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Optimierung der pulsatilen minimal-invasiven extrakorporalen Zirkulation (MiECC) in einem Perfusionsmodell mittels dualem Pumpenbetrieb und einer neuartigen Verdrängerpumpe
No full textDas Ziel dieser Arbeit war es, die Effektivität und Qualität der pulsatilen Perfusion mittels minimal-invasiver extrakorporaler Zirkulation (MiECC) zu verbessern. Im ersten Teil sollte durch Kombination zweier herkömmlicher Pumpen die zusätzliche hämodynamische Energie, die relative surplus hemodynamic energy (rSHE), gesteigert werden. Im zweiten Teil wurden Werte einer neuartigen Verdrängerpumpe, der Triphasic-Herzpumpe, erfasst, die nicht nur physiologische Druck- und Flussprofile, sondern auch bei höheren Flüssen im Erwachsenenbereich die rSHE der gängigen Pumpen übertreffen sollte. Als artifizieller Patient wurde ein künstliches Aortenperfusionsmodell verwendet. In dieses wurden die jeweiligen MiECCs integriert. Die Modellaorta bestand aus Silikon und glich in Form und Compliance der menschlichen Aorta. Das Modell wurde vor jeder Testreihe mit einer auf eine physiologische Viskosität eingestellten Dextran-Lösung befüllt, die mittels eines Hypothermiegeräts auf 37 °C erwärmt wurde. Die MiECCs beinhalteten entweder zwei Deltastream® DP3-Pumpen oder die Triphasic-Herzpumpe und einen Oxygenator, die über Schläuche aus Polyvinylchlorid mit dem Modell verbunden waren. Während der Messungen wurden Druck- und Flussdaten erhoben. Im ersten Teil wurden zwei Deltastream® DP3-Pumpen in Parallelschaltung in das Modell eingebaut. Als Oxygenator wurde der QUADROX-i Adult verwendet. Im ersten Aufbau wurde der Oxygenator flussabwärts hinter den beiden Pumpen, im zweiten Aufbau nur hinter einer der beiden Pumpen platziert. Die Pumpen wurden entweder beide laminar, synchron pulsatil oder je eine pulsatil oder laminar betrieben. Zusätzlich variierte der Anteil am Gesamtfluss zwischen 25, 50 und 75 %. Gemessen wurde, je nach Versuchsaufbau, von 0,5 l/min bis 4,5 l/min. Im zweiten Teil wurden die Zentrifugalpumpen durch die Triphasic-Herzpumpe ersetzt. An dieser wurden diverse Parameter (Schlagvolumen, Frequenz, Systolenanteil und systolischer Schließanteil) systematisch verändert und Fluss- und Druckwerte erhoben. Nach der ersten Versuchsreihe zeigte sich ein negativer Rückfluss, der in der zweiten
mittels eines zusätzlichen Rückflussventils verhindert wurde. In der dritten Versuchsreihe wurde der QUADROX-i Adult mit dem Novalung iLA® Membranventilator, einem Oxygenator mit geringerem Widerstand, getauscht. Für alle Bedingungen wurde eine Anzahl an Messungen von n = 6 individuell eingestellten artifiziellen Patienten
durchgeführt. Der duale Pumpenbetrieb erbrachte nicht die gewünschte Erhöhung der rSHE-Werte, sondern ähnliche Daten wie der Einsatz von nur einer Pumpe. Die maximale Flussrate konnte erhöht werden. Als optimale Einstellung zeigte sich, dass beide Pumpen synchron pulsieren und je 50 % am Gesamtfluss übernehmen sollten. Die Lokalisation des Oxygeantors erbrachte keinen signifikanten Unterschied. Lediglich der Druckabfall am Oxygenator halbierte sich, wenn der Fluss von einer der beiden Pumpen an ihm vorbeigeleitet wurde. Die neuartige Triphasic-Herzpumpe ermöglichte sinusoide Druck- und Flusskurven. Durch den Einbau eines Rückflussventils und den Wechsel auf einen Oxygenator mit geringerem Widerstand konnte bei Standardeinstellungen eine