Intradermale Mikrodialyse: Ein Ansatz zur Untersuchung neuer Mechanismen der mikrovaskulären Dysfunktion beim Menschen
Summary
Die intradermale Mikrodialyse ist eine minimalinvasive Technik, die zur Untersuchung der mikrovaskulären Funktion bei Gesundheit und Krankheit eingesetzt wird. Sowohl Dosis-Wirkungs- als auch lokale Erwärmungsprotokolle können für diese Technik verwendet werden, um Mechanismen der Vasodilatation und Vasokonstriktion im Hautkreislauf zu untersuchen.
Abstract
Das Hautgefäßsystem ist ein zugängliches Gewebe, das zur Beurteilung der mikrovaskulären Funktion beim Menschen verwendet werden kann. Die intradermale Mikrodialyse ist eine minimalinvasive Technik, mit der die Mechanismen der glatten Gefäßmuskulatur und der Endothelfunktion im Hautkreislauf untersucht werden. Diese Technik ermöglicht die pharmakologische Analyse der Pathophysiologie der mikrovaskulären endothelialen Dysfunktion, die durch eine verminderte Stickstoffmonoxid-vermittelte Vasodilatation, ein Indikator für das Risiko für die Entwicklung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, indiziert ist. Bei dieser Technik wird eine Mikrodialysesonde in der Hautschicht platziert und eine lokale Heizeinheit mit einer Laser-Doppler-Durchflusssonde über die Sonde gelegt, um den Fluss der roten Blutkörperchen zu messen. Die lokale Hauttemperatur wird durch direkte Wärmeanwendung geklemmt oder stimuliert, und pharmakologische Wirkstoffe werden durch die Sonde perfundiert, um intrazelluläre Signalwege zu stimulieren oder zu hemmen, um eine Vasodilatation oder Vasokonstriktion zu induzieren oder interessante Mechanismen (Co-Faktoren, Antioxidantien usw.) zu untersuchen. Die kutane vaskuläre Leitfähigkeit wird quantifiziert und die Mechanismen der endothelialen Dysfunktion in Krankheitszuständen können beschrieben werden.
Introduction
Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) sind die häufigste Todesursache in den Vereinigten Staaten1. Bluthochdruck (HTN) ist ein unabhängiger Risikofaktor für Schlaganfall, koronare Herzkrankheit und Herzinsuffizienz und betrifft schätzungsweise mehr als ~50% der Bevölkerung der Vereinigten Staaten2. HTN kann sich als eigenständige kardiovaskuläre Erkrankung (primäre HTN) oder als Folge einer anderen Erkrankung, wie z. B. polyzystischer Nierenerkrankung und/oder endokriner Störungen (sekundäre HTN), entwickeln. Die Breite der Ätiologien der HTN erschwert die Untersuchung der zugrundeliegenden Mechanismen und Endorganschädigungen, die bei HTN beobachtet werden. Vielfältige und neuartige Forschungsansätze zur Pathophysiologie der mit HTN assoziierten Endorganschädigung sind erforderlich.
Eines der frühesten pathologischen Anzeichen einer kardiovaskulären Erkrankung ist eine endotheliale Dysfunktion, die durch eine gestörte Stickstoffmonoxid (NO)-vermittelte Vasodilatation gekennzeichnet ist 3,4,5. Die flussvermittelte Dilatation ist ein gängiger Ansatz zur Quantifizierung der endothelialen Dysfunktion im Zusammenhang mit kardiovaskulärer Erkrankung, aber die endotheliale Dysfunktion in mikrovaskulären Betten kann sowohl unabhängig von der der großen Leitungsarterien als auch eine Vorstufe davon sein 6,7,8. Darüber hinaus werden Resistenzarteriolen direkter vom lokalen Gewebe beeinflusst als Leitungsarterien und haben eine unmittelbarere Kontrolle über die Zufuhr von sauerstoffreichem Blut. Die mikrovaskuläre Funktion ist prädiktiv für ein unerwünschtes kardiovaskuläres ereignisfreies Überleben 9,10,11. Das kutane Mikrogefäßsystem ist ein zugängliches Gefäßbett, mit dem Reaktionen auf physiologische und pharmakologische gefäßverengende oder gefäßerweiternde Reize untersucht werden können. Die intradermale Mikrodialyse ist eine minimalinvasive Technik, deren Ziel es ist, die Mechanismen sowohl der glatten Gefäßmuskulatur als auch der Endothelfunktion im kutanen Mikrogefäßsystem mit gezielter pharmakologischer Dissektion zu untersuchen. Diese Methode steht im Gegensatz zu anderen Techniken, wie z. B. der postokklusiven reaktiven Hyperämie, die keine pharmakologische Dissektion zulässt, und der Iontophorese, die eine pharmakologische Verabreichung ermöglicht, aber in ihrem Wirkmechanismus weniger präzise ist (an anderer Stelle gründlich besprochen12).
