皮内微小透析:ヒトにおける微小血管機能障害の新しいメカニズムを調査するためのアプローチ
Summary
皮内微小透析は、健康と疾患における微小血管機能を調査するために使用される低侵襲技術です。この技術には、用量反応と局所加熱の両方のプロトコルを利用して、皮膚循環における血管拡張と血管収縮のメカニズムを調べることができます。
Abstract
皮膚血管系は、ヒトの微小血管機能を評価するために使用できるアクセス可能な組織です。皮内微小透析は、皮膚循環における血管平滑筋および内皮機能のメカニズムを調査するために使用される低侵襲技術です。この技術により、心血管疾患発症リスクの指標である一酸化窒素を介した血管拡張の減少によって指標化された微小血管内皮機能障害の病態生理の薬理学的解剖が可能になります。この技術では、皮膚の真皮層にマイクロ透析プローブを配置し、レーザードップラー流量測定プローブを備えた局所加熱ユニットをプローブの上に配置して、赤血球フラックスを測定します。局所的な皮膚温度を直接加熱してクランプまたは刺激し、薬理学的薬剤をプローブを通して灌流して細胞内シグナル伝達経路を刺激または阻害し、血管拡張または血管収縮を誘発したり、目的のメカニズム(補因子、抗酸化物質など)を調べたりします。皮膚血管コンダクタンスを定量化し、病態における内皮機能障害のメカニズムを明らかにすることができます。
Introduction
心血管疾患(CVD)は、米国における主要な死因です1。高血圧(HTN)は、脳卒中、冠状動脈性心疾患、心不全の独立した危険因子であり、米国人口の~50%以上が罹患していると推定されています2。HTNは、独立したCVD(原発性HTN)として発症することもあれば、多発性嚢胞腎や内分泌障害などの別の疾患の結果として発症することもあります(続発性HTN)。HTNの病因は多岐にわたるため、HTNで観察される根本的なメカニズムと末端臓器の損傷の調査は複雑です。HTNに関連する末端臓器損傷の病態生理学に関する多様で新しい研究アプローチが必要です。
CVDの最も初期の病理学的徴候の1つは、一酸化窒素(NO)を介した血管拡張の障害を特徴とする内皮機能障害です3,4,5。血流媒介性拡張は、CVDに関連する内皮機能障害を定量化するために使用される一般的なアプローチですが、微小血管床の内皮機能障害は、大きな導管動脈の内皮機能障害とは無関係であり、前兆である可能性があります6,7,8。さらに、抵抗細動脈は、導管動脈よりも局所組織によってより直接的に作用し、酸素が豊富な血液の送達をより直接的に制御します。微小血管機能は、有害な心血管イベントフリー生存を予測します9,10,11。皮膚微小血管系は、生理学的および薬理学的血管収縮または血管拡張刺激に対する反応を調べるために使用できるアクセス可能な血管床です。皮内微小透析は低侵襲技術であり、その目的は、標的を絞った薬理学的解剖を用いて、皮膚微小血管系における血管平滑筋と内皮機能の両方のメカニズムを調査することです。この方法は、薬理学的解剖を許さない閉塞後反応性充血や、薬理学的送達を可能にするが作用機序の精度が低いイオントフォレーシスなどの他の技術とは対照的である(他の場所で徹底的にレビューされている12)。
この技術の開発と使用の背後にある理論的根拠は、他の場所で広くレビューされています13。このアプローチは、もともとげっ歯類の神経学的研究で使用するために開発され、その後、体温調節の観点から活発な血管拡張の根底にあるメカニズムを調査するために最初にヒトに適用されました。1990年代後半には、この方法を使用して、皮膚の局所加熱に関する神経および内皮メカニズムの両方を調べました。それ以来、この技術は皮膚の多くの神経血管シグナル伝達メカニズムを調査するために利用されてきました。
この技術を用いて、私たちのグループと他の人は、脂質異常症、原発性老化、糖尿病、慢性腎臓病、多嚢胞性卵巣症候群、子癇前症、大うつ病性障害を含むがこれらに限定されないいくつかの臨床集団の微小血管系における内皮機能障害のメカニズムを調べました14,15,16,17,18,19、および高血圧20,21、22、23、24。例えば、以前の研究では、CVDのリスクが高い子癇前症の既往歴のある正常血圧の女性は、正常血圧妊娠の病歴のある女性と比較して、皮膚循環におけるNO媒介性血管拡張が減少したことがわかりました20。別の研究では、原発性HTNと診断された成人は、健常者と比較して微小血管系におけるアンジオテンシンII感受性の増加を示し21、原発性HTN患者における慢性スルフヒドリル供与降圧薬物療法は、血圧を低下させ、硫化水素とNOを介した血管拡張の両方を改善することが示されています22。Wongら23は、2017年の米国心臓協会および米国心臓病学会のガイドライン24で分類されているように、HTNステージの増加に伴う内皮機能障害の進行の発見と一致して、高血圧症の成人における感覚介在性および非媒介性血管拡張障害を発見しました。
皮内微小透析技術により、健康状態や病態における微小血管機能のメカニズムを厳密に制御することができます。そこで、本稿では、当グループなどが適用している皮内微小透析技術について述べることを目的とする。アセチルコリン(ACh)による内皮の薬理学的刺激の両方の手順を詳述して、用量反応関係と内因性NO産生の生理学的刺激を39°Cまたは42°Cの局所加熱刺激プロトコルで調べます。各アプローチの代表的な結果を提示し、この手法から生じた所見の臨床的意味合いについて説明します。
Protocol
すべての手順は、参加者の募集前にペンシルベニア州立大学の治験審査委員会によって承認されます。 1. 設備のセットアップ 局所加熱ユニットとレーザードップラー流量計をオンにします。注意: どちらも、製造元の指示に従って、データ収集の前に校正する必要があります。レーザードップラー流量計は、100 Hz(100サンプル/分)でサンプリングし、データ収集…
Representative Results
アセチルコリンの用量反応プロトコル 図1A は、AChの用量反応プロトコルを詳述した概略図を示す。 図1B は、1人の被験者の標準化されたACh用量反応プロトコルからの赤血球フラックス値(灌流単位、PU;30秒平均)の経時的な代表的な追跡を示しています。 図1C は、ACh用量反応プロトコルの生デ?…
Discussion
皮内微小透析技術は、ヒト血管研究における汎用性の高いツールです。研究者は、プロトコルを変更して、その用途をさらに多様化することができます。たとえば、ACh用量反応プロトコルについて説明しますが、血管拡張のみではなく、血管収縮または血管運動緊張のメカニズムに関する他の調査では、ノルエピネフリンまたはニトロプルシドナトリウムの用量反応アプローチが利用されて?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
何一つ。
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).
Tags
Keywords:
Intradermal MicrodialysisMicrovascular DysfunctionVascular FunctionPharmacological DissectionCardiovascular Disease RiskHypertensionMajor Depressive DisorderArginaseReactive Oxygen SpeciesSalicylateInflammationEndometriosisNon-Hispanic Black WomenNitric OxideEndothelial FunctionVascular Smooth Muscle
Citazione di questo articolo
Williams, A. C., Content, V. G., Kirby, N. V., Alexander, L. M. Intradermal Microdialysis: An Approach to Investigating Novel Mechanisms of Microvascular Dysfunction in Humans. J. Vis. Exp. (197), e65579, doi:10.3791/65579 (2023).