maximale Flussrate von 4,0 l/min gemessen werden. Der mittlere arterielle Druck erreichte 58,1 mmHg. Für optimale rSHE-Werte lag das Schlagvolumen eher niedrig bei 30 %. Je höher die eingestellte Frequenz, desto stärker verringerte sich die rSHE. Der Systolenanteil wurde für eine hohe rSHE niedrig und der systolische Schließanteil hoch gehalten. Allgemein lag die rSHE konstant über den physiologischen 10 % des Herzens. Das verwendete Aortenperfusionsmodell war für die MiECC-Simulation sehr gut geeignet, da eine physiologische Compliance und Widerstände vorlagen. Am Modell selbst konnte allerdings keine Gabe von Volumen oder Vasopressoren erfolgen. Die ausgewählten Materialien, wie Schläuche oder Oxygenatoren, haben sich an den Ergebnissen von vorigen Arbeiten und Studien orientiert. Die erhoffte Verbesserung durch zwei parallel betriebene Pumpen konnte nicht erreicht werden. Dies könnte durch einen zu geringen Zufluss zu den
Pumpen verursacht worden sein. Auch die Pumpen selbst wiesen eine zu geringe maximale Drehzahl auf. Die Triphasic-Herzpumpe in Kombination mit dem Novalung iLA® Membranventilator erreichte auch bei höheren Flüssen, die für Erwachsene benötigt werden, deutlich höhere rSHE-Werte als herkömmliche Pumpen. Die Komplikationsrate am Menschen durch den neuen Antrieb ist noch ungeklärt und sollte zunächst im Tiermodell getestet werden.Die Verwendung zweier Diagonalpumpen in Parallelschaltung stellt keine Möglichkeit zur Erhöhung der rSHE bei höheren Flüssen dar, erlaubt aber mehr Kontrolle über die restlichen Perfusionsparameter. Die Triphasic-Herzpumpe übertrifft auch bei hohen Flüssen die rSHE-Werte von bisherigen Pumpen, wenn ein entsprechender Oxygenator verwendet wird. Allerdings entsprechen die Fluss- und Druckkurven nicht exakt den physiologischen. Zudem bleiben die Komplikationen dieses Antriebs offen
Verbesserung des pulsatilen Betriebs der minimal invasiven extrakorporalen Zirkulation (MiECC)
No full textEinleitung: Durch den Einsatz von Pulsation während der extrakorporalen Zirkulation ist eine verbesserte Durchblutung kritischer Organe möglich. Dies liegt vor allem an der durch die Pulsation zusätzlich erzeugten hämodynamischen Energie. Das Ziel der Doktorarbeit war es, verschiedene Komponenten der minimal invasiven extrakorporalen Zirkulation (MiECC) hinsichtlich der Übertragung hämodynamischer Energie zu testen.
Methoden: Als Pseudopatient diente ein Aortenperfusionsmodell, das eine Silikonaorta besitzt, welche die Geometrie und Compliance einer menschlichen Aorta hat. Die MiECC bestand aus einer Diagonalpumpe, einem Oxygenator und Schläuchen als Verbindung zwischen den Komponenten. Für den Vergleich der Schlaucharten wurden entweder PVC- oder Silikonschläuche in der EKZ verwendet und um den Einfluss des Pseudopatienten darzustellen wurden die Messungen einmal mit starrem und einmal mit physiologischem Aortenmodell durchgeführt. Die Messungen wurden bei 37°C erhoben. Zudem wurden 5 verschiedene Oxygenatoren in der MiECC verglichen. Die Messungen hierfür wurden bei 26,9°C und 37°C erhoben, um die Auswirkungen bei hypothermen und normothermen Patienten darzustellen. Zuletzt wurden die Pulsationsparameter systematisch verändert, um eine möglichst hohe Energieübertragung auf den Pseudopatienten zu erreichen. Druckabfall, energy equivalent pressure (EEP) und surplus hemodynamic energy (SHE) wurden aus erhobenen Druck- und Flusskurven berechnet.
