Endothelial function during ischemia-reperfusion and effects of inhalation of nitric oxide

Abstract

The vascular endothelium is an important regulatory organ in circulatory physiology and plays a central role in the response to acute inflammation and ischemia/reperfusion. Activation and dysfunction of the pulmonary vascular endothelium are closely related to clinical findings of pulmonary dysfunction. The endothelial-derived relaxing factor, nitric oxide (NO), is a gas, which can be administered by inhalation and may have beneficial effects in clinical conditions of pulmonary dysfunction. In this thesis a ventilatory system for inhalation of NO was tested and used to evaluate the effects of inhalation of NO in humans after ischemia and reperfusion caused by cardiopulmonary bypass, and in a pig model of single lung transplantation combined with contralateral pneumonectomy. The endothelial function of isolated pulmonary artery segments from the pigs was simultaneously studied in organ baths. Finally, we tried to attenuate the endothelial dysfunction seen during organ preservation by adding NO donors to the preservation solution. The ventilatory system delivered accurate concentrations of NO in the inspiratory gas during both short and long term delivery. After cardiopulmonary bypass surgery, there was a dose-independent decrease in pulmonary vascular resistance (PVR) down to the lowest dose tested, 2 parts per million (ppm), indicating that inhalation of NO influences PVR in this condition and that the level at which the response is dose dependent is even lower. Pig lungs which had been preserved for 24 hours and then transplanted showed clinical signs of endothelial dysfunction, which were confirmed by organ bath studies. Inhalation of NO reduced PVR in the transplanted lung in a dose-dependent manner in the intervall 5-80 ppm NO. This response to inhalation of NO increased in direct correlation with the degree of endothelial dysfunction. In sham-operated pigs inhalation of NO reduced PVR less and the reduction was independent of dose. With the termination of NO inhalation there was an oxygen-dependent rebound effect, with pulmonary vasoconstriction in the sham-operated pigs, but not in the lung-transplanted pigs. Pharmacological manipulation of the NO pathways in the preservation solution did not improve endothelium-dependent relaxation after storage. Inhalation of NO in ppm doses is possible with adequate equipment and may be beneficial after cardiopulmonary bypass and lung transplantation. The response will depend on dose, duration of inhalation, endothelial function and oxygen tension.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Blodkärlens insida bekläds av ett lager platta celler, s.k. endotelceller. Syrgas, näring och hormonella signaler måste passera dessa celler för att nå ut till kroppens olika vävnadsceller. På endotelcellernas yta finns normalt strukturer som förhindrar att blodceller (vita blodkroppar och blodplättar) fastnar och därigenom underlättas blodflödet. Endotelcellerna bildar också substanser som reglerar spänningen i kärlens glatta muskulatur. En sådan substans som produceras i endotelcellerna är kvävemonoxid (NO). Kvävemonoxid bildas normalt hela tiden och förhindrar att blodcellerna fastnar vid endotelcellerna samtidigt som blodkärlen vidgas. Vid sjukdomstillstånd påverkas endotelcellerna och deras funktion förändras. Vid vissa tillstånd har man bl.a. visat att halten av kvävemonoxid minskar i endotelcellerna. Blodkärlen drar ihop sig och blodcellerna får en tendens att fastna på endotelcellernas yta. Blodets förmåga att bilda blodproppar ökar. När detta händer i lungans kärl uppträder snabbt kliniska tecken på lungskada, med försämrad syresättning, sänkt lungelasticitet och förhöjt blodtryck i lungkärlen. Kvävemonoxid, som normalt bildas i lungans endotelceller och motverkar detta, kan inandas som en gas. Kvävemonoxid förvaras då i gasflaskor blandad med kvävgas och administreras via inandningsluften i mycket låga koncentrationer. I normala lungor med normalt fungerande endotel har inandning av kvävemonoxid ingen effekt på lungkärlen, men vid lungskador har man visat att inandning av kvävemonoxid kan vara effektiv genom att vidga lungans blodkärl, förbättra syresättningen och förhindra att blodceller fastnar vid endotelcellerna. Avhandlingen som grundar sig på sex vetenskapliga delarbeten handlar om hur kvävemonoxid kan administreras med exakthet och vilka effekter kvävemonoxid har på lungfunktionen efter operationer på hjärtlungmaskin och vid lungtransplantation. I första delarbetet beskrivs ett system för att administrera kvävemonoxid via en respirator. Utrustningen är lätthanterlig