Einfluss der Wasserstoffgasinhalation während der therapeutischen Hypothermie auf die zerebrale Hämodynamik und Sauerstoffversorgung beim erstickten Ferkel

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 1615 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wir haben zuvor über das neuroprotektive Potenzial der kombinierten Beatmungstherapie mit Wasserstoff (H2) und der therapeutischen Hypothermie (TH) berichtet, indem wir die kurzfristigen neurologischen Ergebnisse und histologischen Befunde von 5-Tage-Ferkeln mit neonataler hypoxisch-ischämischer (HI) Enzephalopathie bewertet haben. Die Auswirkungen von H2-Gas auf die Hirndurchblutung und den Sauerstoffstoffwechsel sowie auf die Prognose waren jedoch unbekannt. Hier verwendeten wir zeitaufgelöste Nahinfrarotspektroskopie, um die kombinierte H2-Gasbelüftung und TH mit TH allein zu vergleichen. Die Ferkel wurden in drei Gruppen eingeteilt: HI-Insult mit Normothermie (NT, n = 10), HI-Insult mit Hypothermie (TH, 33,5 ± 0,5 °C, n = 8) und HI-Insult mit Hypothermie plus H2-Beatmung (TH + H2, 2,1–2,7 %, n = 8). H2-Beatmung und TH wurden verabreicht und das zerebrale Blutvolumen (CBV) und die zerebrale Hämoglobin-Sauerstoffsättigung (ScO2) wurden 24 Stunden nach der Verletzung aufgezeichnet. Der CBV war 24 Stunden nach der Verletzung in der TH + H2-Gruppe signifikant höher als in den anderen Gruppen. ScO2 war in den 24 Stunden nach dem Insult in der TH + H2-Gruppe signifikant niedriger als in der NT-Gruppe. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die kombinierte Beatmung mit H2-Gas und TH im Vergleich zu TH allein den CBV erhöhte und den ScO2 verringerte, was auf einen erhöhten zerebralen Blutfluss zur Deckung des höheren Sauerstoffbedarfs der überlebenden Neuronen zurückzuführen sein könnte.

Therapeutische Hypothermie (TH) ist die einzige Standardbehandlung zur Minimierung von Hirnverletzungen bei Säuglingen mit hypoxisch-ischämischer (HI) Enzephalopathie (HIE) und führt zu niedrigeren Sterblichkeits- und Invaliditätsraten im Alter von 12–18 Monaten1,2,3. Allerdings verhindert diese Therapie nicht bei allen Säuglingen eine Hirnschädigung2,4. Um die Ergebnisse weiter zu verbessern, sind neue Wirkstoffe erforderlich, die die Wirkung von TH verstärken können.

Wasserstoffgas (H2) wurde zu einem Hauptschwerpunkt der Forschung in der Neugeborenenmedizin, nachdem seine starken antioxidativen Eigenschaften in vivo und in vitro bei Krankheiten bei Erwachsenen wie zerebraler Ischämie entdeckt wurden5,6,7. H2 gilt als antioxidatives, entzündungshemmendes und antiapoptotisches Mittel, das als therapeutisches und präventives Antioxidans wirkt, indem es die Konzentration hochaktiver Oxidationsmittel wie Hydroxylradikal (•OH) und Peroxynitrit (ONOO−) in kultivierten Zellen selektiv reduziert. Als Ergänzung zu TH haben wir zuvor über dessen neuroprotektives Potenzial durch eine Bewertung der kurzfristigen neurologischen Ergebnisse und histologischen Befunde einer Kombinationstherapie bei 5-tägigen neugeborenen HIE-Ferkeln berichtet8. Insbesondere die kombinierte Beatmung mit H2-Gas und TH linderte Hirnverletzungen besser als TH allein. Es sind jedoch weder die Auswirkungen von H2-Gas auf die Hämodynamik und Sauerstoffversorgung des Gehirns noch seine Fähigkeit, die Prognose zu verbessern, bekannt.

Die zerebrale Hämodynamik und Sauerstoffversorgung sollten bei HIE-Neugeborenen mit oder ohne TH beurteilt werden, da die Veränderungen dieser Parameter entscheidende Faktoren für die Schwere der Hirnverletzung sein können9,10. Die zeitaufgelöste Nahinfrarotspektroskopie (TRS) mit drei Wellenlängen ist ein fortschrittlicher Modus der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS), der nicht nur die Sauerstoffsättigung des zerebralen Hämoglobins (ScO2), sondern auch den absoluten Wert des zerebralen Blutvolumens (CBV) nichtinvasiv und kontinuierlich messen kann ) am Bett. Auch die zerebrale Hämodynamik und der Stoffwechsel können durch eine erfolgreiche Behandlung der Asphyxie mit TH11 unterdrückt werden. Wir haben jedoch zuvor berichtet, dass Ferkel mit stark unterdrückten neuronalen Aktivitäten nach einem HI-Insult eine weitere Unterdrückung der zerebralen Hämodynamik während des TH nach dem Insult zeigen, einschließlich einer stärkeren Abnahme des CBV, wohingegen Ferkel mit stark unterdrückten neuronalen Aktivitäten während der Normothermie danach einen stärkeren Anstieg des CBV zeigen die Beleidigung10. Allerdings gibt es keine Berichte darüber, wie H2-Gas die zerebrale Hämodynamik und Sauerstoffversorgung während TH nach HI-Insult beeinflussen kann.

