JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicina

Evaluatie van cerebrale bloedstroom autoregulatie in de rat met behulp van laser doppler flowmetrie

Published: January 19, 2020
doi:
10.3791/60540
, , ,
1Department of Physiology,Medical College of Wisconsin

Summary

Dit artikel demonstreert het gebruik van laser doppler flowmetrie om te evalueren van het vermogen van de cerebrale circulatie te autoreguleren de bloedtoevoer tijdens verlagingen van de arteriële bloeddruk.

Abstract

Bij het onderzoeken van de mechanismen van het lichaam voor het reguleren van cerebrale doorbloeding, een relatieve meting van de micro circulatoire bloedstroom kan worden verkregen met behulp van laser doppler flowmetrie (LDF). Deze paper toont een gesloten schedel preparaat dat het mogelijk maakt cerebrale bloedtoevoer te beoordelen zonder de schedel door te dringen of een kamer of cerebrale venster te installeren. Om autoregulatory mechanismen te evalueren, kan een model van gecontroleerde bloeddruk reductie via gegradeerde bloeding worden gebruikt, terwijl tegelijkertijd gebruik wordt maken van LDF. Dit maakt de real time tracking van de relatieve veranderingen in de bloedstroom in reactie op verlagingen van de arteriële bloeddruk geproduceerd door de terugtrekking van Circulerend bloed volume. Dit paradigma is een waardevolle benadering voor het bestuderen van cerebrale bloedstroom autoregulatie tijdens verlagingen van de arteriële bloeddruk en, met kleine wijzigingen in het Protocol, is ook waardevol als een experimenteel model van hemorragische shock. Naast het evalueren van autoregulatoire responsen, kan LDF worden gebruikt om de corticale bloedstroom te monitoren bij het onderzoeken van metabole, myogene, endotheel-, humorele of neurale mechanismen die de cerebrale doorbloeding reguleren en de impact van verschillende experimentele interventies en pathologische condities op cerebrale doorbloeding.

Introduction

Autoregulatory mechanismen in de cerebrale circulatie spelen een cruciale rol bij het handhaven van de homeostase en de normale functie in de hersenen. Autoregulatie van de cerebrale doorbloeding wordt beïnvloed door meerdere factoren, waaronder hartslag, bloed snelheid, perfusiedruk, de diameter van de cerebrale resistentie slagaders en de microcirculatoire weerstand, die allemaal een rol spelen bij het handhaven van de totale cerebrale bloedstroom constante in de hersenen over het fysiologische bereik van systemische bloeddruk. Wanneer de arteriële druk toeneemt, deze mechanismen constrikte arteriolen en weerstand aders om te voorkomen dat gevaarlijke stijgingen van de intracraniële druk. Wanneer arteriële bloeddruk afneemt, lokale controlemechanismen verwijden de arteriolen te handhaven weefsel perfusie en O2 levering. Verschillende pathologische aandoeningen zoals hypercapnia, traumatisch of globaal hypoxisch hersenletsel, en diabetische microangiopathie1,2,3,4,5,6 kunnen het vermogen van de hersenen om de bloedstroom te autoregeren verstoren. Chronische hypertensie verschuift bijvoorbeeld het effectieve autoregulatoire bereik naar hogere druk7,8,9, en een hoog zout (HS) dieet interfereert niet alleen met normale endotheel-afhankelijke verwijding in de cerebrale microcirculatie10, maar ook het vermogen van autoregulatory mechanismen in de cerebrale circulatie te verwijden en handhaven weefsel perfusie wanneer de arteriële druk wordt verlaagd11. Cerebrale autoregulatie is ook aangetast bij Dahl-zoutgevoelige ratten wanneer ze een HS-dieet12hebben gevoed.

