Abstract During cardiac and aortic surgery, disturbance of the blood supply in the central nervous system occurs when the repair of aortic pathologies is performed or a bloodless operation field is needed in complex cardiac surgery. To enable the suitable operation environment, the technique named hypothermic circulatory arrest (HCA) has been utilized via heart-lung machine. In this method, the core temperature is lowered to the target temperature, after which blood circulation is halted for a certain period of time. A challenge is that the successful usage of HCA, however still involves the risks of postoperative neurological complications and mortality. In cardiac and aortic arch surgery, the brain is at the highest risk for deficits, whereas in the repair of thoracoabdominal aortic aneurysms (TAAAs), spinal cord injury remains the most severe adverse outcome. Adjunctive protective strategies are required to reduce ischemic injury in these settings. In this thesis, Studies I and II focused on the spinal cord and the Study III on the brain. The studies were performed using acute (II, III) or subacute (I) experimental porcine models, primarily aiming to assess the effectiveness of remote ischemic preconditioning (RIPC) in spinal cord protection along with the aim of studying the underlying mechanisms of RIPC in neuroprotection. Studies I and II demonstrated enhanced motor evoked potential (MEP) responses in both hind limbs, indicating spinal cord protection by RIPC. The faster recovery of brain damage marker S100B along with higher cardiac index and lower systemic lactate levels confirmed the cardio- and neuroprotective properties of RIPC in Study III. The protective mechanism of RIPC was associated with increased antioxidant response (II, III). / Tiivistelmä Sydän- ja aorttakirurgiassa, keskushermoston verenkiertoa joudutaan häiritsemään toteutettaessa aortan korjausleikkauksia tai vaikeissa sydänkirurgisissa toimenpiteissä verettömän leikkausalueen saavuttamiseksi. Sydän-keuhkokoneen avulla toteutettava täydellinen verenkierron pysäytys mahdollistaa vaaditut olosuhteet. Tässä menetelmässä ydinlämpötilaa lasketaan ja verenkierron pysäytys toteutaan tavoitellussa kohdelämpötilassa tietyssä aikaikkunassa. Kyseisen menetelmän onnistunut käyttö sisältää kuitenkin riskejä operaatioiden jälkeisiin neurologisiin komplikaatioihin ja kuolleisuuteen. Sydämen ja aortankaaren kirurgiassa aivot ovat suurimmassa vaarassa vaurioille. Rinta- ja vatsa-aortan aneurysmien eli pullistumien korjausleikkauksiin liittyvä selkäydinvaurio on puolestaan yksi vakavimmista ja vaikeimmista seurauksista. Lisäsuojausmenetelmiä tarvitaan vähentämään iskeemistä vauriota näissä asetelmissa. Väitöskirjan osatyöt I ja II keskittyivät selkäytimeen. Osatyö III käsitteli puolestaan aivojen suojausta. Osatyöt toteutettiin akuutteina (II, III) ja subakuutteina (I) kokeellisina porsasmalleina. Tutkimusten tavoitteina oli arvioida esialtistavan perifeerisen raajaiskemian vaikuttavuutta selkäytimen suojauksessa sekä tutkia raajaiskemian taustalla olevia mekanismeja hermokudoksen suojauksessa. Osatöissä I, II havaittiin motoristen herätepotentiaalien parantuneita vasteita molemmissa takajaloissa osoittaen esialtistavan raajaiskemian suojaavan selkäydintä simuloidussa rinta-aortan korjaustoimenpiteessä. Osatyö III keskittyi alhaisessa lämpötilassa toteutettavaan täydelliseen verenkierron pysäytykseen. Tässä tutkimuksessa todetut aivovauriomarkkeri S100B tason nopeampi lasku, korkeampi sydänindeksi ja alhaisemmat laktaattitasot varmistivat raajaiskemian sydän- ja hermokudossuojausvaikutusta. Esialtistavan perifeerisen raajaiskemian suojaava mekanismi voidaan liittää parantuneeseen solujen antioksidanttivasteeseen (II, III).