Wir stellten die Hypothese auf, dass die Kombination von H2-Gasbeatmung mit TH die zerebrale Hämodynamik und Sauerstoffversorgung nach einem HI-Insult verändern und dadurch die Ergebnisse verbessern würde. Daher haben wir in dieser Studie die Veränderungen von CBV und ScO2 nach HI-Insult beim Ferkel zwischen kombinierter H2-Gasbeatmung und TH und TH allein verglichen.

Das mittlere (SD) Körpergewicht betrug 1683 (189) g in der NT-Gruppe [n = 10; fünf Männer (zwei starben innerhalb von 5 Tagen nach der Beleidigung) und fünf Frauen], 1806 (11,5) g in der TH-Gruppe [n = 8; acht Männer (zwei starben) und zwei Frauen] und 1804 (108) g in der TH + H2-Gruppe (n = 8; drei Männer und fünf Frauen). Die vier Ferkel starben an den Folgen eines schweren Anfalls. Wir haben zwei Ferkel in der TH-Gruppe ausgeschlossen, weil ihre ScO2-Ausgangswerte 80 % überstiegen und unsere vorherigen Berichte zeigten, dass selbst unter FiO2:1,0 der ScO2-Wert 80 % nicht überstieg (Abb. 1). Die Dauer des LAEEG nach der Beleidigung unterschied sich nicht zwischen den Gruppen [Mittelwert (SD): NT-Gruppe, 25,4 (8,0) Minuten; TH-Gruppe, 26,2 (13,2) Min.; TH + H2-Gruppe, 25,4 (10,2) min].

Studienflussdiagramm.

Die histologischen Ergebnisse sind in unserer vorherigen Studie12 zu sehen. Obwohl es geringfügige Unterschiede zu früheren Arbeiten hinsichtlich der Anzahl neugeborener Ferkel und der Gruppenzusammensetzung gibt, handelt es sich im Großen und Ganzen um dieselben Ergebnisse, über die wir zuvor berichtet haben. Die TH + H2-Gruppe hatte im Vergleich zu den NT- und TH-Gruppen deutlich weniger TUNEL (+)-Zellen im dorsalen Kortex (DCx) (Abb. 2A). Die Anzahl der TUNEL (+)-Zellen im DCx war wie folgt: NT, 340,8 (259,8–452,8); TH, 306,3 (163,8–451,0); und TH + H2, 102,1 (0–137,5). Im sensomotorischen Kortex (SMCx; Abb. 2B) und im mitteltemporalen Kortex (MTCx; Abb. 2C) zeigte die TH-Gruppe im Vergleich zur NT-Gruppe deutlich weniger Zellen. Die Werte werden als Median (Interquartilbereich) ausgedrückt und p < 0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen.

Anzahl der TUNEL (+)-Zellen in drei Regionen der Großhirnrinde, nämlich der dorsalen Kortikalis (A, DCx), der sensomotorischen Kortikalis (B, SMCx) und der mitteltemporalen Kortikalis (C, MTCx). Im DCx wurden in der TH + H2-Gruppe im Vergleich zu den NT- und TH-Gruppen deutlich weniger TUNEL (+)-Zellen beobachtet (Median mit Interquartilbereich). Ein p-Wert < 0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen. Im sensomotorischen Kortex (SMCx) und im mitteltemporalen Kortex (MTCx) zeigte die TH-Gruppe im Vergleich zur NT-Gruppe deutlich weniger Zellen.

Biochemische Parameter wie PaO2, PaCO2, pH, Basenüberschuss, Laktat, Glukose und Hämoglobin zu Studienbeginn zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen den drei Gruppen (Tabelle 1). Der pH-Wert war 1 Stunde nach dem Insult in der TH-Gruppe am niedrigsten, während der pH-Wert zwischen 3 und 24 Stunden nach dem Insult in der TH + H2-Gruppe am niedrigsten war. PaCO2 blieb 24 Stunden nach der Schädigung in allen Gruppen weitgehend auf einem konstanten Wert und PaO2 war 24 Stunden nach der Schädigung in der TH + H2-Gruppe am höchsten. Das Hämoglobin war 24 Stunden nach der HI-Belastung in der TH + H2-Gruppe signifikant niedriger als in der TH-Gruppe.

