Effect of Ischemic Preconditioning on Rat Liver Microcirculation Monitored with Laser Doppler Flowmetry

Journal of Surgical Research 131, 150 –157 (2006) doi:10.1016/j.jss.2005.09.002

Effect of Ischemic Preconditioning on Rat Liver Microcirculation Monitored with Laser Doppler Flowmetry Attila Szijártó,*,1 Oszkár Hahn,* Gábor Lotz,† Zsuzsa Schaff,† Emilia Madarász,‡ and Péter Károly Kupcsulik* *Department of Surgery; †Department of Pathology, Semmelweis University, Budapest, Hungary; ‡The Institute of Experimental Medicine of the Hungarian Academy of Sciences, Budapest, Hungary Submitted for publication June 28, 2005

Background. Ischemic preconditioning (IP) may protect the liver from ischemia-reperfusion (I-R) injury during liver resection. This study investigated the effect of IP on hepatic microcirculation (HM) and analyzed the objective parameters of the HM using laser Doppler flowmetry (LDF). Methods. We used male Wistar rats (250 –280 g) that underwent normothermic, segmental liver ischemia. The animals were divided into eight groups: 30, 45, 60, and 90 min of ischemia with, or without, IP. Five minutes ischemia and 10 min reperfusion, in two cycles, were used to elicit IP. Changes of the hepatic microcirculation were studied by LDF with on-line computer monitoring and processing. Histological alterations, liver enzymes, bilirubin, and TNF-␣ level were all measured simultaneously. Results. Reperfusion was assessed by post-ischemia flux plateau maximum (PM) and by the area under the reperfusion-curve (RA). Both PM and RA are inversely correlated with the duration of ischemia. The groups with IP had significantly (P < 0.05) higher flow values than groups without preconditioning. IP before liver ischemia resulted in significantly (P < 0.05) lower TNF-␣ levels at the end of the 30-min reperfusion. Lower serum ALT, LDH, and bilirubin levels could only be observed at 45 and 60 min I-R during the first post-operative day. On the seventh post-operative day there were no significant differences between the I-R and IP ⴙ IR groups in any of these parameters. Conclusion. The benefit of ischemic preconditioning on hepatic microcirculation was well demonstrated with this method, which has never been described before, in this context. Changes in hepatic microcircu1

To whom correspondence and reprint requests should be addressed at Department of Surgery, Semmelweis University, Budapest, 1082 ¨ llo˝i út 78. E-mail: [email protected] or Hungary, Budapest, U [email protected].

0022-4804/06 $32.00 © 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

lation can be precisely investigated by laser Doppler flowmetry using the standardization and transformation described in this paper. © 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Key Words: ischemia; reperfusion; preconditioning; liver; laser Doppler flowmeter.

INTRODUCTION

Ischemia-reperfusion (I-R) injury plays an important role during liver resection or liver transplantation. Ischemic damage is inevitable in a number of surgical procedures performed on the liver, especially when dealing with extensive hepatic trauma or resecting large intrahepatic lesions [1, 2]. The clinical outcome as well as the survival of the functioning grafts and the resected liver largely depend on the extent of inflicted damage [3]. The insult on the liver, after the onset of reperfusion, is a result of the interaction between several, different complex mechanisms. The I-R leads to the production of toxic oxygen-derived free radicals and mediators that influence the microcirculation. As the surgeon’s responsibility for the preservation of the residual liver tissue and grafts is considerable, it is necessary to reduce the I-R injury caused by liver resection. The most expedient way would be by preparing the liver for this form of injury. Ischemic preconditioning (IP) refers to a phenomenon in which tissues are rendered resistant to the damaging effects of I-R through prior exposure to brief periods of vascular occlusion. This procedure is a trigger mechanism, which activates the endogenous defense system of the tissue. These protective effects were initially described in the myocardium [4] but have also been demonstrated in the liver, bowels, and other organs.

150

Journal of Surgical Research 142, 72– 80 (2007) doi:10.1016/j.jss.2006.08.003

Effect of PJ-34 Parp-Inhibitor on Rat Liver Microcirculation and Antioxidant Status 1 Attila Szijártó, M.D., Ph.D.,*,2 Enkhjargal Batmunkh, M.D.,† Oszkár Hahn, M.D.,* Zoltán Mihály, M.D.,* Adám Kreiss, M.D., Ph.D.,* András Kiss, M.D., Ph.D.,† Gábor Lotz, M.D., Ph.D.,† Zsuzsa Schaff, M.D.,† László Váli, M.D.,‡ Anna Blázovics, M.D., Ph.D.,‡ Domokos Geró, M.D.,§ Csaba Szabó, M.D.,¶ and Péter Kupcsulik, M.D., D.Sci., F.A.C.S.* *Department of Surgery, †Department of Pathology, ‡Department of Internal Medicine, §Cellscreen Applied Research Center, Semmelweis University, Budapest, Hungary; and ¶Department of Surgery, UMDNJ, New Jersey Medical School, Newark, New Jersey Submitted for publication June 15, 2006

sulted in significantly (P < 0.05) lower serum ALT and AST levels and chemiluminescent intensity (free radicals) of the liver. The liver’s free SH-group concentration and H-donor ability of the plasma was elevated in the PARP-inhibitor treated group. Positive staining for TUNEL, after PJ-34 pre-treatment was significantly increased (P < 0.05); in contrast, the control tissues were less positively stained for TUNEL but necrotic tissue was abundant. Conclusion. PARP plays a pathogenetic role in the deterioration of the hepatic microcirculation and promotes hepatocellular necrosis in liver reperfusion injury. © 2007 Elsevier Inc. All rights reserved. Key Words: ischemia; reperfusion; PARP; PJ-34; liver; laser Doppler flowmeter; apoptosis.

Background. Ischemia-reperfusion (I-R) injury during liver resection leads to the production of toxic free radicals and oxidants that influence the microcirculation. DNA single-strand breaks can be induced by these reactive species. In response to excessive DNA damage, PARP [poly(ADP-ribose) polymerase] becomes overactivated, which can lead to cellular ATP depletion and cell death. The aim of our study was to evaluate whether PARP is expressed in post-ischemic liver, and to examine the effect of the administration of PJ-34 PARP inhibitor on liver function, histopathology, terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end-labeling (TUNEL) reaction, and the oxidative state of the liver after injury. Methods. Male Wistar rats (weighing 250 g) underwent 60 min of normothermic, segmental liver ischemia followed by 30 min of reperfusion. The animals (n ⴝ 45) were divided into three groups: sham operated; I-R (control) treated with saline; and PJ-34 pretreated (10 mg/kg i.v.). Hepatic microcirculation was monitored by a laser Doppler flowmeter. The reperfusion was characterized as the integral of the reperfusion area (RA) and the maximal plateau (PM). Histological alterations, TUNEL-reaction, serum, and liver tissue antioxidant levels, as well as serum ALT and AST levels were measured. Results. Upon reperfusion, the PJ-34 group had significantly (P < 0.05) higher flow rates than control groups (PM PJ-34: 58%, PM control: 37%; RA PJ-34.: 48%, RA control: 25%). At the end of the 30 min reperfusion, PJ-34 re-

INTRODUCTION

A period of ischemia is inevitable for a number of surgical procedures on the liver, especially when dealing with extensive hepatic trauma or resecting large intrahepatic lesions [1]. The fate of the resected liver largely depends on the extent of inflicted damage. On restoring the blood supply, the liver is subjected to further insult, aggravating the injury already caused by ischemia. The ischemia-reperfusion (I-R) injury influences the clinical outcomes as well as the survival of the functioning grafts [2]. I-R leads to the production of toxic oxygen- and nitrogen-derived reactive species (ROS and RNS), and other mediators that influence the microcirculation and hepatocellular function. Investigations into novel experimental therapies are necessary for the preservation of the residual liver tissue and grafts during liver resection.

1 Attila Szijártó and Enkhjargal Batmunkh contributed equally to this work. 2 To whom correspondence and reprint requests should be addressed at Department of Surgery, Semmelweis University, 1082 Budapest, Hungary. E-mail: [email protected];[email protected].


72

ARTICLE IN PRESS Clinical Nutrition (2007) 26, 640–648

Available at www.sciencedirect.com

http://intl.elsevierhealth.com/journals/clnu

ORIGINAL ARTICLE

Short-term alanyl-glutamine dipeptide pretreatment in liver ischemia–reperfusion model: Effects on microcirculation and antioxidant status in rats Attila Szija ´rto á,, Oszka ´r Hahna, Enkhjargal Batmunkhb, Rita Stangla, ´bor Lotzb, Zsuzsa Schaffb, La ´szlo ´ Va ´lic, Anna Bla ´zovicsc, Andra ´s Kissb, Ga Domokos Gero+ d, Csaba Szabo ´d, Pe ´ter Kupcsulika, La ´szlo ´ Harsa ńyia a

1st Department of Surgery, Semmelweis University, Budapest, Hungary 2nd Department of Pathology, Semmelweis University, Budapest, Hungary c 2nd Department of Internal Medicine, Semmelweis University, Budapest, Hungary d Cellscreen Applied Research Center, Semmelweis University, Budapest, Hungary b

Received 21 November 2006; accepted 18 June 2007

KEYWORDS Ischemia; Reperfusion; Glutamine; Liver; Laser Doppler flowmeter; Apoptosis

Summary Background & aims: Ischemia–reperfusion (I–R) injury is responsible for the morbidity associated with liver surgery. Production of toxic free radicals influences the microcirculation. The aim of our study was to examine the effect of glutamine (Gln) supplementation—adminstered in alanyl-glutamine dipeptide form—on liver function, immuno/histopathology and the oxidative state of the liver after injury. Methods: Two-hundred and fifty grams male Wistar rats underwent normothermic, 60 min, segmental liver ischemia followed by 6 h of reperfusion. The animals (n ¼ 45) were divided into three groups: sham operated, I–R and parenteral Gln pretreatment. Hepatic microcirculation was monitored by laser Doppler flowmetry. At the 6 h of reperfusion, histological alterations, TUNEL reaction, active caspase-3 reaction, serum and liver tissue antioxidant levels, serum ALAT, ASAT and TNF-a levels were measured. Results: Upon reperfusion, the Gln group had significantly (po0.05) higher flow rates than the I–R group and, at the end of the 6 h of reperfusion, significantly (po0.05) lower serum ALAT and ASAT levels. The liver chemiluminescent intensity was lower, free SH-groups were elevated, while the reducing power was decreased in the Gln-pretreated group. Positive

