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Dertinger, Nadja (2007): Untersuchungen zur Neurologie und zerebralen Inflammation nach tief hypothermem Kreislaufstillstand der Ratte: Einfluss der Wiedererwärmungsgeschwindigkeit. Dissertation, LMU München: Faculty of Veterinary Medicine
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Abstract

„Investigation of neurologic outcome and cerebral inflammation after deep hypothermic circulatory arrest in the rat: The impact of the rewarming rate” Despite considerable progress in medicine, and the adapt use of CPB with DHCA, congenital heart defects are still considered a challenge for surgery. Today`s scientific research focuses on CPB with DHCA and the possible cerebral inflammatory reaction, contributing to the often adverse neurologic and neurocognitive outcome following CPB with DHCA. Aim o f this study is to investigate the impact of the rate and duration of rewarming have on postoperative neurologic function, histologic outcome and cerebral inflammatory reaction in a clinically relevant animal model of CPB with 45 min of DHCA in the rat. 20 male Sprague Dawley rats (330 – 390 g) were anaesthetized, endotracheally intubated and ventilated with 2 to 2.5 Vol % Isoflurane in 40 Vol % O2. For pain management all animals received repititive 5µg boli of Fentanyl. Animals were surgically cannulated as follows: the A. sacralis mediana for arterial inflow during CPB, the taking of blood samples and drug administration. The A. epigastrica superficialis for blood pressure monitoring and the V. jugularis externa and V. cava cranialis for venous drainage during CPB. During the cooling phase anaesthesia was maintained with 0.8 to 1Vol % Isoflurane and Cisartracurium was given additionally for muscle relaxation (1,6mg/h). To cool rats down to a rectal temperature of 15 – 18 °C within 30 min, cooling blankets, ice bags and a heat exchanger in the oxygenator were used. At 15 – 18 °C, CPB and anaesthesia were terminated for 45 minutes and the venous drainage was opened every ten minutes to allow the animals to exsanguinate to prevent a right heart dilatation. Rats were then randomly assigned to one of two rewarming groups (n = 10): with reinstitution of CPB and anaesthesia, one group was rewarmed slowly over 40 minutes and a second group fast over 20 minutes back to a rectal temperature of 35.5 °C. When reaching 35.5 °C, animals were weaned from CPB, and anaesthesia was maintained for one hour folllowing CPB. During that time the blood left in the circuit was collected, centrifuged, adjusted with HES and calcium to a hematocrit below 50% and returned to raise the animal`s hematocrit above 30%. Anaesthesia was terminated one hor following CPB. Animals were extubated when showing sufficient spontaneous breathing and allowed to recover under observation in an oxygen enriched environment. Rats were neurologically tested one day prior to CPB with DHCA as well as on the postoperative day. 24 hours following the end of CPB, animals were sacrificed, their brains removed and deep frozen (-70 °C) for further analysis. H&E staining was performed using slices taken at bregma –0.3 and –3.3 to investigate the histological damage in the Gyrus cinguli, Striatum, motor cortex, Hippocampus and Vermis. NF-kB- positive neurons were labelled with an immunhistochemical double staining and counted using light microscopy. Inflammatory parameters TNF-α, COX-2 and I-kB were evalueted using Wetsern Blotting. For the first time this study compares the neurologic outcome following two different rewarming protocols after DHCa in a clinically relevant animal model of CPB with DHCA. Unexpectedly, a better neurologic outcome is seen after fast rewarming. Although results for histology and immunehistochemistry show higher amounts of eosinohilic and NF-kB- positive neurons in this group. Western Blot also shows increased levels of inflammatory parameters COX-2 and I-kB in the fast rewarming group. These findings suggest that the rewarming rate alone is not the chief cause for an adverse neurological out-come after CPB with DHCA. Further studies concerning the mechanisms leading to adverse neurologic outcome and cerebral inflammatory reaction following CPB with DHCA are required.