och ger en exakt koncentration av kvävemonoxid till den inandade gasen under andetaget. Långtidsstudier har visat att utrustningen ger rätt koncentration under en längre tids drift. Respiratorn reglerar doseringen av kvävemonoxid så att inställd koncentration automatiskt ges oavsett inandad minut volym, syrgaskoncentration och patientens andningsmekaniska egenskaper. I andra delarbetet används utrustningen på patienter som genomgått kranskärlsoperationer med hjärtlungmaskin. Kvävemonoxid i dosen 2 - 25 parts per million (ppm, delar av en miljon) tillföres. Redan vid den lägsta dosen får man maximal effekt och lungkärlsmotståndet minskar med drygt 20 %. I tredje delarbetet beskrivs en grismodell som används för att utvärdera lungor som lagrats 24 timmar i en lagringslösning och som sedan transplanteras. Vänstersidig lungtransplantation och bortopererande av höger lunga genomföres i ena gruppen och i en kontrollgrupp bortopereras höger lunga. I båda grupperna andas grisarna med endast vänster lunga och skillnaden mellan en lagrad, transplanterad lunga och en egen normal lunga kan utvärderas. Det visar sig att den transplanterade lungan utvecklar förhöjt lungblodtryck och minskad lungelasticitet, tydande på en endotelskada. Denna grismodell används för att utvärdera effekten av kvävemonoxidinandning på lungfunktionen. I fjärde och femte delarbetena beskrivs effekten av kvävemonoxidinandning i denna transplantationsmodell. Kvävemonoxid vidgar lungblodkärlen dosberoende (större effekt med högre dos) i den transplanterade lungan, men mindre och dosoberoende (samma effekt oberoende av dos) i kontrolldjurens lunga. Endotelets möjlighet att frisätta egen producerad kvävemonoxid visar sig vara nedsatt i den lagrade lungan och den dosberoende effekten som kvävemonoxid har, visar sig vara korrelerad till endotelskadan. När inandningen av kvävemonoxid avslutas drar lungkärlen ihop sig igen. Hos kontrolldjuren, men inte hos de transplanterade grisarna, får man en övergående kraftig ihopdragning av kärlen som överstiger kärlspänningen före inandningen. Detta antyder att den tillförda kvävemonoxiden sannolikt har hämmat endotelcellernas egen förmåga att vidga blodkärlen och möjligen dess förmåga att producera eget kvävemonoxid. Efter några minuter vidgar sig blodkärlen igen och återtar sin normal grundspänning, och detta kan tyda på att kvävemonoxidbildningen ånyo återkommer. I avhandlingens sista delarbete utnyttjas kunskapen att kvävemonoxid kan skydda endotelcellerna för de farliga ämnen som bildas vid kroppens metabolism av syrgas, de s.k. fria syreradikaler. Dessa bildas redan under lagringen av organ inför transplantation. Kärlbitar från råttans kroppspulsåder förvaras i en allmänt använd lagringslösning, till vilken olika ämnen som bildar kvävemonoxid eller hämmar dess bildning har tillförts. Kärlfunktionen undersökes i organbad efter lagring vid 4º C i 24 timmar. Endotelfunktionen och kärlens förmåga att dra ihop sig är nedsatt efter förvaringen i lagringslösningen. Tillförseln av de olika ämnena till lagringslösningen påverkar inte kärlfunktion. Sammanfattningsvis har vi visat att inandning av mycket små doser av kvävemonoxid kan ske med den testade utrustningen. Kvävemonoxid vidgar lungblodkärlen efter operationer i hjärtlungmaskin vilket indirekt tyder på att endotelcellerna har påverkats av ingreppet. Det antyder också att inandning av kvävemonoxid kan vara en användbar behandling vid sviktande lungfunktion efter operationer i hjärtlungmaskin eller vid lungtransplantationer. Man bör dock vara försiktig när man sätter ut behandlingen för att slippa övergående försämringar i lungfunktionen.

• author: Lindberg, Lars
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Lindahl, Sten, Anestesi och Intensivvårdskliniken, Karolinska sjukhuset, S-171 76 Stockholm
• organization: Anesthesiology and Intensive Care
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Anesthesiology and Intensive Care
• keywords: chemiluminescence, capnography, monitoring, inhalation, mechanical ventilation, pulmonary hypertension, nitric oxide, EDRF, endothelium-derived relaxation factor, endothelium, organ preservation, Lung, lung transplantation, electrochemical fuel cell, Anaesthesiology, intensive care, Anestesiologi, intensivvård
• pages: 126 pages
• defense location: Föreläsningssal 1, Centralblocket, University Hospital Lund
• defense date: 1996-12-06 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW / MEAN - 1042 - SE
• ISBN: 91- 628-2271-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 0111af0e-6608-4acd-8791-50b560ca913f (old id 28890)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:12:25
• date last changed: 2018-11-21 21:03:20