Abbreviations: BZ, biological zero; HM, hepatic microcirculation; I–R, ischemia–reperfusion; LD, laser Doppler; LDF, laser Doppler flowmetry; PM, plateau maximum; RA, reperfusion area; RMT, reperfusion maximal time; RP, reducing power; Tflux, temporary flux Corresponding author. Tel.: +36 20 825 89 25; fax: +36 1 314 34 31. E-mail address: [email protected] (A. Szija ´rto ´). 0261-5614/$ - see front matter & 2007 Elsevier Ltd and European Society for Clinical Nutrition and Metabolism. All rights reserved. doi:10.1016/j.clnu.2007.06.011

Journal of Surgical Research 142, 32– 44 (2007) doi:10.1016/j.jss.2006.10.026

The Effect of Ischemic Preconditioning Prior to Intraoperative Radiotherapy on Ischemic and on Reperfused Rat Liver Oszkár Hahn, M.D.,*,1 Attila Szijártó, M.D.,* Gábor Lotz, M.D.,† Zsuzsa Schaff, D.S.C.,† Zoltán Vígváry D.S.C.,‡ László Váli, M.D.,§ and Péter Károly Kupcsulik D.S.C.* *First Department of Surgery, †Second Department of Pathology, ‡Department of Radiology, and §Second Department of Internal Medicine, Semmelweis University, Budapest, Hungary Submitted for publication April 13, 2006

INTRODUCTION Background. The purpose of this study was to increase the tolerance of the liver to radiation injury with the proven effect of ischemic precondition (IP) in decreasing oxygen-derived free radicals, and to compare the effect of intraoperative radiotherapy (IORT) during ischemia and during reperfusion on rat liver. Materials and Methods. Two hundred fifty to 280 g male Wistar rats underwent 45 min of normothermic, segmental liver ischemia with or without IP/5 min ischemia and 10 min reperfusion, in two cycles. During ischemia or reperfusion, IORT doses of 0, 25, or 50 Gy were applied to the ischemic liver lobe. Hepatic microcirculation was monitored by laser Doppler flowmeter. Shortand long-term histological, alkaline phosphatase, bilirubin and tumor necrosis factor-alpha levels, liver tissue, and serum antioxidant alterations were measured. Results. Histological, laboratory, as well as flowmetry alterations caused by 25 Gy were reversible after 6 mo. Three mo following IORT, histological examination revealed parenchymal fibrosis, bridging, liver cell atrophy, and bile duct proliferation in the group that was irradiated with 50 Gy during reperfusion, without IP. In this group, the changes were present 6 mo following IORT, and also the levels of tumor necrosis factor-␣ and oxygenderived free radicals after reperfusion were increased. All these changes were significantly milder in groups with IP, especially those that were irradiated during ischemia. Conclusions. IORT to the liver, up to 25 Gy, can be applied without short- or long-term treatment morbidity. Doses of up to 50 Gy are tolerated with IP, which has never been described before. Irradiation during ischemia is less toxic for the liver tissue. © 2007 Elsevier Inc. All rights reserved. Key Words: intraoperative radiotherapy; ischemia; reperfusion; preconditioning; liver.

After decades of treating liver tumors, surgery is still the only treatment option that offers a potential cure for patients with liver malignancies [1– 4]. Macroscopic tumor-free resection (R0) is sometimes only an illusion due to micrometastases, which are a common and frequent cause of recurrent tumors [5]. After resection of colorectal liver metastases, most of the patients are still not cured and will eventually die of malignant recurrence. This will present as an isolated disease in 28 to 50% of patients [6]. Although recent reports suggest that aggressive surgical approaches enhance the long-term survival of patients with advanced main hepatic duct carcinoma (Klatskin tumor) [7–9], the prognosis of these patients remains poor because of local-regional recurrence [9, 10]. Liver regeneration following partial hepatectomy increases the growth of remaining micrometastases in the liver [11], which are responsible for the high percentage of local recurrence, as is seen in 40% of patients 2 y following a partial hepatectomy [12, 13]. Therefore, preventive treatment for these patients is desirable. Beside other modalities, one of these treatment options is radiotherapy. There seems to be no role for conventional, fractionated external beam radiation therapy in the curative treatment of liver metastases following surgery [14 – 17] because of the severe destruction of the liver and surrounding tissue. The normal tissue tolerance of the adult liver for external beam radiation therapy, in case of whole liver irradiation, is in the range of 25 to 30 Gy, which is too low to provide a tumoricidal effect [18 –20]. Intraoperative radiation therapy (IORT) offers the advantage of delivering a higher tumoricidal, singledose irradiation, exclusively aimed at the tumor or the

1 To whom correspondence and reprint requests should be addressed at First Department of Surgery, Semmelweis University, Budapest 1082, Hungary. E-mail: [email protected].


32

Magyar Sebészet 2008; 61(3): 128–135 DOI: 10.1556/MaSeb.61.2008.3.5

DOKTORI MUNKA

Az ischaemiatolerancia növelésének lehetőségei a májsebészetben Increased ischemic tolerance in liver surgery SZIJÁRTÓ ATTILA@ Semmelweis Egyetem, I. sz. Sebészeti Klinika, Budapest (igazgató: Dr. Kupcsulik Péter egy. tanár) Doktori iskola vezetője: Dr. Kopper László egy. tanár • Programvezető: Dr. Schaff Zsuzsa egy. tanár Témavezető: Dr. Horváth Örs Péter egy. tanár Doktori iskola: Semmelweis Egyetem, Budapest, Patológiai tudományok (Multidiszciplináris orvostudományok) Doktori Iskola Védés éve: 2007 A szerző az ischaemia-reperfusio kapcsán fellépő kórállapotokat elemzi kísérletes májműtétek kapcsán. Célkitűzés: Kísérleteim célja a máj kiterjesztett, műtéti resectiója során fellépő ischaemia és az ischaemiatolerancia, továbbá egy, endogén defenzív mechanizmussal bíró ischaemiás preconditionálás (IP), illetve az oxidatív stressz hatására aktiválódó poli(ADP-ribóz) polimeráz enzimet gátló vegyület (PJ-34) és az antioxidáns potenciállal bíró glutamin (Gln) kísérletes vizsgálata volt IR modellben. Anyagok és módszer: Az első kísérletben Wistar-patkányok máján változó időtartamú (3045-60-90 perc) segmentalis ischaemiát hoztunk létre, IP-sal kiegészítve. A második kísérletsorozatban PJ-34-, Glnelőkezelés történt 60 perces ischaemiával. A microcirculatiós változásokat laser Doppler flowmeterrel mértük. A módszer alkalmazásához új technikai kritériumokat állítottunk fel, illetve a kapott értékeket, matematikai analízist követően, statisztikai feldolgozásra alkalmassá tettük. Vizsgáltuk a szövettani változásokat, az antioxidáns-szinteket, konvencionális laboratóriumi és TNF-α szinteket mértünk. Eredmények, megbeszélés: A máj a 30 perces ischaemiát jól tolerálja, a 45 és 60 perces kirekesztés jelentős áramlásbeli változásokat okoz. A 90 perces ischaemia nem tolerálható. Az IP szignifikáns reperfusiós áramlási javulást és szérum-TNF-α csökkenést okoz a 45 és 60 perces ischaemia előtt alkalmazva. PJ34 PARP-inhibitor-, illetve Gln-előkezelés, 60 perc reperfusiót vizsgálva, javítja a microcirculatiót. Aktivált kaszpáz-3 immunhisztokémiával végzett vizsgálatok során a PJ-34 PARP-inhibitor- és Gln-előkezelések hatására szignifikánsan magasabb apoptosis volt detektálható a kontrollcsoporthoz képest. A májszöveti és szérumantioxidáns-paramétereket mind az IP, mind a Gln-előkezelés javították. Kulcsszavak: máj, ischaemia, reperfusio, ischaemiás preconditionálás, PARP, glutamin, apoptosis The author evaluates an experimental model of hepatic resection. The goal of the study was to investigate ischaemic tolerance during liver resection. In this model, we also investigated the protective effects of ischemic preconditioning (IP), a PARP enzyme inhibitor (PJ-34), and an antioxidant glutamine (Gln). Inbred male Wistar rats were used for the experiments. Complete segmental ischaemia of the liver was achieved with or without using IP, PJ-34 or Gln pretreatment before the ischaemia. Microcirculation was monitored using laser Doppler flowmeter (LDF) throughout the ischaemiareperfusion period. Required standardizations and mathematical analyses were performed in order to validate statistical analysis. Histological changes, immunohistochemistry (TUNEL, caspase), liver enzymes, bilirubin, and TNF-α levels were all measured simultaneously. Results, conclusion: 30 minutes ischaemia was well tolerated by the liver and IP does not cause further improvement. 45 to 60 minutes ischaemia resulted in serious microcirculatory changes during reperfusion. 90 minutes ischaemia was unequivocally intolerable. The liver injury and microcirculatory changes caused by 45 or 60 minutes of ischemia could be reduced with IP. Improvement was observed both on histology and in survival rates. After 45 and 60 minutes, IP + I-R caused a significant decline in the TNF-α levels. IP, PJ-34 PARP-inhibitor and glutamine pretreatment prior to 60 minutes of ischaemia resulted in an improvement of microcirculation. Immunohistochemistry for activated caspase-3 demonstrated significantly higher apoptosis rates in the PJ-34 PARP-inhibitor and glutamine-pretreated groups, in contrast to the sham and I-R groups. Antioxidant levels in the serum and in the liver homogenates showed significant improvement in the IP and glutamine-pretreated groups. Keywords: liver, ischaemia, reperfusion, ischaemic preconditioning, PARP, glutamine, apoptosis Beérkezett: 2008. március 31.; elfogadva: 2008. május 14. @

