The influence of coagulation system on early leukocyte recruitment and acute microcirculatory injury after extended hepatectomy

Das hepatektomie-induzierte Leberversagen ist ein potentiell tödliches Krankheitsbild nach erweiterter Leberresektion oder Leberteiltransplantation. Dieses Versagen scheint einerseits durch eine supraphysiologische Belastung der Restleber, andererseits durch die hyperperfusionsbedingten Mikrozirkulationsverletzungen und eine verhinderte Leberregeneration verursacht zu werden. Der genaue pathophysiologische Mechanismus der mikrovaskulären Schädigung in der akuten Phase konnte jedoch bisher noch nicht entschlüsselt werden. Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurden die Einflüsse der wichtigen Bestandteile der Koagulationskaskade bei akuter Leberschädigung nach partieller Hepatektomie mittels intravitalmikroskopischer Methoden sowie weiterführender laborchemischer Untersuchungen und (immun-)histochemischer Aufarbeitung der Leberpräparate untersucht. Zuerst wurde ein Mausmodell für die intravitalmikroskopische Untersuchung etabliert. Nach erweiterter Hepatektomie wurde neben einer Perfusionsstörung eine ausgeprägte Endothel- Leukozyten-Interaktion beobachtet. Die Serinproteasen beeinflussten sowohl die Mikroperfusion wie auch die Leberschädigung durch eine frühe Leukozytenrekrutierung nach partieller Hepatektomie. Mittels eines Thrombozytendepletionsmodells wurde der Einfluss der Thrombozyten nach erweiterter Hepatektomie untersucht. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass Thrombozyten die Rekrutierung der verschiedenen Leukozytensubpopulationen durch eine ICAM-1-abhängige Endothel-Leukozyten-Interaktion regulierten. Zudem führte die Depletion der Thrombozyten zu einer signifikant verminderten Verschlechterung der Leberfunktion. Infolgedessen wurde die Rolle des PAR-4, ein Aktivator der Thrombozyten, in der Bildung von Mikrothrombosen als Ursache der Perfusionsstörung nach partieller Hepatektomie mithilfe der Zwei-Photon-Mikroskopie untersucht. Die Thrombozytenaktivierung über PAR-4 induzierte Mikrothrombosen und vermehrte Neutrophil-Thrombozyten-Interaktionen in hepatischen Sinusoiden, wodurch eine Akutleberschädigung nach partieller Hepatektomie verschlimmert wurde. Schlussendlich wurde die Fibrinogenbindung am hepatischen Endothel nach partieller Hepatektomie beobachtet. Die deutliche Ablagerung des Fibrinogens in der Lebermikrozirkulation bewies eine Aktivierung und Beanspruchung des Koagulationssystems unter einem stark gesteigerten Scherstress unmittelbar nach der Leberresektion. In dieser Studie wurde der Pathomechanismus des Leberversagens nach Hepatektomie mit Hilfe der in-vivo-Mikroskopie und verschiedener Mausmodelle innovativ untersucht. Dies war auch die erste Beschreibung einer intravitalen Zwei-Photonen-Mikroskopie-Studie im Zusammenhang mit dem hepatektomie-induzierten Leberversagen. Die klinische Relevanz der vorgestellten Komponenten der Koagulationskaskade für therapeutische Interventionen bleibt in weiterführenden Studien zu überprüfen.Post-hepatectomy liver failure or Small-for-size syndrome is a potentially fatal complication after extended liver resection or partial liver transplantation. This is caused by supraphysiologic perfusion in the remnant liver and microcirculatory injury. However, the exact pathophysiological mechanism of microvascular injury in the acute phase is still unclear. In the present work, the impact of important components from the coagulation cascade was investigated in acute liver injury after partial hepatectomy. First, a mouse model suitable for intravital microscopic examination was established. After extended hepatectomy, an increased endothelial-leukocyte interaction was observed in addition to perfusion failure. Serine proteases affected both microperfusion and liver injury by inducing early leukocyte recruitment after partial hepatectomy. A platelet depletion model was used to investigate the influence of platelets after extended hepatectomy. The results indicated that platelets regulated the recruitment of different leukocyte subpopulations through an ICAM-1-dependent pattern. In addition, the platelet depletion resulted in significantly improved liver function. Furtherly, the role of PAR-4, an activator of platelets, was investigated using two-photon microscopy. Platelet activation via PAR-4 induced microthrombosis and increased neutrophil- platelet interactions in hepatic sinusoids, exacerbating acute liver injury after partial hepatectomy. Finally, fibrinogen deposition to hepatic endothelium after partial hepatectomy was investigated. The deposition of fibrinogen in the liver microcirculation reflected the activation of the coagulation system under increased shear stress immediately after liver resection. In this study, the pathomechanism of post-hepatectomy liver failure was innovatively investigated by utilizing in vivo microscopy and different murine models. This was also the first description of in vivo two-photon microscopy study in the context of post-hepatectomy liver failure. The clinical relevance of the presented components of the coagulation cascade as therapeutic interventions remains to be verified in further studies

Model assisted analysis of the hepatic arterial buffer response during ex vivo porcine liver perfusion

OBJECTIVE: The hepatic arterial buffer response is a well known phenomenon in hepatic circulation, describing the response of hepatic arterial resistance to changes in portal vein flow. Several vasoactive metabolites underlying its mechanism have been proposed, however, there is currently no clear consensus. The aim of this study was to investigate the hepatic arterial buffer response of porcine livers preserved in a controlled ex vivo perfusion machine. METHODS: Porcine livers were perfused on an ex vivo perfusion machine and hemodynamic experiments investigating the hepatic arterial resistance response to portal vein flow and vena cava pressure variations were conducted. A simple hemodynamic model was developed to support the interpretation of the received measurements. Further, a mechanism was proposed that explains hepatic arterial resistance changes in response to vena cava pressure as myogenic and in response to portal vein flow as a combined washout and myogenic effect. RESULTS: A clear correlation between hepatic sinusoidal pressure levels and hepatic arterial resistance was observed where an increase of approximately 4~mmHg of hepatic sinusoidal pressure level results in doubling of the hepatic arterial resistance. This relation was considered during the analysis of the portal vein flow variations resulting in a reduced isolated effect of adenosine washout on hepatic arterial resistance. With an average buffer capacity of 27% during our experiments, the hepatic arterial buffer response shows to be unimpaired in the ex vivo scenario. CONCLUSION: First, washout and myogenic effects both influence the hepatic arterial buffer response and, second, hepatic sinusoidal pressure levels strongly influence the hepatic arterial resistance. SIGNIFICANCE: These results present new findings in hemodynamics of the liver, which are fundamental for successful ex vivo liver perfusion