JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
의학

Real-time beoordeling van ruggenmergmicroperfusie in een varkensmodel van ischemie / reperfusie

Published: December 10, 2020
doi:
10.3791/62047
, , , , , , , , , , ,
1Department of Anesthesiology, Center of Anesthesiology and Intensive Care Medicine,University Medical Center Hamburg-Eppendorf, 2University Department for Vascular Surgery and Department of Operative Medicine,Medical University of Innsbruck, 3Department of Medical Biometry and Epidemiology,University Medical Center Hamburg-Eppendorf, 4Department of Vascular Medicine,University Heart and Vascular Center Hamburg (UHZ), 5Department of Cardiology,Rostock University Medical Center, 6University Department for Cardiac Surgery,Heart Center Leipzig

Summary

De microcirculatie van het ruggenmerg speelt een cruciale rol bij dwarslaesie. De meeste methoden laten geen real-time beoordeling van de microcirculatie van het ruggenmerg toe, wat essentieel is voor de ontwikkeling van microcirculatiegerichte therapieën. Hier stellen we een protocol voor met behulp van Laser-Doppler-Flow Needle-sondes in een groot diermodel van ischemie / reperfusie.

Abstract

Dwarslaesie is een verwoestende complicatie van aortaherstel. Ondanks ontwikkelingen voor de preventie en behandeling van dwarslaesie, is de incidentie ervan nog steeds aanzienlijk hoog en beïnvloedt daarom de uitkomst van de patiënt. Microcirculatie speelt een sleutelrol bij weefselperfusie en zuurstoftoevoer en wordt vaak losgekoppeld van de macrohemodynamiek. Directe evaluatie van de microcirculatie van het ruggenmerg is dus essentieel voor de ontwikkeling van microcirculatiegerichte therapieën en de evaluatie van bestaande benaderingen met betrekking tot de microcirculatie van het ruggenmerg. De meeste methoden bieden echter geen realtime beoordeling van de microcirculatie van het ruggenmerg. Het doel van deze studie is om een gestandaardiseerd protocol te beschrijven voor real-time microcirculatie van het ruggenmerg met behulp van laser-Doppler naaldsondes die rechtstreeks in het ruggenmerg zijn ingebracht. We gebruikten een varkensmodel van ischemie/reperfusie om verslechtering van de microcirculatie van het ruggenmerg te induceren. Daarnaast werd een fluorescerende microsfeerinjectietechniek gebruikt. Aanvankelijk werden dieren verdoofd en mechanisch geventileerd. Daarna werd het inbrengen van laser-Doppler-naaldsonde uitgevoerd, gevolgd door de plaatsing van cerebrospinale vloeistofafvoer. Een mediane sternotomie werd uitgevoerd voor blootstelling van de dalende aorta om aortakruisklemmen uit te voeren. Ischemie/reperfusie werd geïnduceerd door supra-coeliakie aorta kruisklemming gedurende in totaal 48 minuten, gevolgd door reperfusie en hemodynamische stabilisatie. Laser-Doppler Flux werd parallel aan macrohemodynamische evaluatie uitgevoerd. Bovendien werd geautomatiseerde cerebrospinale vloeistofdrainage gebruikt om een stabiele cerebrospinale druk te handhaven. Na voltooiing van het protocol werden dieren geofferd en werd het ruggenmerg geoogst voor histopathologische en microsfeeranalyse. Het protocol onthult de haalbaarheid van microperfusiemetingen van het ruggenmerg met behulp van laser-Doppler-sondes en toont een duidelijke afname tijdens ischemie en herstel na reperfusie. De resultaten toonden vergelijkbaar gedrag als fluorescerende microsfeerevaluatie. Kortom, dit nieuwe protocol kan een nuttig groot diermodel bieden voor toekomstige studies met behulp van real-time microperfusiebeoordeling van het ruggenmerg bij ischemie / reperfusieomstandigheden.