Bezüglich der Herzfrequenz nach der ersten Wiederbelebung zeigten alle Gruppen einen sofortigen Anstieg innerhalb einer Stunde nach der Beleidigung. Die NT-Gruppe zeigte im gesamten 24-Stunden-Zeitraum die höchste Herzfrequenz im Vergleich zu den anderen Gruppen. Im Gegensatz dazu zeigte die TH + H2-Gruppe von allen Gruppen die niedrigste HR von 3 bis 24 Stunden (Abb. 3). Bei MABP zeigten alle Gruppen innerhalb von 6 Stunden nach der Beleidigung einen erhöhten MABP, und ab 12 Stunden nach der Beleidigung behielt der MABP in allen Gruppen einen konstanten Wert bei (Abb. 4). Während des gesamten Experiments gab es keine signifikanten Unterschiede im MABP zwischen den drei Gruppen.

Herzfrequenz (Schläge pro Minute) am Ende und 1, 3, 6, 12 und 24 Stunden nach dem hypoxisch-ischämischen Insult bei Normothermie (NT, n = 10), therapeutischer Hypothermie (TH, n = 8) und TH mit Wasserstoff Gasinhalation (TH + H2, n = 8) Gruppen. Schattierte Bereiche zeigen die hypoxisch-ischämische Insultperiode an. Bei den Daten handelt es sich um Mittelwerte ± SD in der NT-Gruppe (blauer Kreis), der TH-Gruppe (rotes Quadrat) und der TH + H2-Gasgruppe (grünes Dreieck). *p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001, ****p < 0,0001 im Vergleich zur NT-Gruppe.

Mittlerer Blutdruck (MABP, mmHg) am Ende und 1, 3, 6, 12 und 24 Stunden nach dem hypoxisch-ischämischen Insult bei Normothermie (NT, n = 10), therapeutischer Hypothermie (TH, n = 8) und TH mit Wasserstoffgas-Inhalation (TH + H2, n = 8) Gruppen.

Bei CBV und ScO2 zeigten alle Gruppen bis 12 Stunden nach dem Insult einen verringerten CBV. Nach 24 Stunden zeigten die NT- und TH-Gruppen immer noch einen verringerten CBV, in der TH + H2-Gruppe war er jedoch deutlich höher (Abb. 5). Im Gegensatz dazu war ScO2 in der TH + H2-Gruppe 24 Stunden nach dem Insult signifikant niedriger als in der NT-Gruppe und lag nach 1,3 Stunden im Vergleich zur TH-Gruppe signifikant niedriger (Abb. 6).

Zerebrales Blutvolumen (CBV, ml/100 g Gehirn) am Ende und 1, 3, 6, 12 und 24 Stunden nach dem hypoxisch-ischämischen Insult bei Normothermie (NT, n = 10), therapeutischer Hypothermie (TH, n = 8) und TH mit Wasserstoffgasinhalation (TH + H2, n = 8) Gruppen. ***p < 0,001 im Vergleich zur NT-Gruppe; ####p < 0,0001 im Vergleich zur TH-Gruppe.

Sauerstoffsättigung des zerebralen Hämoglobins (ScO2, %) am Ende und 1, 3, 6, 12 und 24 Stunden nach dem hypoxisch-ischämischen Insult bei Normothermie (NT, n = 10), therapeutischer Hypothermie (TH, n = 8), und TH mit Wasserstoffgas-Inhalation (TH + H2, n = 8) Gruppen. *p < 0,05, **p < 0,01 im Vergleich zur NT-Gruppe; #p < 0,05, ##p < 0,01 im Vergleich zur TH-Gruppe.

Wir untersuchten die Korrelation zwischen der Veränderung des CBV 24 Stunden nach der HI-Insultation (berechnet durch Subtraktion des Werts am Ende der HI-Insultation vom Wert 24 Stunden nach der Insultation) und der Anzahl der TUNEL (+)-Zellen im Kortex (Abb . 7) in den Gruppen TH und TH + H2. In Abb. 7A zeigte die Veränderung des CBV 24 Stunden nach der HI-Insultation eine signifikante negative Korrelation mit der Anzahl der TUNEL (+)-Zellen im DCx.

Zusammenhang zwischen der Veränderung des CBV 24 Stunden nach der HI-Insultation und der Anzahl der TUNEL (+)-Zellen (A, DCx; B, SMCx; C, MTCx). Die Änderung des CBV 24 Stunden nach dem HI-Schaden wird berechnet, indem der Wert am Ende des HI-Schadens vom Wert 24 Stunden nach dem HI-Schaden subtrahiert wird. Die Veränderung des CBV 24 Stunden nach der HI-Insultation zeigte eine signifikante negative Korrelation mit der Anzahl der TUNEL (+)-Zellen im DCx (A).

