Zusammenfassung
Hintergrund
Obwohl die mesenteriale Durchblutung bei komplexen Aortenbogeneingriffen mit hypothermem Kreislaufstillstand („hypothermic circulatory arrest“, HCA) und selektiver zerebraler Perfusion („selective cerebral perfusion“, SCP) kompromittiert ist, bietet tiefe Hypothermie hierbei ausreichenden Ischämieschutz. Dem Trend der letzten Jahre folgend, werden Eingriffe an der thorakalen Aorta jedoch zunehmend bei moderater (25–29 °C) bzw. milder Hypothermie (≥ 30 °C) durchgeführt. Unter diesen Bedingungen bleibt eine mesenteriale Schädigung nicht aus.
Ziel der Arbeit
Ziel der experimentellen Studie am Großtiermodel war die Evaluierung einer zusätzlich zu der SCP durchgeführten „Low-flow“-Perfusion der unteren Körperhälfte („lower body perfusion“, LBP) bzw. deren Einflusses auf den viszeralen Blutfluss, der oxidativen Schädigung sowie der unspezifischen inflammatorischen Antwort in Jejunum und Kolon bei prolongiertem Kreislaufstillstand.
Material und Methode
Nach Anschluss an die extrakorporale Zirkulation (EKZ) wurden 14 weibliche Schweine (35–45 kgKG) auf 28 °C gekühlt und zunächst einem 10-minütigen HCA ausgesetzt. Danach wurden die Tiere randomisiert für 60 min wie folgt perfundiert: SCP-Gruppe (n = 7): SCP-Fluss: 10 ml/kgKG/min + Ischämie der unteren Körperhälfte, „Combined-selective-cerebral-and-lower-body-perfusion“(CLBP)-Gruppe (n = 7): SCP-Fluss: 10 ml/kgKG/min + LBP-Fluss: 20 ml/kgKG/min. Nach Beendigung der SCP wurden sämtliche Tiere systemisch erwärmt, die EKZ nach Erreichen der Normothermie ausgeschlichen und die Tiere für weitere 60 min hämodynamisch überwacht. Mesenteriale Blutflussmessungen (via Injektion fluoreszierender Mikrosphären), die Bestimmung der Entzündungsmarker Interleukin(IL)-6, Tumor-Nekrose-Faktor(TNF)-α und p38 im mesenterialen Gewebe [immunhistologische Untersuchung/“real-time polymerase chain reaction“ (RT-PCR)] sowie der flusszytometrische Nachweis einer oxidativen DNA-Schädigung im portalvenösen Blut [“Fluorescence-activated-cell-sorting“(FACS)-Analyse] wurden perioperativ zu 6 Messzeitpunkten durchgeführt: Baseline (vor Anschluss der EKZ); nach 5 und 60 min SCP; 5 min, 30 min und 60 min nach Weaning von der EKZ.
Ergebnisse
Die isolierte SCP erbrachte einen mesenterialen Residualfluss von lediglich 3 % der physiologischen Blutflussrate von 76 ± 40 ml/min/100 g (Kolon) bzw. 53 ± 29 ml/min/100 g (Jejunum), gefolgt von einer reaktiven mesenterialen Hyperperfusion von bis zu 200 % in der Reperfusionsphase. Hingegen führte die CLBP zu einem mesenterialen Residualfluss von 50 %, mit annähernd normaler mesenterialer Durchblutung nach Entwöhnung von der EKZ. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass bei moderater Hypothermie die kombinierte Perfusion mit einer signifikant niederen Laktatkonzentrationsanstiegen einhergeht (11 vs. 15 mmol/l). Die FACS-Analyse belegte, dass die 70-minütige viszerale Minderperfusion – unabhängig davon, ob mit oder ohne Perfusion der unteren Körperhälfte – in einem Anstieg der oxidativ-geschädigten DNA im viszeral-zirkulierenden Blut resultierte; hierbei fiel die Schädigung unter alleiniger SCP höher aus. Die semiquantiative immunhistologische Analyse des Darmgewebes und die quantitative RT-PCR ergaben eine signifikant höhere immunologische Aktivierung bei isolierter SCP im Vergleich zu CLBP.
Schussfolgerung
Die kombinierte CLBP mit unterschiedlichen Low-flow-Blutflussraten ist praktisch durchführbar. Die zusätzliche Perfusion der unteren Körperhälfte führt bei 28 °C zu einer deutlichen Verbesserung der mesenterialen Durchblutung, einem geringeren Laktatkonzentrationsanstieg und zu einer weniger ausgeprägten immunologischen Aktivierung im mesenterialen Gewebe.