Introduction

Dwarslaesie geïnduceerd door ischemie / reperfusie (SCI) is een van de meest verwoestende complicaties van aortaherstel geassocieerd met verminderde uitkomst1,2,3,4. De huidige preventie- en behandelingsopties voor dwarslaesie omvatten de optimalisatie van macrohemodynamische parameters en de normalisatie van cerebrospinale vloeistofdruk (CSP) om de perfusiedruk van het ruggenmerg te verbeteren2,5,6,7,8,9. Ondanks de implementatie van deze manoeuvres varieert de incidentie van DWARSLAESIE nog steeds tussen 2% en 31%, afhankelijk van de complexiteit van aortaherstel10,11,12.

Onlangs heeft microcirculatie meer aandacht gekregen13,14. Microcirculatie is het gebied van cellulaire zuurstofopname en metabole uitwisseling en speelt daarom een cruciale rol in orgaanfunctie en cellulaire integriteit13. Verminderde microcirculatiebloedstroom is een belangrijke determinant van weefselischemie geassocieerd met verhoogdemortaliteit 15,16,17,18,19. Aantasting van de microcirculatie van het ruggenmerg is geassocieerd met verminderde neurologische functie en uitkomst20,21,22,23. Daarom is optimalisatie van microperfusie voor de behandeling van dwarslaesie een zeer veelbelovende aanpak. Persistentie van microcirculatiestoornissen, ondanks macrocirculatie-optimalisatie, is beschreven26,27,28,29. Dit verlies van hemodynamische coherentie komt vaak voor bij verschillende aandoeningen, waaronder ischemie / reperfusie, met de nadruk op de noodzaak van directe microcirculatie-evaluatie en microcirculatiegerichte therapieën26,27,30.

Tot nu toe hebben slechts enkele studies laser-Doppler-sondes gebruikt voor real-time beoordeling van microcirculatiegedrag van het ruggenmerg20,31. Bestaande studies hebben vaak microsfeerinjectietechnieken gebruikt, die worden beperkt door intermitterend gebruik en postmortemanalyse32,33. Het aantal verschillende metingen met behulp van microsfeerinjectietechniek wordt beperkt door de beschikbaarheid van microsferen met verschillende golflengten. Bovendien is, in tegenstelling tot laserdopplertechnieken, real-time beoordeling van microperfusie niet mogelijk, omdat postmortemweefselverwerking en -analyse nodig is voor deze methode. Hier presenteren we een experimenteel protocol voor de real-time beoordeling van de microcirculatie van het ruggenmerg in een varkensmodel van ischemie / reperfusie.

Deze studie maakte deel uit van een groot dierproject dat een gerandomiseerde studie combineerde waarin de invloed van kristalloïden versus colloïden op microcirculatie bij ischemie / reperfusie werd vergeleken met een exploratieve gerandomiseerde studie naar de effecten van vloeistoffen versus vasopressoren op microperfusie van het ruggenmerg. Flow probe 2-puntskalibratie en drukpuntkatheterkatheterkalibratie is eerder beschreven34. Naast het gerapporteerde protocol werden fluorescerende microsferen gebruikt voor de meting van microperfusie van het ruggenmerg, zoals eerder beschreven, met behulp van 12 monsters van ruggenmergweefsel voor elk dier, waarbij monsters 1-6 het bovenste ruggenmerg vertegenwoordigen en 7-12 het onderste ruggenmergvertegenwoordigen 35,36. Microsfeerinjectie werd uitgevoerd voor elke meetstap na de voltooiing van Laser-Doppler-opnames en macrohemodynamische evaluatie. Histopathologische evaluatie werd uitgevoerd met behulp van de Kleinman-Score zoals eerder beschreven37.

