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 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 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.