Levelezési cím/Corr. address: Dr. Szijártó Attila, Semmelweis Egyetem, I. sz. Sebészeti Klinika, 1082 Budapest, Üllői út 78., E-mail: [email protected] ISSN 0025-0295 © 2008 Akadémiai Kiadó, Budapest

Author's personal copy Journal of Surgical Research 166, 95–103 (2011) doi:10.1016/j.jss.2009.09.047

Reduction of Liver Ischemia-Reperfusion Injury Via Glutamine Pretreatment ´ nody, M.D.,* Judit Tama´s, M.D.,* Rita Stangl, M.D.,*,2 Attila Szija´rto´, M.D., Ph.D.,*,1,2 Pe´ter O Miklo´s Ta´trai, M.D.,* Viktor Heged}us, M.D.,* Anna Bla´zovics, M.D. D.Sci.,† Ga´bor Lotz, M.D. Ph.D.,‡ Andra´s Kiss, M.D., Ph.D.,‡ Katalin Mo´dis, D.Pharm.,§ Domokos Ger}o, M.D, Ph.D.,§ Csaba Szabo´, M.D., Ph.D., D.Sci.,§ Pe´ter Kupcsulik, M.D., Ph.D., F.A.C.S.,* and La´szlo´ Harsańyi, M.D., Ph.D.* *1st Department of Surgery; †2nd Department of Internal Medicine; ‡2nd Department of Pathology; and §Cellscreen Applied Research Center, Semmelweis University, Budapest Submitted for publication March 2, 2009

showed significant improvement of the redox homeostasis. Conclusions. Our results suggest that L-alanylL-glutamine dipeptide pretreatment given 24h prior to I-R injury could be an effective method to reduce liver damage caused by hepatic inflow occlusion. Ó 2011

Background. Surgical methods that reduce bleeding during major hepatic resections lead to warm ischemia-reperfusion (I-R) injury of the liver. This is well known to have a considerable impact on the postoperative outcome. Much research work has been done to develop possible protective techniques. We aimed to investigate the effectivity of L-alanyl-L-glutamine dipeptide pretreatment in an animal model of hepatic I-R injury. Materials and Methods. Male Wistar rats underwent normothermic, 60min segmental liver ischemia followed by 24h of reperfusion. The animals (n [ 30) were divided into three experimental groups: sham operated, I-R, and glutamine (Gln) pretreated. Twenty-four h prior to I-R injury, rats in the Gln group received 500mg/kg Dipeptiven infusion as glutamine pretreatment. Hepatic microcirculation during the first hour of reperfusion was monitored by noninvasive laser Doppler flowmeter. After a 24-h reperfusion period, liver tissue was analyzed by histologic and immunohistochemical assessments. Serum necroenzyme and antioxidant levels were measured. Results. In the Gln group, the integral of the reperfusion curve (RA) and the plateau maximum (PM10) of the flow graph showed improving tendency (RA: P [ 0.096; PM10: P [ 0.084). Severity of histologic damage was reduced. Serum necroenzymes (ALT: P [ 0.042, AST: P [ 0.044) were significantly lower. Chemiluminescent intensity of liver and plasma was significantly decreased (P [ 0.0003 and P [ 0.0496). Further spectrophotometric analysis of liver homogenate samples also

Elsevier Inc. All rights reserved.

Key Words: L-alanyl-L-glutamine; glutamine; ischemia; reperfusion; liver; microcirculation; redox state.

INTRODUCTION

Temporary occlusion of the hepatoduodenal ligament (total hepatic inflow occlusion) is often used to control bleeding during major liver resections. This maneuver results in hepatic ischemia-reperfusion (I-R) injury and may cause postoperative functional disorder of the remnant liver. In hepatic surgery, severity of the I-R injury strongly affects postoperative morbidity and mortality [1, 2], while warm ischemia time is considered to be an independent determinant of graft survival in case of transplantations [3]. Liver I-R injury is therefore a key clinical problem associated with major liver surgery and liver transplantation [4]. Further research is required in this field as the number of clinically useful methods to attenuate hepatic I-R injury is still limited and it is essential to improve clinical outcome. Several factors are involved in the pathophysiology of hepatic I-R injury. These include reactive oxygen species (ROS), intracellular calcium overloading, proinflammatory cytokines, lipid mediators, and activated leukocytes [5, 6, 7]. Kupffer cells, the resident macrophages of the liver, are activated in the early phase of the I-R injury. They play a key role in the propagation

1 To whom correspondence and reprint requests should be addressed at the1st Department of Surgery, Semmelweis University, ¨ ll} Budapest, U oi u´t 78, 1082, Budapest, Hungary. E-mail: szijartoat [email protected] or [email protected]. 2 These two authors contributed equally to this study.

95

0022-4804/$36.00 Ó 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Author's personal copy Journal of Surgical Research 169, 139–147 (2011) doi:10.1016/j.jss.2009.10.014

Postconditioning of the Lower LimbdProtection Against the Reperfusion Syndrome Endre Gyurkovics, M.D.,*,2 Peter Aranyi, M.D.,*,2 Rita Stangl, M.D.,* Peter Onody, M.D.,* Gabor Ferreira, M.D.,* Gabor Lotz, M.D., Ph.D.,† Peter Kupcsulik, M.D., D.Sc., F.A.C.S.,* and Attila Szijarto, M.D., Ph.D.*,1 *1st Department of Surgery; and †2nd Department of Pathology, Semmelweis University, Budapest, Hungary Submitted for publication June 24, 2009

Background. Postconditioningdalternating brief cycles of reperfusion/reocclusion applied at the beginning of revascularizationdis a potent therapeutic technique, attenuating ischemia-reperfusion injury. Vascular surgery on the lower limb with ischemiareperfusion injury may give rise to serious systemic complications [organ dysfunction syndrome (MODS), systemic inflammatory response syndrome (SIRS)], a phenomenon called reperfusion-syndrome. Material and Methods. We studied the effects of postconditioning on reperfusion-syndrome in a rodent experimental model. Wistar rats underwent 180 min of bilateral lower limb ischemia using an infrarenal crossclamping of the abdominal aorta. Postconditioning consisted of six cycles of 10-s aortic occlusion/10-s declamping at the beginning of reperfusion. Microcirculation of the lower limb was detected with laser Doppler flowmeter. After 4 h of reperfusion, plasma, urine, and histologic samples were collected. Results. One hundred eighty-minute ischemia resulted in significant hemodynamic changes after reperfusion. Postconditioning affected the character of the microcirculatory flow, the limb circulation stabilized with hyperemia during reperfusion. Postconditioning caused a significant reduction in systemic inflammatory response (TNF-a, oxygen-derived free radicals). The laboratory and histologic samples implied a significant decrease in distant organ (lung and renal) dysfunctions after postconditioning. Conclusion. Postconditioning proves to be capable of conferring protection against different organ in1

To whom correspondence and reprint requests should be addressed at 1st Department of Surgery, Semmelweis University, 1082 ¨ ll} U oi u´t 78, Budapest, Hungary. E-mail: [email protected]. 2 These two authors contributed equally to this study.

juries caused by longer circulatory occlusions during elective major vascular operations. Ó 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Key Words: limb ischemia; ischemia-reperfusion injury; postconditioning; acute renal failure; reperfusion syndrome; systemic inflammatory response syndrome.

INTRODUCTION

During major vascular surgeries of the lower limb arteries and the abdominal aorta, the lower extremities are unavoidably subjected to ischemia. Restoration of the blood supply results in a further insult to the tissues, aggravating the injury caused by ischemia, termed as ischemia-reperfusion-injury (IR-injury). The IR-injury of extensive muscle tissue mass and the sensitive vascular tissues and endothelium often leads to systemic complications with distant organ damage of major clinical importance, a phenomenon called reperfusion syndrome [1]. The IR-injury of the vascular endothelium results in endothelial cell dysfunction and local inflammation. This process may give rise to a generalized inflammation (systemic inflammatory response syndrome (SIRS) with activation of different immune cells, release of a vast number of inflammatory mediators, reactive free radicals, and vasoactive substances [2]. This process may cause severe dysfunction and morphologic alteration of distant organs, and progrediate into multiple organ dysfunction syndrome (MODS), consisting of diffuse alveolar damage of the lungs, local inflammatory processes in the liver, increased permeability of the intestinal mucosa, and rhabdomyolysis-induced myohemoglobinuric acute renal failure [3, 4].

139

0022-4804/$36.00 Ó 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

TOVÁBBKÉPZÉS

Ischaemiás-reperfúziós károsodás csökkentésének elvi és gyakorlati lehetõségei az érsebészetben. Irodalmi áttekintés. DR. SZIJÁRTÓ ATTILA, ARÁNYI PÉTER, TURÓCZI ZSOLT, DR. KUPCSULIK PÉTER, DR. GYURKOVICS ENDRE

ÖSSZEFOGLALÓ: Az alsó végtagi nagyérmûtétek során a posztoperatív szövõdmények két csoportra oszthatók: lokális és szisztémás kórfolyamatokra. Az elõbbiek közvetlenül az ischaemiás-reperfúziós (IR) károsodás következményei, ami az izomszövet funkciójának csökkenésébõl, izomsejt necrosisból, rhabdomyolysisbõl, valamint a folyamatok végeredményeként létrejövõ compartment-syndromából áll. Számos gyógyszerkészítmény került kifejlesztésre, és sebésztechnikai módszerekkel is sikeres próbálkozások történtek. Az IR károsodások kórtani hátterét és a gyulladásos folyamatok csökkentését eredményezõ klinikai alkalmazásokat hivatott jelen közleményünk összefoglalni. Bemutatásra kerül az IR károsodások morfológiai, celluláris és subcellularis háttere, illetve ezen károsodások mértékét csökkentõ sebészi és nem sebészi eljárások jelenleg rendelkezésre álló tárháza, úm. különbözõ farmakológiai elõkezelések, „gradual, staged” reperfúzió, kontrollált reperfúzió, ischaemias pre-, és postconditionálás. KULCSSZAVAK: ischaemia, reperfúzió, ischaemia-toleracia, endotheldiszfunkció, ischaemiás preconditionálás, ischaemias postconditionálás.