Ergebnisse: Bei Verwendung der PVC-Schläuche und dem physiologischen Aortenmodell konnte bei allen Flussraten eine signifikant höhere SHE gemessen werden. Mit dem starren Modell wurde dieser Unterschied erst ab 1,5 l·min-1 signifikant. Beim starren Modell konnten zudem bis zu 6 Prozentpunkte höhere SHE-Werte gemessen werden. Beim Quadrox-i und Affinity Fusion wurde der geringste Druckabfall gemessen. Der des Inspire 8FM war signifikant am höchsten und fast doppelt so hoch, wie der des Quadrox-i und Affinity Fusion. Bei allen Oxygenatoren fand sich das Maximum der gemessenen SHE bei 1,5 bis 2 l·min-1. Für die Erzeugung von Pulsation wurde die höchste SHE bei einer Drehzahldifferenz von 2500 Umdrehungen·min-1, einer Frequenz von 40 min-1 und bei einer Flussrate bis 1,5 l·min-1 bei 30%, ab 2 l·min-1 bei 40% Systolenanteil gemessen. Kombinierte man diese optimalen Einstellungen wurde die SHE fast verdreifacht. Das Maximum wurde allerdings in eine geringere Flussrate verschoben und auch bei 3,5 l·min-1 konnte nur eine SHE von 5% gemessen werden.
Schlussfolgerung: Die Compliance des Perfusionsmodells hat einen großen Einfluss auf die Messergebnisse. PVC-Schläuche übertragen die hämodynamische Energie in dem verwendeten Perfusionsmodell besser als flexible Silikon-Schläuche. Hinsichtlich der Energieübertragung spielt die Wahl des Oxygenators keine Rolle, die Unterschiede im Druckabfall müssen aber beachtet werden. Durch gute Kombination der Pulsationsparameter ist es möglich mehr Energie in höheren Flussraten zu übertragen. Die Weiterentwicklung der Pumpen ist notwendig, um die Übertragung in den, für den Erwachsenen notwendigen, höheren Flussraten zu optimieren
Cardiovascular effects of modulators of soluble guanylyl cyclase activity.
No full textSoluble guanylyl cyclase (sGC) is one of the key enzymes of the nitric-oxide (NO)/cyclic 3',5'-guanosine monophosphate (cGMP) pathway. Located in virtually all mammalian cells, it controls the vessel tone, smooth muscle cell growth, platelet aggregation, and leukocyte adhesion. In vivo sGC activity is mainly regulated by NO which in turn is released from L-arginine by nitric oxide synthases. One of the main diseases of the cardiovascular system, endothelial dysfunction, leads to a diminished NO synthesis and thus increases vessel tone as well as the risk of thrombosis. The predominant therapeutic approach to this condition is a NO replacement therapy, as exemplified by organic nitrates, molsidomin, and other NO releasing substances. Recent advances in drug discovery provided a variety of other approaches to activate sGC, which may help to circumvent both the tolerance problem and some non-specific actions associated with NO donor drugs. Substances like BAY 41-2272 stimulate sGC in a heme-dependent fashion and synergize with NO, allowing to enhance the effects both of endogenous NO and of exogenous NO donors. On the other hand, heme-independent activators like BAY 58-2667 allow to activate sGC even if it is rendered unresponsive to NO due to oxidative stress or heme loss. Furthermore, a few substances have been described as specific inhibitors of sGC that allow to alleviate the effects of excess NO production as seen in shock. This review discusses the cardiovascular effects of heme-dependent and heme-independent activators as well as of inhibitors of sGC
Preservation of adrenoceptor and endothelin receptor mediated vasoconstriction after cold storage of explanted blood vessels for ex-vivo analyses
No full textPurpose: Cold storage of blood vessels is a concern in bypass surgery and in ex vivo pharmacological experiments. We compared adrenoceptor and endothelin receptor-mediated vasoconstriction as well as endothelium-dependent vasodilation before and after 20 h storage in commercial and custom-made vessel storage solutions.
Methods: Saphenous veins harvested during coronary artery bypass surgery were analyzed by isometric force measurements in organ baths before and after cold storage for 20 h in HEPES-supplemented Dulbecco's modified Eagle's medium (HDMEM), HEPES-supplemented Krebs-Henseleit solution (HKH), or TiProtec solution. Contractile responses to potassium chloride (KCl), norepinephrine (NE), and endothelin-1 (ET-1) as well as vasodilator responses to acetylcholine (ACh) were evaluated.
Results: Storage in HDMEM diminished KCl induced contractile forces to 71% (p=0.002) and NE induced contractions to 80% (p=0.037) with no significant changes with the other solutions. NE induced contractions normalized to KCl were not affected by storage. NE EC50 values were slightly lower (7.1E-8 vs. 7.5E-8, p=0.019) after storage in HKH with no changes after storage in the other solutions. Endothelium-dependent responses to ACh were not affected by storage. ET-1 induced contractions were attenuated after storage in HDMEM (77%, p=0.002), HKH (75%, p=0.020), and TiProtec (73%, p=0.010) with no changes in the KCl-normalized constrictions. ET-1 EC50 values were not affected by storage.
