Summary

הערכה בזמן אמת של מיקרופרפוזיה בחוט השדרה במודל חזירי של איסכמיה/רפרפוזיה

Published: December 10, 2020
doi:

Summary

מיקרו-סירקולציה בחוט השדרה ממלאת תפקיד מרכזי בפגיעה בחוט השדרה. רוב השיטות אינן מאפשרות הערכה בזמן אמת של מיקרו-סירקולציה של חוט השדרה, החיונית לפיתוח טיפולים ממוקדי מיקרו-סירקולציה. כאן, אנו מציעים פרוטוקול באמצעות לייזר-דופלר-זרימה מחט בדיקות במודל בעלי חיים גדול של איסכמיה / רפרפוזיה.

Abstract

פגיעה בחוט השדרה היא סיבוך הרסני של תיקון בוני העורקים. למרות ההתפתחויות במניעה וטיפול בפגיעה בחוט השדרה, שכיחותו עדיין גבוהה במידה ניכרת ולכן משפיעה על תוצאות המטופל. מיקרו-סירקולציה ממלאת תפקיד מרכזי בהזרמת רקמות ובאספקת חמצן ולעתים קרובות מנותקת ממקרוהמודינמיקה. לכן, הערכה ישירה של מיקרו-סירקולציה של חוט השדרה חיונית להתפתחות טיפולים ממוקדי מיקרו-סירקולציה ולהערכת גישות קיימות לגבי מיקרו-סירקולציה של חוט השדרה. עם זאת, רוב השיטות אינן מספקות הערכה בזמן אמת של מיקרו-סירקולציה של חוט השדרה. מטרת מחקר זה היא לתאר פרוטוקול סטנדרטי להערכה מיקרו-סירקולטורית של חוט השדרה בזמן אמת באמצעות בדיקות מחט לייזר-דופלר המוחדרות ישירות לחוט השדרה. השתמשנו במודל חזירי של איסכמיה/רפרפוזיה כדי לגרום להידרדרות של מיקרו-סירקולציה של חוט השדרה. בנוסף, נעשה שימוש בטכניקת הזרקת מיקרוספירה פלואורסצנטית. בתחילה, בעלי חיים היו מרדים ומאווררים מכנית. לאחר מכן, הכנסה מחט לייזר-דופלר בוצעה, ואחריו המיקום של ניקוז נוזל השדרתי. כריתת החזה החציונית בוצעה לחשיפת אב העורקים היורד לביצוע הידוק צולב של אב העורקים. איסכמיה/רפרפוזיה נגרמה על ידי הידוק אב העורקים של על-צליאק במשך 48 דקות בסך הכל, ואחריו רפרפוזיה וייצוב המודינמי. שטף לייזר-דופלר בוצע במקביל להערכה מקרוהמודינמית. בנוסף, ניקוז נוזל השדרתי אוטומטי שימש כדי לשמור על לחץ מוחי יציב. לאחר השלמת הפרוטוקול, בעלי חיים הוקרבו, וחוט השדרה נקצר לניתוח היסטופתולוגי ומיקרוספירה. הפרוטוקול חושף את ההיתכנות של מדידות מיקרופרפוזיה בחוט השדרה באמצעות בדיקות לייזר-דופלר ומראה ירידה ניכרת במהלך איסכמיה, כמו גם התאוששות לאחר reperfusion. התוצאות הראו התנהגות דומה להערכת מיקרוספרה פלואורסצנטית. לסיכום, פרוטוקול חדש זה עשוי לספק מודל בעלי חיים גדול שימושי למחקרים עתידיים באמצעות הערכת מיקרופרפוזיה של חוט השדרה בזמן אמת בתנאי איסכמיה/רפרפוזיה.

Introduction

פגיעה בחוט השדרה הנגרמת על ידי איסכמיה / רפרפוזיה (SCI) הוא אחד הסיבוכים ההרסניים ביותר של תיקון באטי העורקים הקשורים לתוצאה מופחתת1,2,3,4. אפשרויות מניעה וטיפול נוכחיות עבור SCI כוללות אופטימיזציה של פרמטרים מקרוהמודינמיים, כמו גם נורמליזציה של לחץ נוזל השדרתי (CSP) כדי לשפר את לחץ זלוף חוט השדרה2,5,6,7,8,9. למרות יישום תמרונים אלה, השכיחות של SCI עדיין נע בין 2% ל 31% בהתאם למורכבות של תיקון בוניהעורקים 10,11,12.

