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Hollow fiber oxygenators with novel coating: activating potency and clinical application
No full textEntzündungsreaktionen und Gerinnungsstörungen nach Operationen mit extrakorporaler Zirkulation (EKZ) werden als Postperfusionssyndrom (PPS) bezeichnet und sind wesentlich an postoperativer Morbidität und Mortalität in der Herzchirurgie beteiligt. Die pathophysiologischen Vorgänge umfassen die Aktivierung und Schädigung verschiedenster humoraler und zellulärer Systeme wie Gerinnung, Fibrinolyse, Komplementsystem, Erythrozyten, Leukozyten und Thrombozyten.
In der hier vorliegenden randomisierten und doppelblinden Studie sollte der Einfluss der Beschichtung des Oxygenators auf diese Systeme geklärt werden. Hierzu wurden klinische und Laborparameter von 36 männlichen Patienten erhoben, die sich bei koronarer Herzkrankheit einer elektiven aortokoronaren Bypassoperation unterzogen. Dabei wurde entweder ein Oxygenator mit Phosphoryl-cholinbeschichtung (Synthesis, n=19) oder ohne Beschichtung (Monolyth, n=17) eingesetzt. Blutentnahmen mit Bestimmung von Hb, Erythrozyten-, Leukozyten- und Thrombozytenzahl sowie TCC (Terminaler Komplementkomplex), TAT (Thrombin Antithrombin III Komplex) und Tumornekrosefaktor sCD40L erfolgten AZP1=präoperativ, AZP2=nach 20 Minuten EKZ, AZP3=am Ende der EKZ, AZP4=6 Stunden nach Ende der EKZ, AZP5=24 Stunden nach Ende der EKZ, AZP6=72 Stunden nach Ende der EKZ.
Bei biometrischen Daten und präoperativen Parametern ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den beiden Gruppen. EKZ- und OP-Dauer waren in der Monolyth-Gruppe länger als in der Synthesis-Gruppe (98 vs. 85 min; bzw. 225 vs. 199 min), und auch die Anzahl operierter Bypässe war in der Gruppe mit dem unbeschichteten Oxygenator größer, allerdings waren die Unterschiede nach Bonferroni Korrektur nicht signifikant. Die weiteren operativen Parameter zeigten praktisch keine Unterschiede.
Im postoperativen Verlauf etwa bei Blutverlust über die Thoraxdrainage und deren Liegezeit, Transfusionsbedarf, Dauer der künstlichen Beatmung und des Aufenthaltes auf Intensiv- und Wachstation sowie des gesamten Klinikaufenthaltes konnten ebenfalls keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden.
Auch die gemessenen Laborparameter der beiden Gruppen unterschieden sich zu keinem Zeitpunkt nach Bonferroni Korrektur signifikant, obwohl die Unterschiede vor dieser statistischen Korrektur beträchtlich und im t-Test signifikant waren: Bei den hämatokritkorrigierten Hb-Werten fielen niedrigere Werte in der Synthesis-Gruppe auf, am deutlichsten bei AZP 2 (13,4 vs. 14,6 g/dl; p=0,029). Die Komplementaktivierung war in der Phosphorylcholin-Gruppe ausgeprägter als in der unbeschichteten Gruppe (TCC 2576,4 vs. 1373,8 ng/ml bei AZP3; p=0,002). Die Bedeutung dieses Befundes hinsichtlich des PPS ist jedoch auch vor dem Hintergrund der publizierten Literatur unklar.
Eine Beschichtung der Fremdoberflächen der EKZ hat auch bei zahlreichen anderen Substanzen keine wesentlichen klinischen Vorteile erbracht mit Ausnahme der Heparin-Beschichtung bei langdauernder EKZ wie bei bestimmten Herzunterstützungssystemen. Problem dieser Studien ebenso wie bei der hier vorgelegten ist, dass für abgesicherte signifikante Unterschiede bei den zahlreichen Einflußvariablen so große Patientenzahlen erforderlich sind, dass eine praktische Umsetzung kaum verwirklichbar ist. Andererseits ist die tatsächliche klinische Bedeutung vieler Laborparameter wie etwa der Komplementaktivierung noch nicht geklärt.Inflammatory reactions and coagulation failure after operations with extracorporeal circulation (ECC), so called post pump perfusion syndrome (PPS), contribute considerably to morbidity and mortality after heart surgery. The pathophysiological processes contain activation and damage of different humoral and cellular systems like coagulation, fibrinolysis, complement system, red and white blood cells and platelets.