Die Gründe für die Entwicklung und den Einsatz dieser Technik werden an anderer Stelle ausführlich behandelt13. Dieser Ansatz wurde ursprünglich für die neurologische Forschung an Nagetieren entwickelt und dann zunächst auf den Menschen angewendet, um die Mechanismen zu untersuchen, die der aktiven Vasodilatation aus thermoregulatorischer Sicht zugrunde liegen. In den späten 1990er Jahren wurden mit dieser Methode sowohl neuronale als auch endotheliale Mechanismen im Hinblick auf die lokale Erwärmung der Haut untersucht. Seitdem wird die Technik eingesetzt, um eine Reihe von neurovaskulären Signalmechanismen in der Haut zu untersuchen.
Mit dieser Technik haben unsere Gruppe und andere die Mechanismen der endothelialen Dysfunktion in den Mikrogefäßen mehrerer klinischer Populationen untersucht, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Dyslipidämie, primäres Altern, Diabetes, chronische Nierenerkrankungen, polyzystisches Ovarialsyndrom, Präeklampsie, schwere depressive Störung 14,15,16,17,18,19 und Bluthochdruck 20,21,22,23,24. Eine frühere Studie ergab beispielsweise, dass normotensive Frauen mit Präeklampsie in der Vorgeschichte, die ein erhöhtes Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen haben, im Vergleich zu Frauen mit einer normotensiven Schwangerschaft in der Vorgeschichte eine reduzierte NO-vermittelte Vasodilatation im Hautkreislauf aufwiesen20. In einer anderen Studie zeigten Erwachsene, bei denen primäres HTN diagnostiziert wurde, eine erhöhte Angiotensin-II-Sensitivität im Mikrogefäßsystem im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen21, und es wurde gezeigt, dass eine chronische Sulfhydryl-spendende antihypertensive Pharmakotherapie bei primären HTN-Patienten den Blutdruck senkt und sowohl die Schwefelwasserstoff- als auch die NO-vermittelte Vasodilatation verbessert22. Wong et al.23 fanden eine beeinträchtigte sensorisch vermittelte und NO-vermittelte Vasodilatation bei prähypertensiven Erwachsenen, was mit unserem Befund eines Fortschreitens der endothelialen Dysfunktion mit zunehmenden HTN-Stadien zusammenfällt, wie in den Leitlinien der American Heart Association und des American College of Cardiology24 aus dem Jahr 2017 kategorisiert.
Die intradermale Mikrodialysetechnik ermöglicht streng kontrollierte mechanistische Untersuchungen der mikrovaskulären Funktion in Gesundheits- und Krankheitszuständen. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, die intradermale Mikrodialysetechnik zu beschreiben, wie sie von unserer Gruppe und anderen angewendet wird. Wir beschreiben die Verfahren sowohl für die pharmakologische Stimulation des Endothels mit Acetylcholin (ACh), um die Dosis-Wirkungs-Beziehung zu untersuchen, als auch für die physiologische Stimulation der endogenen NO-Produktion mit einem lokalen Heizreizprotokoll bei 39 °C oder 42 °C. Wir präsentieren repräsentative Ergebnisse für jeden Ansatz und diskutieren die klinischen Implikationen der Erkenntnisse, die sich aus dieser Technik ergeben haben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Technik der intradermalen Mikrodialyse ist ein vielseitiges Werkzeug in der menschlichen Gefäßforschung. Die Forscher können das Protokoll ändern, um seine Anwendungen weiter zu diversifizieren. Zum Beispiel beschreiben wir ein ACh-Dosis-Wirkungs-Protokoll, aber andere Untersuchungen zu den Mechanismen der Vasokonstriktion oder des vasomotorischen Tonus haben anstelle der Vasodilatation allein Noradrenalin- oder Natrium-Nitroprussid-Dosis-Wirkungs-Ansätze verwendet 26,27,28,29,30,31.…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nichts.
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 |
Riferimenti
- 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).