THEORETICAL AND PRACTICAL POSSIBILITIES TO REDUCE ISCHEMIC-REPERFUSIONAL INJURY IN VASCULAR SURGERY. REVIEW OF THE LITERATURE Attila Szijártó M. D., Péter Arányi, Zsolt Turóczi, Péter Kupcsulik M. D., Endre Gyurkovics M. D. Summary: Complications in major vascular surgery on the lower limb are of two kinds: local and systemic. Local complications are due to ischemic-reperfusional (IR) injury of the limb. IR injury consists of muscle function depression, muscle cell necrosis, rhabdomyolysis and in severe cases compartment syndrome. Many methods have been developed to reduce IR injury, both surgical and non-surgical (pharmacological). Our goal is to summarise the pathophysiological background of IR injury and to introduce the current clinical applications to reduce IR injury derived inflammation. We look at the morphologic, cellular and subcellular background of IR injury and the current surgical and non-surgical methods which are reducing the extent of this lesion: different pharmacological treatments, gradual staged reperfusion, controlled reperfusion, ischemic pre-, and postconditioning. KEYWORDS: ischemia, reperfusion, ischemic tolerance, endotheldysfunction, ischemic preconditioning, ischemic postconditioning

Érbetegségek, XVI. évfolyam 4. szám, 2009/4.

113

TOVÁBBKÉPZÉS

A reperfúziós szindróma és a postconditionálás sejtszintû mechanizmusa. Irodalmi áttekintés DR. SZIJÁRTÓ ATTILA, ARÁNYI PÉTER, TURÓCZI ZSOLT, DR. KUPCSULIK PÉTER, DR. GYURKOVICS ENDRE

ÖSSZEFOGLALÓ:

CELLULAR MECHANISM OF REPERFUSION SYNDROME AND POSTCONDITIONING

Az alsó végtagi verõérmûtétek során végzett, elengedhetetlen érkirekesztések kapcsán az operálandó erektõl distálisan fekvõ területek ischaemiásreperfúziós (IR) károsodást szenvednek. A károsodásnak lokális és szisztémás szövõdményei lehetnek. A reperfúziós szindróma, mely az alsó végtagi IR károsodások legsúlyosabb következménye, nagyban befolyásolja a postoperatív túlélést. Mindez feltételezhetõen a hypoxián átesett izomtömegbõl hirtelen a szisztémás keringésbe kerülõ nagy mennyiségû toxicus anaerob anyagcsereterméknek, gyulladásos mediátornak és az elhalt rostokból kiszabaduló intracelluláris sejtalkotóknak a következménye. Ezen mediátorok hatására egy szisztémás gyulladásos folyamat (SIRS) veszi kezdetét, mely a folyamatok progressziójával többszervi elégtelenségként (MOF) jelentkezik. A reperfúziós szindróma klinika tünetei fõleg a hypotensio, a felnõttkori légzési distressz szindróma (ARDS) és a veseelégtelenség (ARF). A tünetcsoport kezelésében a tüneti terápián túl valódi oki kezelésre még nincs mód. A szövõdmények megelõzésére, illetve enyhítésére számos módszer ismeretes, amely csökkenteni próbálja az IR károsodás mértékét, ezek közül a legújabb a postconditionálás. Jelen közlemény célja a reperfúziós szindróma és a postconditionálás subcelluláris mechanizmusainak ismertetése.

Summary: Clamping during major vascular surgeries on the lower limb is inevitable, therefore large sections distally to the place of clamping suffer ischemic-reperfusion (IR) injury. The IR injury consists of local and systemic complications. The most serious consequence is the so-called reperfusion syndrome, which has high morbidity and mortality. The causes of this are presumably the toxic and anaerobic metabolites, inflammatory mediators of the hypoxic muscles and the intracellular particles from the necrotic tissue. These mediators cause systemic inflammation (SIRS), which further progress into multiorgan failure (MOF). Clinically reperfusion syndrome manifests itself mainly in hypotension, acute respiratory distress syndrome (ARDS) and acute renal failure (ARF). The therapeutic possibilities are limited, therefore the main goal should be preventing and reducing symptoms. Many methods are known to reduce IR injury, the latest of which is postconditioning. Our objective is to introduce the subcellular mechanisms behind reperfusion syndrome and postconditioning.

KULCSSZAVAK: ischaemia-reperfúziós károsodás, SIRS, reperfúziós szindróma, postconditionálás

Keywords: ischemic-reperfusion injury, SIRS, reperfusion syndrome, postconditioning

Érbetegségek, XVII. évfolyam 1. szám, 2010/1.

MOF,

MOF,

11


EREDETI KÖZLEMÉNY

Posztkondicionálás kísérletes alkalmazása aortakirekesztés kapcsán Effect of postconditioning in major vascular operations on rats SZIJÁRTÓ A TTILA1,@, GYURKOVICS ENDRE1, ARÁNYI PÉTER1, ÓNODY PÉTER1, STANGL RITA1, TÁTRAI M IKLÓS1, L OTZ GÁBOR2, MIHÁLY Z OLTÁN1, HEGEDÜS VIKTOR1, BLÁZOVICS ANNA3, K UPCSULIK PÉTER1 Semmelweis Egyetem, Általános Orvostudományi Kar, Budapest 1 I. sz. Sebészeti Klinika (intézetvezető: Prof. Kupcsulik Péter) 2 II. sz. Patológiai Intézet (intézetvezető: Prof. Tímár József) 3II. sz. Belgyógyászati Klinika (intézetvezető: Prof. Tulassay Zsolt)

Bevezetés: A posztkondicionálás – amely egy ischaemizált szerven a reperfusio első perceiben alkalmazott több ciklusban ismétlődő, rövid idejű reocclusio – mérsékelni képes az ischaemiás-reperfusiós szervkárosodást. Az aorta és/vagy alsó végtagi verőerek kirekesztése kapcsán a végtag ischaemiás-reperfusiós károsodást szenved, illetve esetenként nagyfokú keringési redistributióhoz vezet. A műtét szövődményei – távoli szervi dysfunctiókban, szisztémás gyulladásos válaszreakcióban, illetve akár shockban megnyilvánuló – ún. reperfusiós syndroma képében jelentkezhetnek. Kísérletünkben a posztkondicionálás hatását vizsgáltuk aortakirekesztéssel járó érsebészeti állatmodellben. Anyagok és módszerek: Hím Wistar-patkányokon 180 perces infrarenalis aortakirekesztést hoztunk létre; az állatok egyharmadánál a reperfusio első 2 percében végzett posztkondicionálással (10 s felengedés + 10 s reocclusio, 6 ciklusban). A haemodynamicai paramétereket invazív artériás nyomásmérővel, a microcirculatiós változásokat lézer-Doppler-áramlásmérővel detektáltuk. A 4. posztoperatív órában vizelet-, plazma-, illetve szövettani mintavétel történt, laboratóriumi és morfológiai vizsgálatok céljából. Eredmények: A reperfusio kezdetekor a 180 perces kirekesztés szignifikáns különbséget okoz a haemodynamicai paraméterekben, posztkondicionálás hatására a microcirculatiót jellemző áramlási görbék karaktere megváltozott, az áramlás hyperaemiával stabilizálódott. A gyulladásos válasz szignifikáns mértékben csökkent (TNF-α, szabadgyök-szintek) a posztkondicionált csoportban. A posztkondicionálás a reperfusiós syndroma részjelenségeként megjelenő távoli szervhatásokat (vese, tüdő) szöveti és laboratóriumi paraméterek tekintetében egyaránt csökkentette. Következtetés: A posztkondicionálás alkalmas módszernek tűnik a hosszú idejű, alsó végtagi keringésleállások okozta szervkárosodások enyhítésére érsebészeti műtétek során. Kulcsszavak: posztkondicionálás, rhabdomyolysis, reperfusiós syndroma, alsó végtag, acut veseelégtelenség Background: Postconditioning – using alternating brief cycles of reperfusion/reocclusion applied just at the very beginning of reperfusion – has recently been described as a potent therapeutic technique, attenuating ischeamia-reperfusion injury. In vascular surgery, certain elective interventions involve cross-clamping of major arteries, resulting in temporary ischaemia in large peripheral organs, which thus suffer ischaemia-reperfusion injury. Patients undergoing these operations may develop also serious systemic complications such as multiple distant organ dysfunctions, SIRS, detrimental redistribution of the circulation or even shock, a phenomenon called reperfusion-syndrome. We studied the effects of postconditioning on reperfusion-syndrome in a rodent experimental model. Material and methods: Anaesthetized male Wistar rats underwent 180 minutes of bilateral lower limb ischaemia and 4 hours of reperfusion using an infrarenal cross-clamping of the abdominal aorta. Control animals underwent no additional intervention. Postconditioning consisted of 6 cycles of 10-second aortic occlusion/10-second declamping starting at the beginning of reperfusion. Haemodinamic parameters were observed with invasive arterial manometer, microcirculation of the lower limb was detected with laser-Doppler-flowmeter. After 4 hours of reperfusion serum, urine, and histological samples were collected. Results: 180-minute ischaemia resulted in significant haemodynamic changes after reperfusion. Postconditioning affected the character of the microcirculatory flow curves, the limb circulation stabilized with hyperaemia after reperfusion. Postconditioning caused a significant reduction in systemic inflammatory response (TNF-α, oxygen-derived free radicals). The laboratory and histological samples implied a significant decrease in remote organ (lung and renal) dys@ Levelezési

cím/Corr. address: Dr. Szijártó Attila, 1082 Budapest, Üllői út 78., Tel.: 06 20 825 8925, E-mail: [email protected] ISSN 0025-0295 © 2009 Akadémiai Kiadó, Budapest

EREDETI KÖZLEMÉNYEK EREDETI KÖZLEMÉNYEK

Akut kritikus ischaemia az alsó végtagon Szijártó Attila dr.

■

Turóczi Zsolt ■ Arányi Péter dr. Gyurkovics Endre dr.

■

Nagy Zoltán dr.

