No description available.

Abstract Open aortic arch surgery almost always requires a bloodless operating field which necessitates the use of hypothermic circulatory arrest. Hypothermic circulatory arrest is a technique where the core temperature of a patient is lowered so that the systemic blood circulation can be stopped momentarily. This can cause unwanted damage to the brain. The risk for neurological impairment is at its highest when corrective surgery has to be performed in emergency situations. This highlights the need for additional neuroprotective methods. Our research group has used a porcine model described in this thesis for about 12 years in various setups to study many neuroprotective hypotheses. We have tested and researched surgical and CPB strategies that could be useful in a HCA and aortic arch reconstruction setting. In this thesis we have combined both chronic surviving animal data with acute experiments and aim to shed light on the mechanisms and efficacy of RIPC as neuroprotective method. In our experimental model, RIPC provided a mitigation of inflammatory response and cerebral injury after prolonged HCA. In general, the collected data showed homogeneity as similar biochemical results were seen in study I and II. Also interestingly, study III and IV possibly shed some light as to the mechanisms of the neuroprotective effect seen in Study II. These results seem to corroborate each other in a logical way. In study I which was acute experiment we saw faster EEG recovery rates in the intervention group. Additionally we recorded beneficial biochemical changes from samples that were collected from the brain. In our chronic study, were the animals were followed for a 7 day period after hypothermic circulatory arrest, we saw a statistically significant neuroprotective effect of remote ischemic preconditioning. In studies III and IV we attempted to shed light on the mechanisms. Study III revealed that an altered oxygen usage profile during hypothermic circulatory arrest and recovery phase might have a role in the neuroprotection. In study IV we saw a reduced microcirculatory leukocyte accumulation in cerebrocortical vessels was noted using an intravital microscope. The intravital microscope also provided results that indicated a difference in the redox state of the mitochondria via NAD+/NADH autofluorescence measurements. / Tiivistelmä Sydän- ja aorttakirurgiassa tarvitaan jossain tilanteissa täysin veretöntä leikkausaluetta. Verettömän leikkausalueen saavuttamiseksi joudutaan joskus turvautumaan potilaan elimistön jäähdytyksen jälkeiseen verenkierron pysäytykseen. Tämän menetelmän haittana on kuitenki aivokudokselle aiheutuva hapenpuute ja tästä mahdollisesti seuraava vaurioituminen. Vaurioitumisen riski on korkeimillaan erityisesti päivystyksellisissä tilanteissa. Tämän tutkimuksen tavoitteena on ollut selvittää, onko esialtistavalla raajaiskemialla kykyä suojata aivokudosta hapenpuutostilanteissa. Tutkimusryhmämme on viimeisen 12 vuoden aikana tutkinut sianporsailla eri keinoja, joilla voitaisiin parantaa aivojen suojausta sydän- ja aorttakirurgian aikana. Esialtistava raajaiskemia toteutetaan kiristämällä mansetti eläimen oikean takajalan ympärille. Tämän jälkeen mansetti täytetään viiden minuutin välein neljästi. Täyttökertojen välissä pidettään viiden minuutin tauko, jolloin mansetti on avatuna ja jalan verenkierto palautuu normaaliksi. Ensimmäisessä tutkimuksessamme totesimme, että esialtistava raajiskemia vaikuttaa aivojen sähkökäyrän toipumista nopeuttavasti. Toisessa tutkimuksessamme seurasimme koe-eläimiä seitsemän päivän ajan kokeen jälkeen. Tämän tutkimuksen yhteydessä toteutessa aivokudoksen mikroskooppiananalyysissä havaitsimme, että raajaiskemia vaikutti suojaavan aivokudosta hapenpuutteen aiheuttamilta aivovaurioilta. Kolmanessa tutkimuksessa selvitimme, että raajaiskemia vaikuttaa aivojen happipitoisuuteen sekä verenkierron pysäytyksen aikana että toipumisvaiheessa. Viimeisessä tutkimuksessa kuvasimme aivojen pintaverisuonia mikroskoopilla. Seurasimme kokeessa valkosolujen käyttäytymistä aivokudoksessa käyttäen fluoresoivia lääkeaineita. Havaitsimme, että raajaiskemiaryhmässä valkosoluja oli aivokudoksen pintaverisuonissa merkittävästi vähemmän. Lisäksi samalla menetelmällä tutkimme sitruunahappokiertoon osallistuvan NAD+/NADH parin suhteita autofluoresenssi ilmiöllä. Autofluorensenssi tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että mitokondrioiden hapetus/pelkistys kyky oli parempi raajaiskemia ryhmässä. Kokeissamme esialtistava raajaiskemia vähensi tulehdussolujen määrää aivokudoksessa sekä vähensi aivovauriota hapenpuutteen jälkeen.