Protocol

De studie werd goedgekeurd door de Regeringscommissie voor de verzorging en het gebruik van dieren van de stad Hamburg (referentienummer 60/17). De dieren kregen zorg in overeenstemming met de ‘Guide for the Care and Use of Laboratory Animals’ (NIH-publicatie nr. 86-23, herzien 2011) en felasa-aanbevelingen en experimenten werden uitgevoerd volgens de ARRIVE-richtlijnen24,25. Deze studie was een acute proef en alle dieren werden aan het einde van het protocol ge?…

Representative Results

Alle zes de dieren overleefden tot de voltooiing van het protocol. Het gewicht van het dier was 48,2 ± 2,9 kg; vijf dieren waren mannelijk en één dier was vrouwelijk. Het inbrengen van de ruggenmergsnaaldsonde en het meten van de flux van het ruggenmerg was bij alle dieren haalbaar. Voorbeelden van real-time microcirculatie-opnames van het ruggenmerg in combinatie met cerebrale microcirculatie- en macrohemodynamische opnames …

Discussion

Dwarslaesie geïnduceerd door ruggenmergischemie is een belangrijke complicatie van aortaherstel met een enorme impact op de uitkomst van de patiënt1,2,3,4,10,11,12. Microcirculatiegerichte therapieën om dwarslaesie te voorkomen en te behandelen zijn het meest veelbelovend. Het protocol bi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs willen graag Lena Brix, V.M.D, Institute of Animal Research, Hannover Medical School, evenals mevrouw Jutta Dammann, Facility of Research Animal Care, Universitair Medisch Centrum Hamburg-Eppendorf, Duitsland, bedanken voor het bieden van pre- en perioperatieve dierverzorging en hun technische assistentie bij het hanteren van dieren. De auteurs willen verder Dr. Daniel Manzoni, afdeling Vaatchirurgie, Hôpital Kirchberg, Luxemburg, bedanken voor zijn technische bijstand.

