Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Aortocoronary bypass or valve surgery usually require cardiac arrest using cardioplegic solutions. Although, in principle, in a number of cases beating heart surgery (so-called off-pump technique) is possible, aortic or valve surgery or correction of congenital heart diseases mostly require cardiopulmonary arrest. During this condition, the heart-lung machine also named cardiopulmonary bypass (CPB) has to take over the circulation. It is noteworthy that the invention of a machine bypassing the heart and lungs enabled complex cardiac operations, but possible negative effects of the CPB on other organs, especially the brain, cannot be neglected. Thus, neuroprotection during CPB is still a matter of great interest. In this review, we will describe the impact of CPB on the brain and focus on pharmacological and non-pharmacological strategies to protect the brain.

Seit vielen Jahren werden Glukokortikoide routinemäßig eingesetzt, um Zeichen der inflammatorischen Reaktion nach kardiochirurgischen Eingriffen unter extrakorporaler Zirkulation (EKZ) zu mildern. Glukokortikoide sind jedoch für ihre immunsuppressiven Wirkungen bekannt, und bisher blieben die möglichen Auswirkungen auf immunologische Funktionen weitgehend hypothetisch. Ziel der vorliegenden Studie war es daher, den Einfluss von Methylprednisolon (MP) und Tirilazad Mesylat (TM), einer antiinflammatorischen Substanz aus der Klasse der Aminosteroide auf immunologische Funktionen nach koronarchirurgischen Eingriffen mit EKZ zu untersuchen. 38 Patienten wurden randomisiert den Behandlungsgruppen Placebo (NaCl 0,9 %, n=13), MP (15 mg/ kg KG, n=12) und TM (10 mg/kg KG, n=13) zugeteilt. Die Verläufe der Plasmakonzentrationen von IL-6 und IL-10, der monozytären HLA-DR Expression und der ex vivo LPS-stimulierten TNF-alpha, IL-1RA, IFN-gamma und IL-12 Sekretion wurden bestimmt. Im Vergleich zu Placebo resultierte die Gabe von MP in geringeren postoperativen Plasmakonzentrationen von IL-6, aber einer deutlichen Erhöhung von IL-10. Die monozytäre HLA-DR Expression nahm postoperativ in allen Gruppen ab mit einer deutlichen Verstärkung durch MP. Die ex vivo stimulierte TNF-alpha Sekretion nahm postoperativ in allen Gruppen deutlich ab, ebenfalls mit einer deutlichen Verstärkung durch MP. Die IL-1RA Sekretion hingegen war zu keinem Zeitpunkt eingeschränkt. Die ex vivo stimulierte IFN-gamma und IL-12 war postoperativ in allen Gruppen stark vermindert ohne Einfluss einer medikamentösen Behandlung. Die Gabe von TM zeigte keinerlei Beeinflussung aller gemessenen Parameter im Vergleich zu Placebo. Nach koronarchirurgischen Eingriffen sind insbesondere monozytäre Funktionen stark eingeschränkt. Diese Suppression wird durch die Gabe von MP verstärkt, während die Gabe von TM nicht in einer zusätzlichen Immunsuppression resultiert. IL-10 scheint eine Schlüsselrolle bei der beobachteten monozytären Funktionseinschränkung einzunehmen. / Glucocorticoids have been routinely applied in cardiac surgery involving cardiopulmonary bypass (CPB) for many years in order to diminish inflammatory stress reactions. On the other hand glucocorticoids are well known for their immunosuppressive effects, and data on the consequences on immune function are scarce. Thus it was the aim of this trial to determine the influence of methylprednisolone (MP) and tirilazad mesylate (TM), an antiinflammatory drug of the class of aminosteroids, on immunological parameters after coronary surgery involving CPB. 38 patients were randomised to receive either placebo (NaCl 0.9 %, n=13), MP (15 mg/kg, n=12) or TM (10 mg/kg, n=13) treatment. Plasma concentrations of IL-6 and IL-10, monocyte surface expression of HLA-DR and the ex vivo endotoxin-stimulated secretion of TNF-alpha, IL-1RA, IFN-gamma und IL-12 were measured. Compared to placebo IL-6 concentrations were lower after MP treatment, whereas IL-10 levels were much higher. The rate of HLA-DR+-monocytes decreased in all groups with a significant aggravation by MP treatment. The ex vivo stimulated TNF-alpha secretion was postoperatively diminished in all groups, with again significantly lower values after MP treatment. IL-1RA secretion was not suppressed at any point. The ex vivo stimulated IFN-gamma and IL-12 secretion was strongly suppressed postoperatively regardless of the treatment. TM treatment resulted in no alterations of any parameter measured. It was demonstrated that especially monocyte functions are depressed after coronary surgery, and that MP treatment results in marked aggravation of this immunosuppression, whereas TM treatment shows no additional immunosuppressive effect. IL-10 seems to play a key role in the observed monocyte functional depression.