Abstract Ischaemic cerebral injury follows a well attested sequence of events including three phases, i.e. depolarization, biochemical cascade and reperfusion injury. Glutamate excitotoxicity plays an important role in the development of ischaemic brain injury following prolonged hypothermic circulatory arrest (HCA), and leukocyte infiltration and a cytokine-mediated inflammatory reaction are known to play a pivotal role in the reperfusion phase. The aim of this series of experimental studies was to develop biochemical and reperfusion-related strategies to improve brain protection. We tested the hypotheses that the Na+ channel blocker lamotrigine (I) or the N-Methyl-D-Aspartate-receptor antagonist memantine (III) could improve the cerebral outcome after HCA and studied whether a leukocyte-depletion filter (L-DF; LeukoGuard LG6®, Pall Biomedical, Portsmouth, U.K) could mitigate brain injury (II). The aim of the fourth study was to find out whether lamotrigine combined with the leukocyte-depleting filter can potentiate cerebral protection (IV). A chronic porcine model was used, in which haemodynamic, electrophysiological, metabolic and temperature monitoring were performed for four hours after the instigation of rewarming and S-100β measured up to 20 hours. Cytokines were measured, microdialysis was performed, and daily behavioural assessments were made until death or elective sacrifice on the seventh postoperative day, upon which a histopathological analysis of the brain was carried out. The rate of EEG burst recovery was higher in the lamotrigine-treated animals, the median being 40% of the baseline compared with 17% in the placebo group at 4 hours after the start of rewarming (p = 0.02) and 80% compared with 20% at 4 hours (p = 0.01). Complete behavioural recovery was seen in 5/8 of cases (63%) after lamotrigine administration, compared with 1/8 (13%) in the placebo group (p = 0.02). The median behavioural score among the animals that survived for 7 days was higher in the lamotrigine group (8) than in the controls (7) (p = 0.02). Mortality was 2/10 in the L-DF group and 5/10 in the controls, the median behavioural score on day 7 being higher in the L-DF group (8.5 vs. 3.5 p = 0.04). The median of the total histopathological score was 6.5 in the L-DF group and 15.5 in the control group (p = 0.005). In the memantine group 5/10 animals survived seven days, as compared with 9/10 in the placebo group, and the median behavioural score on day 7 was 3.5 compared with 7.5 in the placebo group (p = 0.39). The median of the total histopathological score was 16 in the memantine group and 14 in the placebo group (p = 0.25). In the LD-F + lamotrigine group 7/8 animals survived for seven days, as compared with 4/8 in the lamotrigine only group and 3/8 among the controls. EEG burst recovery 7 hours after the start of rewarming was highest in the LDF + lamotrigine group, the median being 94% (p = 0.024 vs. controls), compared with 81% in the lamotrigine group and 64% in the control group. The median behavioural score on day 7 was 9 in the LD-F + lamotrigine group (p = 0.004 vs. controls), 4 in the lamotrigine group and 0 in the control group, while the median of total histopathological score was 14 (p = 0.046 vs controls), 14.5 (p = 0.062 vs. controls) and 21, respectively. The control group had the highest intracerebral lactate, glutamate and glycerol levels after HCA. In conclusion, the results indicate that the NA+ channel blocker lamotrigine improves the neurological outcome after a prolonged period of HCA but that the NMDA receptor antagonist memantine does not have this property in the present setting. The leukocyte-depleting filter mitigates brain injury after a prolonged period of HCA, and lamotrigine can potentiate this effect.

