Utvärdering av cerebral blodflöde Autoregulation hos råtta med Laser Doppler Flowmetry
Summary
Denna artikel visar användningen av Laser Doppler flowmetry att utvärdera förmågan hos den cerebrala cirkulationen att autoreglera sitt blodflöde under minskningar av arteriellt blodtryck.
Abstract
Vid undersökning av kroppens mekanismer för att reglera cerebralt blodflöde, en relativ mätning av mikrocirkulatorisk blodflödet kan erhållas med hjälp av Laser Doppler flowmetry (LDF). Detta papper visar en sluten skalle beredning som tillåter cerebralt blodflöde bedömas utan att tränga in i skallen eller installera en kammare eller cerebralt fönster. För att utvärdera autoregulatoriska mekanismer, en modell av kontrollerad blodtryckssänkning via graderad blödning kan utnyttjas samtidigt som sysselsätter LDF. Detta möjliggör realtidsspårning av de relativa förändringarna i blodflödet som svar på minskningar av arteriellt blodtryck som produceras av indragning av cirkulerande blodvolym. Detta paradigm är en värdefull metod för att studera cerebral blodflöde autoregulation under minskningar av arteriellt blodtryck och, med mindre ändringar i protokollet, är också värdefullt som en experimentell modell av hemorragisk chock. Förutom att utvärdera autoregulatoriska svar, LDF kan användas för att övervaka det kortikala blodflödet vid undersökning av metaboliska, myogena, endoteliala, humoral, eller neural mekanismer som reglerar cerebralt blodflöde och effekterna av olika experimentella ingrepp och sjukdomstillstånd på cerebralt blodflöde.
Introduction
Autoregulatoriska mekanismer i den cerebrala cirkulationen spelar en avgörande roll för att upprätthålla homeostas och normal funktion i hjärnan. Autoregulation av cerebralt blodflöde påverkas av flera faktorer, inklusive hjärtfrekvens, blod hastighet, perfusionstryck, diametern på hjärnans motståndskraft artärer, och mikrocirkulatorisk resistens, som alla spelar en roll för att upprätthålla den totala cerebrala blodflödet konstant i hjärnan över det fysiologiska intervallet av systemiska blodtryck. När arteriella trycket ökar, dessa mekanismer tygla arterioler och resistens artärer för att förhindra farliga ökningar i intrakraniellt tryck. När arteriella blodtrycket minskar, lokala kontrollmekanismer vidga arterioler att bibehålla vävnad perfusion och O2 leverans. Olika sjukdomstillstånd såsom hyperkapni, traumatisk eller global hypoxisk hjärnskada, och diabetesmikroangiopati1,2,3,4,5,6 kan störa hjärnans förmåga att autoreglera sitt blodflöde. Till exempel, kronisk hypertoni skiftar den effektiva autoregulatory intervallet mot högre tryck7,8,9, och en hög salt (HS) diet inte bara stör normala endotel-beroende dilatation i hjärnans mikrocirkulation10, men också försämrar möjligheten för autoregulatoriska mekanismer i den cerebrala cirkulationen att vidgas och bibehålla vävnad perfusion när arteriellt tryck reduceras11. Cerebral autoregulation är också nedsatt i Dahl salt-känsliga råttor när de matas en HS diet12.
Under minskningar av arteriella trycket, utvidgning av hjärnans motståndskraft artärer och arterioler returnerar initialt cerebralt blodflöde till kontrollvärden trots den reducerade perfusionstryck. Som arteriellt tryck reduceras ytterligare, cerebralt blodflöde förblir konstant vid det lägre trycket (platåfasen av den autoregulatoriska svar) tills kärlsystemet inte längre kan vidga för att bibehålla blodflödet vid det lägre trycket. Det lägsta trycket vid vilket ett organ kan bibehålla normalt blodflöde kallas den nedre gränsen för autoregulation (LLA). Vid tryck under lla, cerebralt blodflöde minskar signifikant från vilande värden och minskningar i ett linjärt sätt med varje minskning av arteriella perfusionstryck13,14. En uppåtgående förskjutning i lla, som observerats i hypertoni7,8,9, kan öka risken och svårighetsgraden av ischemisk skada under förhållanden där det arteriella perfusionstrycket reduceras (t. ex., hjärtinfarkt, ischemisk stroke, eller cirkulations chock).
LDF har visat sig vara en mycket värdefull metod för att utvärdera blodflödet i mikrocirkulationen under en mängd olika omständigheter, inklusive autoreglering av blodflödet i den cerebrala cirkulationen11,14,15. Förutom att utvärdera autoregulatory svar, LDF kan användas för att övervaka det kortikala blodflödet vid undersökning av metaboliska, myogena, endoteliala, humoral, eller neural mekanismer som reglerar cerebralt blodflöde och effekterna av olika experimentella interventioner och sjukdomstillstånd på cerebralt blodflöde10,16,17,18,19,20,21.
