Methods of spinal cord protection in aortic surgery:experimental porcine studies

Abstract Paraplegia is one of the most devastating complication after surgery for thoracic or thoracoabdominal aortic aneurysm. Despite the modern protection strategies utilized prior to, during and after the surgery, the risk of permanent paraplegia remains. In the repair of acute type A aortic dissection, selective cerebral perfusion (SCP) and lower body circulatory arrest (LBCA) are widely used operative methods to protect the central nervous system. The temperature used during SCP and LBCA has gradually been rising, which has not necessarily been beneficial for the spinal cord. New methods to protect the spinal cord and eliminate the possibility of permanent paraplegia are needed. Ischaemic preconditioning was first introduced in the 1980s in myocardial protection, while remote ischaemic preconditioning (RIPC) was introduced in the 1990s. In experimental studies, RIPC has proven to be an effective method to protect the spinal cord from ischaemia. Nonetheless, to date, there is no evidence for its potential in aortic aneurysm surgery in a clinical setting. The complete mechanism by which RIPC exerts its protective action is also unknown. Ischaemic priming by occluding the segmental arteries in an elective setting before the surgical treatment of the aortic aneurysm is a promising new method in protection of the spinal cord from ischaemic insult. However, to our knowledge, ischaemic priming of the spinal cord has not yet been attempted in an acute setting. The studies presented in this thesis were carried out as a chronic porcine study. The main objective of the studies was spinal cord protection during ischaemic insult. Study I demonstrated the protective effect of RIPC against spinal cord ischaemia. Pigs treated with RIPC exhibited a faster neurological recovery and preferable near-infrared spectroscopy values four hours after the spinal cord ischaemia compared to control pigs. In study II, acute ischaemic priming led to improved neurological recovery, lower lactate discharge and fewer histopathologic changes in the spinal cord compared to control pigs. In study III, LBCA and SCP in a simulated frozen elephant trunk operation with extent stent craft resulted in a disastrous outcome when the LBCA time was 65 minutes.Tiivistelmä Rinta- tai rinta-vatsa-aortan aneurysman korjausleikkauksen yksi pahimmista mahdollisista komplikaatioista on pysyvä alaraajahalvaus huolimatta tänä päivänä käytössä olevista selkäytimen suojausmenetelmistä. Akuutin tyypin A aortan dissekaation korjausleikkauksen aikana selektiivinen aivoperfuusio ja verenkierron hypoterminen pysäyttäminen ovat usein käytettyjä metodeja suojata aivoja ja muita iskemialle alttiita kudoksia. Avustetun aivoperfuusion ja kehon hypotermisen verenkierron pysäytyksen lämpötilaraja on kuitenkin viime vuosien aikana hiljalleen noussut korkeammaksi, eikä tämä välttämättä ole selkäytimen suojauksen kannalta paras mahdollinen tilanne. Uusia selkäytimen suojausmenetelmiä tarvitaan edelleen, jotta pysyvän alaraajahalvauksen riski olisi mahdollisimman pieni. Sydämen suojaamisessa käytettävä iskeeminen esialtistus esiteltiin kirjallisuudessa 1980-luvulla. Seuraavalla vuosikymmenellä kirjallisuudessa esiteltiin myös etäinen iskeeminen esialtistus. Sittemmin kokeellisissa tutkimuksissa on osoitettu, että etäinen iskeeminen esialtistus suojaa selkäydintä iskeemiseltä vauriolta. Iskeemisestä esialtistuksesta tai etäisestä iskeemisestä esialtistuksesta ei toistaiseksi ole aikasempaa näyttöä aneurysmakirurgian yhteydessä. Niin ikään iskeemisen esialtistuksen tai etäisen iskeemisen esialtistuksen vaikutusmekanismia ei tunneta vielä tarkasti. Elektiivisessä aortan aneurysmakirurgiassa selkäytimen ja sen kollateraaliverenkierron iskeeminen esikäsittely on uusi ja lupaava keino suojata selkäydintä tulevan kirurgisen korjaustoimenpiteen aikana. Selkäytimen iskeemisen esikäsittelyn vaikutusta ei ole aikaisemmin tutkittu akuutissa tilanteessa. Tässä väitöskirjatyöksi tarkoitetussa tutkimuksessa tutkittiin ja selvitettiin selkäytimen suojaamista iskeemiseltä vauriolta. Tutkimus toteutettiin käyttäen apuna kokeellista eläinmallia. Ensimmäisessä tutkimuksessa osoitettiin etäisen iskeemisen esialtistuksen johtavan nopeampaan neurologiseen toipumiseen ja parempaan selkäytimen ja tämän kollateraalisuonten verenkiertoon selkäydiniskemian jälkeen. Toisessa tutkimuksessa selkäytimen iskeeminen esikäsittely johti parempaan neurologiseen paranemiseen ja matalampaan leikkauksen aikaiseen laktaattipäästöön. Lisäksi selkäytimen histopatologinen analyysi osoitti, että selkäytimen vauriot olivat vähäisempiä. Kolmannessa tutkimuksessa todettiin, että jo 65 minuutin selektiivinen aivoperfuusio ja muun verenkierron pysäytys 28 asteen lämpötilassa yhdistettynä jäljiteltyyn ”Frozen elephant trunk” leikkausmenetelmään johti katastrofaaliseen lopputulokseen