Tijdens verlagingen van de arteriële druk, verwijding van de cerebrale resistentie slagaders en arteriolen in eerste instantie retourneert cerebrale doorbloeding om waarden te beheersen ondanks de verminderde perfusiedruk. Naarmate de arteriële druk verder wordt verlaagd, blijft de cerebrale bloedstroom constant bij de lagere druk (plateaufase van de autoregulatoire respons) totdat de vasculatuur niet langer kan verwijden om de bloedstroom bij de lagere druk te handhaven. De laagste druk waarbij een orgaan de normale bloedtoevoer kan aanhouden, wordt de ondergrens van de autoregulatie (LLA) genoemd. Bij druk onder de LLA daalt de cerebrale bloedstroom aanzienlijk van de rust waarden en neemt deze af op een lineaire manier met elke reductie in arteriële perfusiedruk13,14. Een opwaartse verschuiving in de LLA, zoals waargenomen in hypertensie7,8,9, kan het risico en de ernst van ischemische letsel verhogen tijdens omstandigheden waar de arteriële perfusiedruk wordt verminderd (bijv. myocardinfarct, ischemische beroerte, of bloedsomloop shock).

Ldf heeft bewezen een uiterst waardevolle benadering te zijn om de bloedtoevoer in de microcirculatie onder verschillende omstandigheden te evalueren, waaronder autoregulatie van de bloedstroom in de cerebrale circulatie11,14,15. Naast het evalueren van autoregulatoire reacties, kan ldf worden gebruikt om de corticale bloedstroom te bewaken bij het onderzoeken van metabole, myogene, endotheel-, humorele of neurale mechanismen die de cerebrale doorbloeding reguleren en de impact van verschillende experimentele interventies en pathologische aandoeningen op de cerebrale bloedstroom10,16,17,18,19,20,21

LDF meet de verschuiving in gereflecteerde laserlicht in reactie op het aantal en de snelheid van bewegende deeltjes–in dit geval, rode bloedcellen (RBC). Voor studies van cerebrale vasculaire autoregulatie, arteriële bloeddruk wordt veranderd hetzij door de infusie van een alpha-adrenergic agonist te verhogen arteriële druk (omdat de cerebrale circulatie zelf is ongevoelig voor alpha-adrenergic vasoconstrictor agonisten)12,15 of via gecontroleerde bloed volume terugtrekking te verminderen van arteriële druk11,14. In de huidige studie wordt LDF gebruikt om de effecten van beoordeelde verlagingen van de bloeddruk op cerebrale autoregulatie in een gezonde rat aan te tonen. Hoewel open en gesloten schedel methoden zijn beschreven in de literatuur22,23,24,25, het huidige papier toont een gesloten schedel voorbereiding, waardoor cerebrale bloedtoevoer kan worden beoordeeld zonder het binnendringen van de schedel of het installeren van een kamer of cerebrale venster.

Protocol

Het medisch college van Wisconsin institutioneel Dierenzorg-en gebruiks Comité (IACUC) keurde alle in dit document beschreven protocollen goed en alle procedures zijn in overeenstemming met de National Institutes of Health (NIH) Bureau voor laboratoriumdieren welzijn (OLAW) Regelgeving. 1. proefdieren en voorbereiding op de opname Gebruik 8 – 12 weken oude mannelijke Sprague-Dawley ratten met een gewicht van 250 – 300 g. Voor deze experimenten, voeden ratten een standaard dieet …

Representative Results

Figuur 2 geeft een overzicht van de resultaten van experimenten uitgevoerd in 10 mannelijke Sprague-Dawley ratten gevoed standaard laboratorium Chow. In die experimenten werd het gemiddelde LCBF gehandhaafd binnen 20% van de waarde van de prehemorragie na de eerste drie bloed volume-opnames, totdat de gemiddelde arteriële druk de LLA bereikte. Daaropvolgende bloed volume opnames onder druk onder de LLA veroorzaakte een progressieve reductie van LCBF, waaruit bleek dat de cerebrale circulati…

Discussion

Evaluatie van weefsel bloedstroom reacties met laser doppler flowmetrie (LDF). Zoals hierboven vermeld, is het LDF-signaal evenredig aan het aantal en de snelheid van bewegende deeltjes, in dit geval RBC, in de microcirculatie. Ldf-metingen in verschillende organen zijn goed gecorreleerd met een hele orgaan bloedstroom die wordt beoordeeld door gevestigde methoden zoals elektromagnetische stromingsmeters en radioactieve microsferen30 en zijn over het algemeen consistent met studie…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs uiten hun oprechte dank aan Kaleigh Kozak, Megan Stumpf, en Jack Bullis voor hun uitstekende hulp bij het afronden van deze studie en het opstellen van het manuscript. Subsidie ondersteuning: NIH #R01-HL128242, #R21-OD018309 en #R21-OD024781.