By the present randomized double blind study we wanted to reveal the influence of the oxygenator coating to this systems. For that we collected clinical and biological parameters of 36 male patients who undergo elective aortocoronary bypass grafting. Thereby we used either an oxygenator with phosphoryl coating (Synthesis, n=19) or a non-coated oxygenator (Monolyth, n=17). Blood samples were taken at AZP1= before surgery, at AZP2=after 20 minutes of ECC, at AZP3=at the end of ECC, at AZP4=6 hours after end of ECC, at AZP5=24 hours after end of ECC and at AZP6=72 hours after end of ECC, to determine levels of hemoglobin, red and white blood cells, platelets, TCC (terminal complement complex), TAT (thrombin antithrombin III complex) and tumor necrosis factor sCD40L.
There were no significant difference in biometric and preoperative parameters for the two groups. ECC and operation time were longer in the Monolyth-group than in the Synthesis-group (98 vs. 85 min respectively 225 vs. 199 min) and also the number of grafted bypasses were higher in the group with the non-coated oxygenator, but the difference was not significant after Bonferroni-correction. The further operation parameters showed practically no differences.
Postoperative outcome characteristics like blood loss by thoracic drain and duration of draining, transfusion requirement, ventilation time, stay in intensive care unit and recovery room and hospital stay were without significant difference.
The detected laboratory parameters of the two groups did not differ significantly after Bonferroni-correction at any time as well, although the differences were considerable before statistical correction and significant in t-test : We remarked lower values for hematocrit-corrected hemoglobin in the Synthesis-group, most obvious at AZP 2 (13.4 vs. 14.6 g/dl ; p=0.029). Complement activation was more distinct in phophorylcholin-coated group than in the non-coated group (TCC 2576.4 vs. 1373.8 ng/ml at AZP3 ; p=0.002). But the interest of this result in the context of published studies is not clear.
Surface coating did not generate important clinical advantages by using number of other substances except for heparin-coating for long-standing ECC like heart-support systems. The problem of these studies as well as of the present study is the great number of patients needed to achieve confirmed significant differences among the numerous influencing factors, so they become hardly realisable. Otherwise the effective clinical interest of lots of laboratory parameters such as complement activation are not cleared up yet
Analysis of calcium homeostasis of human cardiac tissue in a microperfusion chamber
No full textInhalt dieser Arbeit war es ein dem Herzmuskelgewebe kongruentes humanes Myokardmodell zu entwickeln und damit fluoreszenzmikroskopisch die intrazellulären Calciumregulationsmechanismen und ihre Rolle beim Reperfusionsschaden bzw. der Apoptoseinduktion zu untersuchen.
Dazu wurde eine spezielle Mikroperfusionskammer eingesetzt, in der die Kardiomyozytenzellverbände durch ein Kunststoffnetz schonend fixiert werden konnten. Für eine simultane Untersuchung von mit Fluoreszenzfarbstoff beladenen und nicht beladenen Zellverbänden wurde eine doppelt gekammerte Mikroperfusionskammer entwickelt, in der für die beiden gleichzeitig perfundierten Zellverbände die selben Verhältnisse herrschten.
Die Untersuchung der Calciumhomöostase erfolgte zunächst unter Perfusion mit Calcium-haltiger und Calcium-freier Krebs-Henseleit-Lösung. Anschließend wurden Hypoxie- und Reperfusions-Versuche unter Kühlung und Stickoxyd- bzw. Carbogenbegasung durchgeführt. Hierbei erfolgte eine Einteilung in verschiedene Gruppen (Kardioplegie/Hypoxie/Reperfusion, Hypoxie/Reperfusion). Dabei befanden sich in dem unteren Teil der Mikroperfusionskammer nicht mit Fluoreszenzfarbstoff beladene Zellverbände. Diese wurden anschließend zu Kryoschnitten verarbeitet, auf einen Objektträger aufgebracht und mit PARP-1 Antikörpern ((Anti-Poly-ADP-Ribose)-Polymerase-1) auf stattgehabte Apoptose untersucht.
