Intraaortic Catalase Administration to Prevent Spinal Cord Ischemia-Reperfusion Injury
Gökhan İPEK, Ergun DEMİRSOY, Harun ARBATLI, Mehmet BALKANAY, Vakur OLGAÇ, Mesut ŞİŞMANOĞLU, Ömer IŞIK, Cevat YAKUT
Koşuyolu Kalp ve Araştırma Hastanesi, İstanbul Üniversitesi Onkoloji Enstitüsü Onkolojik Patoloji Bilim Dalı, İstanbul
The effects of intraaortic catalase infusion to prevent spinal cord ischemia-reperfusion injury was investigated in this experimental study. White New Zealand rabbits while New Zealand rabbits were used, whose primary source of blood supply to he spinal cord is the infrarenal used, whose primary source of blood supply is infrarenal aorta. Aorta was clamped below the left renal vein and above the iliac bifurcation for 30 minutes in 8 control rabbits (group I) without any protective measures. Adjunctive intraaortic catalase 10.000 U/kg was given just before aortic occlusion and after releasing the clamp in the experimental group (group II; n=8). Spinal cord function was assessed 24 and 48 hours after the operation occording to Tarlov scale. Seven of the animals in t he control group had complete lower extremity paraplegia (grade 0). One animal had slight joint movements (grade 1). No complete paraplegia was observed in the experimental group. Three animals were in grade 4, four animals were in grade 3, and one animal was in grade 2 neurological status. Animals were sacrified and spinal cords were harvested after 48 hours for histologic examination In conslusion, the administration of intraaortic catalase reduced the neurologic injury secondary to spinal cord ischmeia in the rabbit model.
Bu çalışma İ. Ü. Cerrahpaşa Tıp Fakültesi Genel Cerrahi Anabilim Dalı, Deneysel Araştırma ve Hayvan Laboratuarında yapıldı. Denek olarak 2750 gr-3600 gr arası değişen aralıkta Yeni Zelanda türü 16 adet erkek tavşan kullanıldı. Çalışma sırasında Helsinki Deklerasyonu'nun deney hayvanları ile ilgili maddelerine uyuldu. Denekler iki gruba ayrıldı.
Grup I (kontrol grubu): 8 adet Yeni Zelanda türü erkek tavşanın abdominal aortası, renal venin hemen altından ve iliak bifürkasyonun hemen üzerinden 30 dakika süre ile klempe edildi. Bu gruptaki tavşanlara herhangi bir koruyucu metod uygulanamadı.
Grup II (deney grubu): 8 adet tavşanın abdominal aortası aynı yerlerden dönüldükten sonra önce distalden klempe edilerek proksimal abdominal aortadan 10.000 U/kg katalaz infüze edildi. Daha sonra proksimale de klemp konularak 30 dakika beklendi. 30. dakika sonunda proksimal klemp açılarak aynı dozda katalaz tekrar verildi ve distal klemp açıldı.
Tüm deneklerde anestezi ketamin HCI 40 mg/kg ve fentanil 0.02 mg/kg kombinasyonunun intramusküler olarak verilmesiyle başlatıldı. Anestezinin devamı aynı kombinasyonun 50 ml % 0.9 NaCI solüsyonu içinde intravenöz infüzyon tarzında verilmesi ile sağlandı. Batın traş edildikten ve antiseptik solüsyon ile silindikten sonra steril koşullarda median laparotomi yapıldı. Barsaklar sağa deviye edilerek dışarı alındı. Retroperitonyum açılarak abdominal aorta renal venin altından ve iliak bifürkasyonun üstünden dönüldü. 150 U/kg IV heparin ile antikoagülasyon sağlandı. Deney grubunda önce distal klemp konularak 10.000 U/kg katalaz, proksimal abdominal aortadan 3 dakika içinde infüze edildi. İğne deliği 8/0 polipropilen ile onarıldı. Hücre içi bir enzim olan katalazın bu şekilde verilmesiyle sistemik verilmeye oranla daha yüksek konsantrasyonda spinal korda ulaşacağı ve optimal fizyolojik bir ortamda etki edeceği düşünüldü. Daha sonra proksimal klemp yerleştirilerek 30 dakika beklendi. 30. dakika sonunda proksimal klemp kaldırılarak spinal kord ve diğer viseral organların perfüze olması sağlandı.