LDF mäter förskjutningen i reflekterat laserljus som svar på antalet och hastigheten hos rörliga partiklar-i detta fall röda blodkroppar (RBC). För studier av cerebral vaskulär autoreglering, arteriellt blodtryck ändras antingen genom infusion av en alfa-adrenerga agonist att öka arteriellt tryck (eftersom den cerebrala cirkulationen i sig är okänslig för alfa-adrenerga vasokonstriktor agonister)12,15 eller via kontrollerad blodvolym tillbakadragande att minska arteriella trycket11,14. I den nuvarande studien, LDF utnyttjas för att demonstrera effekterna av graderade minskningar av blodtrycket på cerebral autoregulation i en frisk råtta. Även öppna och slutna skalle metoder har beskrivits i litteraturen22,23,24,25, visar den nuvarande papper en sluten skalle förberedelse, vilket gör att cerebralt blodflöde bedömas utan att tränga in i skallen eller installera en kammare eller cerebralt fönster.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utvärdering av vävnads blodflöde svar med Laser Doppler Flowmetry (LDF). Som nämnts ovan, den LDF signalen är proportionell mot antalet och hastigheten av rörliga partiklar, i detta fall RBC, i mikrocirkulationen. LDF avläsningar i olika organ är väl korrelerade med hela organ blodflödet bedömas av etablerade metoder såsom elektromagnetiska flödesmätare och radioaktiva mikrosfärer30 och är i allmänhet förenliga med studier som utvärderar regleringen av aktiv ton…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna uttrycker sitt uppriktiga tack till Kaleigh Kozak, Megan Stumpf, och Jack Bullis för deras enastående hjälp med att slutföra denna studie och förbereda manuskriptet. Bevilja stöd: NIH #R01-HL128242, #R21-OD018309, och #R21-OD024781.
Materials
| 3-0 braided black silk suture | Midwest Vet | 193.73000.2 | |
| Arterial Pressure Transducer | Merit Medical | 041516504A | |
| Automated Data Acquisition Systems (WINDAQ & BIOPAC system) | DATAQ Instruments | ||
| Blood Pressure Display Unit | Stoelting | 50115 | |
| Circulating warm water pump | Gaymar Industries | T-pump | |
| End-tidal CO2 monitor | Stoelting | Capstar-100 | |
| Heparin Sodium | Midwest Vet | 191.46720.3 | |
| Kimwipe | Fisher Scientific | 06-666A | |
| Laser Doppler Flow Meter | Perimed | PeriFlux 5000 LDPM | |
| Laser Doppler Refill Motility Standard | Perimed | PF1001 | |
| Polyethylene Tubing (PE240) (for trachea cannula) | VWR | 63018-828 | |
| Polyethylene Tubing (PE50) (for femoral catheters) | VWR | 63019-048 | |
| Rodent Ventilator | Cwe/Stoelting | SAR-830/P | |
| Saline | Midwest Vet | 193.74504.3 | |
| Sprague-Dawley Outbred Rats | Variable | N/A | Rats were ordered from various companies |
| Standard Rat Chow | Dyets, Inc. | 113755 | |
| Stereotaxic Instrument | Cwe/Stoelting | Clasic Lab Standard |
Riferimenti
- Aso, Y., Inukai, T., Takemura, Y. Evaluation of microangiopathy of the skin in patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus by laser Doppler flowmetry; microvasodilatory responses to beraprost sodium. Diabetes Research and Clinical Practice. 36, 19-26 (1997).
- Golding, E. M., Robertson, C. S., Bryan, R. M. The consequences of traumatic brain injury on cerebral blood flow and autoregulation: a review. Clinical and Experimental Hypertension. 21, 299-332 (1999).
- Grunwald, J. E., DuPont, J., Riva, C. E. Retinal haemodynamics in patients with early diabetes mellitus. British Journal of Ophthalmology. 80, 327-331 (1996).
- Mankovsky, B. N., Piolot, R., Mankovsky, O. L., Ziegler, D. Impairment of cerebral autoregulation in diabetic patients with cardiovascular autonomic neuropathy and orthostatic hypotension. Diabetic Medicine. 20, 119-126 (2003).
- Symon, L., Held, K., Dorsch, N. W. A study of regional autoregulation in the cerebral circulation to increased perfusion pressure in normocapnia and hypercapnia. Stroke. 4, 139-147 (1973).