Verwendet wurde für die Untersuchung der Calciumregulation Fura-2 AM. Dies ist ein Fluoreszenzfarbstoff, der neben der calciumsensitiven Anregungswellenlänge auch eine calciuminsensitive Anregungswellenlänge von 380 nm hat. Emissonswellenlänge ist jeweils 510 nm. Aus dem Verhältnis der gemessenen Fluoreszenzintensitäten wurde das Ratui R = calciumsensitiv340 nm / calciuminsensitiv380 nm berechnet. So konnten Störfaktoren bei der Untersuchung der Calciumregulation der Kardiomyozytenzelllverbände minimiert werden.
Bei der Grundlagenversuchen (N = 10) bestand bei den Kardiomyozyten eine intakte Calciumhomöostase. Nach Calcium-Entzug wurde ein Fallen der Ratiokurve um 0,15 ± 0,04 Ratioeinheiten beobachtet, sie stieg nach Calciumgabe wieder an und erreichte dann ihren Ausgangswert mit 1,60 ± 0,05 wieder (p < 0,05), hier Delta Ratio = RatiowertVersuchsende – RatiowertVersuchsanfang kleiner gleich 0,01.
Die Ergebnisse der fluorenzenzmikrosopischen Calcium-Messung (N = 60) zeigen, dass mit der Dauer der Hypoxie- und Reperfusionsphase ohne vorherige Perfusion mit Kardioplegielösung Delta Ratio = RatiowertVersuchsende – RatiowertVersuchsanfang signifikant anstieg: 20/7 min Hypoxie/Reperfusion Delta Ratio = 0,06, 40/13 min Hypoxie/Reperfusion Delta-Ratio = 0,15 und 60/20 min Hypoxie/Reperfusion Delta Ratio = 0,25 (hierfür p < 0,05). Im Gegensatz hierzu ergab sich bei gleichen Hypoxie- und Reperfusionszeiten jedoch mit Kardioplegiegabe jeweils ein Delta Ratio kleiner gleich 0,02 ohne signifikanten Calcium-Anstieg am Ende der Untersuchungen (p < 0,05). Dies spricht dafür, dass in den Gruppen ohne Kardioplegie die Calciumrückregulation nicht mehr intakt ist und dies als Ausdruck der Zellschädigung angesehen werden kann.
Die Anzahl apoptotischer Zellen in der PARP-1 Färbung nahm gleichermaßen zu: In den Versuchen ohne vorherige Kardioplegie-Perfusion waren insgesamt bei 20/7 min Hypoxie/Reperfusion 21,9%, nach 40/13 min Hypoxie/Reperfusion 40,3% und nach 60/20 min Hypoxie/Reperfusion 57,9% der Zellen apoptotisch, während es in der Gruppen mit Kardioplegie kleiner gleich 15,6 % (bei 60/20 min Hypoxie/Reperfusion) zu einem signifikant geringeren Anteil apoptotischer Zelen kam (p < 0,05). Dies lässt auf eine Korrelation zwischen Delta Ratio und Anzahl apoptotischer Zellen pro Gesichtsfeld schließen.
Es ergab sich somit eine zeitabhängige Zunahme der Apoptose-Rate bei Hypoxie/Reperfusion in den PARP Untersuchungen, die mit einem Calcium-Overload in der Perfusionsuntersuchungen korrelierte. Dies konnte durch vorherige Kardioplegiegaben vermindert werden.
Zusammenfassend lässt sich aus dieser Pilotuntersuchung schließen, dass das in dieser Arbeit entwickelte Versuchmodell mit einer Mikroperfusionskammer und einem angepassten Perfusionsystem zur Untersuchung von Physiologie und Pathophysiologie sowei Apoptose nach Hypoxie und Reperfusion bei Kardiomyozyten im Zellverband geeignet ist und weitere Erkenntnisse darüber liefern könnte.The aim of this analysis was to develope adequate human cardiomyocyte models to investigate calcium homeostatsis and apotosis after simulation of hypoxia and reperfusion in a microperfusion chamber.
A tissue model of human cardiomyocytes preserving the complex tissue environment was established.