Bu arada yine proksimal aortadan aynı şekilde katalaz verildi ve distal klemp açıldı. Kanama kontrolünü takiben barsaklar batın içine yerleştirildi, batın kasları ve cilt 3/0 ipek sütür materyali ve devamlı dikişlerle kapatıldı. Bu işlemler sırasında EKG monitörizasyonu yapıldı (Protocol Propaque 106). Ayrıca cerrahi olarak juguler vene yerleştirilen 22G kanülden tüm deneklerde oklüzyon öncesi, oklüzyon sırasında ve sonrasında alınan kan örnekleri ile metabolik değişiklikler incelendi.
Grup I ve grup II'deki deneklerin nörolojik durumları 24. ve 48. saatlerde Tarlov kriterlerine göre değerlendirildi . Grade 0: komplet parapleji, grade 1: eklemlerde hafif hareket mevcut, grade 2: destekle ayakta durabilir, grade 3: kendi başına ayakta durabilir, grade 4: zayıf sıçrama yapabilir, grade 5: tam iyileşme. Gruplara göre nörolojik sonuçlar T testi ile değerlendirildi, p değerinin 0.05'den küçük olması istatistiksel olarak anlamlı kabul edildi.
Tüm denekler 24 ve 48. saatlerde nörolojik değerlendirme yapıldıktan sonra intrakardiyak KCI verilerek sakrifiye edildi. Deneklerin torasik ve lomber spinal kordları total olarak çıkarıldı ve histopatolojik değerlendirme için % 10 formalin içine konuldu.
Tarlov kriterlerine göre nörolojik sonuçlar
Hiçbir koruma metodu uygulanmayan kontrol grubu (grup I) tavşanlarda 24. ve 48. saatlerde yapılan nörolojik değerlendirmede 8 denekten 7'sinde komplet parapleji (grade 0) görülürken, bir denekte hafif eklem hareketleri (grade 1) tespit edildi. Deney grubunda (grup II) yapılan nörolojik değerlendirmede ise hiçbir hayvanda komplet parapleji görülmeksizin, bir denek grade 2, dört denek grade 3, üç denek ise grade 4 nörolojik durumdaydı (p<0.05) (Şekil 1).
Histopatolojik incelemede, katalaz uygulanan grupta beyaz madde içinde çok sayıda nekrotik hücreler bulunduğu, geniş alanlarda beyaz maddenin dejenere olduğu saptandı. Gri madde içinde ise doğal görünümlü ganglion hücreleri arasında yer yer karyolitik görünümlü nekrotik ya da nekrobiotik ganglion hücreleri görüldü (Resim 1a, b). Katalaz uygulanmayan grupta ise gri maddede gnaglion hücreleri arasında çok sayıda nekrotik hücreler ve nekrobiotik görünümlü nöron hücreleri vardır (Resim 2a,b).
Gri madde içinde bir kısmı nekrobiotik görünümlü ganglion hücreleri (Hematoksilen EosinX400).
Karyolizis ve karyoheksis gösteren nek-robiotik ganglion hücreleri (Hemaloksilen EosinX400).
Geçen 10 yıl içerisinde iskemi-reperfüzyon ha-sarında serbest oksijen radikallerinin rolü ayrıntılı olarak araştırılmıştır. Kalp, akciğer, karaciğer, böbrek, intestinal sistem ve diğer dokular üzerinde serbest oksijen radikallerinin etkileri hakkında geniş bilgiler elde edilmesine rağmen spinal kord üzerine olan etkileri konusundaki bilgiler sınırlı kalmıştır. Aorta cerrahisi sonra-sında oluşabilecek nörolojik defisit genellikle operasyonlardan hemen sonra ortaya çıkar. Ancak bazen operasyondan sonra nörolojik fonksiyonlar normal iken, ilerleyen günlerde nörolojik defisit ortaya çıkabilir . Bu fenomen spinal kord hasarının yalnızca iskemi sırasında değil, aynı zamanda reperfüzyon fazında da geliştiğini düşündürmektedir.
Reperfüzyon hasarı, moleküler oksijenin toksik metabolitleri ile oluşur. Normalde oksijen, karbondioksit ve suya metabolize olur. Hipoksi sonucu, elektron transport sisteminde bozulmaya bağlı olarak reperfüzyon döneminde ani olarak artan oksijen, su ve karbondioksit yerine sitotoksik serbest oksijen radikallerine dönüşmeye başlar .