In dieser Studie haben wir herausgefunden, dass unsere TH + H2-Gruppe im Vergleich zu einer TH-Gruppe (1) eine niedrigere Herzfrequenz bei konstantem Blutdruck, (2) einen höheren CBV und einen niedrigeren ScO2 aufwies. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die kombinierte H2-Gasbeatmung und TH die Hämodynamik und Sauerstoffversorgung des Gehirns verbessern und dadurch zur Reduzierung von Hirnverletzungen beitragen könnten.

In früheren Tierversuchen zeigten Schafe und Ferkel mit Hirnverletzungen innerhalb von 24 Stunden nach der HI-Insultation einen erhöhten zerebralen Blutfluss (CBF) und CBV13,14,15. Diese zerebralen hämodynamischen Veränderungen könnten einen Rückgang des Sauerstoffstoffwechsels zusammen mit einer Hyperämie aufgrund eines Sekundärenergieausfalls widerspiegeln, der durch eine beeinträchtigte zerebrale Autoregulation verursacht wird. Im klinischen Umfeld wurde zuvor berichtet, dass HIE-Neugeborene mit unerwünschten Folgen einen Anstieg des CBV oder ScO2 von 6 bis 24 Stunden nach der Geburt aufwiesen9,16,17. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass TH CBF und CBV reduziert, da es zu einer kühlungsbedingten Verringerung der Stoffwechselrate des Gehirns führen kann10,18. Interessanterweise wurde berichtet, dass fötale Schafe mit erhöhtem CBF während TH nach HI-Insult ein besseres Ergebnis erzielten19. Darüber hinaus haben wir zuvor berichtet, dass eine stärkere Abnahme des CBV während TH nach einer Beleidigung mit stärker unterdrückten neuronalen Aktivitäten korreliert10.

In dieser Studie wollten wir untersuchen, wie die Inhalation von H2-Gas die Gehirnzirkulation und Sauerstoffversorgung während TH verändert. Anhand eines neonatalen Schweinemodells stellten wir fest, dass H2-Gas in Kombination mit TH bei der Reduzierung von Hirnschäden und der Beschleunigung der Wiederherstellung der motorischen Funktion wirksamer war als TH allein. Dennoch war der Unterschied in der Hirndurchblutung und den Veränderungen des Sauerstoffstoffwechsels zwischen TH + H2 und TH allein noch unklar.

Wir haben zuvor über den Zusammenhang von CBV und ScO2 mit Hirnschäden bei erstickten Ferkeln berichtet und uns dabei auf die Verwendung von TRS zur Messung der Gehirnzirkulation und des Sauerstoffstoffwechsels konzentriert. In diesen Studien fanden wir heraus, dass der Zusammenhang zwischen CBV-Veränderungen und Hirnschäden bei TH anders war als bei NT10,14. Daher wurde CBV als nützlicher Indikator für die Wirkung der Behandlung auf die Hirndurchblutung angesehen. Wir stellten auch die Hypothese auf, dass sich die CBV-Veränderungen bei TH + H2 von denen bei TH allein unterscheiden würden und dass dieser Unterschied in der Durchblutung möglicherweise mit den zerebroprotektiven Wirkungen von TH + H2 in der vorliegenden Studie zusammenhängt. Wintermark et al.20 fanden heraus, dass bei menschlichen HIE-Säuglingen mit schwerer Hirnschädigung, gemessen mittels MRT, gleichzeitig auch ein hoher CBF- und ein hoher ScO2-Wert beobachtet wurden, und sie spekulierten, dass dieses Ergebnis trotz eines erhöhten Sauerstoffbedarfs einen verringerten Sauerstoffbedarf widerspiegeln könnte Sauerstoffversorgung. In unserer Studie haben wir in der TH + H2-Gruppe vermutet, dass der höhere CBV einen höheren CBF widerspiegelt, was bedeutet, dass ScO2 24 Stunden nach der HI-Belastung höher war und dass ScO2 niedrig und nicht hoch war, was auf einen stark erhöhten Sauerstoffbedarf zurückzuführen ist, da dies normal ist Zellen konnten ihre Funktion aufrechterhalten. Obwohl die Untersuchung des Gleichgewichts zwischen zerebralem Sauerstoffbedarf und -verbrauch von entscheidender Bedeutung ist, war diese Studie nicht in der Lage, den Sauerstoffbedarf und die Sauerstoffverbrauchsraten zu analysieren, und daher sind weitere Untersuchungen erforderlich.