Semmelweis Egyetem, Általános Orvostudományi Kar, I. Sebészeti Klinika, Budapest

Az akut végtagi artériás okklúzió a kialakuló súlyos szövődmények, valamint nagy mortalitása miatt rendkívüli klinikai jelentőséggel bír. A diagnózis felállítása egyszerű, azonban a stádiumbesorolás hosszabb idejű elzáródások kapcsán nem egyszerű objektív kritériumok hiányában. Ennek nagy gyakorlati jelentősége, a reverzíbilis és az irreverzíbilis károsodás terápiája közötti különbségben van: reverzíbilis károsodás esetén a keringés helyreállítása, irreverzíbilis károsodás esetén a végtag amputációja terápiás értékű. Az elzáródás következtében létrejövő hosszú idejű ischaemia, a végtag fő tömegét képező vázizomrostok és a jelen lévő endothelsejtek károsodását idézi elő. Revascularisatio esetén, paradox módon további sérülések keletkeznek lokálisan, illetve a felszabaduló mediátorok szisztémás keringésbe jutásával távoli szervekben is. A károsodás fokának gyors és pontos megítélésére jelenleg nem áll rendelkezésre megfelelő eljárás. A közlemény célja a fenti kórállapot irodalmi összefoglalása, bemutatása, illetve egyes új, speciális diagnosztikus teszt ismertetése, mint például a jelenleg még kísérleti stádiumban lévő, különböző enzimhisztokémiai reakciók használata. Ezek gyors eredményt biztosíthatnak preoperatívan is, így akár megfelelő standardizálás után azonban alkalmasak lehetnek rutin klinikai alkalmazásra. Orv. Hetil., 2010, 50, 2057–2066. Kulcsszavak: akut okklúzió, enzimhisztokémia, kritikus ischaemia, ischaemiareperfúzió

Acute lower limb critical ischemia – a review article Acute limb arterial occlusion has great clinical significance due to its high mortality and complication rates. Its diagnosis is easy; however staging after long-term occlusions can be very difficult with lack of exact criteria. It is crucial, since reversible stage should undergo revascularization, while with irreversible stage only amputation is curative. Due to occlusion, long-term ischemia occurs, resulting in injury of the muscle fibers and endothelial cells. In case of revascularization the reperfusion causes more damage, than ischemia alone locally and initiates a remote organ injury. The aim of the review is to summarize the knowledge and fact and focus on some exact methods or parameters which can determine the degree of injury. One of these methods is a new approach which is the use of enzyme-histochemistric reactions, and could give rapid, precise results even preoperatively regarding tissue viability. Routine clinical application of it is predictable after proper standardization. Orv. Hetil., 2010, 50, 2057–2066. Keywords: acute occlusion, enzyme-histochemistry, critical ischemia, ischemia-reperfusion

(Beérkezett: 2010. szeptember 3.; elfogadva: 2010. október 23.) Rövidítések ARDS = akut respiratorikus distressz szindróma; AMI = akut myocardialis infarctus; AMP = adenozin-monofoszfát; APTI = aktivált parciális tromboplasztin idő; ATP = adenozin-trifoszfát; AVI = akut végtagi ischaemia; CK = kreatinkináz; CLI = kritikus végtagi ischaemia; cNOS = konstitutív nitrogén-monoxid-szintáz; CTA = CT-angiográfia; DSA = digitális szubsztrakciós angiográfia; EKG = elektrokardiogram; FAD = flavin adenin dinukleotid; H2O2 = hidrogén-peroxid; ICAM = intracellular cell adhesion molecule; ICP = intrakompartmentális nyomás; ISCVS = International Society for Cardiovascular Surgery; IFN-γ = interferon-γ; IL = interleukin; iNOS = induDOI: 10.1556/OH.2010.28980

50.indd 2057

kálható nitrogén-monoxid-szintáz; IR = ischaemiareperfúzió; LDH = laktátdehidrogenáz; NAD = nikotinamid-adenin-dinukleotid; NADH = redukált nikotinamid-adenin-dinukleotid; MOF = multi organ failure; MODS = multiple organ dysfunction syndrome; mPTP = mitochondrial permeability transition pore; MRA = MR-angiográfia; NBT = nitroblue-tetrazolium; NF-κB = nukleáris faktor κB; NO = nitrogén-monoxid; PAF = thrombocytaaktiváló faktor; PAT = percutan aspirációs thrombectomia; SIRS = systemic inflammatory response syndrome; SVS = society for vascular surgery; TNF-α = tumornekrózisfaktor-α; t-PA = szöveti típusú plazminogénaktivátor; TTC = tritetrazolium-klorid

2057

2010

■

151. évfolyam, 50. szám

■

2057–2066.

2010.11.15. 9:24:58


EREDETI KÖZLEMÉNY

Hosszú idejű végtagi verőér-elzáródás és izomszövetéletképesség vizsgálata kísérletes állatmodellben Long ischemic period of the lower limb – study of skeletal muscle viability SZIJÁRTÓ ATTILA1,@, TURÓCZI ZSOLT1, ARÁNYI PÉTER1, GARBAISZ DÁVID1, VARGA MÁRK1, STANGL RITA1, LOTZ GÁBOR2, KUPCSULIK PÉTER1 1

Semmelweis Egyetem, Budapest I. sz. Sebészeti Klinika (intézetvezető: Prof. Kupcsulik Péter egyetemi tanár) 2 II. sz. Patológiai Intézet (intézetvezető: Prof. Tímár József egyetemi tanár)

Bevezetés: Az acut végtagi ischaemiás események kezelése stádiumtól függően revascularisatio vagy amputáció. A végső irreverzibilis károsodást jelentő stádium elkülönítése azonban jelen ismereteink alapján nem egyértelmű. Célkitűzés: Acut, hosszú idejű verőér-elzáródások vizsgálata állatkísérletesen, illetve a posztkondicionálás alkalmazhatóságának megítélése hosszú idejű ischaemiát követően. Anyagok és módszerek: I. kísérlet: hím Wistar-patkányokon infrarenalis aortakirekesztést követően 4, 6 és 8 órás ischaemia került létrehozásra reperfusio nélkül. II. kísérlet: az irreverzibilisnek vélt ischaemiát 2 óra reperfusio követte, az egyik csoportban posztkondicionálás történt. Mindkét kísérlet során izomszövettani mintavétel történt rutin szövettani, valamint nitroblue-tetrazolium enzim-hisztokémiai vizsgálatok céljából. A második kísérlet során a microcirculatiós változások Laser Doppler Flowmeterrel (LDF) kerültek regisztrálásra, valamint kreatin-kináz-meghatározás történt. Eredmények: I. kísérlet: 8 órás kirekesztést követően a morfológiai, valamint az enzim-hisztokémiai vizsgálatok irreverzibilis károsodást jeleztek. II. kísérlet: A súlyosan csökkent életképesség és microcirculatiós eredmények megerősítik az irreverzibilitást a 8 órás ischaemia után. A posztkondicionált csoport izomrostjainak életképessége szignifikánsan magasabbnak mutatkozott (p < 0,001), a microcirculatio reperfusiót jellemző paraméterei szignifikáns javulást mutattak (p < 0,05), valamint a szérum-kreatin-kináz-szintek szignifikánsan alacsonyabbak voltak (p < 0,05) a kontrollhoz képest. Következtetés: A 8 óra kirekesztés irreverzibilis károsodáshoz vezethet patkányban. A posztkondicionálás javasolható eljárás az acut végtagi verőér-elzáródások által okozott károsodás mérséklésére. Kulcsszavak: acut végtagi ischaemia, posztkondicionálás, nitroblue-tetrazolium, morfometria Introduction: Surgical treatment for acute limb ischemia is revascularization or – when the limb is in a critical stage – amputation. Correct staging of the disease is relatively difficult, therefore complication and mortality rates are extremely high. Our aim was to invesitigate acute critical ischemia in rats and to test postconditioning on this model. Methods: Experiment I: male Wistar rats underwent 4, 6, 8 hours of bilateral lower limb ischemia without reperfusion. Experiment II: suspected critical ischemia was followed by 2 hours of reperfusion with or without postconditioning. Histological samples were collected for routine staining and nitroblue-tetrazolium (NBT) enzyme-histochemistry. In Experiment II the microcirculatory changes were measured by laser Doppler flowmetry and blood samples were collected for laboratory testing (kreatin-kinase, CK). Results: Experiment I: After an eight-hour-obstruction, severe ischemic lesions were detectable, with rutine and NBT stainings, therefore 8 hours of ischemia was chosen for further testing. Experiment II: The CK levels showed significant (p < 0.05) drop, quantitative evaluation of enzyme-histochemisty resulted in significantly (p < 0.001) less viability depletion and microcirculation showed significant (p < 0.05) amelioration of the reperfusion parameters in the postconditioned group compared to the control. Conclusions: Eight hours of lower limb ischemia is a suitable model to investigate acute critical ischemia in rats. Postconditioning could be a feasible technique to reduce IR injury associated with acute lower limb ischemia. Keywords: acute critical ischemia, postconditioning, nitroblue-tetrazolium, morphometry Beérkezett: 2010. augusztus 23.; elfogadva: 2010. október 11.

@ Levelezési cím/Corr. address: Dr.