Materials

3-0 braided black silk suture Midwest Vet 193.73000.2
Arterial Pressure Transducer Merit Medical 041516504A
Automated Data Acquisition Systems (WINDAQ & BIOPAC system) DATAQ Instruments
Blood Pressure Display Unit Stoelting 50115
Circulating warm water pump Gaymar Industries T-pump
End-tidal CO2 monitor Stoelting Capstar-100
Heparin Sodium Midwest Vet 191.46720.3
Kimwipe Fisher Scientific 06-666A
Laser Doppler Flow Meter Perimed PeriFlux 5000 LDPM
Laser Doppler Refill Motility Standard Perimed PF1001
Polyethylene Tubing (PE240) (for trachea cannula) VWR 63018-828
Polyethylene Tubing (PE50) (for femoral catheters) VWR 63019-048
Rodent Ventilator Cwe/Stoelting SAR-830/P
Saline Midwest Vet 193.74504.3
Sprague-Dawley Outbred Rats Variable N/A Rats were ordered from various companies
Standard Rat Chow Dyets, Inc. 113755
Stereotaxic Instrument Cwe/Stoelting Clasic Lab Standard
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Aso, Y., Inukai, T., Takemura, Y. Evaluation of microangiopathy of the skin in patients with non-insulin-dependent diabetes mellitus by laser Doppler flowmetry; microvasodilatory responses to beraprost sodium. Diabetes Research and Clinical Practice. 36, 19-26 (1997).
  2. Golding, E. M., Robertson, C. S., Bryan, R. M. The consequences of traumatic brain injury on cerebral blood flow and autoregulation: a review. Clinical and Experimental Hypertension. 21, 299-332 (1999).
  3. Grunwald, J. E., DuPont, J., Riva, C. E. Retinal haemodynamics in patients with early diabetes mellitus. British Journal of Ophthalmology. 80, 327-331 (1996).
  4. Mankovsky, B. N., Piolot, R., Mankovsky, O. L., Ziegler, D. Impairment of cerebral autoregulation in diabetic patients with cardiovascular autonomic neuropathy and orthostatic hypotension. Diabetic Medicine. 20, 119-126 (2003).
  5. Symon, L., Held, K., Dorsch, N. W. A study of regional autoregulation in the cerebral circulation to increased perfusion pressure in normocapnia and hypercapnia. Stroke. 4, 139-147 (1973).
  6. Taccone, F. S., et al. Cerebral autoregulation is influenced by carbon dioxide levels in patients with septic shock. Neurocritical Care. 12, 35-42 (2010).
  7. Barry, D. I., et al. Cerebral blood flow in rats with renal and spontaneous hypertension: resetting of the lower limit of autoregulation. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 2, 347-353 (1982).
  8. Faraci, F. M., Baumbach, G. L., Heistad, D. D. Cerebral circulation: humoral regulation and effects of chronic hypertension. Journal of the American Society of Nephrology. 1, 53-57 (1990).
  9. Strandgaard, S. Autoregulation of cerebral blood flow in hypertensive patients. The modifying influence of prolonged antihypertensive treatment on the tolerance to acute, drug-induced hypotension. Circulation. 53, 720-727 (1976).
  10. McEwen, S. T., Schmidt, J. R., Somberg, L., de la Cruz, L., Lombard, J. H. Time-course and mechanisms of restored vascular relaxation by reduced salt intake and angiotensin II infusion in rats fed a high-salt diet. Microcirculation. 16, 220-234 (2009).
  11. Allen, L. A., et al. High salt diet impairs cerebral blood flow regulation via salt-induced angiotensin II suppression. Microcirculation. , e12518 (2018).
  12. Smeda, J. S., Payne, G. W. Alterations in autoregulatory and myogenic function in the cerebrovasculature of Dahl salt-sensitive rats. Stroke. 34, 1484-1490 (2003).
  13. Greene, N. H., Lee, L. A. Modern and Evolving Understanding of Cerebral Perfusion and Autoregulation. Advances in Anesthesia. 30, 97-129 (2012).
  14. Merzeau, S., Preckel, M. P., Fromy, B., Leftheriotis, G., Saumet, J. L. Differences between cerebral and cerebellar autoregulation during progressive hypotension in rats. Neuroscience Letters. 280, 103-106 (2000).