Conclusion: Changes in contractility after storage likely reflect malnutrition during cold storage with no specific attenuation of adrenoceptor or endothelin-receptor mediated signal transduction. HKH or TiProtec are equally suitable cold storage solutions for preserving blood vessel function for ex-vivo measurements
Evaluation of decellularized human umbilical vein (HUV) for vascular tissue engineering - comparison with endothelium-denuded HUV
No full textHuman umbilical vessels have been recognized as a valuable and widely available resource for vascular tissue engineering. Whereas endothelium-denuded human umbilical veins (HUVs) have been successfully seeded with a patient-derived neoendothelium, decellularized vessels may have additional advantages, due to their lower antigenicity. The present study investigated the effects of three different decellularization procedures on the histological, mechanical and seeding properties of HUVs. Vessels were decellularized by detergent treatment (Triton X-100, sodium deoxycholate, IGEPAL-CA630), osmotic lysis (3m NaCl, distilled water) and peroxyacetic acid treatment. In all cases, nuclease treatments were required to remove residual nucleic acids. Decellularization resulted in a partial loss of fibronectin and laminin staining in the subendothelial layer and affected the appearance of elastic fibres. In addition to removing residual nucleic acids, nuclease treatment weakened all stainings and substantially altered surface properties, as seen in scanning electron micrographs, indicating additional non-specific effects. Detergent treatment and osmotic lysis caused failure stresses to decrease significantly. Although conditioned medium prepared from decellularized HUV did not severely affect endothelial cell growth, cells seeded on decellularized HUV did not remain viable. This may be attributed to the partial removal of essential extracellular matrix components as well as to changes of surface properties. Therefore, decellularized HUVs appear to require additional modifications in order to support successful cell seeding. Replacing the vessels' endothelium may thus be a superior alternative to decellularization when creating tissue-engineered blood vessels with non-immunogenic luminal interfaces. Copyright (c) 2012 John Wiley & Sons, Ltd
Contact-free monitoring of vessel graft stiffness - proof of concept as a tool for vascular tissue engineering
No full textTissue-engineered vessel grafts have to mimic the biomechanical properties of native blood vessels. Manufacturing processes often condition grafts to adapt them to the target flow conditions. Graft stiffness is influenced by material properties and dimensions and determines graft compliance. This proof-of-concept study evaluated a contact-free method to monitor biomechanical properties without compromising sterility. Forced vibration response analysis was performed on human umbilical vein (HUV) segments mounted in a buffer-filled tubing system. A linear motor and a dynamic signal analyser were used to excite the fluid by white noise (0-200 Hz). Vein responses were read out by laser triangulation and analysed by fast Fourier transformation. Modal analysis was performed by monitoring multiple positions of the vessel surface. As an inverse model of graft stiffening during conditioning, HUV were digested proteolytically, and the course of natural frequencies (NFs) was monitored over 120 min. Human umbilical vein showed up to five modes with NFs in the range of 5-100 Hz. The first natural frequencies of HUV did not alter over time while incubated in buffer (p = 0.555), whereas both collagenase (-35%, p = 0.0061) and elastase (-45%, p < 0.001) treatments caused significant decreases of NF within 120 min. Decellularized HUV showed similar results, indicating that changes of the extracellular matrix were responsible for the observed shift in NF. Performing vibration response analysis on vessel grafts is feasible without compromising sterility or integrity of the samples. This technique allows direct measurement of stiffness as an important biomechanical property, obviating the need to monitor surrogate parameters. Copyright (C) 2016 John Wiley & Sons, Ltd
Influence of 6% Hydroxyethyl Starch 130/0.4 Versus Crystalloid Solution on Structural Renal Damage Markers After Coronary Artery Bypass Grafting: A Post Hoc Subgroup Analysis of a Prospective Trial
No full textHemodynamic energy during pulsatile extracorporeal circulation using flexible and rigid arterial tubing: a reassessment
No full textInfluence of Cannulation Site on Carotid Perfusion During Extracorporeal Membrane Oxygenation in a Compliant Human Aortic Model
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