לאחרונה, מיקרו-סירקולציה זכתה לתשומת לב מוגברת13,14. מיקרו-סירקולציה היא אזור של ספיגת חמצן תאית וחילופי מטבוליים ולכן, ממלא תפקיד קריטי בתפקוד האיברים ושלמותהתאים 13. זרימת דם מיקרו-סירקולטורית לקויה היא דטרמיננטה עיקרית של איסכמיה של רקמות הקשורה לתמותה מוגברת15,16,17,18,19. פגיעה במיקרו-סירקולציה של חוט השדרה קשורה לתפקוד נוירולוגי מופחת ולתוצאה20,21,22,23. לכן, אופטימיזציה של microperfusion לטיפול SCI היא גישה מבטיחה ביותר. התמדה של הפרעות מיקרו-סירקולטוריות, למרות אופטימיזציה מקרו-סירקולטורית, תוארה26,27,28,29. אובדן זה של קוהרנטיות המודינמית מתרחש לעתים קרובות בתנאים שונים כולל איסכמיה / reperfusion, המדגיש את הצורך בהערכה מיקרו-סירקולטורית ישירה טיפולים ממוקדי מיקרו-סירקולציה26,27,30.

עד כה, רק מחקרים מעטים השתמשו בבדיקות לייזר-דופלר להערכה בזמן אמת של התנהגות מיקרו-סירקולטורית בחוט השדרה20,31. מחקרים קיימים השתמשו לעתים קרובות בטכניקות הזרקת מיקרוספירה, המוגבלות על ידי שימוש לסירוגין וניתוח שלאחר המוות32,33. מספר המדידות השונות בטכניקת הזרקת מיקרוספירה מוגבל על ידי הזמינות של מיקרוספרות עם אורכי גל שונים. יתר על כן, בניגוד לטכניקות לייזר-דופלר, הערכה בזמן אמת של מיקרופרפוזיה אינה אפשרית, שכן עיבוד וניתוח רקמות לאחר המוות נדרשים לשיטה זו. כאן, אנו מציגים פרוטוקול ניסיוני להערכה בזמן אמת של מיקרו-סירקולציה בחוט השדרה במודל חייתי גדול חזירי של איסכמיה / רפרפוזיה.

מחקר זה היה חלק מפרויקט בעלי חיים גדול המשלב מחקר אקראי המשווה את ההשפעה של גבישים לעומת קולואידים על מיקרו-סירקולציה באיסכמיה/ רפרפוזיה, כמו גם מחקר אקראי חוקר על ההשפעות של נוזלים לעומת מסופרסורים על מיקרופרפוזיה בחוט השדרה. כיול גשושית זרימה 2 נקודות כמו גם כיול קטטר קצה לחץ תוארו בעבר34. בנוסף לפרוטוקול שדווח, מיקרוספרות פלואורסצנטיות שימשו למדידה של מיקרופרפוזיה בחוט השדרה, כפי שתואר בעבר, באמצעות 12 דגימות של רקמת חוט השדרה עבור כל בעל חיים, עם דגימות 1-6 המייצגות את חוט השדרה העליון ו 7-12 המייצגים את חוט השדרה התחתון35,36. הזרקת מיקרוספירה בוצעה עבור כל שלב מדידה לאחר השלמת הקלטות לייזר-דופלר והערכה מקרוהמודינמית. הערכה היסטופתולוגית בוצעה באמצעות ציון קליינמן כפי שתואר בעבר37.

Protocol

המחקר אושר על ידי הוועדה הממשלתית לטיפול ושימוש בבעלי חיים בעיר המבורג (Reference-No. 60/17). בעלי החיים קיבלו טיפול בהתאם ל’מדריך לטיפול ושימוש בחיות מעבדה’ (פרסום NIH מס ‘ 86-23, תוקן בשנת 2011) וכן המלצות וניסויים של FELASA בוצעו על פי הנחיות ARRIVE24,25. מחקר זה היה ניסוי חריף, וכל…

Representative Results

כל שש החיות שרדו עד להשלמת הפרוטוקול. משקל בעלי החיים היה 48.2 ± 2.9 ק”ג; חמש חיות היו זכרים, וחיה אחת הייתה נקבה. החדרת מחט חוט השדרה, כמו גם מדידת שטף חוט השדרה היה אפשרי בכל בעלי החיים. דוגמאות להקלטות מיקרו-סירקולטוריות של חוט השדרה בזמן אמת ?…

Discussion

SCI המושרה על ידי איסכמיה חוט השדרה הוא סיבוך גדול של תיקון בוני העורקים עם השפעה עצומה על התוצאה החולה1,2,3,4,10,11,12. טיפולים ממוקדי מיקרו-סירקולציה כדי למנוע ולטפל ב-…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים רוצים להודות לנה בריקס, V.M.D, המכון לחקר בעלי חיים, בית הספר לרפואה האנובר, כמו גם גברת ג’וטה דממן, מתקן המחקר לטיפול בבעלי חיים, המרכז הרפואי האוניברסיטאי המבורג-אפנדורף, גרמניה, על מתן טיפול בבעלי חיים לפני פריופרטיבי וסיוע טכני שלהם בטיפול בבעלי חיים. עוד מבקשים המחברים להודות לד”ר דניאל מנזוני, המחלקה לכירורגיית כלי דם, הופיטל קירצברג, לוקסמבורג, על הסיוע הטכני.

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

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).

Play Video

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).

View Video