Dennoch ist es in der klinischen Praxis kaum möglich, einen schwer verletzten HIE-Säugling zur Bildgebung in den MRT-Raum zu transportieren. Außerdem ist es schwierig, CBF und CMRO2 am Krankenbett kontinuierlich und nichtinvasiv zu überwachen. Obwohl TRS diese Parameter nicht messen kann, kann es nicht nur ScO2, sondern gleichzeitig auch den absoluten CBV am Krankenbett nichtinvasiv und kontinuierlich messen, was im Vergleich zu ScO2 allein für die nichtinvasive und kontinuierliche Schätzung der zerebralen Hämodynamik und Sauerstoffversorgung nützlicher ist.

Unseres Wissens ist dies die erste Studie, die zeigt, dass H2-Gas die zerebrale Hämodynamik und Sauerstoffversorgung während TH nach HI-Insult verbessert. Es wird angenommen, dass TH über mehrere Mechanismen vor Reperfusionsschäden schützt, einschließlich der Unterdrückung freier Radikale, Enzyme sowie erregender und entzündlicher Reaktionen19,21, zusätzlich zum direkten physikalischen Schutz von Membranen, ähnlich wie H2-Gas6. Im Gegensatz zu H2-Gas unterdrückt TH jedoch das Herz-Kreislauf-System. Wir vermuteten, dass H2-Gas sogar unter TH-Bedingungen die Gehirn- und Herz-Kreislauf-Funktion verbessern kann. Domoki et al. deuteten darauf hin, dass die H2-Beatmung die zerebrovaskuläre Reaktion auf Hyperkapnie nach einer Verletzung beim Ferkel erhöhte22. In einem Rattenmodell mit globaler zerebraler Ischämie linderte die Inhalation von H2-Gas das Hirnödem und die Störung der Blut-Hirn-Schranke, verringerte die neuronale Apoptose und verbesserte die neurologische Funktion23. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zerstören direkt Lipide, Proteine und Nukleinsäuren und schädigen dabei Gefäßendothelzellen und die Basalmembran24. In einer anderen Studie wurde berichtet, dass H2 die hämorrhagische Transformation in einem Rattenmodell mit fokaler zerebraler Ischämie/Reperfusion reduzierte und dass die Reduzierung oxidativer Wirkstoffe das Überleben von Endothelzellen, Neuronen und Gliazellen steigern könnte25. In der vorliegenden Studie haben wir spekuliert, dass die Verringerung der starken ROS und die daraus resultierende Abnahme des Hirnödems für den Anstieg des CBV und den niedrigeren ScO2 verantwortlich sein könnten. Darüber hinaus haben Hayashida et al. berichteten, dass die Inhalation von H2-Gas die linksventrikuläre Funktion nach der Rückkehr des spontanen Kreislaufs (ROSC) bei erwachsenen Ratten verbessern kann26, und ihr Ergebnis, das eine niedrigere HR in der TH + H2-Gruppe im Vergleich zur TH-Gruppe nach ROSC zeigt, stimmt mit unseren Ergebnissen überein.

Diese Studie weist einige Einschränkungen auf. Die mechanistischen Details der H2-induzierten Neuroprotektion bleiben unklar, beinhalten aber wahrscheinlich die Hemmung von oxidativen Schäden und Neuroinflammationen. Wir haben jedoch praktisch keine Informationen über den Mechanismus, der der in dieser Studie beobachteten H2-induzierten Neuroprotektion zugrunde liegt. Dementsprechend werden wir Biomarker untersuchen, die mit mehreren Mechanismen zusammenhängen, einschließlich der Unterdrückung freier Radikale, Enzyme sowie erregender und entzündlicher Reaktionen, zusätzlich zum direkten physikalischen Schutz von Membranen. Eine HI-Verletzung stellt eine komplexe biologische Störung dar, die zum Ausfall der Sekundärenergie und zum Zelltod durch Nekrose und/oder Apoptose führen kann.

Zusammenfassend stellten wir fest, dass die Beatmung mit H2-Gas in Kombination mit TH im Vergleich zu TH allein mit einem höheren CBV und einem niedrigeren ScO2 nach HI-Insult verbunden ist, und spekulieren daher, dass der CBV-Anstieg in der TH + H2-Gruppe die Fähigkeit von H2-Gas widerspiegelt, das zu verbessern durch TH induzierte hämodynamische Beeinträchtigung. Dieser Einfluss von H2-Gas auf die zerebrale Hämodynamik und den Sauerstoffstoffwechsel könnte einen Schlüssel zur Aufklärung seines neuroprotektiven Mechanismus darstellen.

Das Studienprotokoll wurde vom Animal Care and Use Committee der Kagawa University (15070–1) genehmigt und in Übereinstimmung mit den ARRIVE-Richtlinien (Animal Research: Reporting In Vivo Experiments) und allen anderen geltenden Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.

