Vascular effects of prostacyclin in cat skeletal muscle and in the traumatised rat brain

Abstract

Disturbances in microvascular function may be important for tissue damage in many disease states. Prostacyclin, a substance produced by endothelial cells, is important for the maintenance of normal vascular homeostasis and is a potential drug for treatment of microvascular dysfunction, but indications and optimal dosage remains to be established. In the present thesis we evaluated the capillary filtration coefficient (CFC)-method as a tool to investigate changes in microvascular permeability in vivo. In contrast to previous studies we found that CFC is not significantly influenced by alterations in precapillary sphincter activity and concluded that changes in CFC reflect changes in fluid permeability in cat skeletal muscle. Using the CFC-method we investigated effects of prostacyclin on microvascular fluid permeability and found that prostacyclin may decrease fluid permeability through opening of ATP-dependent potassium channels. We also found that prostacyclin may be released and decrease fluid permeability following increases in plasma concentrations of endothelin-1. We also investigated effects of prostacyclin in a low dose, which is clinically applicable without side effects such as hypotension, on macromolecular permeability in cat skeletal muscle and found that such a treatment could counteract an increase in macromolecular permeability. In order to evaluate potentially beneficial effects on microvascular perfusion following a brain trauma, prostacyclin in a low dose was administered following traumatic brain injury in rats. Prostacyclin reduced cell death simultaneously with an increase in cerebral blood flow and an increase in the number of perfused capillaries in the injured part of the brain. The results presented in the present thesis suggest that treatment with prostacyclin in low doses may be beneficial in disease states characterised by an impaired microvascular perfusion and increased vascular permeability such as following a brain trauma.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I syfte att upprätthålla en optimal miljö för alla kroppens celler har högre stående djur utvecklat blodcirkulationen genom vilken syre- och andra närings ämnen transporteras till vävnader via artärer och de mindre arteriolerna, medan slaggprodukter förs bort med venerna. Utbytet av näringsämnen och slaggprodukter mellan blod och vävnad sker genom kärlväggen i kroppens minsta blodkärl, kapillärerna samt i de minsta venerna. Kapillärerna har en tunn vägg bestående av tätt sammanfogade endotelceller vilande på ett bindvävsmembran. Vatten och andra vattenlösliga molekyler såsom joner och plasmaproteiner passerar kapillärväggen genom små spalter mellan endotelcellerna. Storleken på dessa spalter och därmed permeabiliteten över kapillärväggen tros kunna förändras genom att endotelcellerna ändrar form. En ökad permeabilitet för vatten och proteiner genom kapillärväggen kan resultera i vävnadssvullnad (ödem) och förlust av plasma från blodbanan och därigenom en minskad blodvolym. En sådan rubbning av mikrovaskulär permeabilitet är sannolikt viktig för sjukdomsutveckling och dödlighet i flera sjukdomstillstånd som exempelvis blodförgiftning och i efterförloppet till olika former av våld (trauma). De mekanismer och substanser som påverkar permeabilitet är för närvarande föremål för en intensiv forskning som har till syfte att utveckla läkemedel som motverkar en patologisk ökning av permeabilitet. Denna forskning baseras framför allt på studier av odlade endotelceller. Det är önskvärt att utveckla metoder som medger en kvantifiering av permeabilitetsförändringar och sådana förändringars nettoeffekter på transkapillärt vätskeutbyte också på organnivå. Endotelcellerna är inte bara av vikt för reglering av permeabilitet utan är även betydelsefulla för bland annat reglering av blodflöde genom produktion av kärlkontraherande substanser som endothelin-1 och kärlvidgande substanser som kväveoxid.



Traumatiska hjärnskador är en av de främsta orsakerna till död och neurologiska bortfall bland unga individer i den industrialiserade världen. En traumatisk hjärnskada resulterar i celldöd genom primära och sekundära mekanismer. Den irreversibla skada som tillfogas nervceller i själva skadeögonblicket orsakas av primära mekanismer. Med sekundära skademekanismer menar man de potentiellt reversibla processer som inom timmar eller dagar bidrar till att ytterligare nervceller dör. Kliniska och djurexperimentella studier har visat att blodflödet och därmed också tillförsel av syre och andra näringsämnen minskar i det skadade området av hjärnan, vilket kan ha stor betydelse för utvecklingen av sekundär nervcellsdöd. Orsakerna till det minskade blodflödet är inte helt klarlagda men störningar av mikrokärlens normala funktion är sannolikt av vikt. Påvisade störningar inkluderar ocklusion av kapillärer, ökad permeabilitet samt en minskning av endotelcellernas produktion av substanser som ökar blodflöde och minskar adhesion av blodplättar på kärlväggen. Det är möjligt att ett en substans som motverkar dessa kärlförändringar kan öka nervcellsöverlevnad efter en traumatisk hjärnskada.