Szijártó Attila PhD, egyetemi tanársegéd, Semmelweis Egyetem, I. sz. Sebészeti Klinika, 1082, Budapest, Üllői út 78., Tel.: +36 20 825 8925, E-mail: [email protected] ISSN 0025-0295 © 2010 Akadémiai Kiadó, Budapest

ORIGINAL PAPER

Interventional Medicine & Applied Science, Vol. 2 (4), pp. 169–177 (2010)

Postconditioning attenuates remote organ injury after lower limb arterial occlusion E. GYURKOVICS1+, P. ARÁNYI1+, ZS. TURÓCZI1, D. GARBAISZ1, M. VARGA1, V. HEGEDÜS1, G. LOTZ2, P. KUPCSULIK1, A. SZIJÁRTÓ1* 1 st

1 Department of Surgery, Semmelweis University, Budapest, Hungary Department of Pathology, Semmelweis University, Budapest, Hungary + These authors contributed equally to this study *Corresponding author: Attila Szijártó MD; 1st Department of Surgery, Semmelweis University, Üllôi út 78, H-1082 Budapest, Hungary; Phone: +36-20-825-89-25; Fax: +36-1-314-34-31; E-mail: [email protected] 2 nd

2

(Received: November 12, 2010; Accepted: December 2, 2010) Abstract: Introduction: External aortic compression due to acute gastric dilation is a rare etiology of the lower limb ischemia. This phenomenon leads the author to design experimental study for reperfusion syndrome. The lower limb ischemia-reperfusion (IR) injury consists of local and systemic components called the reperfusion syndrome. It can progrediate into a multi-organ failure which defines postoperative survival. A postconditioning is a surgical technique, which has a potential to reduce IR injury, therefore to prohibit the development of reperfusion syndrome. Aim: to examine on an experimental model, whether postonditioning is a practicable technique in infarenal aortic surgeries. Materials and Methods: Male Wistar rats underwent 180 minutes of infrarenal aortic occlusion with 4, 24 and 72 hours of reperfusion. Postconditioning (10 sec. reocclusion / 10 sec. perfusion in 6 cycles) was applied in one group of each reperfusion time. Blood, urine, and histological (muscle, lung, kidney and liver) samples were collected at the postischemic 4th, 24th, and 72th hour. Results: The early inflammatory response (TNFa, free radicals) and late local inflammation were reduced by posctonditioning significantly. Postconditioning was able to reduce the remote organ injury of lungs and kidneys, the morphological and laboratorial results showed significant difference between the postconditioning and the control group in these two organs. The method’s positive effect on remote organ injury remained long-term. Conclusion: Postconditioning seems to be an applicable process to reduce both local inflammatory and systemic complications of IR injury following vascular surgeries. Keywords: ischemia, reperfusion syndrome, acut renal failure, MOF, MODS

Introduction During major vascular surgeries of the lower limb arteries and the abdominal aorta, the lower extremities are unavoidably subjected to ischemia [1]. Compared to the vital organs (such as the brain and the heart), ischemic-tolerance of the skeletal muscle is relatively high, however it suffers significant ischemic injuries during long-lasting interventions. Restoration of the blood supply results in further insult to the tissues, aggravating the injury caused by ischemia. This is termed ischemia-reperfusion (IR) injury. The IR injury of extensive muscle tissue mass often leads to systemic complications with distant organ damage of major clinical importance, a phenomenon called reperfusion syndrome [2]. After declamping, a fall in the mean arterial blood pressure is often experienced, which is caused by reperfusion of a dilated vascular bed with concomitant venous return of vasoactive substances and products of the anaerobic metabolism. Rarely this declamping hypotension gets out of control and leads to serious shock-state [3]. The IR-injury of the vascular endothelium results in endothelial DOI: 10.1556/IMAS.2.2010.4.5

cell dysfunction and corollary local inflammation. This process may give rise to a generalized inflammation response (SIRS: systemic inflammatory response syndrome) with activation of different immune cells, release of a vast number of inflammatory mediators, reactive free radicals and vasoactive substances. This process may lead to dysfunction and morphologic alteration of distant organs, and progresses into multiple organ dysfunction syndrome (MODS), consisting of diffuse alveolar damage of the lungs, Kupffer cell-activation and local inflammatory process in the liver, increased permeability of the intestinal mucosa, endotoxin-translocation, ischemic injury of the intestines and rhabdomyolysis-induced myohemoglobinuric acute renal failure [4, 5]. Postconditioning (PostC) was first described in 2003 by Zhao et al. as a powerful cardioprotective surgical technique capable of reducing ischemiareperfusion injury in the heart [6]. It consists of several cycles of brief interruptions of blood supply at the very onset of an organ’s reperfusion additionally to its prolonged ischemia. The following case report can point out of the importance of the reduction of the reperfusion syndrome. 169

ISSN 2061-1617 © 2010 Akadémiai Kiadó, Budapest


EREDETI KÖZLEMÉNY

Posztkondicionálás kísérletes vizsgálata vékonybél ischaemiás-reperfusiós modelljében Investigation of postconditioning in intestinal ischemia-reperfusion experimental models ROSERO OLIVÉR1,*, ÓNODY PÉTER1,*, STANGL RITA1, HEGEDŰS VIKTOR2, LOTZ GÁBOR3, BLÁZOVICS ANNA2, KUPCSULIK PÉTER1, SZIJÁRTÓ ATTILA1,@ Semmelweis Egyetem, Budapest Orvostudományi Kar, I. sz. Sebészeti Klinika (igazgató: Prof. Kupcsulik Péter) 2Gyógyszerésztudományi Kar, Farmakognóziai Intézet (igazgató: Prof. Blázovics Anna) 3Általános Orvostudományi Kar, II. sz. Patológiai Intézet (igazgató: Prof. Tímár József)

1Általános

Bevezetés: A vékonybél ischaemiás-reperfusiós károsodása – mely az arteria mesenterica superior occlusiója vagy keringési redistributio során jelentkezik leggyakrabban – jelentős mortalitású kórkép. Kísérletünk során a posztkondicionálás felmerülő protektív hatását vizsgáltuk patkányvékonybél ischaemiás-reperfusiós modelljében. Módszer: Hím Wistar-patkányokon az arteria mesenterica superior 60 perces kirekesztését végeztük. Az állatokat négy – áloperált, kontroll- és két posztkondicionált csoportra osztottuk. A posztkondicionált csoportokban a kirekesztést követően 3-szor 1 perces, illetve 10 másodperces reperfusiós-reocclusiós ciklusok ismétlése után került sor 60 perc reperfusióra. A vékonybél microcirculatióját laser Doppler-flowmeterrel detektáltuk. A reperfusio első órájának végén vér- és szöveti mintavétel történt. Szérum-necroenzim- és IL-6-szinteket, fénymikroszkópos szöveti képet, mesenterialis vénás vérgázértékeket és nyálkahártya-antioxidánsstatust vizsgáltunk. Eredmények: A microcirculatiót jellemző paraméterek mindkét posztkondicionált csoportban szignifikánsan javultak. A gyulladásos válaszjelenségek és a szövetkárosodás mértéke szignifikáns módon csökkent, mely a necroenzim-csökkenéssel is korrelált. Megfigyelhető volt továbbá az antioxidánsstatusra gyakorolt kedvező hatás és a pH késleltetett normalizálódása is. Következtetés: A posztkondicionálás alkalmas sebésztechnikai módszer lehet a vékonybél túlélési esélyének javítására arteria mesenterica superior occlusiója során kialakuló ischaemiás-reperfusiós károsodás esetén. Kulcsszavak: posztkondicionálás, mesenterialis ischaemia, arteria mesenterica superior, intestinalis reperfusiós károsodás Introduction: The ischemic-reperfusion injury of the intestine, which occurs as a consequence of circulatory redistribution or occlusion of the superior mesenteric artery, is associated with high mortality rates. Postconditioning may reduce ischemic-reperfusion damage in such cases. Effects of this new surgical method were investigated in rats. Methods: Male Wistar rats underwent 60 minutes of superior mesenteric artery occlusion in four groups: sham-operated, control and two postconditioned groups with different algorithms. Postconditioning was performed immediately at the beginning of reperfusion, by repetitive cycles of reperfusion and reocclusion. 3 cycles of 1 minute and 6 cycles of 10 seconds were applied according to groups. Intestinal microcirculation was followed by laser Doppler flowmetry. Blood and tissue samples were taken after 60 minutes of reperfusion. Histological analayses of the small intestine, measurement of serum necroenzyme levels and IL-6, mesenterial venous blood gas analyses were preformed and antioxidant state of the mucosa was investigated. Results: The microcirculation during the reperfusion showed significant improvement in both postconditioned groups. Histological damage, necroenzyme and IL-6 levels were significantly reduced, while antioxidant state was improved in the postconditioned groups. Conclusion: Postconditioning was capable of increasing the guts chance to survive ischemic-reperfusion injury caused by superior mesenteric artery occlusion. Keywords: postconditioning, mesenteric ischemia, superior mesenteric artery, Intestinal reperfusion injury Beérkezett: 2010. október 12.; elfogadva: 2010. december 30.

* A szerzők egyenlő mértékben vettek részt a mű megszerkesztésében. @ Levelezési cím/Corr. address: Dr. Szijártó Attila, 1082 Budapest, Üllői út 78., +36 20 825 8925, E-mail: [email protected]

ISSN 0025-0295 © 2011 Akadémiai Kiadó, Budapest

ANESZTEZIOLÓGIA ÉS INTENZÍV TERÁPIA 41(2): 2011

EREDETI KÖZLEMÉNYEK

61

Semmelweis Egyetem, Általános Orvostudományi Kar, I. Sebészeti Klinika, Budapest

Rupturált hasi aorta aneurysma kísérletes modellje. A folyadék reszuszcitácó technikai megfontolásai Szijártó A*, Fülöp A*, Turóczi Zs, Garbaisz D, Dudás E, Szabó J, Nánási R, Kupcsulik P. Közlésre érkezett: 2011. május 11. Levelező szerző: Dr. Szíjártó Attila Semmelweis Egyetem, I. sz. Sebészeti Klinika 1082 Budapest, Üllői út 78. Email: [email protected] *

a szerzők a közlemény megírásához azonos mértékben járultak hozzá

ÖSSZEFOGLALÁS: A nemzetközi irodalomban számos, a shock vizsgálatára alkalmas modellről olvashatunk. Kevés azonban az olyan tanulmány, mely esetén a shock kialakítása mellett egyéb megterhelések is érik a kísérleti állatot, és még kevesebb olyan kísérlet található, melynek célja az alsóvégtagi ischaemiás-reperfúziós károsodások vizsgálata shockban. Olyan kisállat-modell felállítása, mely alkalmas a rupturált hasi aorta aneurysmának megfelelő klinikai szituáció vizsgálatára, beleértve a műtéti megoldás során alkalmazott érkirekesztést és az ennek következtében kialakuló alsó végtagi ischaemiás-reperfúziós károsodás helyi és távoli szervi hatásait. A kísérlet során hím Wistar patkányok artériás közép nyomását 35±5 Hgmm-re csökkentve hoztunk létre shockos állapotot (15min), melyet követően 4 különböző szekvenciával (n=5) folyadék reszuszcitációt végeztünk. Az újraélesztés után, a hasi aorta infrarenális szakaszára tett atraumatikus mikroklipp segítségével ischaemiás állapotot (3, 1h) idéztünk elő az alsó végtagon, melyet 4 óra reperfúzió követett. A kísérlet alatt a végtagi mikrocirkulációt, a szívfrekvenciát és az artériás középnyomást regisztráltuk. A kísérleti eredmények alapján 0,5 egység (a levett vérrel megegyező menynyiségű) Ringer-laktát oldattal (RL), 1 egység vérrel, 1 egység RL végzett reszuszcitáció bizonyult optimálisnak, mely lehetővé tette a 15 perc shockot követő, 3 óra ischaemia, 4 óra reperfúzió okozta lokális és távoli szervi károsodások jelentette fokozott megterhelés túlélését is. Következtetés: A létre hozott modell alkalmas a ruptutált hasi aorta aneurysma modellezésére patkányban. Segítségével lehetőség nyílik a shock mellett létre jövő alsó végtagi ischaemiás-reperfúziós károsodások mérséklésének vizsgálatára. KULCSSZAVAK: shock, rupturált aorta aneurysma, folyadék reszuszcitáció