Spinal cord injury during selective cerebral perfusion and segmental artery occlusion:an experimental study

Abstract Objectives: Since selective cerebral perfusion (SCP) has been used in aortic arch surgical procedures, the core temperature during lower body circulatory arrest (LBCA) has been steadily rising. Simultaneously, the use of a frozen elephant trunk (FET) graft has been increasing. The safe period of LBCA in relation to spinal cord ischaemic tolerance in combination with segmental artery occlusion by the FET procedure has not been defined. Methods: Sixteen pigs were assigned to undergo 65 (n = 10) or 90 min (n  = 6) of SCP at 28°C with LBCA in combination with occlusion of the 8 uppermost segmental arteries in the thoracic (Th) aorta (15–20 cm FET, Th8-level). The follow-up period consisted of a 6-h intensive period and a 5-day observation period. Near-infrared spectroscopy of the collateral network was used to determine spinal cord oxygenation. The neurological status of the patients was evaluated daily, and the brain and the spinal cord were harvested for a histopathological analysis. Results: Five out of 6 pigs after 90 min and 1 out of 10 pigs after 65 min of LBCA died within 48 h of multiorgan failure. Of the survivors in the 65-min group, 6 out of 9 had paraparesis/paraplegia; the remaining 3 reached normal function. The lone survivor after 90 min of LBCA was paraplegic. Nadir near-infrared spectroscopy of the collateral network values at Th8 and Th10 were 34 (±5) and 39 (±4), and they were reached within 35 min of SCP in both groups. Conclusions: An extended FET graft with LBCA and SCP durations >65 min at 28°C results in a poor outcome

Remote ischemic preconditioning and hypoxia-induced biomarkers in acute myocardial infarction:study on a porcine model

Abstract Objectives: Remote ischemic preconditioning (RIPC) mitigates acute myocardial infarction (AMI). We hypothesized that RIPC reduces the size and severity of AMI and explored molecular mechanisms behind this phenomenon. Design: In two series of experiments, piglets underwent 60 min of the circumflex coronary artery occlusion, resulting in AMI. Piglets were randomly assigned into the RIPC groups (n = 7 + 7) and the control groups (n = 7 + 7). The RIPC groups underwent four 5-min hind limb ischemia-reperfusion cycles before AMI. In series I, the protective efficacy of RIPC was investigated by using biomarkers and echocardiography with a follow-up of 24 h. In series II, the heart of each piglet was harvested for TTC-staining to measure infarct size. Muscle biopsies were collected from the hind limb to explore molecular mechanisms of RIPC using qPCR and Western blot analysis. Results: The levels of CK-MBm (p = 0.032) and TnI (p = 0.007) were lower in the RIPC group. Left ventricular ejection fraction in the RIPC group was greater at the end of the follow-up. The myocardial infarct size in the RIPC group was smaller (p = 0.033). Western blot indicated HIF1α stabilization in the skeletal muscle of the RIPC group. PCR analyses showed upregulation of the HIF target mRNAs for glucose transporter (GLUT1), glucose transporter 4 (GLUT4), phosphofructokinase 1 (PFK1), glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), enolase 1 (ENO1), lactate dehydrogenase (LDHA) and endothelial nitric oxidate synthase (eNOS). Conclusions. Biochemical, physiologic, and histologic evidence confirms that RIPC decreases the size of AMI. The HIF pathway is likely involved in the mechanism of the RIPC