  15. Zagorac, D., Yamaura, K., Zhang, C., Roman, R. J., Harder, D. R. The effect of superoxide anion on autoregulation of cerebral blood flow. Stroke. 36, 2589-2594 (2005).
  16. Hudetz, A. G., Lee, J. G., Smith, J. J., Bosnjak, Z. J., Kampine, J. P. Effects of volatile anesthetics on cerebrocortical laser Doppler flow: hyperemia, autoregulation, carbon dioxide response, flow oscillations, and role of nitric oxide. Advances in Pharmacology. 31, 577-593 (1994).
  17. Hudetz, A. G., Shen, H., Kampine, J. P. Nitric oxide from neuronal NOS plays critical role in cerebral capillary flow response to hypoxia. American Journal of Physiology. 274, H982-H989 (1998).
  18. Okamoto, H., Hudetz, A. G., Roman, R. J., Bosnjak, Z. J., Kampine, J. P. Neuronal NOS-derived NO plays permissive role in cerebral blood flow response to hypercapnia. American Journal of Physiology. 272, H559-H566 (1997).
  19. Okamoto, H., Roman, R. J., Kampine, J. P., Hudetz, A. G. Endotoxin augments cerebral hyperemic response to halothane by inducing nitric oxide synthase and cyclooxygenase. Anesthesia and Analgesia. 91, 896-903 (2000).
  20. Schulte, M. L., Hudetz, A. G. Functional hyperemic response in the rat visual cortex under halothane anesthesia. Neuroscience Letters. 394, 63-68 (2006).
  21. Schulte, M. L., Li, S. J., Hyde, J. S., Hudetz, A. G. Digit tapping model of functional activation in the rat somatosensory cortex. Journal of Neuroscience Methods. 157, 48-53 (2006).
  22. Alkayed, N. J., et al. Inhibition of brain P-450 arachidonic acid epoxygenase decreases baseline cerebral blood flow. American Journal of Physiology. 271, H1541-H1546 (1996).
  23. Alonso-Galicia, M., Hudetz, A. G., Shen, H., Harder, D. R., Roman, R. J. Contribution of 20-HETE to vasodilator actions of nitric oxide in the cerebral microcirculation. Stroke. 30, 2727-2734 (1999).
  24. Kurosawa, M., Messlinger, K., Pawlak, M., Schmidt, R. F. Increase of meningeal blood flow after electrical stimulation of rat dura mater encephali: mediation by calcitonin gene-related peptide. British Journal of Pharmacology. 114, 1397-1402 (1995).
  25. Mayhan, W. G., Faraci, F. M., Heistad, D. D. Impairment of endothelium-dependent responses of cerebral arterioles in chronic hypertension. American Journal of Physiology. 253, H1435-H1440 (1987).
  26. Ghali, M. G. Z. Microsurgical technique for tracheostomy in the rat. MethodsX. 5, 61-67 (2018).
  27. Ghali, M. G. Z. Microsurgical technique for femoral vascular access in the rat. MethodsX. 4, 498-507 (2017).
  28. Takada, J., et al. Valsartan improves the lower limit of cerebral autoregulation in rats. Hypertension Research. 29, 621-626 (2006).
  29. Jones, S. C., Radinsky, C. R., Furlan, A. J., Chyatte, D., Perez-Trepichio, A. D. Cortical NOS inhibition raises the lower limit of cerebral blood flow-arterial pressure autoregulation. American Journal of Physiology. 276, H1253-H1262 (1999).
  30. Smits, G. J., Roman, R. J., Lombard, J. H. Evaluation of laser-Doppler flowmetry as a measure of tissue blood flow. Journal of Applied Physiology (1985). 61, 666-672 (1986).
  31. Durand, M. J., Raffai, G., Weinberg, B. D., Lombard, J. H. Angiotensin-(1-7) and low-dose angiotensin II infusion reverse salt-induced endothelial dysfunction via different mechanisms in rat middle cerebral arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 299, H1024-H1033 (2010).
  32. Lombard, J. H., Sylvester, F. A., Phillips, S. A., Frisbee, J. C. High-salt diet impairs vascular relaxation mechanisms in rat middle cerebral arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 284, H1124-H1133 (2003).
  33. Weber, D. S., Lombard, J. H. Elevated salt intake impairs dilation of rat skeletal muscle resistance arteries via ANG II suppression. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 278, H500-H506 (2000).
