Abstract Cardiac surgery with cardiopulmonary bypass (CPB) results in hemodilution, systemic inflammatory response, activation of coagulation and fibrinolysis, and microembolisation, which may all contribute to postoperative organ dysfunction. As an attempt to attenuate these side effects, the use of minimized cardiopulmonary bypass (MCPB) systems has increased. Compared to conventional CPB (CCPB), they are characterized with reduced artificial surface area and blood-air interface. The goal of these alterations has been to reduce systemic inflammation, preserve coagulation function and minimize the need for blood tranfusions. This study was aimed at determining whether or not MCPB attenuates the adverse effects of CPB. In study I, the safety, feasibility and effect on transfusion requirements of MCPB was investigated in unselected coronary artery bypass surgery (CABG) patients. In studies II and III, the incidence of retinal microembolism after CABG and aortic valve replacement (AVR) surgery with MCPB was compared to that of CCPB by means of fluorescein angiography. Furthermore, in studies II and III, the effect of MCPB on systemic inflammation, coagulation, endothelial activation and injury, as well as on platelet activity, was compared to those of CCPB. In study IV, the effect of MCPB on intestinal mucosal damage following CPB was compared to CCPB in a porcine model of prolonged CPB. MCPB appeared as safe and feasible as CCPB in unselected CABG patients (Study I). MCPB was associated with decreased retinal microembolism compared to CCPB in CABG patients (Study II). Conversely, the difference in retinal microembolism in AVR patients was not statistically significant (Study III). MCPB was associated with a decrease in neutrophil activation in CABG and AVR patients as compared to CCPB. However, there were no differences in coagulation, endothelial activation and injury, or in platelet activity (Studies II, III). There were no differences in markers of intestinal mucosal damage between MCPB and CCPB following prolonged CPB in the experimental model (Study IV). The results of this study suggest that MCPB may be used safely with CABG patients, with beneficial effects on hematocrit, and attenuated neutrophil activation. In CABG patients, MCPB is associated with reduced retinal microembolism, suggesting a decreased embolic load to the brain. The clinical feasibility of MCBP requires further technical evolution in the management of valve surgery. The results of the animal model support previous concerns regarding intestinal mucosal damage during CPB. / Tiivistelmä Sydänkeuhkokoneen käyttö aiheuttaa elimistössä hemodiluution, yleistyneen tulehdusvasteen ja hyytymisjärjestelmän aktivoitumisen sekä mikroembolisaatiota. Ilmiöt ovat yleensä lieviä ja ohimeneviä, mutta voivat johtaa elintoimintahäiriöihin ja pitkittyneeseen toipumiseen sydänleikkauksen jälkeen. Haittojen lievittämiseksi sydänkeuhkokonetta on pyritty kehittämään fysiologisemmaksi. Miniperfuusiolaitteistoissa kiertävän veren kontakti pintamateriaalien ja ilman kanssa jää pienemmäksi ja veren laimenemista tapahtuu vähemmän. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää voidaanko miniperfuusiolla lievittää sydänkeuhkokoneen haittoja. Ensimmäisessä osatyössä selvitettiin miniperfuusion käyttökelpoisuutta ja vaikutusta verensiirtotarpeeseen ohitusleikkauspotilailla valikoimattomassa aineistossa. Toisessa ja kolmannessa osatyössä selvitettiin silmänpohjan mikroembolioiden ilmaantuvuutta miniperfuusion ja perinteisen sydänkeuhkokoneen käytön jälkeen ohitusleikkauspotilailla ja aorttaläppäleikkauspotilailla. Toisessa ja kolmannessa osatyössä selvitettiin lisäksi miniperfuusion vaikutuksia yleistyneen tulehdusvasteen voimakkuuteen, hyytymisjärjestelmään sekä endoteelin aktivaatioon perinteiseen sydänkeuhkokoneeseen verrattuna. Neljännessä osatyössä verrattiin kokeellisessa mallissa miniperfuusion ja perinteisen sydänkeuhkokoneen vaikutuksia suoliston limakalvon eheyteen. Miniperfuusio ilmeni yhtä käyttökelpoiseksi kuin perinteinen sydänkeuhkokone ohitusleikkauspotilaiden hoidossa. Ohitusleikkauspotilailla ilmeni vähemmän silmänpohjan mikroembolioita miniperfuusion jälkeen, mutta aorttaläppäleikkauspotilailla ero ei ollut tilastollisesti merkitsevä. Miniperfuusion käyttöön liittyi vähemmän neutrofiilien aktivaatiota. Tekniikoiden välillä ei ilmennyt eroa hyytymisjärjestelmän eikä endoteelin aktivaatiota osoittavissa merkkiaineissa. Sydänkeuhkokoneen käyttö aiheutti saman tasoisen suoliston limakalvon vaurion miniperfuusiolla ja perinteisellä sydänkeuhkokoneella. Tutkimuksen perusteella miniperfuusiotekniikkaa voidaan käyttää turvallisesti ohitusleikkauspotilaiden hoidossa ja sen käyttö vähentää hemodiluutiota ja neutrofiilien aktivaatiota verrattuna perinteiseen sydänkeuhkokoneeseen. Miniperfuusiolla voidaan vähentää sydänkeuhkokoneen käytön aiheuttamaa silmänpohjan mikroembolisaatiota, joka saattaa viitata vähäisempään aivoverenkierron mikroembolisaatioon. Miniperfuusiotekniikoiden tulee edelleen kehittyä hyödyttämään enemmän myös aorttaläppäleikkauspotilaita. Löydökset koskien sydänkeuhkokoneen aiheuttamia suoliston limakalvovaurioita vahvistavat aiempaa olettamusta suoliston haavoittuvuudesta sydänleikkauksen jälkeen.