Bevezetés „Amikor sok vér veszik, a pulzus erőtlenné válik, a bőr sápadt, a testet beteges izzadság lepi el, a végtagok hidegek.” írja Celsus az ókori tudós. A ’shock’ kifejezést a francia sebész, Henri Francois Le Dran használta először 1737-ben megjelent „A treatise of

Experimental model of ruptured abdominal aortic aneurysm. Study of fluid resuscitation Szijártó A*, Fülöp A*, Turóczi Zs, Garbaisz D, Dudás E, Szabó J, Nánási R, Kupcsulik P. SUMMARY: In the international literature many appropriate models of hemorrhagic shock can be found. Few studies deal with more complex situations besides generating the shock itself. There are even less attempts to investigate the ischaemia-reperfusion damage of the lower limb following hemorrhagic shock. Our goal was to create a small animal model of ruptured abdominal aortic aneurysm, to examine the local and systemic effects of shock followed by lower limb ischemia-reperfusion injury. Hemorrhagic shock was induced by blood withdrawal. The mean blood pressure was maintained at 35±5 mmHg for 15 min. Resuscitation was then performed by four different techniques (n=5) of fluid administration. After complete resuscitation, animals underwent 180min, 60min of lower limb ischemia with infrarenal aortic occlusion, followed by 4 hours reperfusion. Heart rate and mean arterial pressure were monitored with invasive pressure gauge, and the microcirculatory events were recorded with Laser Doppler Flowmeter. Fluid resuscitation with 0,5 unit(U- equivalent to shed blood volume) Ringer’s lactate solution (LRS), 1 U shed blood, and 1 unit LRS is optimal modeling ruptured aortic aneurysm. This resuscitation sequence allowed sufficient animal-survival after the stress of 15 minutes of hemorrhagic shock combined with 3 hours of ischemia and 4 hours of reperfusion. The established experimental design is suitable for modeling ruptured abdominal aortic aneurysm in rats. This model may help to investigate the extent of ischemia-reperfusion injury and to test various injury reducing techniques under these conditions.

KEYWORDS: shock, ruptured abdominal aortic aneurysm, fluid resustitation

reflections drawn from experience with gunshot wounds” című tanulmányában. A XX. század elején Walter B. Cannon a kialakuló patológiás folyamatok létrejöttéért egy, a károsodott szövetekből felszabaduló endogén toxint tett felelősé. Ez idő tájt, minden a szervezetet ért nem fiziológiás ingert – ami szervezet egyensúlyi állapotát megzavarja, azt védekezésre

EREDETI KÖZLEMÉNYEK EREDETI KÖZLEMÉNYEK

Alimentáris eredetű kísérletes zsírmáj és adjuváns kezelése természetes eredetű bioaktív hatóanyagokkal* Hegedüs Viktor dr.1, 4 ■ Gerő Domokos dr.2 Szijártó Attila dr.4 ■ Zelles Tivadar dr.5 1

6

■ ■

Mihály Zoltán dr.3 Sárdi Éva dr.6

Semmelweis Egyetem, Gyógyszerész-tudományi Kar, Farmakognóziai Intézet, Budapest 2 Cell Screen Applied Research Center, Budapest 3 Szent János Kórház, Budapest 4 Semmelweis Egyetem, Általános Orvostudományi Kar, I. Sebészeti Klinika, Budapest 5 Semmelweis Egyetem, Fogorvos-tudományi Kar, Budapest

Budapesti Corvinus Egyetem, Kertészettudományi Kar, Genetika és Növénynemesítés Tanszék, Budapest

A redox-homeosztázis változása a citokinek és szabad gyökök változásával jár és számos intracelluláris jelátviteli utat befolyásolhat különböző májbetegségekben. A liofilizált cékla + répa készítmény (GPS Powder Kft. 1361/004/ 2003BFÁÉÉÁ) bioaktív komponensei, mint például a betain, betaninok, betaxantinok, flavonoidok, polifenolok, glutamin, β-karotin, vitaminok és folsav megváltoztathatják a különböző sejtfolyamatokat. Célok: A szerzők célul tűzték ki a cékla + répa liofilizált készítmény bioaktív hatóanyagai védőhatásának vizsgálatát experimentális zsírmájban. Módszer: Hím Wistar patkányokat etettek standard és zsírdús táppal (a standard tápot kiegészítették 2% koleszterinnel, 0,5% kólsavval és 20% napraforgóolajjal) és a kezelt csoportoknak az etetéssel együtt 0,1 vagy 1 g/ttkg/nap természetes készítményt adagoltak. Az indukálható ciklooxigenáz-2 enzim, az indukált nitrogén-monoxid-szintetáz és a tumornekrózis-faktor-α mRNS-szinteket molekuláris-biológiai módszerekkel határozták meg. A szabad gyököket, a H-donor-aktivitást, a redukálóképességet és a szabad SH-csoport-koncentrációt luminometriás vagy spektrofotometriás eljárással mérték. A mobilizálható metilcsoportokat túlnyomásos folyadék-kromatográfiával tanulmányozták. Eredmények: A nagyobb dózisú természetes készítmény jobban csökkentette az indukált szabadgyökreakciókat, az indukálható ciklooxigenáz-2 enzim, az indukált nitrogén-monoxid-szintetáz és tumornekrózis-faktor-α mRNS-szintjeit, mind egészséges májszövetben, mind zsírmájban. Bár a kezelés nem gyakorolt szignifikáns változásokat az összes globális antioxidáns-paraméterre, zsírmájban a kezelés után megnövekedett mobilizálható metilcsoport-koncentrációkat észleltek és kedvező tendenciát találtak a máj redox-homeosztázisában is. Következtetések: A vártnak megfelelően a mérsékelt dózisú cékla + répa liofilizátum „funkcionális élelmiszernek” bizonyult az élelmi zsír által indukált experimentális zsírmájban. Lehetséges, hogy e kedvező hatás a klinikumban is hasznosulást nyerhet. Orv. Hetil., 2011, 152, 1035–1042. Kulcsszavak: alimentáris eredetű zsírmáj, alacsony szintű szisztémás gyulladás, antioxidáns, bioaktív hatóanyag, cékla, immuntáplálás, redox-homeosztázis, szignáltranszdukció, táplálékkiegészítők

Alimentary induced fatty liver and adjuvant therapy with effective natural bioactive molecules Changes of redox-homeostasis generate cytokines, and free radicals influence many intracellular signaling pathways in different liver diseases. Liophylised table beet and carrot powder (GPS Powder Kft. 1361/004/2003BFÁÉÉÁ) containing bioactive components such as betaine, betanins, betaxanthins, flavonoids, polyphenols, glutamine, beta carotene, vitamins and folic acid may produce changes various cellular pathways. Aim: The aim of this study was to determine the protecting effects of bioactive agents of the liophylised table beet and carrot powder on fatty liver in a *A „Prof. Fehér János Emlékére” Alapítvány pályázatán díjat nyert munka.

DOI: 10.1556/OH.2011.29151

1035

2011

■

152. évfolyam, 26. szám

■

1035–1042.

117

EREDETI KÖZLEMÉNY

Posztkondicionálás: érsebészeti technika posztoperatív veseelégtelenség megelôzésére. Állatkísérletes eredmények ARÁNYI Péter1, *, TURÓCZI Zsolt1, *, GARBAISZ Dávid1, VARGA Márk1, LOTZ Gábor2, KUPCSULIK Péter1, SZIJÁRTÓ Attila1

ÖSSZEFOGLALÁS – Bevezetés: Rekonstrukciós érmûtétek során az alsó végtagi vázizomzat ischaemiás rhabdomyolysise játszódik le, amelynek súlyos posztoperatív szövôdménye a myonephropathiás metabolikus szindróma, akár akut veseelégtelenséggel. A jelen vizsgálat célja a posztkondicionálás (több ciklusú rövid reokklúziós és reperfúziós epizódok alkalmazása az ischaemiának kitett szerv reperfúziójának kezdetén), egy az ischaemiás-reperfúziós (IR) károsodások csökkentését célzó új érsebészeti módszer protektív hatásának kimutatása alsó végtagi verôérmûtéteket modellezô kísérletes elrendezésben a következményes posztoperatív veseelégtelenség megelôzésére. Anyagok és módszerek: Wistar-patkányokon az infrarenalis aorta kirekesztésével háromórás, kétoldali alsó végtagi ischaemiát hoztunk létre. Az állatok egyik csoportjában posztkondicionálást végeztünk (10 s reocclusio, 10 s reperfúzió, hat ciklusban ismételve). A reperfúzió kezdetén a szisztémás sav-bázis háztartás laboratóriumi vizsgálata, majd szérum-, vizelet- és szövettani mintavétel történt a reperfúziót követô 4., 24., 72. órában. A vese mikrocirkulációs változásait lézer-Doppler-flowmeterrel regisztráltuk. Eredmények: A hisztológiai és laboratóriumi (CK, LDH, AST) vizsgálatok közepes fokú rhabdomyolysisre utaltak, de szignifikáns különbség nem mutatkozott a posztkondicionált és az IR-kontrollcsoport között. A veseszövettan, a rutin laboratóriumi és a számított vesefunkciós paraméterek manifeszt tubularis károsodásra, akut veseelégtelenségre utaltak az IR-kontrollcsoportban, a posztkondicionált csoportban enyhébb fokú vesekárosodás volt detektálható. A harmadik posztoperatív napra a vesefunkció a „Renal Failure Index” tükrében javuló tendenciát mutatott. A veseperfúzió kedvezôbben alakult, valamint kisebb fokú metabolikus acidózis fejlôdött ki a posztkondicionált csoportban a revascularisatiót követôen. Következtetés: A posztkondicionálás ezen kísérleti elrendezésben alkalmas módszer az infrarenalis verôér-sebészeti mûtétek során fellépô vesekárosodás mértékének a csökkentésére. Kulcsszavak: akut veseelégtelenség, reperfúziós szindróma, posztkondicionálás, myoglobin Postconditioning in major vascular operations for the prevention of postoperative renal complications Arányi P MD, Turóczi Zs, Garbaisz D, Varga M MD, Lotz G MD, Kupcsulik P MD, PhD, Szijártó A MD SUMMARY – Objectives: During vascular surgeries on the abdominal aorta, lower extremities suffer ischaemia-reperfusion (IR) injury which can lead to rhabdomyolysis. A severe complication is the myonephropathic metabolic syndrome with acute renal failure. The aim of the study was to investigate whether postconditioning (rapid repetitive cycles of ischaemia and reperfusion on the onset of the organ reperfusion, a novel technique to reduce ischaemia-reperfusion injuries) could prevent renal failure in major vascular surgery. Subjects and methods: Male Wistar-rats underwent 180 minutes of bilateral lower limb ischaemia and four hours of reperfusion. Postconditioning consisted of 6 cycles of 10-second aortic occlusion/10-second declamping. Microcirculation of the kidney was detected with laser Doppler flowmeter. After 4, 24, 72 hours of

