Pulmonary Injury Following Intestinal Ischemia and Reperfusion in Rats

Abstract

Intestinal ischemia and reperfusion (I/R) is a potentially life-threatening condition, sometimes leading to a systemic inflammatory response and the potential development of the multiple organ dysfunction syndrome. The overall aim of the thesis was to study the effects of intestinal I/R on pulmonary function with special emphasis on removal of excess alveolar fluid, pulmonary endothelial barrier permeability, leukocyte accumulation and function, and possible therapeutic strategies to prevent the development of pulmonary injury following intestinal I/R. Intestinal I/R was induced by clamping of the superior mesenteric artery for 40-45 min in male Sprague-Dawley rats, after which reperfusion was allowed for up to 12 hours.



Results show that intestinal I/R leads to an inflammatory response locally as well as in the lungs, with increased tissue and plasma levels of TNF-alpha and MCP-1, neutrophil accumulation in intestinal and pulmonary tissue, and an increase in pulmonary phagocytic capacity. The results also demonstrate increased intestinal and pulmonary endothelial permeabilities, a decrease in pulmonary tissue blood content, disruption of normal alveolar type II epithelial cell morphology, and stimulation of alveolar fluid clearance (AFC) through a non-catecholamine dependent mechanism. Protective effects of NAC, a broad-acting antioxidant, administration before the onset of reperfusion indicates involvement of oxygen free radicals in intestinal I/R-induced macrophage activation and decreased blood content. TNF-alpha monoclonal antibodies administered before the onset of intestinal I/R decreased AFC stimulation, indicating the involvement of TNF-alpha in the AFC stimulation.



Inhibition of the tissue factor (TF) VIIa complex formation by FVIIa-inhibition can attenuate the inflammatory response that occurs in assocation with intestinal I/R. The selective Factor Xa-inhibitor fondaparinux did, however, not demonstrate a convincing anti-inflammatory effect. Such properties are though not to be excluded since very limited dose response data exists with regard to potential anti-inflammatory properties also for FXa-inhibition.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Intestinal ischemi/reperfusion (I/R) är ett potentiellt mycket allvarligt tillstånd som kan bero dels på direkt ocklusion av mesenteriella kärl, men även vara sekundärt till andra tillstånd med nedsatt visceral cirkulation, som exempelvis chock eller akut pankreatit. Trots korrekt och även initialt framgångsrik behandling av den bakomliggande orsaken till I/R-tillståndet utvecklar en del av patienterna dysfunktion av andra organ där lungorna är det organ som oftast drabbas. Syftet med de aktuella studierna var att ytterligare kartlägga underliggande patofysiologiska mekanismer och de potentiella terapeutiska möjligheter en ökad kunskap skulle ge i samband med lungskada associerad med tarmischemi och reperfusion.



I samtliga delarbeten användes en in vivo rått-modell av tarm I/R, där a. mesenterica superior via ett medellinjesnitt isolerades och ockluderas med en kärlklämma under 30-45 minuter vilket ger en 100 %-ig ocklusion av kärlet, resulterande i ischemi i tunntarm samt delar av tjocktarmen. Efter avlägsnande av kärlklämman tilläts reperfusion under 3-12 timmar. Eventuella skador på endotelbarriärpermeabiliteten i tarm samt lunga bestämdes genom läckage av radioaktivt märkt albumin (125I-HSA), alternativt RITC-dextran från blodbanan. Ansamling av neutrofila granulocyter bestämdes genom analys av myeloperoxidas (MPO), ett enzym nästan uteslutande härrörande från neutrofila granulocyter. Ökad kapacitet/ aktivitet av pulmonella makrofager bestämdes genom lungornas upptag av radioaktivt märkta E. Coli (51Cr-E. Coli). Med hjälp av proteinkoncentrationsbestämning efter intratracheal installering av en albuminlösning erhölls ett mått på s k ?alveolar fluid clearance? (AFC), dvs. lungornas förmåga att avlägsna intraalveolär vätska. Plasmakoncentrations-bestämningar av MCP-1, MIP-2 samt TNFa analyseras med hjälp av s k ELISA-kits.



Aktiverade leukocyter anses spela en viktig roll i uppkomsten av tarm I/R-associerade lungskador och i delarbete I studerades effekten av 30 min tarmischemi åtföljt av 12 tim reperfusion på aktiviteten av lungmakrofager. Resultaten visar att tarm I/R leder till ökad aktivitet av lungmakrofager, vilket till stor del kunde förhindras av behandling med N-Acetylcysteine (NAC), en s k fri syreradikal ?scavenger?. Ultrastrukturella förändringar i lungan studerades med hjälp av elektronmikroskopi och man såg bl a interstitiellt ödem samt utträde av lanthanum, en cellulär ?tracer?, till interstitiell vävnad. Det faktum att lanthanum inte kunde påvisas inuti vare sig epitel-, eller endotelceller indikerar intakta cellmembran och att det läckage av vätska och lanthanum som sker till följd av tarm I/R troligen är ett resultat av funktionella förändringar av endotelcellerna efter tarm I/R, t ex via cellkontraktion.



En fruktad komplikation av tarm I/R är lungödem. Detta leder till försvårat gasutbyte vilket är lungans viktigaste funktion. I delarbete II studerades effekten av tarmischemi och 3 tim reperfusion på lungans förmåga att göra sig av med överflödig vätska, en process kallad ?alveolar fluid clearance?, AFC. Resultaten visar att tarm I/R leder till en signifikant ökning av AFC, och att denna ökning, något förvånande, inte är ett resultat av ökad b-adrenerg stimulering, vilket visats under flera andra förhållanden. Resultat från delarbete II visar att tarm I/R-associerad ökning av ALC åtminstone delvis medieras via en TNFa-beroende mekanism.