Aortocoronary bypass or valve surgery usually require cardiac arrest using cardioplegic solutions. Although, in principle, in a number of cases beating heart surgery (so-called off-pump technique) is possible, aortic or valve surgery or correction of congenital heart diseases mostly require cardiopulmonary arrest. During this condition, the heart-lung machine also named cardiopulmonary bypass (CPB) has to take over the circulation. It is noteworthy that the invention of a machine bypassing the heart and lungs enabled complex cardiac operations, but possible negative effects of the CPB on other organs, especially the brain, cannot be neglected. Thus, neuroprotection during CPB is still a matter of great interest. In this review, we will describe the impact of CPB on the brain and focus on pharmacological and non-pharmacological strategies to protect the brain.

Background: Lung dysfunction constitutes a severe complication after major cardiac surgery with cardiopulmonary bypass (CPB), substantially contributing to postoperative morbidity and mortality. The current possibilities of preventive and therapeutic interventions, however, remain insufficient. We, therefore, investigated the effects of intraoperative application of the antioxidant and anti-inflammatory green tea polyphenol epigallocatechin-3-gallate (EGCG) on CPB-associated lung injury. Materials and methods: Thirty piglets (8 - 15 kg) were divided into four groups: sham-operated and saline-treated control group (n = 7); sham-operated and EGCG-treated control group (EGCG-control group; n = 7); CPB group (n = 10); and CPB + EGCG group (n = 6). The CPB groups underwent 120 min of CPB followed by 90 min of recovery time. In the CPB + EGCG group, EGCG (10 mg/kg body weight) was administered intravenously before and after CPB. Hemodynamic monitoring, blood gas analysis, hematoxylin-eosin staining, and immunohistochemistry of lung tissue were performed. Results: Histologic examination revealed thickening of the alveolar wall and enhanced alveolar neutrophil infiltration in the CPB group (P < 0.05) compared with those in the control group, which was prevented by EGCG (P < 0.05). In the CPB group, higher formation of poly(ADP-ribose) and nuclear translocation of apoptosis-inducing factor were detected in comparison with those in the control group (P < 0.001), which were both reduced in the CPB + EGCG group (P < 0.001). Compared with the control group, the EGCG-control group showed thickening of the alveolar wall and increased neutrophil infiltration (P < 0.05). Conclusions: CPB leads to lung edema, pulmonary neutrophil infiltration, and presumably initiation of poly(ADP-ribose) polymerase-dependent cell death signaling in the lung. EGCG appears to attenuate CPB-associated lung injury, suggesting that this may provide a novel pharmacologic approach.