Abstract

„Neurologische Defizite und zerebrale Inflammation nach tief hypothermem Kreislaufstillstand der Ratte: Einfluss der Wiedererwärmungsgeschwindigkeit“ In einem Zeitalter großen medizinischen Fortschritts gehören kongenitale Herzdefekte trotz routinemäßiger Anwendung der Extrakorporalen Zirkulation (EKZ) mit tief hypothermem Kreislaufstillstand (DHCA) zu den chirurgischen Herausforderungen. Da die Inzidenz neuro-logischer Defizite nach herzchirurgischen Eingriffen dennoch hoch ist, wird dieser mit EKZ und DHCA assoziierten Morbidität vermehrt Aufmerksamkeit geschenkt. Im Fokus heutiger wissenschaftlicher Forschung stehen in diesem Zusammenhang die mit DHCA notwendige Wiedererwärmung und etwaige zerebrale Entzündungsreaktionen. Ziel dieser Studie war es, den Einfluss der Wiedererwärmungsrate und –dauer auf die neurologische Funktion, die zerebrale Inflammation, sowie die Histologie in einem kliniknahen Modell der EKZ mit DHCA an der Ratte zu untersuchen. 20 männliche Sprague-Dawley Ratten (330 bis 390 g) wurden anästhesiert, intubiert und mit 2 bis 2,5 Vol % Isofluran in ca. 40 % Sauerstoff beatmet. Danach kanülierte man folgende Gefäße: die A. sacralis mediana, für den Anschluss an die EKZ, zur Rückgabe oxygenierten Blutes, der Blutentnahme und der Medikamentenapplikation, die A. epigastrica superficialis zur Blutdruckmessung, sowie die V. jugularis externa dextra und V. cava cranialis zur venösen Drainage während der EKZ. In der darauf-folgenden Abkühlungsphase wurde die Anästhesie mit 0,8 bis 1 Vol % Isofluran aufrecht-erhalten. Um eine Analgesie zu gewährleisten, erhiel-ten die Tiere repetitiv Fentanyl (5 μg Boli) und zur Relaxation 1,6 mg/h Cisatra-curium. In dieser Phase kühlte man die Tiere mit Hilfe von Kühlmatten, Eisbeuteln und dem Wärmetauscher der EKZ innerhalb von 30 Minuten auf eine rektale Temperatur von 15 bis 18 ºC. Mit Erreichen dieser Körpertemperatur wurde die EKZ beendet. Während des 45 minütigem, tief hypothermen Kreislaufstillstandes stellte man die Beatmung, sowie die Anästhesie ein. Die Tiere wurden randomisiert in zwei Wiedererwärmungsgruppen (n = 10) eingeteilt. Während die eine Gruppe langsam (40 Minuten) wiedererwärmt wurde, erwärmte man die andere Gruppe innerhalb von 20 Minuten (schnell) auf eine rektale Temperatur von 35,5 °C. Die Anästhesie erfolgte analog der Abkühlungsphase. Nach Ende der EKZ führte man die Beatmung noch für 1 Stunde weiter. In dieser Zeit retransfundierte man die Tiere mit Erythrozytenkonzentrat (bestehend aus abzentrifugierten Restblut aus der Herz-Lungen-Maschine, versetzt mit Hydroxyethylstärke und Calcium, Hämatokrit > 50%, um den Hämatokrit der Tiere über 30 % zu haben). Die Ratten wurden sowohl präoperativ (1 Tag vor OP) als auch postoperativ am nächsten Tag neurologisch untersucht und 24 Stunden nach erfolgter OP getötet. Die Hirne wurden in toto entnommen, eingefroren und histologisch mit Hämatoxylin-Eosin-Färbung und Immunhistochemie untersucht, um die Menge eosinophiler Zellen und die Menge NF-kB positiver Neurone zu ermitteln. Die Inflammationsparameter TNF-α, COX-2 und I-kB untersuchte man mit Western Blot. Die vorliegende Studie konnte erstmalig vergleichend das neurologische Outcome nach zwei verschiedenen Wiedererwärmungsstrategien nach EKZ mit tief hypothermen Kreislaufstillstand an einem kliniknahen Modell an der Ratte zeigen. Entgegen den eigenen Erwartungen konnte ein besseres neurologisches Ergebnis nach schneller Wiedererwärmung im Vergleich zur langsamen Wiedererwärmung festgestellt werden. Dennoch zeigte sich in den Ergebnissen der Histologie, der Doppelfärbung und des Western Blots eine vermehrte Schädigung der Neurone, sowie eine Erhöhung der Inflamma-tionsparameter nach schneller Wiedererwärmung. Die Pathomechanismen der zerebralen Inflammation nach DHCA, sowie der Einfluss der Reperfusion auf das neurologische Outcome und die komplexe Interaktion zwischen Wiedererwärmung, Reperfusion und in-flammatorischer Prozesse im Gehirn bedürfen weiteren Studien.