Tarm I/R leder till aktivering och frisättning av en mängd inflammatoriska mediatorer, ex TNFa och MCP-1, vilka i sin tur på olika sätt deltar i uppkomsten av skador på organ avlägsna från den ursprungliga skadan, ex lungan. I delarbete III avsågs att närmre studera det inflammatoriska svaret lokalt i tarmen samt i lungan efter 40 min tarmischemi åtföljt av reperfusion 1-12 timmar. Resultaten visar att det pro-inflammatoriska svaret (TNFa samt MCP-1) uppträder snabbt i tarmvävnad efter I/R, och något senare i lungan. Vidare sågs en ansamling av neutrofila granulocyter (via analys av MPO) lokalt i tarmen samt i lungan. Morfologiska förändringar i lungan studerades med hjälp av elektronmikroskopi och resultaten visar bl a interstitiellt ödem och ansamling av neutrofila granulocyter. Förändringar i typ II pneumocyter med bl a ökat antal cytoplasmiska vakuoler, celldegeneration samt kärnkondensation, samt det faktum att cellmembranpermeabiliteten var intakt kan indikera att den patofysiologiska processen fortgår via apoptos.



Det har under de senaste åren blivit alltmer uppenbart att det finns ett samspel mellan det inflammatoriska svaret och blodkoagulationen och det är ett känt faktum att olika inflammatoriska tillstånd kan leda till störningar i blodkoagulationen, allt från sjunkande trombocyttal till fullt utvecklad disseminerad intravasal koagulation (DIC). De exakta mekanismerna bakom samspelet inflammation-koagulation är dock inte fullständigt kartlagda. Syftet med delarbete IV var att studera potentiellt antiinflammatoriska egenskaper hos två olika antikoagulantia. Den ena substansen som studerades var active-site inactivated factor VIIa (FVIIai), vilket är koagulationsfaktor VIIa som blockerats i sitt aktiva bindningsställe, samt fondaparinux, en selektiv Fxa-hämmare. Resultat från studien (IV) visar att tarm I/R leder till ökat albuminläckage över endotelbarriären samt infiltration av neutrofila granulocyter i såväl tarm som lunga och att administrering av FVIIai, innan induktion av tarm I/R minskade såväl endotelbarriärskadan i tarmen som neutrofilansamlingen i både tarm och lunga. Fondaparinux hade inte samma skyddande egenskaper, men liksom FVIIai resulterade fondaparinux administrering till minskade plasmanivåer av chemokinen macrophage inflammatory protein-2 (MIP-2).



Sammanfattningsvis visar resultaten från denna avhandling att tarm I/R leder till en ökad inflammatorisk aktivitet lokalt i såväl tarm som lungor, med bl.a. ökade vävnads nivåer av TNFa och MCP-1, ansamling av neutrofila granulocyter i tarm och lungvävnad, ökad endotelbarriär-permeabilitet för protein i såväl tarm som lunga, interstitiellt lungödem samt morfologiska förändringar avseende typ II pneumocyter. De skyddande effekterna på lungan efter NAC administrering, en s k fri syreradikal scavenger indikerar betydelsen av dessa mediatorer i uppkomsten av tarm I/R-associerad lungskada. Vidare fann vi att tarm I/R leder till ökat alveolärt vätske-clearance, troligen via en TNFa-beroende mekanism. Genom att interagera med koagulationsfaktor VIIa kunde det inflammatoriska svaret lokalt i tarmen samt (i lägre utsträckning) även i lungan dämpas efter tarm I/R.



Lungsvikt, ibland kulminerande i ARDS, är den vanligaste och tidigast insättande komponenten i multipel organsvikt, vilket fortsätter vara en dominerande orsak till sjuklighet och död på (kirurgiska) intensivvårdsavdelningar. Genom att kartlägga och bättre förstå underliggande patofysiologiska mekanismer bakom dessa tillstånd ökar även möjligheterna att hitta nya terapeutiska strategier för att hjälpa dessa svårt sjuka patienter.

• author: Börjesson, Anna
• supervisor: Roland Andersson
• opponent: Professor Revhaug, Arthur, University Hospital Northern Norway, Tromso, Norway
• organization: Surgery (Lund)
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Surgery
• keywords: reperfusion injury, intestinal ischemia, pulmonary injury, endothelium, cytokines, alveolar fluid clearance, leukocytes, orthopaedics, Surgery, traumatology, ortopedi, Kirurgi, traumatologi
• pages: 120 pages
• defense location: Lecture room 3, Central building, Lund University Hospital, Lund
• defense date: 2005-03-17 13:00:00
• ISBN: 91-85439-08-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: A Börjeson, XD Wang, Z Sun, R Wallén, X Deng, E Johansson and R Andersson. 2000. Effects of N-acetylcysteine on pulmonary macrophage activity after intestinal ischemia and reperfusion in rats. Dig Surg, vol 17 pp 379-389.; A Börjesson, A Norlin, XD Wang, R Andersson and HG Folkesson. 2000. TNFalpha stimulates alveolar liquid clearance during intestinal ischemia-reperfusion in rats. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, pp L3-L12.; A Börjesson, K Olanders, X Zhao, R Wallén, X Wang and R Andersson. . Pulmonary inflammatory response and morphological changes following intestinal ischemia and reperfusion injury in rats. Scand J Gastroenterol., (submitted); K Olanders, A Börjesson, X Zhao and R Andersson. . Effects of anticoagulant treatment on intestinal ischemia and reperfusion injury in rats. Acta Anaesth Scand, (accepted)
• id: f36cc209-2ea0-42e8-a9b1-dd5919d3c440 (old id 544437)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:25:14
• date last changed: 2018-11-21 21:10:50