Das mit dem kardiopulmonalen Bypass assoziierte kapilläre Leck bei Operationen am offenen Herzen führt zu einem Anstieg des totalen Wassergehalts des Körpers, wobei es vor allem zu einer pulmonalen sowie myokardialen Ödementwicklung kommt. Mit der von Naik, Knight und Elliott (1991) hinsichtlich Filterposition und Filtrationszeitpunkt beschriebenen modifizierten Form der Ultrafiltration unmittelbar nach Abgang vom Bypass konnte eine markante Reduzierung der mit dem Bypass assoziierten Flüssigkeitsakkumulation sowie eine unmittelbare Verbesserung der hämodynamischen Parameter (Herzindex, myokardiale Kontraktilität, verminderter postoperativer Verbrauch inotroper Substanzen) nachgewiesen werden. Ziel vorliegender Studie ist deshalb die Untersuchung der Auswirkung der modifizierten Ultrafiltration auf die Lungenfunktion. Für diese Studie wurden 37 Kinder (Alter 3 Tage bis 92 Monate, Gewicht 3,1 bis 21,3 kg) beobachtet, bei denen die operative Korrektur eines angeborenen Herzfehlers unter Einsatz der Herz-Lungen-Maschine (kardiopulmonaler Bypass mit extrakorporaler Membranoxygenierung) vorgenommen wurde. Bei 27 Kindern wurde nach Abgang von der Herz-Lungen-Maschine die modifizierte Hämofiltration durchgeführt, 10 Kinder dienten als Kontrollgruppe. Bei allen Patienten wurden vor Beginn sowie nach Abschluß des Einsatzes der Herz-Lungen-Maschine, nach der ca. zehn Minuten dauernden modifizierten Ultrafiltration bzw. bei der Kontrollgruppe zu einem vergleichbaren Zeitpunkt ca. zehn Minuten nach Entwöhnung vom kardiopulmonalen Bypass und nach einem weiteren Zeitraum von ca. zehn Minuten mittels dynamischer Lungenfunktionsmessung Parameter der Lungenmechanik (dynamische Compliance und Resistance) sowie Lungenfunktion (alveoloarterielle Sauerstoffdifferenz) bestimmt. Außerdem wurden hämodynamische (arterieller und zentralvenöser Blutdruck) und rheologische Veränderungen (Hämoglobin, Hämatokrit) aufgezeichnet. Bei der modifizierten Ultrafiltration zeigte sich unmittelbar nach Filtrationsende mit dem signifikanten Anstieg der Compliance um 13,9 % ein Effekt, der sich etwa 10 Minuten nach Filtrationsende noch weiter steigerte. Weiterhin konnte ein Abfall der alveoloarteriellen Sauerstoffdifferenz um insgesamt 29,2 % gemessen werden. Es ließ sich jedoch keine proportionale Abhängigkeit zwischen der Ultrafiltratmenge und der Verbesserung der Lungenfunktion nachweisen. Die von anderen Autoren unter modifizierter Ultrafiltration festgestellten Veränderungen der Hämodynamik, wie zum Beispiel der signifikante Anstieg des arteriellen Blutdruckes, oder der rheologischen Veränderungen, wie zum Beispiel ein Anstieg des Hämatokrit-Wertes, ließen sich bestätigen. Die Ergebnisse zeigen, daß durch die modifizierte Technik der Ultrafiltration eine unmittelbare Verbesserung der postoperativen Lungenfunktion erreicht werden kann. / The capillary leak, associated with cardiopulmonary bypass in open heart surgery, causes a rise of total body water resulting in tissue, especially in pulmonary and myocardial edema. The modified ultrafiltration is a new aproach to reduce these edemas, first described by Naik, Knight and Elliot in 1991. With the modification of the postition of the ultrafilter in the bypass circuit and the time of filtration in the first minutes after the patient has been weaned from bypass a significant reduction of the bypass associated fluid accumulation could be shown as well as an improvement of hemodynamics (heart index, myocardial contractility, reduced need of inotopic drugs). To investigate the influence of the modified ultrafiltration on the lung function is the objective of this study. In this study 37 children (aging from 3 days to 92 months, weighting from 3.1 to 21.3 kg) have been examined in cardiac surgery for moderate to severe congenital heart disease with the application of the cardiopulmonary bypass. The effect of modified ultrafiltration, which immediately started after being weaned from the cardiopulmonary bypass, was studied in 27 children, 10 children formed the controll population. In all patients alterations in pulmonary mechanics (dynamic compliance and resistance), in pulmonary function (alveolar-arterial difference of oxygen), in hemodynamics (arterial and central venous blood pressure, heart rate) and in blood values (hemoglobin, hematocrit) could be recorded at frequent intervals. The measurements were done before and after being weaned from bypass, after conclusion of the modified ultrafiltration respectively after a comparable intervall in the control group and about 10 minutes later before the closure of the chest was performed. After the modified ultrafiltration a significant increase of pulmonary compliance of about 13.9 % was observed, an effect, which was further amplified in the next 10 minutes. Furthermore a decrease of alveolar-arterial difference of oxygen of 29.2 % could be shown, but no correlation between the amount of ultrafiltrat and improvement of pulmonary function could be proved. Other findings like a significant increase of arterial blood pressure or an increase of the hematocrit, which were also described by other authors in previous studies, could be confirmed. The results indicate, that by using the modified technique of ultrafiltration an improvement of pulmonary function is achievable.

