Despite great technological advances in coronary artery bypass grafting (CABG) surgery, there is a high incidence of cardiac dysfunction and neurocognitive deficits in the postoperative period. Preventive measures are essential to reducing these adverse situations that are responsible for significant morbidity and impairment on life quality of these patients. Surgery and cardiopulmonary bypass (CPB) produces important changes in the immune system, directly involved in the incidence of these complications and is credible that anesthesia choice can it modified. We hypothezised that dexmedetomidine, an (α)-2-agonist, could the inflammatory response to CABG and CPB modified. In a prospective and randomized study, we intend to demonstrate the influence of dexmedetomidine (TIVA-DEX group), as a component of a conventional total intravenous anesthesia (TIVA-propofol+sufentanil) in patients undergoing CABG, with mini-CPB, on the behavior of this inflammatory response. The TIVA-DEX group received a continuous infusion of dexmedetomidine associated to a conventional venous anesthesia (continuous infusion of propofol+sufentanil). Intraoperative dosage of cytokines, such as interleukin-1 (IL-1), interleukin-6 (IL-6), interleukin-10 (IL-10), gamma interferon (INF-γ) and tumor necrosis factor (TNF-α) were performed, and also C-reactive protein (CRP), creatine phosphokinase (CPK), creatine phosphokinase-MB (CPK-MB), I troponin (cTnI), cortisol and glucose. The occurrence of lipid peroxidation, by the study of thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) and the activity of delta-aminolevulinate dehydratase (δ-ALA-D) to oxidative stress verify were also avaliated. Dexmedetomidine induce a significative reduction of IL-1, IL-6, TNF-α and INF-γ, as compared to group that not receive dexmedetomidine. The levels of IL-10 were decreased in both groups along the time, at a similar pattern. Differences between groups on δ-ALA-D activity do not occur and TBARS was higher in TIVA-DEX group. We concluded that dexmedetomidine associated to TIVA was able to reduce plasma levels of proinflammatory cytokines IL-1, IL-6, TNF-α and INF-γ in patients submitted to CABG surgery under mini-CPB, as compared to a conventional TIVA. These results reinforce literature data about dexmedetomidine potentiality as an anti inflammatory agent. / Apesar dos grandes avanços tecnológicos nas cirurgias de revascularização miocárdica (CRM), ocorre uma grande incidência de disfunção cardíaca e déficit neurocognitivo no período pós-operatório. As medidas preventivas são essenciais para a redução destas situações adversas, responsáveis pelo comprometimento da qualidade de vida dos pacientes. A cirurgia e a circulação extra-corpórea (CEC) produzem alterações importantes no sistema imunológico, diretamente envolvidas na incidência das complicações e acredita-se que a escolha anestésica possa modificá-las. Em estudo prospectivo e randomizado, pretendemos demonstrar a influência da dexmedetomidina (grupo AIVT-DEX), um anestésico (α)-2-agonista, associado à anestesia intravenosa total (AIVT) no comportamento da resposta inflamatória em pacientes submetidos à CRM, sob mini-circulação extracorpórea (mini-CEC). O grupo AIVT-DEX recebeu infusão contínua de dexmedetomidina associado à técnica de AIVT convencional e o outro grupo foi submetido à AIVT convencional (infusão contínua de propofol e sufentanil). Os grupos foram comparados pela dosagem plasmática trans-operatória de citocinas, como a interleucina-1(IL-1), a interleucina-6 (IL-6), a interleucina-10 (IL-10), o interferon gama (INF-γ) e o fator de necrose tumoral alfa (TNF-α), bem como a proteína C reativa (PCR), creatinofosfoquinase (CPK), creatinofosfoquinase miocárdio específica (CPK-MB), troponina I (cTnI), cortisol e glicose. A peroxidação lipídica foi avaliada pelo estudo das substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBARS) e a presença de estresse oxidativo pela atividade da enzima delta-aminolevulinato desidratase (δ-ALA-D). O uso da dexmedetomidina induziu redução significativa de IL-1, IL-6, TNF-α e INF-γ se comparado ao grupo sem dexmedetomidina. Houve redução progressiva dos níveis de IL-10 ao longo do tempo, de forma semelhante entre os grupos. Não houve diferença entre os grupos para a atividade da enzima δ-ALA-D e os níveis de TBARS foram maiores no grupo AIVT-DEX. Concluímos que a dexmedetomidina associada à AIVT convencional foi capaz de reduzir os níveis plasmáticos das citocinas pró-inflamatórias IL-1, IL-6, TNF-α e INF-γ em pacientes submetidos à CRM sob mini-CEC, se comparados aos pacientes que receberam apenas a AIVT convencional. Estes resultados reforçam os dados da literatura quanto à potencialidade da dexmedetomidina como agente modulador da resposta inflamatória no período trans- operatório.

Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie (KSTH) wird in der Herzchirurgie zur Korrektur komplexer angeborener Herzfehler angewendet. In den letzten Jahren zeigte sich eine Abnahme der Morbidität und Mortalität nach kardiochirurgischen Eingriffen. Es entstanden aber gleichzeitig Bedenken über eine Beeinträchtigung der neurologischen Funktion und psychomotorischen Entwicklung der operierten Kinder. Wir untersuchten das morphologische Schädigungsmuster im Gehirn nach extrakorporaler Zirkulation mit Kreislaufstillstand in tiefer Hypothermie (KSTH) in einem neonatalen Tiermodell. Zusätzlich evaluierten wir morphologisch den Einfluss einer neuroprotektiven Vorbehandlung mit systemischer und intrathekaler Applikation von Methylprednisolon (MP). Material und Methoden: 24 neugeborenen Ferkeln mit einem Alter unter 1 Woche (Gewicht: 2,1 ± 0,5 kg KG) wurden mittels eines cardiopulmonalen Bypass(CPB) bei 15 °C rektaler Körpertemperatur einem totalen Kreislaufstillstand (KSTH) von 120 Minuten ausgesetzt. Nach Reperfusion wurden die Tiere vom CPB entwöhnt und für 6 Std. überwacht. Eine Gruppe ohne Intervention mit 12 Tieren diente als Kontrollgruppe, bei 7 Tieren wurde eine systemische und bei 5 Tieren eine intrathekale Methylprednisolongabe (Urbason) präoperativ durchgeführt. Das Gehirn wurde nach Fixierung regional histologisch und immunhistochemisch untersucht. Die nekrotischen und apoptotischen Neurone wurden quantitativ in Hippocampus, Kortex, Stammganglien und Kleinhirn erfasst. Molekulargenetische Untersuchungen erfolgten im frontalen Kortex und es wurde die Genexpression mittels "Real-time PCR" für das Hitze-Schock-Protein 70 kD (HSP 70) und die apoptotischen Gene Bak, FAS und Bcl-xL erfasst. Ergebnisse: Das Schädigungsmuster nach KSTH von 120 Minuten bestand aus Nekrose der Neuronen mit einem Fokus in Hippocampus, Kleinhirn und Kortex. Zusätzlich kam es im Gyrus dentatus zum Auftreten apoptotischer Neuronenveränderungen, wobei durch die MP-Vorbehandlung die Anzahl apoptotischer Neurone zunahm. Unter der systemischen Steroidbehandlung kam es zu einer signifikanten Hyperglykämie. Molekulargenetisch zeigten sich bei systemischer Steroidvorbehandlung eine Induktion pro-apoptotischer Gene. Nach intrathekaler Steroidgabe war das Verhältniss zugunsten der anti-apoptotischen Gene signifikant verändert. Die Expression des HSP-70 war nur in der intrathekalen Gruppe signifikant erhöht und scheint im Zusammenhang mit einer geringeren neuronalen Zellschädigung zu stehen. Schlussfolgerung: Eine systemische Vorbehandlung mit MP zeigte keinen neuroprotektiven Effekt, im Gegenteil kam es zu einer Zunahme nekrotischer und apoptotischer neuronaler Zellveränderungen. Bei intrathekaler Applikation des MP und Umgehung der Blut-Hirn-Schranke kam es zu einer signifikanten Reduktion der nekrotischen Zellveränderungen im Sinne einer neuroprotektiven Wirkung. Die routinemäßige Applikation von Steroiden in der Kinderherzchirurgie sollte aufgrund dieser Ergebnisse kritisch überdacht werden. / We evaluated the mode of neuronal cell injury and the possible neuroprotective effect of pretreatment with high dose steroids in a neonatal piglet model with CPB and 120 minutes deep hypothermic circulatory arrest (DHCA). Methods: 24 neonatal piglets (age < 10 days and 2,1 ± 0,5 kg BW) were included in this study. Three groups were formed, one group without any additional pharmacological treatment (n=12) served as control group, two groups with a high dose methylprednisolone (MP) pretreatment, where 30 mg / kg/ BW MP (Urbason) was administered either systemically preoperatively (n=7), or intrathecally 4-6 hours preoperatively (n=5). All animals were anaesthetized, intubated and mechanically ventilated. After median sternotomy the animals were connected to CPB by cannulation of the aorta and right atrium. Full flow CPB (200 ml/kg/min) was initiated to achieve homogeneous systemic cooling. Circulatory arrest for 120 min. was induced when rectal temperature of 15°C was achieved. After rewarmed reperfusion and establishment of stable cardiac ejection the animals were weaned from CPB and monitored for 6-8 hours. Thereafter the animals were sacrificed and the brain was immediately