Abstract
Background
Although perfusion of the mesenteric artery is compromised during complex aortic arch interventions with hypothermic circulatory arrest (HCA) and selective cerebral perfusion (SCP), deep hypothermia offers sufficient protection from ischemia. According to the trend in recent years, interventions on the thoracic aorta are, however, being carried out increasingly more under moderate (25-29°C) or mild hypothermia ((≥ 30 °C). Under these conditions mesenteric damage cannot be avoided.
Aim
The aim of the experimental study using a large animal model was an evaluation of lower body perfusion (LBP) carried out in addition to SCP and the influence on visceral blood flow, oxidative damage and unspecific inflammatory response in the jejunum and colon during prolonged cardiac arrest.
Material and methods
After connection to an extracorporeal circulation (ECC) 14 female pigs (35-45 kg body weight BW) were cooled to 28°C and exposed to a 10 min HCA. The animals were then reperfused randomly in 2 groups: SCP group (n=7) with SCP flow at 10 ml/kg BW and a second group (n=7) with ischemia of the lower body (combined selective cerebral and lower body perfusion CLBP group) with SCP flow at 10 ml/kg BW and LBP flow 20 ml/kg BW per minute. After termination of the SCP all animals were systemically warmed, the ECC was disconnected after reaching a normal body temperature and the animals were hemodynamically monitored for a further 60 min. Perfusion of the mesenteric artery was measured by injection of fluorescent microspheres and the inflammation markers interleukin (IL) 6, tumor necrosis factor (TNF) alpha and p38 were measured in mesenteric tissue by immunological investigations and real-time PCR (RT-PCR). In addition oxidative DNA damage was determined perioperatively at six time points by flow cytometry in portal vein blood using fluorescence activated cell sorting (FACS): at baseline before connecting to ECC, after 5 min and 60 min of SCP and 5 min 30 min and 60 min after weaning from ECC.
Results
The isolated SCP resulted in a mesenteric artery residual flow of only 3 % of the physiological blood flow rate of 76 ± 40 ml/min/100 g (colon) and 53 ± 29 ml/min/100 g (jejunum), followed by reactive mesenteric hyperperfusion of up to 200 % in the reperfusion phase. In contrast CLBP led to a mesenteric residual flow of 50 % with relatively normal mesenteric perfusion after weaning from ECC. Furthermore, it could be shown that for moderate hypothermia combined perfusion is accompanied by a significantly lower development of lactate concentration (11 mmol/l compared to 15 mmol/l). The FACS analysis confirmed that the 70 min of reduced visceral perfusion leads to an increase in oxidative damage of DNA in the circulating visceral blood, independent of this is with or without perfusion of the lower body. The damage under SCP alone was higher. The semiquantitative immunohistological analysis of mesenteric tissue and the quantitative RT-PCR showed a significantly higher immunological activation in SCP alone compared to CLBP.
Conclusion
A combined CLBP with different low flow blood flow rates can be carried out practically. The additional perfusion of the lower body at 28°C leads to a clear improvement in perfusion of the mesenteric artery, lower development of lactate concentration and to lower immunological activation in mesenteric tissue.
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Einhaltung ethischer Richtlinien
Interessenkonflikt. P.L. Haldenwang, T. Klein, K. Neef, M. Zeriouh, T. Riet, A. Sterner-Kock, H. Christ, T. Wahlers und J.T. Strauch geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht. Alle nationalen Richtlinien zur Haltung und zum Umgang mit Labortieren wurden eingehalten, und die notwendigen Zustimmungen der zuständigen Behörden liegen vor.
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Additional information
Der vorliegende Beitrag ist die überarbeitete und übersetzte Version der englischsprachigen Publikation „Evaluation of the use of lower body perfusion at 28 °C in aortic arch surgery“ in Eur J Cardiothorac Surg (2012) 41(5): e100–e109, first published online March 20, 2012, DOI:10.1093/ejcts/ezs079. (Mit freundlicher Genehmigung von Oxford Journals, [20]).
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Haldenwang, P., Klein, T., Neef, K. et al. Mesenterialischämie bei selektiver Hirnperfusion. Z Herz- Thorax- Gefäßchir 28, 141–152 (2014). https://doi.org/10.1007/s00398-013-1034-y
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DOI: https://doi.org/10.1007/s00398-013-1034-y