Materials

CardioMed Flowmeter Medistim AS, Oslo, Norway CM4000 Flowmeter for Flow-Probe Femoral Artery
CardioMed Flow-Probe, 5mm Medistim AS, Oslo, Norway PS100051 Flow-Probe Femoral Artery
COnfidence probe,  Transonic Systems Inc., Ithaca, NY, USA MA16PAU Flow-Probe Aorta
16 mm liners
DIVA Sevoflurane Vapor Dräger Medical, Lübeck, Germany Vapor
Hotline Level 1 Fluid Warmer Smiths Medical Germany GmbH, Grasbrunn, Germany HL-90-DE-230 Fluid Warmer
Infinity Delta Dräger Medical, Lübeck, Germany Basic Monitoring Hardware
Infinity Hemo Dräger Medical, Lübeck, Germany Basic Pressure Monitoring and Pulmonary Thermodilution Hardware
LabChart Pro ADInstruments Ltd., Oxford, UK v8.1.16 Synchronic Laser-Doppler, Blood Pressure, ECG and Blood-Flow Aquisition Software
LiquoGuard 7 Möller Medical GmbH, Fulda, Germany Cerebrospinal Fluid Drainage System
Millar Micro-Tip Pressure Catheter (5F, Single, Curved, 120cm, PU/WD) ADInstruments Ltd., Oxford, UK SPR-350 Pressure-Tip Catheter Aorta
moor VMS LDF moor Instruments, Devon, UK Designated Laser-Doppler Hardware
moor VMS Research Software moor Instruments, Devon, UK Designated Laser-Doppler Software
Perivascular Flow Module Transonic Systems Inc., Ithaca, NY, USA TS 420 Flow-Module for Flow-Probe Aorta
PiCCO 2, Science Version Getinge AB, Göteborg, Sweden v. 6.0 Blood Pressure and Transcardiopulmonary Monitoring Hard- and Software
PiCCO 5 Fr. 20cm Getinge AB, Göteborg, Sweden Thermistor-tipped Arterial Line 
PowerLab ADInstruments Ltd., Oxford, UK PL 3516 Synchronic Laser-Doppler, Blood Pressure, ECG and Blood-Flow Aquisition Hardware
QuadBridgeAmp ADInstruments Ltd., Oxford, UK FE 224 Four Channel Bridge Amplifier for Laser-Doppler and Invasive Blood Pressure Aquisition
Silverline Spiegelberg, Hamburg, Germany ELD33.010.02 Cerebrospinal Fluid Drainage
SPSS statistical software package  IBM SPSS Statistics Inc., Armonk, New York, USA v. 27 Statistical Software
Twinwarm Warming System Moeck & Moeck GmbH, Hamburg, Germany 12TW921DE Warming System
Universal II Warming Blanket Moeck & Moeck GmbH, Hamburg, Germany 906 Warming Blanket
VP 3 Probe, 8mm length (individually manufactured) moor Instruments, Devon, UK Laser-Doppler Probe
Zeus Dräger Medical, Lübeck, Germany Anesthesia Machine
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Etz, C. D., et al. Contemporary spinal cord protection during thoracic and thoracoabdominal aortic surgery and endovascular aortic repair: a position paper of the vascular domain of the European Association for Cardio-Thoracic Surgerydagger. The European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 47 (6), 943-957 (2015).
  2. Schraag, S. Postoperative management. Best Practice & Research Clinical Anaesthesiology. 30 (3), 381-393 (2016).
  3. Cambria, R. P., et al. Thoracoabdominal aneurysm repair: results with 337 operations performed over a 15-year interval. Annals of Surgery. 236 (4), 471-479 (2002).
  4. Becker, D. A., McGarvey, M. L., Rojvirat, C., Bavaria, J. E., Messe, S. R. Predictors of outcome in patients with spinal cord ischemia after open aortic repair. Neurocritical Care. 18 (1), 70-74 (2013).
  5. McGarvey, M. L., et al. The treatment of spinal cord ischemia following thoracic endovascular aortic repair. Neurocritical Care. 6 (1), 35-39 (2007).
  6. Fukui, S., et al. Development of collaterals to the spinal cord after endovascular stent graft repair of thoracic aneurysms. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 52 (6), 801-807 (2016).
  7. Augoustides, J. G., Stone, M. E., Drenger, B. Novel approaches to spinal cord protection during thoracoabdominal aortic interventions. Current Opinion in Anesthesiology. 27 (1), 98-105 (2014).
  8. Bicknell, C. D., Riga, C. V., Wolfe, J. H. Prevention of paraplegia during thoracoabdominal aortic aneurysm repair. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 37 (6), 654-660 (2009).
  9. Feezor, R. J., Lee, W. A. Strategies for detection and prevention of spinal cord ischemia during TEVAR. Seminars in Vascular Surgery. 22 (3), 187-192 (2009).
  10. Heidemann, F., et al. Incidence, predictors, and outcomes of spinal cord ischemia in elective complex endovascular aortic repair: An analysis of health insurance claims. Journal of Vascular Surgery. , (2020).
  11. Rizvi, A. Z., Sullivan, T. M. Incidence, prevention, and management in spinal cord protection during TEVAR. Journal of Vascular Surgery. 52 (4), 86-90 (2010).