Prostacyklin produceras normalt av endotelceller och har som främsta funktion att motverka adhesion och aggregation av blodplättar i blodkärlen men kan också öka blodflöde genom att dilatera blodkärl. Nyligen har det visats att prostacyklin kan minska mikrokärlens permeabilitet men de cellulära mekanismer som förmedlar denna effekt är dåligt utredda. Trots egenskaper som är potentiellt positiva i en rad sjukdomstillstånd nyttjas prostacyklin sparsamt i den kliniska verksamheten, sannolikt beroende på att de doser som används ofta leder till icke önskvärda blodtrycktfall. Det har nyligen visats att prostacyklin även i lägre doser, vilka inte orsakar blodtrycksfall eller andra biverkningar, har gynnsamma effekter på mikrocirkulationen och detta förhållande kan göra prostacyklin till ett kliniskt mer intressant läkemedel.



Syftet med denna avhandling är etablera en metod för mätning av mikrovaskulär permeabilitet i kattens vadmuskulatur samt att studera olika aspekter av prostacyklins effekter på mikrocirkulationen i denna modell (delarbete I-IV) och i den traumatiskt skadade råtthjärnan (V-VI). I delarbete I utvärderade vi en metod (CFC- metoden) för mätning av förändringar i mikrovaskulär vattenpermeabilitet i kattens vadmuskulatur. I tidigare studier har det gjorts gällande att denna metod inte bara speglar förändringar i mikrokärlens permeabilitet utan också förändringar i antalet genomblödda kapillärer. Våra resultat visar att, med en förfinad teknik så är detta inte fallet, och metoden kan därför användas för att analysera effekter på vattenpermeabilitet även efter experimentella interventioner som kan tänkas förändra antal genomblödda kapillärer. I delarbete II studerade vi effekter av prostacyklin på vattenpermeabilitet. Våra resultat visar att prostacyklin kan minska vattenpermeabilitet genom öppning av ATP-beroende kaliumkanaler i endotelcellens membran. I delarbete III studerade vi effekter av endothelin-1 på permeabilitet och vätsketransport. Endothelin-1 har tidigare antagits öka permeabilitet och därigenom inducera ödem. Vi fann att endothelin-1 minskar vattenpermeabilitet genom att frisätta prostacyklin. Eftersom vätsketrycket samtidigt ökade i kapillärerna var nettoeffekten en ökad filtration av vätska vilket sannolikt kan förklara den tidigare påvisade ödeminducerande effekten av endothelin-1. I delarbete IV studerade vi effekten av prostacyklin i en låg kliniskt applicerbar dos på permeabilitet för plasmaproteinet albumin. Prostacyklin i denna låga dos minskade permeabilitet för albumin med 38 % jämfört med en kontrollgrupp. I delarbetena V och VI studerades effekten av en infusion av prostacyklin i låg dos efter en experimentellt inducerad traumatisk hjärnskada på råtta. I dessa studier fann vi att prostacyklin minskar celldöd i hjärnbarken och att denna gynnsamma effekt sammanföll med ett ökat blodflöde och ett ökat antal genomblödda kapillärer i hjärnbarken.



Sammanfattningsvis visar resultaten i denna avhandling att CFC-metoden kan användas för utvärdering av mikrovaskulär permeabilitet även om antalet genomblödda kapillärer förändras under försökets gång. Denna metod kan förhoppningsvis bli ett värdefullt komplement till redan befintliga metoder för studier av mikrokärlens permeabilitet. Våra resultat stödjer hypotesen att administration av prostacyklin i en låg dos kan minska en ökad permeabilitet för plasmaproteiner och vatten. Ytterligare studier krävs för att påvisa en eventuellt en gynnsam effekt på blodvolym och ödembildning i patologiska tillstånd med förhöjd permeabilitet. Resultaten stödjer också att störningar i mikrocirkulationen efter skallskador bidrager till celldöd och att prostacyklin i låg dos kan motverka en sådan effekt. Framtida studier får utvisa om prostacyklin i låg dos kan minska mortalitet och neurologiska restsymptom efter traumatiska hjärnskador på människor.

• author: Bentzer, Peter
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Haraldsson, Börje, Dept. of Physiology and Pharmacology, University of Gothenburg, Sweden
• organization: Anesthesiology and Intensive Care
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: reflection coefficient, cerebral blood flow, hydraulic conductivity, oedema, capilary filtration coefficient, endothelin-1, ATP-dependent potassium channels, Physiology, Fysiologi
• pages: 53 pages
• defense location: Fernströmsalen, Sölveg. 19,
• defense date: 2001-05-26 09:15:00
• ISBN: 91-628-4806-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 166e8759-769a-4095-9a14-12ffc80f3c98 (old id 41620)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:51:41
• date last changed: 2018-11-21 21:07:41