Für die Studie wurden 28 neugeborene Ferkel (Camborough; Daiwa Chikusan, Kagawa, Japan) innerhalb von 24 Stunden nach der Geburt mit einem Gewicht von 1,5–2,1 kg entnommen und in drei Gruppen eingeteilt: HI-insultierte Ferkel, die mit NT behandelt wurden (NT-Gruppe, n = 10), HI-insultierte Ferkel, die mit TH behandelt wurden (TH-Gruppe, n = 10), und HI-insultierte Ferkel, die mit TH und H2-Gasbeatmung behandelt wurden (TH + H2-Gruppe, n = 8). Zu den Ferkeln in dieser Studie gehörten vier weitere tote Ferkel, die aus einer früheren Studie12 ausgeschlossen wurden (NT-Gruppe, n = 2; TH-Gruppe, n = 2) und zwei weitere Ferkel in der TH + H2-Gruppe.

Die Ferkel wurden zunächst unter Verwendung einer Gesichtsmaske mit 1–2 % Isofluran in Luft betäubt. Anschließend wurde jedes Ferkel intubiert und mit einem Säuglingsbeatmungsgerät mechanisch beatmet. Die Nabelvene und die Arterie wurden mit einem Neugeborenen-Nabelkatheter zur Tropfinfusion bzw. Blutdrucküberwachung/Blutentnahme kanüliert. Nach der Kanülierung wurde Pancuroniumbromid in einer Anfangsdosis von 0,1 mg/kg verwendet, gefolgt von einer Infusion mit 0,1 mg/kg/h, um eine Lähmung auszulösen. Als nächstes wurde Fentanylcitrat in einer Anfangsdosis von 10 μg/kg verabreicht, gefolgt von einer Infusion mit 5 μg/kg/h zur Anästhesie. Eine Erhaltungslösung aus Elektrolyten plus 2,7 % Glucose (KN3B; Otsuka Pharmaceutical Co., Tokio, Japan) wurde kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 4 ml/kg/h über die Nabelvene infundiert. Während des gesamten Experiments wurden zu kritischen Zeitpunkten und bei klinischer Indikation arterielle Blutproben entnommen. Anschließend wurde jedes Ferkel unter einen Wärmestrahler gelegt, um eine mittlere (Standardabweichung [SD]) Rektaltemperatur von 39,0 (0,5) °C aufrechtzuerhalten. Das eingeatmete Gas wurde durch Mischen von Sauerstoff- und Stickstoffgasen (N2) hergestellt, um die für das Experiment erforderlichen Sauerstoffkonzentrationen zu erhalten. Die Beatmung wurde angepasst, um den arteriellen Sauerstoffdruck (PaO2) und den arteriellen Kohlendioxiddruck innerhalb ihrer normalen Bereiche zu halten.

Wir verwendeten ein tragbares Nahinfrarot-TRS-System mit drei Wellenlängen (TRS-10, 21; Hamamatsu Photonics KK, Hamamatsu, Japan) und befestigten eine Sonde am Kopf jedes Ferkels. Die Lichtemitter- und Detektoroptoden wurden im Parietalbereich in einem Interoptodenabstand von 30 mm positioniert. Das TRS-System an unserer Einrichtung verwendet zur Erkennung eine zeitkorrelierte Einzelphotonen-Zähltechnik und wurde an anderer Stelle ausführlich beschrieben27,28,29. Die Oxyhämoglobin- und Desoxyhämoglobinkonzentrationen wurden anhand ihrer Absorptionskoeffizienten unter Verwendung von Gleichungen berechnet, wobei davon ausgegangen wurde, dass die Hintergrundabsorption nur auf 85 % (Volumen) Wasser zurückzuführen ist. ScO2 und CBV wurden wie zuvor beschrieben27,28,29 berechnet.

Die neuronale Aktivität wurde durch amplitudenintegrierte Elektroenzephalographie (aEEG) (Nicolet One; Cardinal Health, Inc., Dublin, OH) gemessen. Alle elektrischen Geräte und die Kupfergeflechtabschirmung waren geerdet. Das Signal wurde im halblogarithmischen Maßstab bei niedriger Geschwindigkeit (6 cm/h) angezeigt. Die Messungen wurden jede Sekunde durchgeführt. Vergoldete Elektrodennadeln wurden an den Positionen P3 und P4 platziert, die den linken und rechten parietalen Regionen des Kopfes entsprachen. Eine maximale Amplitude < 5 µV wurde als EEG mit niedriger Amplitude (LAEEG) definiert.

