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

Evaluación en tiempo real de la microperfusión de la médula espinal en un modelo porcino de isquemia/reperfusión

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

La microcirculación de la médula espinal juega un papel fundamental en la lesión de la médula espinal. La mayoría de los métodos no permiten la evaluación en tiempo real de la microcirculación de la médula espinal, que es esencial para el desarrollo de terapias dirigidas a la microcirculación. Aquí, proponemos un protocolo utilizando sondas Laser-Doppler-Flow Needle en un modelo animal grande de isquemia / reperfusión.

Abstract

La lesión de la médula espinal es una complicación devastadora de la reparación aórtica. A pesar de los avances para la prevención y el tratamiento de la lesión de la médula espinal, su incidencia sigue siendo considerablemente alta y, por lo tanto, influye en el resultado del paciente. La microcirculación juega un papel clave en la perfusión tisular y el suministro de oxígeno y a menudo se disocia de la macrohemodinámica. Por lo tanto, la evaluación directa de la microcirculación de la médula espinal es esencial para el desarrollo de terapias dirigidas a la microcirculación y la evaluación de los enfoques existentes con respecto a la microcirculación de la médula espinal. Sin embargo, la mayoría de los métodos no proporcionan una evaluación en tiempo real de la microcirculación de la médula espinal. El objetivo de este estudio es describir un protocolo estandarizado para la evaluación microcirculatoria de la médula espinal en tiempo real utilizando sondas de aguja Doppler con láser insertadas directamente en la médula espinal. Se utilizó un modelo porcino de isquemia/reperfusión para inducir el deterioro de la microcirculación de la médula espinal. Además, se utilizó una técnica de inyección de microesfera fluorescente. Inicialmente, los animales fueron anestesiados y ventilados mecánicamente. A partir de entonces, se realizó la inserción de la sonda de aguja Doppler con láser, seguida de la colocación del drenaje del líquido cefalorraquídeo. Se realizó una esternotomía mediana para la exposición de la aorta descendente para realizar el pinzamiento cruzado aórtico. La isquemia/reperfusión fue inducida por pinzamiento cruzado aórtico supracelíaco durante un total de 48 min, seguido de reperfusión y estabilización hemodinámica. El flujo láser-Doppler se realizó en paralelo con la evaluación macrohemodinámica. Además, se utilizó el drenaje automatizado del líquido cefalorraquídeo para mantener una presión cefalorraquídeo estable. Después de completar el protocolo, se sacrificaron animales y se recolectó la médula espinal para el análisis histopatológico y de microesferas. El protocolo revela la viabilidad de las mediciones de microperfusión de la médula espinal utilizando sondas Láser-Doppler y muestra una marcada disminución durante la isquemia, así como la recuperación después de la reperfusión. Los resultados mostraron un comportamiento comparable al de la evaluación de la microesfera fluorescente. En conclusión, este nuevo protocolo podría proporcionar un modelo animal grande útil para futuros estudios que utilicen la evaluación de microperfusión de la médula espinal en tiempo real en condiciones de isquemia / reperfusión.

Introduction

La lesión de la médula espinal inducida por isquemia/reperfusión (LME) es una de las complicaciones más devastadoras de la reparación aórtica asociada con un resultado reducido1,2,3,4. Las opciones actuales de prevención y tratamiento para la LME incluyen la optimización de los parámetros macrohemodinámicos, así como la normalización de la presión del líquido cefalorraquídeo (CSP) para mejorar la presión de perfusión de la médula espinal2,5,6,7,8,9. A pesar de la implementación de estas maniobras, la incidencia de LME todavía oscila entre el 2% y el 31% dependiendo de la complejidad de la reparación aórtica10,11,12.

Recientemente, la microcirculación ha ganado mayor atención13,14. La microcirculación es el área de captación de oxígeno celular e intercambio metabólico y, por lo tanto, desempeña un papel crítico en la función de los órganos y la integridad celular13. El deterioro del flujo sanguíneo microcirculatorio es un determinante importante de la isquemia tisular asociada con el aumento de la mortalidad15,16,17,18,19. El deterioro de la microcirculación de la médula espinal se asocia con una función neurológica reducida y el resultado20,21,22,23. Por lo tanto, la optimización de la microperfusión para el tratamiento de la LME es un enfoque muy prometedor. La persistencia de perturbaciones microcirculatorias, a pesar de la optimización macrocirculatoria, se ha descrito26,27,28,29. Esta pérdida de coherencia hemodinámica ocurre con frecuencia en diversas condiciones, incluyendo isquemia/reperfusión, enfatizando la necesidad de una evaluación microcirculatoria directa y terapias dirigidas a la microcirculación26,27,30.

