Isolierte cerebrale Perfusion zur Simulation des hypothermen Kreislaufstillstands am Großtiermodell

Abstract

Problematik: In der Säuglingsherzchirurgie ist der Einsatz der Herz-Lungen-Maschine unter Anwendung des tief hypothermen Kreislaufstillstands (deep hypothermic circulatory arrest, DHCA) eine übliche Technik zur Korrektur angeborener Herzfehler. Gefährdet durch Hypoxie ist vor allem das Gehirn. Hierbei gelten Stillstandszeiten von unter 30 Minuten als sicher. Ziel unserer Arbeitsgruppe war es, ein neues experimentelles Modell zur Simulation des tief hypothermen Kreislaufstillstands und Erprobung hirnprotektiver Strategien zu entwickeln.

Methodik: Unter Verwendung einer druck- und flusskontrollierten Perfusionsapparatur wurde in Intubationsnarkose ein isolierter Kreislauf zur Hirnversorgung (isolierte cerebrale Perfusion, ICP) bei juvenilen Schweinen (deutsche Landrasse; männlich, 12,25±1,6 kg) angeschlossen. ICP-Gruppen: K1 (kein Stillstand, normotherme ICP, 180 Minuten, n=6), S1 (30 Minuten Stillstand bei 15°C, 120 Min. Reperfusion, n=6) und S2 (90 Minuten Stillstand bei 15°C, 120 Min. Reperfusion, n=5). Als Kontrollgruppen diente eine Narkosekontrollgruppe (NK, n=5), in der die Tiere 240 Minuten ohne Manipulationen in Narkose gehalten wurden, sowie eine Schadenskontrollgruppe K2 (n=6), in der die supraaortalen Gefäße für 6 Minuten in Normothermie passager verschlossen wurden, gefolgt von 120 Minuten Reperfusion. Es wurden kontinuierlich EEGs abgeleitet und in bestimmten Abständen Blutproben für eine serologische Untersuchung der neuronalen Ischämiemarker Protein S-100 und Malondialdehyd (MDA) abgenommen. Nach Perfusionsfixierung mit Paraformaldehyd (4%) wurden die Hirne entnommen und histologisch in zahlreichen Hirnregionen bilateral hinsichtlich hypoxischer Veränderungen von Nervenzellen (NZ) untersucht. Der Anteil veränderter NZ wurde nach einem semiquantitativen Hypoxie-Score erfasst. Die Serumproben wurden mit ELISA-Tests auf den Gehalt der Ischämiemarker untersucht.

Ergebnisse: Die Tiere der Gruppe NK wiesen im EEG keine pathologischen Veränderungen während des Versuchs auf. Bei der Gruppe K1 zeigten sich keinen wesentlichen Veränderungen im Vergleich Versuchsbeginn vs. Ende der ICP. Bei K2 kam es während der Ischämie zum isoelektrischen EEG und zu einem deutlich allgemein veränderten EEG (Verminderung von Amplitude und Frequenz) in der Reperfusion. Isoelektrisch war auch das EEG in den Gruppen S1 und S2 im Stillstand (15°C). Bei S1 kehrte nach 120 Minuten Reperfusion ein verändertes EEG mit Erholungstendenz zurück. Bei S2 waren nur geringste EEG-Aktivitäten bei 3 Tieren nach 120 Minuten Reperfusion zu messen, die anderen zeigten weiterhin Isoelektrizität. In den histologischen Analysen waren die Gruppen NK und K1 praktisch ohne Ischämienachweis (<2% der NZ). In K2 lag eine massive hypoxische Schädigung vor (14,2% der NZ). Die Tiere der Gruppe S1 zeigten leicht erhöhte Nervenzellschäden (6,6% der NZ), während in S2 die Veränderungen noch größer als in K2 waren (21% der NZ). Besonders sensitiv gegenüber der Hypoxie zeigte sich der enthorinale Cortex. Die Serum-Ischämieparameter Protein S-100 und MDA waren in allen Perfusionapparatur-Gruppen unspezifisch erhöht und die Anstiege in der K2-Gruppe waren nicht signifikant gegenüber der Narkosekontrolle.