  12. Wortmann, M., Bockler, D., Geisbusch, P. Perioperative cerebrospinal fluid drainage for the prevention of spinal ischemia after endovascular aortic repair. Gefasschirurgie. 22, 35-40 (2017).
  13. Saugel, B., Trepte, C. J., Heckel, K., Wagner, J. Y., Reuter, D. A. Hemodynamic management of septic shock: is it time for “individualized goal-directed hemodynamic therapy” and for specifically targeting the microcirculation. Shock. 43 (6), 522-529 (2015).
  14. Moore, J. P., Dyson, A., Singer, M., Fraser, J. Microcirculatory dysfunction and resuscitation: why, when, and how. British Journal of Anaesthesia. 115 (3), 366-375 (2015).
  15. De Backer, D., Creteur, J., Preiser, J. C., Dubois, M. J., Vincent, J. L. Microvascular blood flow is altered in patients with sepsis. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 166 (1), 98-104 (2002).
  16. De Backer, D., Creteur, J., Dubois, M. J., Sakr, Y., Vincent, J. L. Microvascular alterations in patients with acute severe heart failure and cardiogenic shock. American Heart Journal. 147 (1), 91-99 (2004).
  17. Sakr, Y., Dubois, M. J., De Backer, D., Creteur, J., Vincent, J. L. Persistent microcirculatory alterations are associated with organ failure and death in patients with septic shock. Critical Care Medicine. 32 (9), 1825-1831 (2004).
  18. Trzeciak, S., et al. Early microcirculatory perfusion derangements in patients with severe sepsis and septic shock: relationship to hemodynamics, oxygen transport, and survival. Annals of Emergency Medicine. 49 (1), 88-98 (2007).
  19. Donati, A., et al. From macrohemodynamic to the microcirculation. Critical Care Research and Practice. 2013, 892710 (2013).
  20. Hamamoto, Y., Ogata, T., Morino, T., Hino, M., Yamamoto, H. Real-time direct measurement of spinal cord blood flow at the site of compression: relationship between blood flow recovery and motor deficiency in spinal cord injury. Spine. 32 (18), 1955-1962 (2007).
  21. Soubeyrand, M., et al. Real-time and spatial quantification using contrast-enhanced ultrasonography of spinal cord perfusion during experimental spinal cord injury. Spine. 37 (22), 1376-1382 (2012).
  22. Han, S., et al. Rescuing vasculature with intravenous angiopoietin-1 and alpha v beta 3 integrin peptide is protective after spinal cord injury. Brain. 133, 1026-1042 (2010).
  23. Muradov, J. M., Ewan, E. E., Hagg, T. Dorsal column sensory axons degenerate due to impaired microvascular perfusion after spinal cord injury in rats. Experimental Neurology. 249, 59-73 (2013).
  24. Guillen, J., , . FELASA guidelines and recommendations. J Am Assoc Lab Anim Sci. 51, 311-321 (2012).
  25. Kilkenny, C., Browne, W. J., Cuthill, I. C., Emerson, M., Altman, D. G. Improving bioscience research reporting: the ARRIVE guidelines for reporting animal research. Osteoarthritis Cartilage. 20, 256-260 (2012).
  26. Ospina-Tascon, G., et al. Effects of fluids on microvascular perfusion in patients with severe sepsis. Intensive Care Medicine. 36 (6), 949-955 (2010).
  27. Pottecher, J., et al. Both passive leg raising and intravascular volume expansion improve sublingual microcirculatory perfusion in severe sepsis and septic shock patients. Intensive Care Medicine. 36 (11), 1867-1874 (2010).
  28. De Backer, D., Ortiz, J. A., Salgado, D. Coupling microcirculation to systemic hemodynamics. Current Opinion in Critical Care. 16 (3), 250-254 (2010).
  29. van Genderen, M. E., et al. Microvascular perfusion as a target for fluid resuscitation in experimental circulatory shock. Critical care medicine. 42 (2), 96-105 (2014).
  30. Ince, C. Hemodynamic coherence and the rationale for monitoring the microcirculation. Critical care. 19, 8 (2015).
  31. Kise, Y., et al. Directly measuring spinal cord blood flow and spinal cord perfusion pressure via the collateral network: correlations with changes in systemic blood pressure. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 149 (1), 360-366 (2015).
  32. Haunschild, J., et al. Detrimental effects of cerebrospinal fluid pressure elevation on spinal cord perfusion: first-time direct detection in a large animal model. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 58 (2), 286-293 (2020).