Da die Einzelheiten in unseren früheren Studien30,31 beschrieben wurden, geben wir hier nur einen kurzen Überblick über das HI-Beleidigungsprotokoll. Hypoxie wurde induziert, indem die eingeatmete Sauerstoffkonzentration des Beatmungsgeräts nach mindestens 120-minütiger Stabilisierung seit der anfänglichen Narkoseeinleitung auf 4 % reduziert wurde. Um ein LAEEG-Muster (< 5 µV) zu erhalten, wurde die eingeatmete Sauerstoffkonzentration bei Bedarf weiter reduziert und bei Bedarf angepasst, um einen Herz-Lungen-Stillstand zu vermeiden. Von Beginn des LAEEG an wurde die Beleidigung 30 Minuten lang fortgesetzt. FiO2 wurde während des Insults verringert (Abnahmen um 1 %) oder erhöht (Schritte um 1 %), um den LAEEG, die Herzfrequenz (HF) (> 130 Schläge/Minute) und den mittleren arteriellen Blutdruck (MABP) (> 70 % des Ausgangswerts) aufrechtzuerhalten ). LAEEG wurde 20 Minuten lang aufrechterhalten. Wenn der MABP in den letzten 10 Minuten des 30-minütigen Insults 70 % des Ausgangswerts überstieg, wurde eine Hypotonie durch Senkung des FiO2 induziert. Eine Wiederbelebung wurde durchgeführt, wenn der CBV-Wert unter 30 % und/oder der MABP unter 70 % des Ausgangswertes fiel. Die Hypoxie wurde durch Wiederbelebung mit 100 % Sauerstoff beendet. NaHCO3 wurde verwendet, um ein Basendefizit (Basenüberschuss unter – 5,0 mEq/L) zu korrigieren und einen pH-Wert von 7,3–7,5 aufrechtzuerhalten. Nach 10 Minuten mit 100 % FiO2 wurden die Beatmungsfrequenz und FiO2 schrittweise reduziert, um einen SpO2 von 95–98 % aufrechtzuerhalten. Wir haben die Blutgas-, Glukose-, Laktat- und Hämoglobinwerte mit einem Blutgasanalysator (ABL90 FLEX PLUS; Radiometer Co., Ltd., Kopenhagen, Dänemark) gemessen.

Nach der HI-Insultation wurden die 28 Ferkel in drei Gruppen randomisiert: HI-Insult mit Normothermie (NT-Gruppe, n = 10), HI-Insult mit TH (TH-Gruppe, 33,5 ± 0,5 °C, n = 10) und HI-Insult mit TH mit H2-Beatmung (TH + H2-Gruppe, 2,1–2,7 % H2, n = 8). Nach der Wiederbelebung wurde eine Ganzkörperhypothermie mithilfe einer Kühldecke (Medicool; MAC8 Inc., Tokio, Japan) erreicht. Die Ferkel wurden 24 Stunden lang auf 33,5 ± 0,5 °C abgekühlt und dann unter Verwendung einer Decke mit 1 °C/h wieder aufgewärmt. Als Körpertemperatur wurde die rektale Temperatur verwendet. Die Temperatur des Inkubators wurde bei 28–32 °C gehalten. Für die H2-Inhalation wurden zwei Arten von Flaschen verwendet, eine mit einem Gasgemisch aus 3,8 % H2 und 96,2 % N2 und die andere mit 100 % O2, wie in einer früheren Studie8. Die H2-Konzentration hing vom Sauerstoffbedarf jedes Ferkels ab. Daher lag die H2-Konzentration während der Therapie üblicherweise zwischen 2,1 und 2,7 (FiO2-Bereich: 0,21–0,4). H2-Gas wurde 24 Stunden lang durch das Beatmungsgerät zugeführt. Die Konzentration von H2-Gas wurde mit einem tragbaren Gasmonitor (TP-70D; Riken Keiki Co., Ltd., Tokio, Japan) gemessen. Nach 24 h Behandlung wurde das H2-N2-Gasgemisch erneut durch einen Luftkompressor ersetzt. Bei Ferkeln, denen TH verabreicht wurde, wurde die Temperatur während der TH automatisch gesteuert, um die Zieltemperatur (Rektaltemperatur, 33–34 °C) aufrechtzuerhalten, und durch eine Kühldecke mit 1 °C/h wieder aufgewärmt. Die Anästhesie wurde zu Beginn der Aufwärmphase beendet. Bei NT-Ferkeln wurde die Rektaltemperatur kontinuierlich überwacht, um 24 Stunden nach dem Insult unter dem Strahlungswärmer unter Anästhesie-Beatmung einen normalen Bereich (38–39 °C) aufrechtzuerhalten. Anschließend wurde die Narkose beendet und das Ferkel extubiert.

