindingen die uit deze techniek zijn voortgekomen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De intradermale microdialysetechniek is een veelzijdig hulpmiddel in menselijk vasculair onderzoek. Onderzoekers kunnen het protocol wijzigen om de toepassingen verder te diversifiëren. We beschrijven bijvoorbeeld een ACh dosis-responsprotocol, maar andere onderzoeken naar de mechanismen van vasoconstrictie of vasomotorische tonus, in plaats van alleen vasodilatatie, hebben gebruik gemaakt van norepinefrine of natriumnitroprusside dosis-responsbenaderingen 26,27,28,29,30,31.<sup class=…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Geen.
Materials
| 1 mL syringes | BD Syringes | 302100 | |
| Acetlycholine | United States Pharmacopeia | 1424511 | Pilot data collected in our lab indicate drying acetylcholine increases variability of CVC response; do not dry, store in desiccator |
| Alcohol swabs | Mckesson | 191089 | |
| Baby Bee Syringe Drive | Bioanalytical Systems, Incorporated | MD-1001 | In this study the optional 3-syringe bracket (catalg number MD-1002) was utilized |
| CMA 30 Linear Microdialysis Probes | Harvard Apparatus | CMA8010460 | |
| Connex Spot Monitor | WelchAllyn | 74CT-B | automated blood pressure monitor |
| Hive Syringe Pump Controller | Bioanalytical Systems, Incorporated | MD-1020 | Controls up to 4 Baby Bee Syringe Drives |
| LabChart 8 | AD Instruments | **PowerLab hardware and LabChart software must be compatible versions | |
| Lactated Ringer's Solution | Avantor (VWR) | 76313-478 | |
| Laser Doppler Blood FlowMeter | Moor Instruments | MoorVMS-LDF | |
| Laser Doppler probe calibration kit | Moor Instruments | CAL | |
| Laser Doppler VP12 probe | Moor Instruments | VP12 | |
| Linear Microdialysis Probes | Bioanalytical Systems, Inc. | MD-2000 | |
| NG-nitro-l-arginine methyl ester | Sigma Aldrich | 483125-M | L-NAME |
| Povidone-iodine / betadine | Dynarex | 1202 | |
| PowerLab C Data Acquisition Device | AD Instruments | PLC01 | ** |
| PowerLab C Instrument Interface | AD Instruments | PLCI1 | ** |
| Probe adhesive discs | Moor Instruments | attach local heating unit to skin | |
| Skin Heater Controller | Moor Instruments | moorVMS-HEAT 1.3 | |
| Small heating probe | Moor Instruments | VHP2 | |
| Sterile drapes | Halyard | 89731 | |
| Sterile gauze | Dukal Corporation | 2085 | |
| Sterile surgical gloves | Esteem Cardinal Health | 8856N | catalogue number followed by the initials of the glove size, then the letter "B" (e.g., 8856NMB for medium) |
| Surgical scissors | Cole-Parmer | UX-06287-26 |
References
- Xu, J. Q., Murphy, S. L., Kochanek, K. D., Arias, E. Mortality in the United States, 2021. NCHS Data Brief. 456, (2022).
- Tsao, C. W., et al. Heart disease and stroke statistics-2023 update: A report from the American heart association. Circulation. 147 (8), e93 (2023).
- Cohuet, G., Struijker-Boudier, H. Mechanisms of target organ damage caused by hypertension: Therapeutic potential. Pharmacology & Therapeutics. 111 (1), 81-98 (2006).
- Park, K. H., Park, W. J. Endothelial dysfunction: Clinical implications in cardiovascular disease and therapeutic approaches. Journal of Korean Medical Science. 30 (9), 1213-1225 (2015).
- Levy, B. I., Ambrosio, G., Pries, A. R., Struijker-Boudier, H. A. Microcirculation in hypertension: a new target for treatment. Circulation. 104 (6), 735-740 (2001).
- Sara, J. D., et al. Prevalence of coronary microvascular dysfunction among patients with chest pain and nonobstructive coronary artery disease. Journal of the American College of Cardiology: Cardiovascular Interventions. 8 (11), 1445-1453 (2015).
- Weis, M., Hartmann, A., Olbrich, H. G., Hör, G., Zeiher, A. M. Prognostic significance of coronary flow reserve on left ventricular ejection fraction in cardiac transplant recipients. Transplantation. 65 (1), 103-108 (1998).
- Rossi, M., et al. Investigation of skin vasoreactivity and blood flow oscillations in hypertensive patients: Effect of short-term antihypertensive treatment. Journal of Hypertension. 29 (8), 1569-1576 (2011).
- Pepine, C. J., et al. Coronary microvascular reactivity to adenosine predicts adverse outcome in women evaluated for suspected ischemia results from the National Heart, Lung and Blood Institute WISE (Women’s Ischemia Syndrome Evaluation) study. Journal of the American College of Cardiology. 55 (25), 2825-2832 (2010).
- Matsuda, J., et al. Prevalence and clinical significance of discordant changes in fractional and coronary flow reserve after elective percutaneous coronary intervention. Journal of the American Heart Association. 5 (12), e004400 (2016).
- Gupta, A., et al. Integrated noninvasive physiological assessment of coronary circulatory function and impact on cardiovascular mortality in patients with stable coronary artery disease. Circulation. 136 (24), 2325-2336 (2017).
- Roustit, M., Cracowski, J. L. Assessment of endothelial and neurovascular function in human skin microcirculation. Trends in Pharmacological Sciences. 34 (7), 373-384 (2013).
- Low, D. A., Jones, H., Cable, N. T., Alexander, L. M., Kenney, W. L. Historical reviews of the assessment of human cardiovascular function: interrogation and understanding of the control of skin blood flow. European Journal of Applied Physiology. 120 (1), 1-16 (2020).