Hintergrund: Das akute Nierenversagen ist eine häufige Komplikation nach einer Herzoperation bei Neugeborenen, Säuglingen und Kleinkindern. Die Bedeutung der postoperativen Hämodynamik für eine Nierenschädigung ist gut bekannt, jedoch ist der Einfluß des kardiopulmonalen Bypasses und des tiefen hypothermen Kreislaufstillstandes weniger klar. Überdies gibt es Veränderungen der Blutviskosität während und nach der Herzoperation am kardiopulmonalen Bypass, welche die Nierenfunktion beeinflussen können. Aus diesem Grunde wurde der Einfluß der Blutviskosität am kardiopulmonalen Bypass und des tiefen hypothermen Kreislaufstillstandes auf die Nierenfunktion in dieser Patientengruppe untersucht. Methode: Untersucht wurden 44 Patienten mit einem Körpergewicht unter 10 kg, die am kardiopulmonalen Bypass operiert wurden. Von diesen erfolgte die Herzoperation bei 7 Patienten unter zusätzlicher Anwendung des tiefen hypothermen Kreislaufstillstandes. Bei allen Patienten wurden zu verschiedenen Zeitperioden Messungen zur Beschreibung der Nierenfunktion (Diurese, Kreatinin-Clearance und Gesamtprotein, Albumin, alpha-1-Mikroglobulin, Transferrin, IgG, N-Acetyl-beta-D-Glucosaminidase im Urin) und Bestimmungen der Blut- und Plasmaviskosität, der Erythrozytenaggregation und des kolloidosmotischen Druckes durchgeführt. Beide Gruppen wurden hinsichtlich des Einflusses des Kreislaufstillstandes auf die Nierenfunktion miteinander verglichen. Ergebnisse: Die während des kardiopulmonalen Bypasses im Zusammenhang mit einem erhöhten transglomerulären Filtrationsgradienten entstandene Polyurie und Proteinurie normalisierte sich innerhalb von 24 Stunden postoperativ. Die renale Ausscheidung von N-Acetyl-beta-D-Glucosaminidase und die erhöhte Natriumausscheidung zeigten zusätzlich eine tubuläre Schädigung an. Bei Hypothermie hatte die Plasmaviskosität einen deutlichen Einfluß auf die Blutviskosität, die während hypothermer Perfusion mit den im Urin gemessenen Werten von Albumin und N-Acetyl-beta-D-Glucosaminidase korrelierte. Die Patienten in der Kreislaufstillstandsgruppe hatten eine längere Bypasszeit und eine niedrigere minimale Körpertemperatur im Vergleich zu den Patienten ohne Kreislaufstillstand (p < 0,05). Diurese und Kreatinin-Clearance zeigten keine Differenzen zwischen beiden Gruppen. Während der Reperfusion wurde in der Kreislaufstillstandsgruppe signifikant mehr Albumin renal ausgeschieden als in der Vergleichsgruppe, ebenso Albumin und N-Acetyl-beta-D-Glucosaminidase nach dem kardiopulmonalen Bypass (p < 0,01). Schlußfolgerung: Die kardiopulmonale Bypassperfusion könnte eine Proteinurie und einen milden tubulären Schaden verursachen. Die Blutviskosität scheint dafür ein mitbestimmender Faktor zu sein und ist möglicherweise während hypothermer Perfusion wesentlich von der Plasmaviskosität abhängig. Es ist notwendig und wünschenswert anhand einer prospektiven Interventionsstudie den Einfluß der Blut- und Plasmaviskosität auf die postoperative Nierenfunktion zu untersuchen. Der tiefe hypotherme Kreislaufstillstand kann die Empfindlichkeit der Niere für einen Ischämie-Reperfusions-Schaden steigern. Obgleich die Befunde mild sind und keinen schweren ischämischen Nierenschaden anzeigen, sollte der durch den Kreislaufstillstand verursachte potentielle Nierenschaden für die Planung des chirurgischen Eingriffs bei Patienten mit angeborenen Herzfehlern als zusätzliches Risiko für ein akutes Nierenversagen mit in Betracht gezogen werden. / Background: Acute renal failure is a common complication after cardiopulmonary bypass in infants. Whereas it is well known that postoperative hemodynamics inflict acute renal failure, the influence of extracoporeal circulation on the kidney is less clear. Moreover, changes in blood viscosity occur during and after surgery, which may influence renal dysfunction. For this reason, the impact of blood viscosity during cardiopulmonary bypass and circulatory arrest on renal function was investigated. Methods: 44 patients weighting less than 10 kg operated on cardiopulmonary bypass were investigated, inclusive of 7 patients who additionally underwent circulatory