removed, cut in standardized sections and fixated and frozen for further histological and immunohistochemical studies. Neuronal cells were counted in cerebral cortex, basal ganglia, hippocampal region and cerebellum in respect to apoptotic and hypoxic-necrotic neuronal cell changes in each animal. Real-time PCR was performed from frozen brain sections for analysis of expression of heat-shock-protein 70kD (HSP 70), FAS, Bak and Bcl-xl. Results: The main preliminary findings of this neonatal ischemic brain model were the quantitative evaluation of cell injury including perivascular astroglial cells and necrotic and apoptotic neuronal cell changes. The systemic application of high dose methylprednisolone lead only to a slight reduction of edema, but it produced a significant hyperglycemia and aggravation of neuronal necrosis. Intrathecal MP was effective in reducing neuronal necrosis without appearance of hyperglycemia. Application of steroids lead to an induction of neuronal apoptosis in the hippocampus. Increased pro-apoptotic gene expression were detected with steroid pretreatment. Increased expression of HSP 70 may reflect reduction in neuronal cell death. Conclusion: Systemic pretreatment with methylprednisolone seems not to be effective for neuroprotective goal during cardiac surgery with DHCA. In contrast intrathecal steroid treatment could reduce neuronal cell death significant. The pronounced apoptotic neuronal cell changes, which were seen after steroid pretreatment, raises concern with regard to the routine use of methylprednisolone during pediatric cardiac surgery.

Die vorliegende Arbeit setzt sich mit den funktionellen und strukturellen Veränderungen im Zentralnervensystem im Zusammenhang mit angeborenen Vitien und deren chirurgischer Behandlung mit Hilfe der extrakorporalen Zirkulation (EKZ) sowohl klinisch als auch tierexperimentell auseinander mit dem Ziel, neuroprotektive Strategien zu entwickeln. Wir haben mit den verfügbaren Methoden der Neuroüberwachung die charakteristischen Verläufe definiert und beschrieben. Zusätzlich wurden diese nicht-invasiven Methoden wie die Nahinfrarot-Spektroskopie sowohl klinisch als auch tierexperimentell validisiert. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass diese Methoden eine zuverlässig signifikante globale Alteration in der Oxygenation und Perfusion anzeigen. Durch das Erarbeiten und die Charakterisierung des Verlaufs der Serumwerte des astroglialen Proteins S-100B wurde die klinische Wertigkeit genauer definiert. Es konnte klinisch und tierexperimentell gezeigt werden, dass die abnorm erhöhten Werte des S-100B im Serum von einem signifikanten diagnostischen Wert sind. Im Gegensatz dazu wurde die untergeordnete Rolle der Bestimmung von neuronalen Marker im Serum bestätigt. Durch die tierexperimentellen Arbeiten wurde gezeigt, dass die überwiegenden morphologischen Veränderungen nach EKZ im Gehirn in den Astrozyten und Gliazelen zu finden sind. Die neuronale Zelldegeneration war nach dem tiefhypothermen Kreislaufstillstand überwiegend in Form von hypoxischer Zellnekrose. Die apoptotische Zelldegeneration trat zellspezifisch im Gyrus Dentatus des Hippocampus auf. Vor allem konnte die bedeutende protektive Rolle der Hypothermie und der hypothermen Perfusion der EKZ demonstriert werden. Bei einer effektiven systemischen Kühlung an der EKZ könnte ein Kreislaufstillstand ohne signifikante neuronale Schädigungen überstanden werden. Die EKZ und der tiefhypotherme Kreislaufstillstand stellen an sich für das unreife Gehirn eine grobe nicht-physiologische Situation dar. Im Tiermodel könnte histologisch gezeigt werden, das die systemische Vorbehandlung mit Methylprednisolone keine protektive Wirkung hat. Obwohl eine signifikante Neuroprotektion durch Gabe von FK506 und Cyclosporin unter extremen Bedingungen der EKZ und tiefhypothermem Kreislaufstillstand erzielt wurde, bedarf es vor einer klinischen Anwendung weiterer tierexperimenteller und klinischer Überprüfungen. / The aim of our clinical and experimental studies was to evaluate functional and structural changes in the brain during corrective cardiac surgery using cardiopulmonary bypass (CPB) and deep hypothermic circulatory