- Kenney, W. L., Cannon, J. G., Alexander, L. M. Cutaneous microvascular dysfunction correlates with serum LDL and sLOX-1 receptor concentrations. Microvascular Research. 85, 112-117 (2013).
- Holowatz, L. A., Thompson, C. S., Minson, C. T., Kenney, W. L. Mechanisms of acetylcholine-mediated vasodilatation in young and aged human skin. Journal of Physiology. 563, 965-973 (2005).
- Sokolnicki, L. A., Roberts, S. K., Wilkins, B. W., Basu, A., Charkoudian, N. Contribution of nitric oxide to cutaneous microvascular dilation in individuals with type 2 diabetes mellitus. American Journal of Physiology – Endocrinology and Metabolism. 292 (1), E314-E318 (2007).
- DuPont, J. J., Ramick, M. G., Farquhar, W. B., Townsend, R. R., Edwards, D. G. NADPH oxidase-derived reactive oxygen species contribute to impaired cutaneous microvascular function in chronic kidney disease. American Journal of Physiology – Renal Physiology. 306 (12), F1499-F1506 (2014).
- Sprung, V. S., et al. Nitric oxide-mediated cutaneous microvascular function is impaired in polycystic ovary syndrome but can be improved by exercise training. Journal of Physiology. 591 (6), 1475-1487 (2013).
- Greaney, J. L., Saunders, E. F. H., Santhanam, L., Alexander, L. M. Oxidative stress contributes to microvascular endothelial dysfunction in men and women with major depressive disorder. Circulatory Research. 124 (4), 564-574 (2019).
- Stanhewicz, A. E., Jandu, S., Santhanam, L., Alexander, L. M. Increased angiotensin II sensitivity contributes to microvascular dysfunction in women who have had preeclampsia. Hypertension. 70 (2), 382-389 (2017).
- Greaney, J. L., et al. Impaired hydrogen sulfide-mediated vasodilation contributes to microvascular endothelial dysfunction in hypertensive adults. Hypertension. 69 (5), 902-909 (2017).
- Dillon, G. A., Stanhewicz, A. E., Serviente, C., Greaney, J. L., Alexander, L. M. Hydrogen sulfide-dependent microvascular vasodilation is improved following chronic sulfhydryl-donating antihypertensive pharmacotherapy in adults with hypertension. Journal of Physiology. 321 (4), H728-H734 (2021).
- Wong, B. J., et al. Sensory nerve-mediated and nitric oxide-dependent cutaneous vasodilation in normotensive and prehypertensive non-Hispanic blacks and whites. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 319 (2), H271-H281 (2020).
- Dillon, G. A., Greaney, J. L., Shank, S., Leuenberger, U. A., Alexander, L. M. AHA/ACC-defined stage 1 hypertensive adults do not display cutaneous microvascular endothelial dysfunction. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 319 (3), H539-H546 (2020).
- Gagge, A. P., Stolwijk, J. A., Hardy, J. D. Comfort and thermal sensations and associated physiological responses at various ambient temperatures. Environmental Research. 1 (1), 1-20 (1967).
- Greaney, J. L., Stanhewicz, A. E., Kenney, W. L., Alexander, L. M. Lack of limb or sex differences in the cutaneous vascular responses to exogenous norepinephrine. Journal of Applied Physiology. 117 (12), 1417-1423 (2014).
- Greaney, J. L., Stanhewicz, A. E., Kenney, W. L., Alexander, L. M. Impaired increases in skin sympathetic nerve activity contribute to age-related decrements in reflex cutaneous vasoconstriction. Journal of Physiology. 593 (9), 2199-2211 (2015).
- Alba, B. K., Greaney, J. L., Ferguson, S. B., Alexander, L. M. Endothelial function is impaired in the cutaneous microcirculation of adults with psoriasis through reductions in nitric oxide-dependent vasodilation. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 314 (2), H343-H349 (2018).
- Greaney, J. L., Surachman, A., Saunders, E. F. H., Alexander, L. M., Almeida, D. M. Greater daily psychosocial stress exposure is associated with increased norepinephrine-induced vasoconstriction in young adults. Journal of the American Heart Association. 9 (9), e015697 (2020).
- Nakata, T., et al. Quantification of catecholamine neurotransmitters released from cutaneous vasoconstrictor nerve endings in men with cervical spinal cord injury. American Journal of Physiology – Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 324 (3), R345-R352 (2023).
- Tucker, M. A., et al. Postsynaptic cutaneous vasodilation and sweating: Influence of adiposity and hydration status. European Journal of Applied Physiology. 118 (8), 1703-1713 (2018).
- Craighead, D. H., Alexander, L. M. Menthol-induced cutaneous vasodilation is preserved in essential hypertensive men and women. American Journal of Hypertension. 30 (12), 1156-1162 (2017).
- Brunt, V. E., Minson, C. T. KCa channels and epoxyeicosatrienoic acids: Major contributors to thermal hyperaemia in human skin. Journal of Physiology. 590 (15), 3523-3534 (2012).
- Choi, P. J., Brunt, V. E., Fujii, N., Minson, C. T. New approach to measure cutaneous microvascular function: An improved test of NO-mediated vasodilation by thermal hyperemia. Journal of Applied Physiology. 117 (3), 277-283 (2014).
- Johnson, J. M., Kellogg, D. L. Local thermal control of the human cutaneous circulation. Journal of Applied Physiology. 109 (4), 1229-1238 (2010).
- Jung, F., et al. Laser Doppler flux measurement for the assessment of cutaneous microcirculation-Critical remarks. Clinical Hemorheology and Microcirculation. 55 (4), 411-416 (2013).