arrest. In all patients analyses of renal function (diuresis, creatinine clearance, urinary total protein, albumin, alpha-1-microglobulin, transferrin, IgG, and N-acetyl-beta-D-glucosaminidase), blood, and plasma viscosity measurements, erythrocyte aggregation and colloid osmotic pressure were performed. Both groups were compared with regard to the impact of circulatory arrest on renal function. Results: Polyuria and proteinuria that appeared during cardiopulmonary bypass indicated an elevated transglomerular filtration gradient, which recovered within 24 hours. The appearance of N-acetyl-beta-D-glucosaminidase in the urine and elevated sodium excretion were additionally indicative of mild tubular damage. With hypothermia, plasma viscosity could had a major impact on the blood viscosity, which, during hypothermic perfusion, seemed to be related to proteinuria and N-acetyl-beta-D-glucosaminidase values. The patients of the circulatory arrest group had a longer bypass time and a lower body temperature in compare to the patients without circulatory arrest (p < 0.05). Diuresis and creatinine clearance revealed no differences between both groups. During reperfusion in the circulatory arrest group significantly more albumin were excreted as in the comparison group, likewise albumin and N-acetyl-beta-D-glucosaminidase after cardiopulmonary bypass (p < 0.01). Conclusions: Cardiopulmonary bypass perfusion could cause proteinuria and mild tubular damage. Blood viscosity may be one possible contributing factor, which in hypothermia may depend mainly on plasma viscosity. It is necessary and desirable to investigate the impact of blood, and plasma viscosity on postoperative renal function based on a prospective intervention study. The deep hypothermic circulatory arrest can increase the sensitivity of the kidney to an ischemia-reperfusion injury. Although the findings are mild and do not indicate severe ischemic renal damage, potential renal damage by deep hypothermic circulatory arrest should be taken into account for planning surgical procedures for congenital heart disease patients with additional risks of acute renal failure.

Background: Lung dysfunction constitutes a severe complication after major cardiac surgery with cardiopulmonary bypass (CPB), substantially contributing to postoperative morbidity and mortality. The current possibilities of preventive and therapeutic interventions, however, remain insufficient. We, therefore, investigated the effects of intraoperative application of the antioxidant and anti-inflammatory green tea polyphenol epigallocatechin-3-gallate (EGCG) on CPB-associated lung injury. Materials and methods: Thirty piglets (8 - 15 kg) were divided into four groups: sham-operated and saline-treated control group (n = 7); sham-operated and EGCG-treated control group (EGCG-control group; n = 7); CPB group (n = 10); and CPB + EGCG group (n = 6). The CPB groups underwent 120 min of CPB followed by 90 min of recovery time. In the CPB + EGCG group, EGCG (10 mg/kg body weight) was administered intravenously before and after CPB. Hemodynamic monitoring, blood gas analysis, hematoxylin-eosin staining, and immunohistochemistry of lung tissue were performed. Results: Histologic examination revealed thickening of the alveolar wall and enhanced alveolar neutrophil infiltration in the CPB group (P < 0.05) compared with those in the control group, which was prevented by EGCG (P < 0.05). In the CPB group, higher formation of poly(ADP-ribose) and nuclear translocation of apoptosis-inducing factor were detected in comparison with those in the control group (P < 0.001), which were both reduced in the CPB + EGCG group (P < 0.001). Compared with the control group, the EGCG-control group showed thickening of the alveolar wall and increased neutrophil infiltration (P < 0.05). Conclusions: CPB leads to lung edema, pulmonary neutrophil infiltration, and presumably initiation of poly(ADP-ribose) polymerase-dependent cell death signaling in the lung. EGCG appears to attenuate CPB-associated lung injury, suggesting that this may provide a novel pharmacologic approach.