Cardiac biopsies were retrieved from the right auricle of patients undergoing elective coronary artery bypass grafting before cardiopulmonary bypass. The biopsies were submitted to varied conditions simulating hypoxia (hyp) and reperfusion (rep) in a microperfusion chamber. hyp/rep time sets were 20/7, 40/13 and 60/20 min. For analyses of the calcium homoeostasis the fluorescent calcium ion indicator FURA-2 and for apoptosis detection PARP-1 cleavage immunostaining were employed.
Fluorescence images of FURA-2 loaded cardiac specimens were obtained at excitation wavelengths of 340 nm and 380 nm, with an emission wavelength of 510 nm. Via FURA-2 the intracellular calcium concentration can be displayed by using ratio values 340/380 to minimize negative effects.
For evaluation of the impact on the calcium homoeostasis in the cardiomyocytes the initial and final calcium ratio values had to be analyzed. This was defined as Delta-ratio; Delta-ratio = ratiofinal-ratioinitial. Significant (p < 0.05) differences between both values were interpreted as calcium overload as a sign of disarranged calcium homoeostasis. Viable cardiomyocytes presented an intact calcium homoeostasis under physiologic conditions; Delta-ratio < 0,01.
Following cardioplegia and reperfusion a time-dependent elevation of cytosolic calcium as a sign of disarrangement of the calcium homoeostasis occurred. In the cardiac specimens treated with cardioplegia and reperfusion no significant (p < 0.05) cytosolic calcium increase and homoeostasis disarrangement could be detected, Delta ratio less than or equal 0,02.
In the control groups with non-cardioplegia and reperfusion ratiofinal was significantly (p < 0.05) higher than the ratioinitial values, resulting in elevated Delta-ratio values correlating positively with the duration of hypoxia and reperfusion times: hyp/rep 20/7 min Delta Ratio = 0,06, hyp/rep 40/13 min Delta-Ratio = 0,15 and hyp/rep 60/20 min Delta Ratio = 0,25 (p < 0,05).
PARP-1 cleavage also showed a time-dependence whereas reperfusion had the highest impact on apoptosis. The longer the hypoxia and reperfusion periods lasted the higher was the number of PARP-1 positive or apoptotic cardiomyocytes hyp/rep 20/7 21,9%, hyp/rep 40/13 40,3% and hyp/rep 60/20 57,9%. Cardioplegia could significantly (p < 0.05) reduce apoptosis compared to cardiomyocytes not subjected to cardioplegia (hyp/rep 60/20 min less than or equal 15,6 % apoptotic cardiomyocytes).
In conclusion this human cardiac preparation served as a reliable cellular model tool to study calcium homeostasis and apoptosis in vitro. The apoptotic damage induced by the ischemia/reperfusion stimulus could be significantly reduced by the cold crystalloid cardioplegia
Tuberculous pseudoaneurysms of the aortic arch
No full textAbstractJ Thorac Cardiovasc Surg 2003;125:411-
Human cardiac tissue in a microperfusion chamber simulating extracorporeal circulation - ischemia and apoptosis studies
No full textAbstract Background After coronary artery bypass grafting ischemia/reperfusion injury inducing cardiomyocyte apoptosis may occur. This surgery-related inflammatory reaction appears to be of extreme complexity with regard to its molecular, cellular and tissue mechanisms and many studies have been performed on animal models. However, finding retrieved from animal studies were only partially confirmed in humans. To investigate this phenomenon and to evaluate possible therapies in vitro, adequate human cardiomyocyte models are required. We established a tissue model of human cardiomyocytes preserving the complex tissue environment. To our knowledge human cardiac tissue has not been investigated in an experimental setup mimicking extracorporeal circulation just in accordance to clinical routine, yet. Methods Cardiac biopsies were retrieved from the right auricle of patients undergoing elective coronary artery bypass grafting before cardiopulmonary bypass. The extracorporeal circulation was simulated by submitting the biopsies to varied conditions simulating cardioplegia (cp) and reperfusion (rep) in a microperfusion chamber. Cp/rep time sets were 20/7, 40/13 and 60/20 min. For analyses of the calcium homoeostasis the fluorescent calcium ion indicator FURA-2 and for apoptosis detection PARP-1 cleavage immunostaining were employed. Further the anti-apoptotic effect of carvedilol [10 μM] was investigated by adding into the perfusate. Results Viable cardiomyocytes presented an intact calcium homoeostasis under physiologic conditions. Following