Abstract The repair of thoracoabdominal aortic aneurysms carries a substantial risk of ischaemic perioperative spinal cord injury. Although several protective methods have been developed, the risk of paraplegia has not been eliminated. Moreover, aortic aneurysms, including arch aneurysms, are complex clinical challenges requiring cerebral protection with hypothermic circulatory arrest (HCA). Hypothermia lowers the rate of cerebral metabolism and allows a temporary halt of the systemic circulation. However, there is still a risk for cerebral damage and a need for additional neuroprotective methods. During the last 15 years, our research group has used a porcine model to investigate a variety of neuroprotective tools. In this thesis, an animal model was utilized to study the efficacy of remote ischaemic preconditioning (RIPC) to ameliorate ischaemic damage to the central nervous system, and to shed light on the potential mechanism. Moreover, diazoxide, the pharmacological mimetic of RIPC, was tested in the HCA animal model. In the first Study (I), RIPC showed beneficial effect on the spinal cord against ischaemic insult as recorded with motor-evoked potentials. Strikingly, the beneficial effect of RIPC was observed even before the ischaemia. In the second Study (II), some beneficial effect of RIPC was seen in the immunohistochemical analysis of the spinal cord ischemia but the result remains inconclusive. Similarly, the diazoxide-treated animals had better hemodynamic status postoperatively and mildy better antioxidant activity of the brain in the third Study (III). The fourth study (IV) was a review of the current knowledge of RIPC from the cardiovascular point of view. Our studies indicate that RIPC might be a potential adjunct for preventing neuronal ischaemic injury in the setting of thoracoabdominal aortic surgery. Our result indicates that further preclinical studies with diazoxide are required before studies can be conducted in humans. / Tiivistelmä Torakoabdominaalisen aortan aneurysman kirurginen korjaaminen sisältää riskin iskeemiselle selkäytimen vauriolle. Vaikka useita suojaavia tekniikoita on kehitetty, paraplegian riskiä ei ole saatu poistettua kokonaan. Kirurgisen korjaamisen haasteellisuus moninkertaistuu, jos aneurysma on laajentunut myös aortan kaareen. Tällöin vaaditaan hypotermista verenkierron pysäytystä (HCA). Hypotermia alentaa aivojen metabolista aktiivisuutta merkittävästi ja siten verenkierron väliaikainen pysäytys on mahdollista. Tästä huolimatta hypotermiseen verenkierron pysäytykseen liittyy riski aivokudoksen vauriolle. Meidän tutkimusryhmämme on tutkinut useita keskushermostoa suojaavia tekniikoita ja lääkeaineita viimeisen 15 vuoden aikana. Käytämme sikaa koe-eläin mallina, jota on tämänkin väitöskirjan osajulkaisuissa käytetty. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena on ollut tutkia sekä esialtistavan raajaiskemian (RIPC) että farmakologisen mimeetin, diazoxiden, keskushermostoa suojaavia vaikutuksia sekä niiden mahdollista vaikutusmekanismia. Ensimmäisessä osajulkaisussa esialtistava raajaiskemia paransi selkäytimen iskemian sietokykyä, mikä näkyi alaraajojen motorisissa herätepotentiaaleissa. Merkittävintä tutkimuksessa oli, että esialtistavan raajaiskemian edulliset vaikutuksen selkäytimeen oli nähtävissä jo ennen iskemiaa. Toisessa osajulkaisussa esialtistava raajaiskemialla oli nähtävissä edullisia, mutta ei varauksettomia, vaikutuksia selkäytimen iskemian immunohistokemiallisessa analyysissä. Kolmannessa osatyössä diazoxidin vaikutukset iskemiaa vastaan nähtiin parempana hemodynaamisena tilana ja antioksidatiivisen aktiivisuuden lisääntymisenä aivoissa, mutta tulos on myös tulkinnanvarainen. Neljäs osajulkaisu kokosi tämän hetken tietämyksen esialtistavasta raajaiskemiasta. Tutkimuksissamme osoitimme, että esialtistava raajaiskemiassa on potentiaalia tulla yhdeksi välineeksi keskushermoston iskemiaa vastaan torakoabdominaalisen aortan kirurgiassa. Lisäksi diazoxidin mahdolliset neuroprotektiiviset vaikutukset vaativat lisää koe-eläintutkimuksia ennen ihmiskokeisiin siirtymistä.