arrest (DHCA) in order to develop neuroprotective strategies. Using the available neurmonitoring methods such as the transcranial Doppler and near infrared spectroscopy (NIRS) characteristic changes in cerebral perfusion and oxygenation were defined and described according to the changes in hemodynamic parameters such perfusion pressure, temperature and flow rate. The diagnostic value of the astrocytic cell protein S100B was evaluated by measurement of the serum concentrations in infants and children with and without neurological complications. Additionally, the normal and abnormal release patterns were evaluated in experimental setting using an animal model of CPB and DHCA. According to the neuropathological assessment of the brain initial morphological changes were found predominantly in the astroglial cells. Systemic hypothermic perfusion on CPB before the induction of circulatory arrest period of 60 minutes was significantly protective. Ischemic neuronal injury in form of cell nekrosis was found in different brain region particularly after the prolongation of circulatory arrest time in deep hypothermia. The apoptotic cell death was found predominantly in the hippocampal region of the dentate gyrus. The routinely prophylactic systemic use steroid during cardiac surgery is not protective against ischemia and has been found to induce apoptosis in the hippocampus. In the same model the systemic pre-treatment with single high dose of Cyclosporin and FK506 decreased significantly the ischemic neuronal cell injury in different brain region. However, before clinical use further studies are necessary to optimise the dose and mode of application.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden anhand eines Ferkelmodells (8-15kg Schweine, 5 Gruppen: „nicht pulsatile HLM“: n=9, „Minozyklin+HLM“: n= 6, „pulsatile HLM“: n=7, „Minozyklin-Kontrolle: n=6, „Kontrolle“: n=8) während einer 120-minütigen extrakorporaler Zirkulation (EKZ) und einer darauffolgenden 90-minütigen Rekonvaleszenzzeit der physikalische Einflussfaktor des pulsatilen Flusses sowie der pharmakologische Effekt von Minozyklin auf die Niere jeweils unabhängig voneinander untersucht. In allen Gruppen wurden HE-Färbungen sowie immunhistochemische Färbungen (HIF-1-α, 3-Nitrotyrosin, PAR, AIF) durchgeführt um pathologische Veränderungen auf zellulärer Ebene zu detektieren. Zusätzlich wurden energiereiche Phosphate und ihre Abbauprodukte mittels High Pressure/Performance Liquid Chromatography (HPLC) bestimmt. Zur Beurteilung der klinischen Funktion der Niere wurden nierenspezifische Blutwerte (Serumkreatinin, Serumharnstoff) und Laktat im arteriellen Blut bestimmt. Mit der pulsatilen Perfusion konnte ein Abfall des O2-Partialdruckes nicht verhindert werden (HIF-1-α), allerdings konnte die ATP-Konzentration aufrecht erhalten werden. Dies spricht dafür, dass die pulsatile Perfusion im Gegensatz zu der nicht pulsatilen Perfusion keinen relevanten O2-Mangel verursachte. Auch die Ergebnisse der Nitrotyrosin-3-Auswertung zeigen, dass die Bildung von Peroxynitrit reduziert und somit der nitrosative Stress auf die Zellen begrenzt wurde. Die DNA wurde jedoch unabhängig vom gewählten Blutflussprofil geschädigt (PAR). Auch anhand der nierenspezifischen Blutparameter (Serumkreatinin, Serumharnstoff) ließ sich eine postoperative Beeinträchtigung der Nierenfunktion feststellen. Im Vergleich zu der nicht pulsatilen EKZ war hier jedoch eine geringfügige Verbesserung zu erkennen (Serumkreatinin). Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die pulsatile EKZ der Grad der Ischämie beeinflusst werden konnte, allerdings waren insgesamt keine wesentlich positiven Auswirkungen auf zellulärer Ebene und auf die postoperative Nierenfunktion festzustellen. Der Einsatz des technisch anspruchsvollen pulsatilen Perfusionssystems scheint daher in Bezug auf die Niere in der routinemäßigen Herzchirurgie nicht unbedingt erforderlich zu sein. Durch die Gabe von Minozyklin wurde zwar der Grad der Ischämie (HIF-1-α, ATP) nicht beeinflusst, allerdings konnte Minozyklin durch seine antioxidativen bzw. antinitrosativen (3-Nitrotyrosin), PARP-1-hemmenden (PAR) sowie antiapoptotischen (AIF) Wirkmechanismen die Niere offenbar vor den Folgen einer Ischämie schützen. Anhand der nierenspezifischen Blutwerte (Serumkreatinin, Serumharnstoff) wurde erkenntlich, dass Minozyklin die Nierenfunktion positiv beeinflusst, was wiederum die histologischen Befunde bestätigt. Für die Humanmedizin ist somit der Einsatz von Minozyklin während der EKZ eine Möglichkeit die Auswirkungen des Ischämie/Reperfusionsschadens und deren klinische Folgen hinsichtlich der Niere zu begrenzen. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass der einmalige Einsatz eines Antibiotikums auch negativen Einfluss auf den Körper ausübt (Resistenzentwicklung, Nebenwirkungen), sodass Minozyklin aufgrund der in dieser Versuchsreihe gezeigten positiven Eigenschaften, insbesondere die PARP-1-Inhibition, lediglich als Modellsubstanz für Weiterentwicklungen genutzt werden kann.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden anhand eines Ferkelmodells (8-15kg Schweine, 5 Gruppen: „nicht pulsatile HLM“: n=9, „Minozyklin+HLM“: n= 6, „pulsatile HLM“: n=7, „Minozyklin-Kontrolle: n=6, „Kontrolle“: n=8) während einer 120-minütigen extrakorporaler Zirkulation (EKZ) und einer darauffolgenden 90-minütigen Rekonvaleszenzzeit der physikalische Einflussfaktor des pulsatilen Flusses sowie der pharmakologische Effekt von Minozyklin auf die Niere jeweils unabhängig voneinander untersucht. In allen Gruppen wurden HE-Färbungen sowie immunhistochemische Färbungen (HIF-1-α, 3-Nitrotyrosin, PAR, AIF) durchgeführt um pathologische Veränderungen auf zellulärer Ebene zu detektieren. Zusätzlich wurden energiereiche Phosphate und ihre Abbauprodukte mittels High Pressure/Performance Liquid Chromatography (HPLC) bestimmt. Zur Beurteilung der klinischen Funktion der Niere wurden nierenspezifische Blutwerte (Serumkreatinin, Serumharnstoff) und Laktat im arteriellen Blut bestimmt. Mit der pulsatilen Perfusion konnte ein Abfall des O2-Partialdruckes nicht verhindert werden (HIF-1-α), allerdings konnte die ATP-Konzentration aufrecht erhalten werden. Dies spricht dafür, dass die pulsatile Perfusion im Gegensatz zu der nicht pulsatilen Perfusion keinen relevanten O2-Mangel verursachte. Auch die Ergebnisse der Nitrotyrosin-3-Auswertung zeigen, dass die Bildung von Peroxynitrit reduziert und somit der nitrosative Stress auf die Zellen begrenzt wurde. Die DNA wurde jedoch unabhängig vom gewählten Blutflussprofil geschädigt (PAR). Auch anhand der nierenspezifischen Blutparameter (Serumkreatinin, Serumharnstoff) ließ sich eine postoperative Beeinträchtigung der Nierenfunktion feststellen. Im Vergleich zu der nicht pulsatilen EKZ war hier jedoch eine geringfügige Verbesserung zu erkennen (Serumkreatinin). Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die pulsatile EKZ der Grad der Ischämie beeinflusst werden konnte, allerdings waren insgesamt keine wesentlich positiven Auswirkungen auf zellulärer Ebene und auf die postoperative Nierenfunktion festzustellen. Der Einsatz des technisch anspruchsvollen pulsatilen Perfusionssystems scheint daher in Bezug auf die Niere in der routinemäßigen Herzchirurgie nicht unbedingt erforderlich zu sein. Durch die Gabe von Minozyklin wurde zwar der Grad der Ischämie (HIF-1-α, ATP) nicht beeinflusst, allerdings konnte Minozyklin durch seine antioxidativen bzw. antinitrosativen (3-Nitrotyrosin), PARP-1-hemmenden (PAR) sowie antiapoptotischen (AIF) Wirkmechanismen die Niere offenbar vor den Folgen einer Ischämie schützen. Anhand der nierenspezifischen Blutwerte (Serumkreatinin, Serumharnstoff) wurde erkenntlich, dass Minozyklin die Nierenfunktion positiv beeinflusst, was wiederum die histologischen Befunde bestätigt. Für die Humanmedizin ist somit der Einsatz von Minozyklin während der EKZ eine Möglichkeit die Auswirkungen des Ischämie/Reperfusionsschadens und deren klinische Folgen hinsichtlich der Niere zu begrenzen. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass der einmalige Einsatz eines Antibiotikums auch negativen Einfluss auf den Körper ausübt (Resistenzentwicklung, Nebenwirkungen), sodass Minozyklin aufgrund der in dieser Versuchsreihe gezeigten positiven Eigenschaften, insbesondere die PARP-1-Inhibition, lediglich als Modellsubstanz für Weiterentwicklungen genutzt werden kann.