cardioplegia and reperfusion a time-dependent elevation of cytosolic calcium as a sign of disarrangement of the calcium homoeostasis occurred. PARP-1 cleavage also showed a time-dependence whereas reperfusion had the highest impact on apoptosis. Cardioplegia and carvedilol could reduce apoptosis significantly, lowering it between 60-70% (p Conclusions Our human cardiac preparation served as a reliable cellular model tool to study apoptosis in vitro. Decisively cardiac tissue from the right auricle can be easily obtained at nearly every cardiac operation avoiding biopsying of the myocardium or even experiments on animals. The apoptotic damage induced by the ischemia/reperfusion stimulus could be significantly reduced by the cold crystalloid cardioplegia. The additional treatment of cardiomyocytes with a non-selective β-blocker, carvedilol had even a significantly higher reduction of apoptotis.</p
Cerebral Protection During Surgery for Acute Aortic Dissection Type A
No full text
Background—
Cerebral protection during surgery for acute aortic dissection type A relies on hypothermic circulatory arrest, either alone or in conjunction with cerebral perfusion.
Methods and Results—
The perioperative and intraoperative conditions of 1558 patients submitted from 44 cardiac surgery centers in German-speaking countries were analyzed. Among patients with acute aortic dissection type A, 355 (22.8%) underwent surgery with hypothermic circulatory arrest alone. In 1115 patients (71.6%), cerebral perfusion was used: Unilateral antegrade cerebral perfusion (ACP) in 628 (40.3%), bilateral ACP in 453 (29.1%), and retrograde perfusion in 34 patients (2.2%). For 88 patients with acute aortic dissection type A (5.6%), no circulatory arrest and arch intervention were reported (cardiopulmonary bypass–only group). End points of the study were 30-day mortality (15.9% overall) and mortality-corrected permanent neurological dysfunction (10.5% overall). The respective values for the cardiopulmonary bypass–only group were 11.4% and 9.1%. Hypothermic circulatory arrest alone resulted in a 30-day mortality rate of 19.4% and a mortality-corrected permanent neurological dysfunction rate of 11.5%, whereas the rates were 13.9% and 10.0%, respectively, for unilateral ACP and 15.9% and 11.0%, respectively, for bilateral ACP. In contrast with the ACP groups, there was a profound increase in mortality when systemic circulatory arrest times exceeded 30 minutes in the hypothermic circulatory arrest group (
P
<0.001). Mortality-corrected permanent neurological dysfunction correlated significantly with perfusion pressure in the ACP groups.
Conclusions—
This study reflects current surgical practice for acute aortic dissection type A in Central Europe. For arrest times less than 30 minutes, hypothermic circulatory arrest and ACP lead to similar results. For longer arrest periods, ACP with sufficient pressure is advisable. Outcomes with unilateral and bilateral ACP were equivalent.
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Delayed development of pneumothorax after pulmonary radiofrequency ablation
No full textAcute pneumothorax is a frequent complication after percutaneous pulmonary radiofrequency (RF) ablation. In this study we present three cases showing delayed development of pneumothorax after pulmonary RF ablation in 34 patients. Our purpose is to draw attention to this delayed complication and to propose a possible approach to avoid this major complication. These three cases occurred subsequent to 44 CT-guided pulmonary RF ablation procedures (6.8%) using either internally cooled or multitined expandable RF electrodes. In two patients, the pneumothorax, being initially absent at the end of the intervention, developed without symptoms. One of these patients required chest drain placement 32 h after RF ablation, and in the second patient therapy remained conservative. In the third patient, a slight pneumothorax at the end of the intervention gradually increased and led into tension pneumothorax 5 days after ablation procedure. Underlying bronchopleural fistula along the coagulated former electrode track was diagnosed in two patients. In conclusion, delayed development of pneumothorax after pulmonary RF ablation can occur and is probably due to underlying bronchopleural fistula, potentially leading to tension pneumothorax. Patients and interventionalists should be prepared for delayed onset of this complication, and extensive track ablation following pulmonary RF ablation should be avoided