- Taccone, F. S., et al. Cerebral autoregulation is influenced by carbon dioxide levels in patients with septic shock. Neurocritical Care. 12, 35-42 (2010).
- Barry, D. I., et al. Cerebral blood flow in rats with renal and spontaneous hypertension: resetting of the lower limit of autoregulation. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 2, 347-353 (1982).
- Faraci, F. M., Baumbach, G. L., Heistad, D. D. Cerebral circulation: humoral regulation and effects of chronic hypertension. Journal of the American Society of Nephrology. 1, 53-57 (1990).
- Strandgaard, S. Autoregulation of cerebral blood flow in hypertensive patients. The modifying influence of prolonged antihypertensive treatment on the tolerance to acute, drug-induced hypotension. Circulation. 53, 720-727 (1976).
- McEwen, S. T., Schmidt, J. R., Somberg, L., de la Cruz, L., Lombard, J. H. Time-course and mechanisms of restored vascular relaxation by reduced salt intake and angiotensin II infusion in rats fed a high-salt diet. Microcirculation. 16, 220-234 (2009).
- Allen, L. A., et al. High salt diet impairs cerebral blood flow regulation via salt-induced angiotensin II suppression. Microcirculation. , e12518 (2018).
- Smeda, J. S., Payne, G. W. Alterations in autoregulatory and myogenic function in the cerebrovasculature of Dahl salt-sensitive rats. Stroke. 34, 1484-1490 (2003).
- Greene, N. H., Lee, L. A. Modern and Evolving Understanding of Cerebral Perfusion and Autoregulation. Advances in Anesthesia. 30, 97-129 (2012).
- Merzeau, S., Preckel, M. P., Fromy, B., Leftheriotis, G., Saumet, J. L. Differences between cerebral and cerebellar autoregulation during progressive hypotension in rats. Neuroscience Letters. 280, 103-106 (2000).
- Zagorac, D., Yamaura, K., Zhang, C., Roman, R. J., Harder, D. R. The effect of superoxide anion on autoregulation of cerebral blood flow. Stroke. 36, 2589-2594 (2005).
- Hudetz, A. G., Lee, J. G., Smith, J. J., Bosnjak, Z. J., Kampine, J. P. Effects of volatile anesthetics on cerebrocortical laser Doppler flow: hyperemia, autoregulation, carbon dioxide response, flow oscillations, and role of nitric oxide. Advances in Pharmacology. 31, 577-593 (1994).
- Hudetz, A. G., Shen, H., Kampine, J. P. Nitric oxide from neuronal NOS plays critical role in cerebral capillary flow response to hypoxia. American Journal of Physiology. 274, H982-H989 (1998).
- Okamoto, H., Hudetz, A. G., Roman, R. J., Bosnjak, Z. J., Kampine, J. P. Neuronal NOS-derived NO plays permissive role in cerebral blood flow response to hypercapnia. American Journal of Physiology. 272, H559-H566 (1997).
- Okamoto, H., Roman, R. J., Kampine, J. P., Hudetz, A. G. Endotoxin augments cerebral hyperemic response to halothane by inducing nitric oxide synthase and cyclooxygenase. Anesthesia and Analgesia. 91, 896-903 (2000).
- Schulte, M. L., Hudetz, A. G. Functional hyperemic response in the rat visual cortex under halothane anesthesia. Neuroscience Letters. 394, 63-68 (2006).
- Schulte, M. L., Li, S. J., Hyde, J. S., Hudetz, A. G. Digit tapping model of functional activation in the rat somatosensory cortex. Journal of Neuroscience Methods. 157, 48-53 (2006).
- Alkayed, N. J., et al. Inhibition of brain P-450 arachidonic acid epoxygenase decreases baseline cerebral blood flow. American Journal of Physiology. 271, H1541-H1546 (1996).
- Alonso-Galicia, M., Hudetz, A. G., Shen, H., Harder, D. R., Roman, R. J. Contribution of 20-HETE to vasodilator actions of nitric oxide in the cerebral microcirculation. Stroke. 30, 2727-2734 (1999).
- Kurosawa, M., Messlinger, K., Pawlak, M., Schmidt, R. F. Increase of meningeal blood flow after electrical stimulation of rat dura mater encephali: mediation by calcitonin gene-related peptide. British Journal of Pharmacology. 114, 1397-1402 (1995).
- Mayhan, W. G., Faraci, F. M., Heistad, D. D. Impairment of endothelium-dependent responses of cerebral arterioles in chronic hypertension. American Journal of Physiology. 253, H1435-H1440 (1987).
- Ghali, M. G. Z. Microsurgical technique for tracheostomy in the rat. MethodsX. 5, 61-67 (2018).