  34. Weber, D. S., Lombard, J. H. Angiotensin II AT1 receptors preserve vasodilator reactivity in skeletal muscle resistance arteries. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 280, H2196-H2202 (2001).
  35. Liu, Y., Rusch, N. J., Lombard, J. H. Loss of endothelium and receptor-mediated dilation in pial arterioles of rats fed a short-term high salt diet. Hypertension. 33, 686-688 (1999).
  36. Priestley, J. R., et al. Reduced angiotensin II levels cause generalized vascular dysfunction via oxidant stress in hamster cheek pouch arterioles. Microvascular Research. 89, 134-145 (2013).
  37. McEwen, S. T., Balus, S. F., Durand, M. J., Lombard, J. H. Angiotensin II maintains cerebral vascular relaxation via EGF receptor transactivation and ERK1/2. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 297, H1296-H1303 (2009).
  38. Jensen, N. F., Todd, M. M., Kramer, D. J., Leonard, P. A., Warner, D. S. A comparison of the vasodilating effects of halothane and isoflurane on the isolated rabbit basilar artery with and without intact endothelium. Anesthesiology. 76, 624-634 (1992).
  39. Avram, M. J., et al. Isoflurane alters the recirculatory pharmacokinetics of physiologic markers. Anesthesiology. 92, 1757-1768 (2000).
  40. Wang, Z., Schuler, B., Vogel, O., Arras, M., Vogel, J. What is the optimal anesthetic protocol for measurements of cerebral autoregulation in spontaneously breathing mice?. Experimental Brain Research. 207, 249-258 (2010).
  41. Ayata, C., et al. Pronounced hypoperfusion during spreading depression in mouse cortex. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 24, 1172-1182 (2004).
  42. Niwa, K., et al. Cerebrovascular autoregulation is profoundly impaired in mice overexpressing amyloid precursor protein. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 283, H315-H323 (2002).
  43. Carreira, S., et al. Diaphragmatic Function Is Preserved during Severe Hemorrhagic Shock in the Rat. Anesthesiology. 120, 425-435 (2014).
  44. Kerby, J. D., et al. Resuscitation from hemorrhagic shock with HBOC-201 in the setting of traumatic brain injury. Shock. 27, 652-656 (2007).
  45. Krejci, V., et al. Continuous measurements of microcirculatory blood flow in gastrointestinal organs during acute haemorrhage. British Journal of Anaesthesia. 84, 468-475 (2000).
  46. Rosengarte, B., Hecht, M., Wolff, S., Kaps, M. Autoregulative function in the brain in an endotoxic rat shock model. Inflammation Research. 57, 542-546 (2008).
  47. Rozet, I., et al. Cerebral autoregulation and CO2 reactivity in anterior and posterior cerebral circulation during sevoflurane anesthesia. Anesthesia and Analgesia. 102, 560-564 (2006).
  48. Hudetz, A. G., Biswal, B. B., Feher, G., Kampine, J. P. Effects of hypoxia and hypercapnia on capillary flow velocity in the rat cerebral cortex. Microvascular Research. 54, 35-42 (1997).
  49. Shi, Y., et al. Interaction of mechanisms involving epoxyeicosatrienoic acids, adenosine receptors, and metabotropic glutamate receptors in neurovascular coupling in rat whisker barrel cortex. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 28, 111-125 (2008).

Tags

Laser Doppler FlowmetryCerebral Blood Flow AutoregulationRatNon-invasiveBlood PressureVascular BedsFemoral ArteryCannulaAnesthesiaShavingDisinfectionSuturesLigation
check_url/pt/60540?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Allen, L. A., Terashvili, M., Gifford, A., Lombard, J. H. Evaluation of Cerebral Blood Flow Autoregulation in the Rat Using Laser Doppler Flowmetry. J. Vis. Exp. (155), e60540, doi:10.3791/60540 (2020).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image