  33. Wipper, S., et al. Impact of hybrid thoracoabdominal aortic repair on visceral and spinal cord perfusion: The new and improved SPIDER-graft. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 158 (3), 692-701 (2019).
  34. Kluttig, R., et al. Invasive hemodynamic monitoring of aortic and pulmonary artery hemodynamics in a large animal model of ARDS. Journal of Visualized Experiments. (141), e57405 (2018).
  35. Detter, C., et al. Fluorescent cardiac imaging: a novel intraoperative method for quantitative assessment of myocardial perfusion during graded coronary artery stenosis. Circulation. 116 (9), 1007-1014 (2007).
  36. Wipper, S., et al. Distinction of non-ischemia inducing versus ischemia inducing coronary stenosis by fluorescent cardiac imaging. International Journal of Cardiovascular Imaging. 32 (2), 363-371 (2016).
  37. Etz, C. D., et al. Spinal cord blood flow and ischemic injury after experimental sacrifice of thoracic and abdominal segmental arteries. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 33 (6), 1030-1038 (2008).
  38. Saugel, B., Scheeren, T. W. L., Teboul, J. L. Ultrasound-guided central venous catheter placement: a structured review and recommendations for clinical practice. Critical care. 21 (1), 225 (2017).
  39. Marty, B., et al. Partial inflow occlusion facilitates accurate deployment of thoracic aortic endografts. Journal of Endovascular Therapy. 11 (2), 175-179 (2004).
  40. Matyal, R., et al. Monitoring the variation in myocardial function with the Doppler-derived myocardial performance index during aortic cross-clamping. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 26 (2), 204-208 (2012).
  41. Miller, R. D. . Miller’sanesthesia. 8th Edition. , (2015).
  42. Martikos, G., et al. Remote ischemic preconditioning decreases the magnitude of hepatic ischemia-reperfusion injury on a swine model of supraceliac aortic cross-clamping. Annals of Vascular Surgery. 48, 241-250 (2018).
  43. Lazaris, A. M., et al. Protective effect of remote ischemic preconditioning in renal ischemia/reperfusion injury, in a model of thoracoabdominal aorta approach. Journal of Surgical Research. 154 (2), 267-273 (2009).
  44. Ince, C., et al. Second consensus on the assessment of sublingual microcirculation in critically ill patients: results from a task force of the European Society of Intensive Care Medicine. Intensive Care Medicine. 44 (3), 281-299 (2018).
  45. Edul, V. S., et al. Dissociation between sublingual and gut microcirculation in the response to a fluid challenge in postoperative patients with abdominal sepsis. Annals of intensive care. 4, 39 (2014).
  46. Schierling, W., et al. Sonographic real-time imaging of tissue perfusion in a porcine haemorrhagic shock model. Ultrasound in Medicine and Biology. 45 (10), 2797-2804 (2019).
  47. Jing, Y., Bai, F., Chen, H., Dong, H. Using Laser Doppler Imaging and Monitoring to Analyze Spinal Cord Microcirculation in Rat. Journal of Visualized Experiments. (135), e56243 (2018).
  48. Jing, Y., Bai, F., Chen, H., Dong, H. Meliorating microcirculatory with melatonin in rat model of spinal cord injury using laser Doppler flowmetry. Neuroreport. 27 (17), 1248-1255 (2016).
  49. Jing, Y., Bai, F., Chen, H., Dong, H. Melatonin prevents blood vessel loss and neurological impairment induced by spinal cord injury in rats. Journal of Spinal Cord Medicine. 40 (2), 222-229 (2017).
  50. Phillips, J. P., Cibert-Goton, V., Langford, R. M., Shortland, P. J. Perfusion assessment in rat spinal cord tissue using photoplethysmography and laser Doppler flux measurements. Journal of Biomedical Optics. 18 (3), 037005 (2013).
  51. Glenny, R. W., Bernard, S. L., Lamm, W. J. Hemodynamic effects of 15-microm-diameter microspheres on the rat pulmonary circulation. Journal of Applied Physiology. 89 (1985), 499-504 (2000).

Tags

Spinal CordMicroperfusionIschemia/reperfusionReal-time AssessmentPorcine ModelLaser DopplerCerebrospinal Fluid PressureMacrohemodynamicsMinimally InvasiveAnesthesiologySurgical Procedure

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Behem, C. R., Friedheim, T., Wipper, S. H., Pinnschmidt, H. O., Graessler, M. F., Gaeth, C., Holthusen, H., Rapp, A., Suntrop, T., Haunschild, J., Etz, C. D., Trepte, C. J. C. Real-Time Assessment of Spinal Cord Microperfusion in a Porcine Model of Ischemia/Reperfusion. J. Vis. Exp. (166), e62047, doi:10.3791/62047 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image