Schlussfolgerung: Die Ergebnisse zeigen, dass mit der isolierten cerebralen Perfusion funktionell und histologisch nachvollziehbar die hypoxischen Auswirkungen des tiefhypothermen Kreislaufstillstands simuliert werden können. Die Serumanalyse scheint jedoch für die intraoperative Hypoxie-Überwachung am Perfusionsmodell nicht geeignet zu sein, da sie vom cardiopulmonalen Bypass bzw. der ICP-Apparatur überlagert und gestört wird. In weiteren Ausbaustufen könnten nun hirnprotektive Maßnahmen am Modell erprobt werden.

Background: In the cardiac surgery of infants the use of cardiopulmonary bypass with deep hypothermic circulatory arrest is a common technique for correction of congenital heart failures. Especially the brain is endangered by hypoxia. Circulatory arrest times of 30 minutes are known as safe. The objective of our workgroup was to develop a new experimental model to simulate the deep hypothermic circulatory arrest and test brain protection strategies.

Methods: In general anaesthesia an isolated cerebral perfusion (ICP) was installed in piglets ("Deutsche Landrasse", male, 12,25±1,6 kg) using a pressure- and flow-controlled perfusion device. ICP-groups: K1 (no circulatory arrest, normotherm ICP, 180 minutes, n=6), S1 (30 minutes circulatory arrest at 15°C, 120 minutes reperfusion, n=6) and S2 (90 minutes circulatory arrest at 15°C, 120 minutes reperfusion, n=5). Control groups: NK (anaesthesia control group, 240 minutes general anaesthesia without any manipulation, n=5), K2 (damage control group, clamping of supraaortal vessels for 6 minutes in normothermia, 120 minutes reperfusion, n=6). EEGs were registrated continuously and blood samples were drawn in defined intervals for examination of the neuronal markers of ischemia Protein S-100 and Malondialdehyde (MDA). After perfusion fixation with paraformaldehyde (4%) the brains were obtained and histologically examined in several bilateral brain areas regarding the hypoxic changes in the neuronal cells (NC). The amount of changed NCs was acquired in a semi quantitative hypoxia-score. The serum probes were evaluated with an ELISA-test on the ischemia marker concentrations.

Results: The animals in group NK had no pathological changes in the EEG during the experiment. Group K1 showed no differences between beginning of the test an end of ICP. In K2 the EEG changed to an isoelectrical line during ischemia and was altered notable during reperfusion (decrease of amplitude and frequency). The EEG was also isoelectrical in group S1 and S2 during the circulatory arrest (15°C). In S1 an altered EEG with a recovery trend came back after 120 minutes of reperfusion. In S2 only slightest EEG-activities were seen in 3 piglets after 120 minutes reperfusion, the other animals showed an ongoing isoelectricity. In the histological examination almost no hypoxic changes were seen in group NK and K1 (<2% of NC). K2 showed a massive hypoxic injury (14,2% of NC). The animals of group S1 had a small increased injury (6,6% of NC), whereas S2 had even more hypoxic changes than K2 (21% of NC). Particularly sensible on hypoxia was the enthorinal cortex. The serum ischemia parameters Protein S-100 and MDA were unspecificly increased in all perfusion groups and the increases in K2 were non-significant vs. the anaesthesia control group NK. Conclusions: The results demonstrate that the isolated cerebral perfusion model is able to simulate the deep hypothermic circulatory arrest functionally and histologically. The serum analyses do not seem to be useful for intraoperative hypoxia monitoring in our perfusion model because of interference by the cardiopulmonary bypass (ICP-machine). In further experiments brain protection strategies could now be tested.