Внутрикожный микродиализ: подход к исследованию новых механизмов микрососудистой дисфункции у человека
Summary
Внутрикожный микродиализ — это минимально инвазивный метод, используемый для исследования функции микрососудов в норме и при заболеваниях. Для изучения механизмов вазодилатации и сужения сосудов в кожном кровообращении могут быть использованы как протоколы «доза-реакция», так и протоколы локального нагревания.
Abstract
Кожная сосудистая сеть является доступной тканью, которая может быть использована для оценки функции микрососудов у человека. Внутрикожный микродиализ – это минимально инвазивный метод, используемый для исследования механизмов гладкой мускулатуры и функции эндотелия сосудов в кожном кровообращении. Данная методика позволяет провести фармакологическое препарирование патофизиологии эндотелиальной дисфункции микрососудов, которая выражается снижением вазодилатации, опосредованной оксидом азота, что является индикатором риска развития сердечно-сосудистых заболеваний. При этом методе микродиализный зонд помещается в дермальный слой кожи, а над зондом помещается локальный нагревательный блок с лазерным доплеровским флоуметрическим зондом для измерения потока эритроцитов. Локальная температура кожи зажимается или стимулируется прямым применением тепла, а фармакологические агенты перфузируются через зонд для стимуляции или ингибирования внутриклеточных сигнальных путей, чтобы вызвать вазодилатацию или вазоконстрикцию или исследовать интересующие механизмы (кофакторы, антиоксиданты и т. д.). Количественно оценивается кожная сосудистая проводимость и очерчиваются механизмы эндотелиальной дисфункции при болезненных состояниях.
Introduction
Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются основной причиной смертив Соединенных Штатах 1. Гипертония (АГ) является независимым фактором риска инсульта, ишемической болезни сердца и сердечной недостаточности и, по оценкам, затрагивает более ~50% населения Соединенных Штатов 2. АГ может развиваться как самостоятельное ССЗ (первичная АГ) или в результате другого состояния, такого как поликистоз почек и/или эндокринные нарушения (вторичная АГ). Широта этиологии АГ затрудняет изучение основных механизмов и повреждений органов-мишеней, наблюдаемых при АГ. Необходимы разнообразные и новые исследовательские подходы к патофизиологии поражения органов-мишеней, ассоциированного с АГ.
Одним из самых ранних патологических признаков ССЗ является эндотелиальная дисфункция, характеризующаяся нарушением вазодилатации, опосредованной оксидом азота (NO) 3,4,5. Дилатация, опосредованная потоком, является распространенным подходом, используемым для количественной оценки эндотелиальной дисфункции, связанной с сердечно-сосудистыми заболеваниями, но эндотелиальная дисфункция в микрососудистых руслах может быть как независимой, так и предшествующей дисфункции крупных кондуитных артерий 6,7,8. Кроме того, артериолы резистентности более непосредственно воздействуют на местные ткани, чем кондуитные артерии, и имеют более непосредственный контроль над доставкой богатой кислородом крови. Микрососудистая функция является прогностическим фактором выживаемости без неблагоприятных сердечно-сосудистых событий 9,10,11. Кожное микроциркуляторное русло представляет собой доступное сосудистое русло, которое может быть использовано для изучения ответов на физиологические и фармакологические сосудосуживающие или сосудорасширяющие раздражители. Внутрикожный микродиализ – это малоинвазивная методика, целью которой является исследование механизмов как гладкой мускулатуры сосудов, так и функции эндотелия в кожном микроциркуляторном русле с помощью целенаправленной фармакологической диссекции. Этот метод отличается от других методов, таких как постокклюзионная реактивная гиперемия, которая не допускает фармакологического вскрытия, и ионофорез, который позволяет проводить фармакологическую доставку, но менее точен по механизму действия (подробно рассмотрено в другом месте12).
Обоснование разработки и использования этого метода подробно рассмотрено в другом месте13. Этот подход был первоначально разработан для использования в неврологических исследованиях на грызунах, а затем впервые был применен к людям для изучения механизмов, лежащих в основе активной вазодилатации с точки зрения терморегуляции. В конце 1990-х годов этот метод использовался для изучения как нервных, так и эндотелиальных механизмов в отношении локального нагрева кожи. С тех пор этот метод используется для исследования ряда нейроваскулярных сигнальных механизмов в коже.
Используя этот метод, наша группа и другие исследовали механизмы эндотелиальной дисфункции в микроциркуляторном русле нескольких клинических популяций, включая, помимо прочего, дислипидемию, первичное старение, диабет, хроническую болезнь почек, синдром поликистозных яичников, преэклампсию, большое депрессивное расстройство 14,15,16,17,18,19 и артериальную гипертензию 20,21,22,23,24. Например, предыдущее исследование показало, что у нормотензивных женщин с преэклампсией в анамнезе, которые подвержены повышенному риску сердечно-сосудистых заболеваний, наблюдалось снижение NO-опосредованной вазодилатации в кожном кровообращении по сравнению с женщинами с нормотензивной беременностью в анамнезе. В другом исследовании у взрослых с диагнозом первичная АГ наблюдалась повышенная чувствительность к ангиотензину II в микроциркуляторном русле по сравнению со здоровыми контрольными группами21, а было показано, что хроническая антигипертензивная фармакотерапия у пациентов с первичной АГ снижает артериальное давление и улучшает как сероводородную, так и NO-опосредованную вазодилатацию22. Wong et al.23 обнаружили нарушение сенсорно-опосредованной и NO-опосредованной вазодилатации у взрослых с прегипертензией, что совпало с нашим выводом о прогрессировании эндотелиальной дисфункции с увеличением стадий АГ, как это классифицируется в рекомендациях Американской кардиологической ассоциации и Американского колледжа кардиологов2017 г. 24.
Метод внутрикожного микродиализа позволяет проводить строго контролируемые механистические исследования функции микрососудов в здоровых и болезненных состояниях. Поэтому целью данной статьи является описание техники внутрикожного микродиализа, применяемой нашей группой и другими. Мы подробно описываем процедуры фармакологической стимуляции эндотелия ацетилхолином () для изучения соотношения «доза-эффект» и физиологической стимуляции продукции эндогенного оксида азота с помощью протокола локального теплового стимула 39 °C или 42 °C. Мы представляем репрезентативные результаты для каждого подхода и обсуждаем клинические последствия выводов, полученных с помощью этого метода.
Protocol
Representative Results
Discussion
Техника внутрикожного микродиализа является универсальным инструментом в исследовании сосудов человека. Исследователи могут изменить протокол, чтобы еще больше диверсифицировать его применение. Например, мы описываем протокол АХГ «доза-реакция», но в других исследованиях механизмо…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Никакой.
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).