Abstract Sepsis is a common problem in the intensive care unit (ICU) still having a high mortality and causing high costs to health care system. Currently, there is no marker to distinguish sepsis from other causes of systemic inflammation. Leukocyte surface molecules have been proposed as markers of sepsis. The most promising markers have been neutrophil CD64 and CD11b on monocytes and neutrophils and HLA-DR on monocytes. In this thesis, leukocyte surface molecules were investigated using quantitative flow cytometry in critically ill patients with sepsis, non-septic ICU controls, and healthy volunteers. The surface molecules of interest were neutrophil CD11b and CD64, monocyte CD11b, CD14, CD40, CD64, CD80, HLA-DR, and lymphocyte CD69. First, a special emphasize was indicated in methodological aspects of the quantitative flow cytometry. Then, the surface molecule kinetics was investigated in different types of critically ill patients. Finally, the diagnostic performance of the molecules was determined and compared to that of traditionally used sepsis markers. Furthermore, an example of multiple marker analysis was introduced as a diagnostic tool. The optimal circumstances for leukocyte surface molecule analysis were +4°C temperature throughout the collection and preparation of the samples using tubes containing acid citrate dextrose (ACD) as an anticoagulant, followed by flow cytometry within 6 hours from sampling. Monocyte CD11b and CD40, neutrophil CD11b and CD64, and CD69 on CD4+ T cells and natural killer (NK) cells separated sepsis from non-septic ICU controls and healthy volunteers, neutrophil CD64, having the best area under curve. Procalcitonin (PCT) was second best marker. Monocyte CD40 and NK CD69 may predict positive blood culture detection, whereas CD11b may predict early mortality. In multiple marker analysis, combination of positive neutrophil CD64, C-reactive protein (CRP) and PCT increased post-test probability for sepsis. In conclusion, pre-analytical and analytical factors have effects on results of leukocyte surface molecule analysis. Leukocyte surface molecules may improve sepsis diagnostics in ICU setting. Neutrophil CD64 was the most promising marker. Combination of CD64, CRP and PCT increased the detection of sepsis in ICU. / Tiivistelmä Sepsis on yleinen tehohoidon ongelma, johon liittyy korkea kuolleisuus ja suuret hoidolliset kustannukset. Toistaiseksi ei ole laboratoriomerkkiainetta, joka erottaisi sepsistä sairastavat muista kriittisesti sairaista, joilla on yleistynyt tulehdusvaste. Valkosolujen pintamolekyylien käyttöä sepsiksen laboratoriomerkkiaineena on tutkittu. Lupaavimmat näistä molekyyleistä ovat olleet neutrofiilien CD64, monosyyttien ja neutrofiilien CD11b ja monosyyttien HLA-DR. Tässä väitöskirjassa tutkittiin valkosolujen pintamolekyylejä kriittisesti sairailla sepsistä sairastavilla potilailla, niillä tehohoitopotilailla, joilla ei ollut sepsistä, ja terveillä vapaaehtoisilla virtaussytometriaa käyttäen. Mielenkiinnon kohteina olivat neutrofiilien CD11b ja CD64, monosyyttien CD11b, CD14, CD40, CD64, CD80 ja HLA-DR, sekä lymfosyyttien CD69. Ensimmäiseksi tutkittiin kvantitatiivista virtaussytometriaa menetelmänä. Sen jälkeen pintamolekyylien kinetiikkaa tutkittiin eri potilasryhmillä. Lopuksi määritettiin pintamolekyylien diagnostinen tehokkuus ja sitä verrattiin perinteisempiin sepsiksen diagnostiikassa käytettyihin laboratoriomerkkiaineisiin. Lisäksi selvitettiin usean merkkiaineen mallin diagnostista osuvuutta. Parhaat olosuhteet virtaussytometrialle olivat: +4 °C:n lämpötila näytteenoton ja -käsittelyn aikana, näytteiden ottaminen putkiin, joissa on antikoagulanttina hapan sitraatti-dekstroosi (ACD) ja näytteiden analysointi kuuden tunnin kuluessa näytteenotosta. Monosyyttien CD11b ja CD40, neutrofiilien CD11b ja CD64 sekä CD4+ T-solujen ja NK-solujen CD69 erottivat sepsistä sairastavat tehohoitoverrokeista ja terveistä. Neutrofiilien CD64:llä oli paras erottelukyky. Prokalsitoniini (PCT) oli toiseksi paras merkkiaine. Monosyyttien CD40 ja NK-solujen CD69 voivat parantaa positiivisen veriviljelylöydöksen havaitsemista, kun taas CD11b voi ennustaa varhaista potilaan menehtymistä. Usean merkkiaineen mallissa neutrofiilien CD64 paransi C-reaktiivisen proteiinin (CRP) ja PCT:n tehoa sepsiksen diagnostiikassa. Loppupäätelmänä on, että valkosolujen pintamolekyylien analysointivaiheen eri muuttujilla on vaikutusta virtaussytometriatuloksiin. Valkosolujen pintamolekyylien käyttö voi parantaa sepsiksen diagnostiikkaa teho-osastolla. Neutrofiilien CD64 oli lupaavin merkkiaine. Neutrofiilien CD64:n, CRP:n ja PCT:n yhdistelmä paransi sepsiksen diagnostiikkaa teho-osastolla.