Hasta ahora, solo unos pocos estudios han utilizado sondas láser-Doppler para la evaluación en tiempo real del comportamiento microcirculatorio de la médula espinal20,31. Los estudios existentes han utilizado a menudo técnicas de inyección de microesferas, que están limitadas por el uso intermitente y el análisis post mortem32,33. El número de mediciones diferentes utilizando la técnica de inyección de microesferas está limitado por la disponibilidad de microesferas con diferentes longitudes de onda. Además, a diferencia de las técnicas Láser-Doppler, la evaluación en tiempo real de la microperfusión no es posible, ya que el procesamiento y análisis de tejidos post mortem es necesario para este método. Aquí, presentamos un protocolo experimental para la evaluación en tiempo real de la microcirculación de la médula espinal en un modelo animal grande porcino de isquemia / reperfusión.

Este estudio fue parte de un gran proyecto en animales que combinó un estudio aleatorizado que comparó la influencia de los cristaloides frente a los coloides en la microcirculación en la isquemia / reperfusión, así como un estudio aleatorizado exploratorio sobre los efectos de los líquidos frente a los vasopresores en la microperfusión de la médula espinal. La calibración de la sonda de flujo de 2 puntos, así como la calibración del catéter de punta de presión, se han descrito previamente34. Además del protocolo reportado, se utilizaron microesferas fluorescentes para la medición de la microperfusión de la médula espinal, como se describió anteriormente, utilizando 12 muestras de tejido de la médula espinal para cada animal, con muestras 1-6 que representan la médula espinal superior y 7-12 que representan la médula espinal inferior35,36. La inyección de microesfera se realizó para cada paso de medición después de la finalización de los registros Láser-Doppler y la evaluación macrohemodinámica. La evaluación histopatológica se realizó utilizando el Kleinman-Score como se describió anteriormente37.

Protocol

El estudio fue aprobado por la Comisión Gubernamental sobre el Cuidado y Uso de Animales de la Ciudad de Hamburgo (Referencia-No. 60/17). Los animales recibieron cuidados de conformidad con la ‘Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio’ (publicación de los NIH No. 86-23, revisada en 2011), así como las recomendaciones y experimentos de FELASA se llevaron a cabo de acuerdo con las pautas ARRIVE24,25. Este estudio fue un ensayo agudo, y todos los an…

Representative Results

Los seis animales sobrevivieron hasta la finalización del protocolo. El peso animal fue de 48,2 ± 2,9 kg; cinco animales eran machos y un animal era hembra. La inserción de la sonda de la aguja de la médula espinal, así como la medición del flujo de la médula espinal fue factible en todos los animales. Ejemplos de registros microcirculatorios de la médula espinal en tiempo real en combinación con registros microcirculat…

Discussion

La LME inducida por la isquemia de la médula espinal es una complicación importante de la reparación aórtica con un tremendo impacto en el resultado del paciente1,2,3,4,10,11,12. Las terapias dirigidas a la microcirculación para prevenir y tratar la LME son las más prometedoras. El pro…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores desean agradecer a Lena Brix, V.M.D, Instituto de Investigación Animal, Escuela de Medicina de Hannover, así como a la Sra. Jutta Dammann, Centro de Investigación de Cuidado de Animales, Centro Médico Universitario de Hamburgo-Eppendorf, Alemania, por proporcionar cuidado animal pre y perioperatorio y su asistencia técnica en el manejo de animales. Los autores desean además agradecer al Dr. Daniel Manzoni, Departamento de Cirugía Vascular, Hôpital Kirchberg, Luxemburgo, por su asistencia técnica.

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

Keywords: Spinal CordMicroperfusionIschemia/reperfusionReal-time AssessmentPorcine ModelLaser DopplerCerebrospinal Fluid PressureMacrohemodynamicsMinimally InvasiveAnesthesiologySurgical Procedure
check_url/62047?article_type=t

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