- Ghali, M. G. Z. Microsurgical technique for femoral vascular access in the rat. MethodsX. 4, 498-507 (2017).
- Takada, J., et al. Valsartan improves the lower limit of cerebral autoregulation in rats. Hypertension Research. 29, 621-626 (2006).
- Jones, S. C., Radinsky, C. R., Furlan, A. J., Chyatte, D., Perez-Trepichio, A. D. Cortical NOS inhibition raises the lower limit of cerebral blood flow-arterial pressure autoregulation. American Journal of Physiology. 276, H1253-H1262 (1999).
- Smits, G. J., Roman, R. J., Lombard, J. H. Evaluation of laser-Doppler flowmetry as a measure of tissue blood flow. Journal of Applied Physiology (1985). 61, 666-672 (1986).
- Durand, M. J., Raffai, G., Weinberg, B. D., Lombard, J. H. Angiotensin-(1-7) and low-dose angiotensin II infusion reverse salt-induced endothelial dysfunction via different mechanisms in rat middle cerebral arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 299, H1024-H1033 (2010).
- Lombard, J. H., Sylvester, F. A., Phillips, S. A., Frisbee, J. C. High-salt diet impairs vascular relaxation mechanisms in rat middle cerebral arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 284, H1124-H1133 (2003).
- Weber, D. S., Lombard, J. H. Elevated salt intake impairs dilation of rat skeletal muscle resistance arteries via ANG II suppression. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 278, H500-H506 (2000).
- Weber, D. S., Lombard, J. H. Angiotensin II AT1 receptors preserve vasodilator reactivity in skeletal muscle resistance arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 280, H2196-H2202 (2001).
- Liu, Y., Rusch, N. J., Lombard, J. H. Loss of endothelium and receptor-mediated dilation in pial arterioles of rats fed a short-term high salt diet. Hypertension. 33, 686-688 (1999).
- Priestley, J. R., et al. Reduced angiotensin II levels cause generalized vascular dysfunction via oxidant stress in hamster cheek pouch arterioles. Microvascular Research. 89, 134-145 (2013).
- McEwen, S. T., Balus, S. F., Durand, M. J., Lombard, J. H. Angiotensin II maintains cerebral vascular relaxation via EGF receptor transactivation and ERK1/2. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 297, H1296-H1303 (2009).
- Jensen, N. F., Todd, M. M., Kramer, D. J., Leonard, P. A., Warner, D. S. A comparison of the vasodilating effects of halothane and isoflurane on the isolated rabbit basilar artery with and without intact endothelium. Anesthesiology. 76, 624-634 (1992).
- Avram, M. J., et al. Isoflurane alters the recirculatory pharmacokinetics of physiologic markers. Anesthesiology. 92, 1757-1768 (2000).
- Wang, Z., Schuler, B., Vogel, O., Arras, M., Vogel, J. What is the optimal anesthetic protocol for measurements of cerebral autoregulation in spontaneously breathing mice?. Experimental Brain Research. 207, 249-258 (2010).
- Ayata, C., et al. Pronounced hypoperfusion during spreading depression in mouse cortex. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 24, 1172-1182 (2004).
- Niwa, K., et al. Cerebrovascular autoregulation is profoundly impaired in mice overexpressing amyloid precursor protein. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 283, H315-H323 (2002).
- Carreira, S., et al. Diaphragmatic Function Is Preserved during Severe Hemorrhagic Shock in the Rat. Anesthesiology. 120, 425-435 (2014).
- Kerby, J. D., et al. Resuscitation from hemorrhagic shock with HBOC-201 in the setting of traumatic brain injury. Shock. 27, 652-656 (2007).
- Krejci, V., et al. Continuous measurements of microcirculatory blood flow in gastrointestinal organs during acute haemorrhage. British Journal of Anaesthesia. 84, 468-475 (2000).
- Rosengarte, B., Hecht, M., Wolff, S., Kaps, M. Autoregulative function in the brain in an endotoxic rat shock model. Inflammation Research. 57, 542-546 (2008).
- Rozet, I., et al. Cerebral autoregulation and CO2 reactivity in anterior and posterior cerebral circulation during sevoflurane anesthesia. Anesthesia and Analgesia. 102, 560-564 (2006).
- Hudetz, A. G., Biswal, B. B., Feher, G., Kampine, J. P. Effects of hypoxia and hypercapnia on capillary flow velocity in the rat cerebral cortex. Microvascular Research. 54, 35-42 (1997).
- Shi, Y., et al. Interaction of mechanisms involving epoxyeicosatrienoic acids, adenosine receptors, and metabotropic glutamate receptors in neurovascular coupling in rat whisker barrel cortex. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 28, 111-125 (2008).