Am fünften Tag nach der Verletzung wurde das Gehirn jedes Tieres mit 0,9 % Kochsalzlösung und 4 % phosphatgepuffertem Paraformaldehyd perfundiert. Koronale Blöcke der grauen Substanz, der weißen Substanz, des Hippocampus und des Kleinhirns wurden in Paraffin eingebettet und mit einem Mikrotom in 4 μm dicke Schnitte geschnitten. In regelmäßigen Abständen wurden drei Abschnitte jeder Probe untersucht. Terminale Desoxynukleotidyltransferase-vermittelte dUTP-Nick-End-Markierungstests (TUNEL) wurden mit einem ApopTag Plus Peroxidase In Situ Apoptosis Detection Kit (ApopTag; EMD Millipore Corp., Burlington, MA) gemäß dem Protokoll des Herstellers durchgeführt. TUNEL(+)-Zellen wurden in drei Bereichen der kortikalen grauen Substanz gezählt – dem dorsalen Kortex (DCx), dem sensomotorischen Kortex (SMCx) und dem mitteltemporalen Kortex (MTCx) – wie bereits berichtet12.

Für alle statistischen Analysen wurde GraphPad Prism 7.02 (GraphPad Software, La Jolla, CA) verwendet. Alle Werte werden als Mittelwert ± SD für physiologische Daten und Blutgasdaten sowie für die Dauer des LAEEG nach dem Insult in den Gruppen TH und TH + H2 ausgedrückt. Physiologische Daten, Blutgasdaten, Gesamtdauer des LAEEG und Messung von HR, MABP, CBV und ScO2 wurden zwischen den drei Gruppen zu jedem Zeitpunkt unter Verwendung einer wiederholten Zwei-Wege-Varianzanalyse (ANOVA) gefolgt von Tukeys Beitrag verglichen Hoc-Analyse. Für den Vergleich jedes Zeitpunkts mit dem Basiswert wurden die Korrelationen zwischen der Dauer des LAEEG nach dem Insult und der CBV-Differenz nach dem HI-Insult mithilfe der Spearman-Analyse berechnet. Ein p-Wert < 0,05 wurde als signifikant angesehen.

Die während der vorliegenden Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI Grant Number JP 16H06276 (AdAMS) unterstützt. Wir möchten den Medizinstudenten der medizinischen Fakultät der Kagawa-Universität (Kagawa, Japan) danken, die bei dieser Studie geholfen haben.

Abteilung für Pädiatrie, Medizinische Fakultät, Kagawa-Universität, Mikicho 1750-1, Kitagun, Takamatsu, Kagawa, 761-0793, Japan

Shinji Nakamura, Yasuhiro Nakao, Yinmon Htun, Aya Morimoto, Makoto Arioka, Sonoko Kondo, Ikuko Kato und Takashi Kusaka

Zentrum für Medizintechnik, Universitätskrankenhaus Kagawa, Takamatsu, Kagawa, Japan

Tsutomu Mitsuie

Maternal Perinatal Center, Medizinische Fakultät, Universität Kagawa, Takamatsu, Kagawa, Japan

Kosuke Koyano & Yukihiko Konishi

Abteilung für Anatomie und Neurobiologie, Medizinische Fakultät, Universität Kagawa, Takamatsu, Kagawa, Japan

Ken-ichi Ohta & Takanori Miki

Postgraduiertenzentrum für klinische Ausbildung, Universitätskrankenhaus Kagawa, Takamatsu, Kagawa, Japan

Saneyuki Yasuda

Abteilung für Pathologie und Wirtsverteidigung, Medizinische Fakultät, Universität Kagawa, Takamatsu, Kagawa, Japan

Masaki Ueno

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SN, YN, HY und TK waren am ersten Studiendesign beteiligt und verfassten den Haupttext. SN, KK und SK erhielten die notwendige finanzielle Unterstützung für dieses Projekt und stellten Studienmaterialien zur Verfügung. Diese Studie wurde finanziell unterstützt durch die JSPS KAKENHI Grant-Nummern 19K08253 (SN), 19K08349 (KK), 17K10178 (SK), 22K15923 (YN) und 22K07822 (TK) und die Kagawa University Faculty of Medicine School of Medicine Alumni Association Sanjukai Research Aid R1 -1 (SN). T. Mitsuie, AM, YK und MA führten die Tierversuche durch und zeichneten die Blutgas- und physiologischen Daten auf. KO, SY und T.Miki trugen zur Datenanalyse bei und führten die statistische Analyse durch. Alle Mitglieder haben den Artikel verfasst und kritisch überarbeitet.

Korrespondenz mit Shinji Nakamura.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nakamura, S., Nakao, Y., Htun, Y. et al. Einfluss der Wasserstoffgasinhalation während der therapeutischen Hypothermie auf die zerebrale Hämodynamik und Sauerstoffversorgung beim erstickten Ferkel. Sci Rep 13, 1615 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28274-z

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Eingegangen: 24. Oktober 2022

Angenommen: 16. Januar 2023

Veröffentlicht: 28. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28274-z

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Einfluss der Wasserstoffgasinhalation während der therapeutischen Hypothermie auf die zerebrale Hämodynamik und Sauerstoffversorgung beim erstickten Ferkel