Abstract In pathologies of the ascending aorta or in congenital heart defects, circulation may be temporarily halted during surgical intervention. This is achieved by operating under deep hypothermic circulatory arrest or under hypothermia combined with isolated perfusion techniques. For deep hypothermic circulatory arrest (DHCA), the patient is cooled below 18°C using an extracorporeal heart-lung machine, and circulation and breathing are stopped. The advantage of hypothermia is that it decreases oxygen and glucose consumption and provides the surgeons the time required to repair complex heart defects. However, there is still a relatively high risk of neurological complications that can affect the quality of life of patients and their families. One of the methods to mitigate ischaemia-reperfusion injury is remote ischaemic preconditioning. In this work, the neuroprotective mechanisms of remote ischaemic preconditioning (RIPC) were studied in acute and surviving chronic animal models. In study I, we used an acute model, and studied the effects of RIPC in cerebral microcirculation using an intravital microscope and samples analysed by transmission electron microscope. In study II, a chronic model was used to evaluate whether the effects of remote ischaemic preconditioning can be seen in the markers of oxidative stress or in redox-regulating enzymes. Study III was conducted to supplement the findings of study II, considering the markers of oxidative stress. Findings in all studies were consistent with one another. Study I showed the effect of remote ischaemic preconditioning on leukocyte activation and adhesion to cerebrocortical vessels in piglets after prolonged DHCA. Additionally, cellular preservation of endoplasmic reticulum was present in transmission electron microscope analysis of the central nervous system. In studies II and III, the remote ischaemic preconditioning lowered markers of ischaemia-reperfusion-related oxidative stress. In study III the remote ischemic preconditioning lowered oxidative stress already during cardiopulmonary bypass. / Tiivistelmä Hoidettaessa nousevan aortan sairauksia ja synnynnäisiä sydänvikoja verenkierto voidaan tilapäisesti pysäyttää kirurgisten toimenpiteiden ajaksi. Tämä saavutetaan jäähdyttämällä elimistö verenkierron pysäytyksen ajaksi tai jäähdytettynä isoloitujen perfuusiotekniikoiden avulla. Potilas jäähdytetään alle 18 °C lämpötilaan käyttäen kehonulkoista sydän-keuhkokonetta, minkä jälkeen verenkierto ja hengitys voidaan väliaikaisesti pysäyttää. Elimistön viilentäminen vähentää hapen ja glukoosin kulutusta ja antaa kirurgeille aikaa korjata monimutkaisia sydänsairauksia. Verenkierron pysäytyksestä ja palauttamisesta voi ilmaantua keskushermostoon iskemia-reperfuusiovaurioita, mitkä vaikuttavat potilaiden ja heidän läheistensä elämänlaatuun. Esialtistava raajaiskemia on yksi tutkituista menetelmistä lieventää iskemia-reperfuusiovauriota. Tässä työssä esialtistavan raajaiskemian hermostoa suojaavia mekanismeja tutkittiin akuutilla ja kroonisilla koe-eläinmalleilla. Tutkimuksessa I tutkimme esialtistavan raajaiskemian vaikutuksia aivojen mikroverenkiertoon kuvaamalla aivojen pintaverisuonia mikroskoopilla, ja hermosoluihin käyttäen läpäisyelektronimikroskooppia. Tutkimuksessa II kroonisella mallilla tutkittiin voiko esialtistavan raajaiskemian vaikutuksia nähdä oksidatiivisen stressin määrässä tai hapetus-pelkistys reaktioita säätelevissä entsyymeissä. Kolmas tutkimus tehtiin toisen tutkimuksen päätelmien täydentämiseksi mitaten oksidatiivista stressiä. Kaikkien osatöiden löydökset olivat keskenään johdonmukaisia. Ensimmäisessä osatyössä esialtistava raajaiskemia vaikutti leukosyyttiaktivaatioon ja leukosyyttien tarttumiseen aivojen pintaverisuoniin pidennetyn hypotermisen verenkierron seisautuksen jälkeen. Myös hermosolujen sisäisten soluelinten säilyminen näkyi läpäisyelektronimikroskoopilla raajaiskemiaryhmällä. Tutkimuksissa II ja III esialtistava raajaiskemian todettiin alentavan iskemia-reperfuusion aiheuttamaa oksidatiivista stressiä, jonka todettiin tapahtuvan/alkavan jo sydän-keuhkokoneen käytön aikana tutkimuksen III perusteella.

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.