1

Semmelweis Egyetem, I. sz. Sebészeti Klinika, Budapest 2 Semmelweis Egyetem, II. sz. Patológiai Intézet, Budapest * A szerzôk egyenlô mértékben vettek részt a mû megszerkesztésében.

Levelezô szerzô: Dr. Szijártó Attila PhD, Semmelweis Egyetem, I. sz. Sebészeti Klinika, 1082 Budapest, Üllôi út 78. Telefon: (06-20) 825-8925 Rövidítések: AST aszpartát-aminotranszferáz BE base excess, bázistöbblet BUN szérumkarbamid CK kreatinkináz DAB 3-diaminobenzidin ELISA enzimhez kötöttt immunoszorbens esszé FENa frakcionált Na+-exkréció GFR glomerulusfiltrációs ráta HR szívfrekvencia IR ischaemiás-reperfúziós LDH laktát-dehidrogenáz MAP artériás középnyomás PostC posztkondicionálás RBE relatív bázistöbblet RFI veseelégtelenségi index TNF-α tumornekrózis-faktor-α

Összefoglaló közlemény

Cardiologia Hungarica 2011; 41 : 12–X © 2011 Locksley Hall Media

Iszkémiás perkondicionálás – Alternatív adaptív technika a miokardiális iszkémia-tolerancia növelésére Szijártó Attila, Czigány Zoltán, Turóczi Zsolt, Harsányi László Semmelweis Egyetem, I. Sebészeti Klinika, Budapest Levelezési cím: Dr. Szijártó Attila PhD 1082 Budapest Üllői út 78. Tel.: +36-20-825-8925 Fax: +36-1-314-3431

Kulcsszavak: iszkémia, reperfúzió, távoli szervi iszkémiás perkondicionálás, myocardium Keywords: ischemia, reperfusion, remote ischemic perconditioning, myocardium

A szervi keringészavarok kapcsán fellépő iszkémiás-reperfúziós károsodás régóta ismert szövődmény, amely akár fatális kimenetellel is végződhet. A reperfúziós szövődmények felismerését követően megszülettek az első elképzelések a különböző terápiás lehetőségekről. Számos hatásosnak bizonyuló gyógyszerkészítmény, illetve sebésztechnikai módszer (iszkémiás pre-, és posztkondicionálás) került kifejlesztésre. A károsodások mérséklésének új irányvonalát jelenti a célszervi iszkémiatűrés növelésének lehetősége távoli szervek többciklusú keringésmegszakítása révén. A jelenség egyik speciális formája, a perkondicionálás, ami egy távoli szerven, a tartós célszervi iszkémia alatt létrehozott, rövid iszkémiásreperfúziós epizódokat jelent. A célszervi protektív hatás pontos mechanizmusa meglehetősen tisztázatlan, kevés irodalmi adat áll rendelkezésre. Jelen közlemény célja, hogy feloldja az irodalomban fellelhető terminológiai ellentmondásokat. Különös hangsúlyt fektet továbbá a korábban leírt sebésztechnikai „távoli szervi kondicionálási” eljárások vizsgálata kapcsán megismert neurális, humorális, szubcelluláris mechanizmusok bemutatására, amelyek magyarázatként szolgálhatnak a perkondicionálás kedvező hatásának feltárása során. Az irodalmi információk mellett a szerzők saját tapasztalatai is rámutatnak a korábban még nem vizsgált, ismeretlen részletekre, hiányosságokra. A közlemény a molekuláris háttér megismertetésén kívül összegezi a távoli szervi iszkémiás perkondicionálással kapcsolatban eddig leírt kedvező hatásokat, illetve kísérletet tesz arra, hogy – a korábban leírt különböző kezelési protokollok hatásossága és a kísérleti beállítások ismeretében – a jövőbeli, ilyen irányú experimentális és klinikai kutatások számára útmutatással szolgáljon. Ischemic perconditioning – New adaptive technique to increase the ischemic tolerance of the myocardium. The interruption of organs’ blood flow can cause ischemic-reperfusion injury. The outcome of this well-known complication can even be fatal. After recognizing the phenomenon of reperfusion injury the initial interventional approaches were born. Several pharmacological agents and surgical techniques (as local ischemic pre- and postconditioning) were shown to be effective. Novel, alternative direction in target organ protection is remote conditioning, which is triggered by repetitive, brief ischemic-reperfusion periods in distant organs. A special form of these surgical techniques is called perconditioning. This feasible method means applying brief ischemic-reperfusion episodes on a distant organ contemporaneously at time of durable target organ ischemia. The explanation of this phenomenon, that the perconditioning, would reduce ischemic reperfusion injury, is currently unclear. This article reviews the neural, humoral, and subcellular mechanisms that have been described previously in other conditioning techniques, which can also suggest a particular explanation of the mechanistic pathways in remote perconditioning. Beside the literary evidence, the authors also use their own experiences to point at the fine details, which have not previously been investigated. Present article reviews not only the molecular background, but the other favorable effects of remote ischemic perconditioning. Furthermore attempts to summarize the formerly described treatment protocols and models to guide the future experimental and clinical research, and also tries to resolve the terminological inconsistencies in literature. Cardiologia Hungarica 2011; 41 : 12

j o u r n a l o f s u r g i c a l r e s e a r c h x x x ( 2 0 1 2 ) 1 e1 0

Available online at www.sciencedirect.com

journal homepage: www.JournalofSurgicalResearch.com

Research review

Remote ischemic perconditioningda simple, low-risk method to decrease ischemic reperfusion injury: models, protocols and mechanistic background. A review Attila Szija´rto´, MD, PhD,* Zoltań Czigańy, MD, Zsolt Turoćzi, MD, and La´szlo´ Harsańyi, MD, PhD First Department of Surgery, Semmelweis University, Budapest, Hungary

article info

abstract

Article history:

Interruption of blood flow can cause ischemic reperfusion injury, which sometimes has

Received 5 December 2011

a fatal outcome. Recognition of the phenomenon known as reperfusion injury has led to

Received in revised form

initial interventional approaches to lessen the degree of damage. A number of efficient

18 June 2012

pharmacologic agents and surgical techniques (e.g., local ischemic preconditioning and

Accepted 26 June 2012

postconditioning) are available. A novel, alternative approach to target organ protection is

Available online xxx

remote ischemic conditioning triggered by brief repetitive ischemia and reperfusion periods in distant organs. Among the different surgical techniques is so-called remote

Keywords:

ischemic perconditioning, a method that applies short periods of ischemic reperfusion to

Ischemia

a distant organ delivered during target organ ischemia. Although ischemic reperfusion

Reperfusion

injury is reduced by this technique, the explanation for this phenomenon is still unclear,

Remote ischemic per-conditioning

and approximately only a dozen reports on the topic have appeared in the literature. In our

Myocardium

study, therefore, we investigated the connective mechanisms, signal transduction, and effector mechanisms behind remote perconditioning, with a review on molecular background and favorable effects. In addition, we summarize the various treatment protocols and models to promote future experimental and clinical research. ª 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

1.

Introduction

Decreasing the degree of ischemia-reperfusion (I-R) injury has great practical significance, considering that this clinical problem involves a large number of patients. The possibility of severe I-R injury should be considered during acute arterial occlusions (myocardial infarction, percutaneous coronary interventions, ischemic stroke, mesenteric ischemia, and lower limb vascular occlusions), valve replacements, and organ transplantations. Since Jennings et al [1] introduced the

idea of reperfusion injury in 1960, several surgical and nonsurgical cardioprotective strategies have been developed to lessen the degree of injury, some more successful than others. Murry et al [2] described ischemic preconditioning (IPC) in 1986. The essence of this adaptive surgical method is to induce short periods of local ischemia and reperfusion before target organ ischemia. There is a vast literature on the strong protective effect of IPC, which has been proven by numerous experimental and clinical studies. However, the technique is limited to elective situations in which the onset of ischemia

¨ llTi u´t 78, 1082, Budapest, Hungary. Tel.: þ36-20-825-89-25; * Corresponding author. First Department of Surgery, Semmelweis University, U fax: þ36-1-314-34-31. E-mail address: [email protected] (A. Szija´rto´). 0022-4804/$ e see front matter ª 2012 Elsevier Inc. All rights reserved. http://dx.doi.org/10.1016/j.jss.2012.06.067

Effect of Ischemic Preconditioning on Rat Liver Microcirculation Monitored with Laser Doppler Flowmetry

Recommend Documents