Aerobik hücrelerde oluşan en önemli sitotoksik oksijen metabolitleri, süperoksid anyonu (O2-), hidrojen peroksit (H2O2) ve serbest hidroksil radikalidir (OH''), süperoksid dizmutaz (SOD), O2- anyonun H2O2 ve moleküler oksijene dö-nüşümünü katalizler. Katalaz ise yine toksik bir metabolit olan H2O2'nin moleküler oksijen ve suya dönüşümünü sağlar . Serbest oksijen radikallerinin membran lipidlerinin peroksi-dasyonuna neden olarak membranın kompo-zisyonunu, morfolojisini ve fonksiyonunu boz-duğu düşünülmektedir [21,22].
Eksojen olarak verilen katalazın intrasellüler ya da ekstrasellüler kompartmanlardan hangisinde etki gösterdiği konusu henüz açıklığa kavuş-mamıştır. Yaklaşık molekül ağırlıkları 100.000 - 150.000 Dalton olan LDH ve CPK gibi büyük moleküllü enzimlerin iskemi sırasında hücre içine girebildiği gösterilmiştir. Bu durumda iskemi sırasında daha düşük molekül ağırlığına sahip katalazın da hücre içine girebileceği varsayılabilir. Lim ve ark. yaptıkları benzer çalışmada 30 dakikalık iskemi periyodunda sadece SOD kullanarak anlamlı derecede iyileşme tespit etmişlerdir. Ancak daha uzun süreli iskemi periyodlarında SOD'un etkisiz kaldığını görmüşlerdir .
Turrens ve ark. tarafından yapılan çalışmada SOD'un tek başına kullanılması ile sınırlı bir etki görülmüşken, polietilen glikol ile konjuge edilerek kullanıldığında daha etkili olduğu saptanmıştır .
Bu çalışmada katalaz, benzer çalışmalardakinden farklı olarak izole aortik segment içine değil, distal klemp konduktan sonra, spinal kord kan basıncı düşmeden intraaortik yolla bolus şeklinde verildi. Katalazın vücut ısısında optimal etki gösterdiği düşünülerek hipotermi uygulanmadı. Nörolojik değerlendirme sonucunda tek başına intraaortik katalaz uygulamasının 30 dakikalık spinal kord iskemisine faydalı olduğu görüldü. Ancak daha uzun süreli iskemik periyodlarda nasıl bir etki göstereceğini söylemek zordur. Katalazın çeşitli moleküller ile konjuge edilmesinin membranları geçişini kolaylaştırarak belki de daha etkili bir koruma sağlayacağı düşünülmektedir.
Sonuç olarak iskeminin hemen öncesinde ve reperfüzyonun başlangıcında intraaortik katalaz uygulamasının, spinal kordun korunmasında faydalı olduğu, bu uygulamanın diğre koruyucu metodlarla kombine edilmesinin aortik cerrahi uygulanan hasta grubunda morbiditeyi azaltacağı kanısındayız.
1) Livesay JJ, Cooley DA, Ventemiglia RA, et al: Sur- gical experience in descending thoracic ane- urysmectomy with and without adjunts to avoid isc- hemia. Ann Thorac Surg 1985; 39:37-46.
2) Crawford ES, Crawford JL, Safi HJ, et al: Tho- racoabdominal aortic aneurysms: Preoperative and intraoperative factors determining intermediate and long-term results of operations in 605 patients. J Vasc Surg 1986; 3:389-404.
3) Svensson LG, Von Ritter CM, Groenevelt HT, et al: Cross-clamping of the thoracic aorta: Influence of aortic shunts, laminectomy, papaverine, calcium channel blocker, allopurinol, and superoxide dis- mutase on spinal cord blood flow and paraplegia in baboons. Ann Surg 1986; 204:38-47.
4) McCullough JL, Hollier LH, Nugent M: Paraplegia after thoracic aortic occlusion: Influence of cerebr- ospinal fluid drainage. J Vasc Surg 1988; 70153-60.
5) Woloszyn TT, Marini CP, Coons MS, et al: Ce- rebrospinal fluid drainage and steroids provide bet- ter spinal cord protection during aortic cross- clamping than does either treatment alone. Ann Tho- racSurg 1990; 49:78-83.
6) Elmore JR, Gloviczki P, Harper CM, et al: Spinal cord injury in experimental thoracic aortic occlusion: Investigation of combined methods of protection. J VascSurg 1992; 15:789-99.
7) Granke K, Hollier LH, Zdrahal P, Moore W: Lon- gitudinal study of cerebrospinal fluid drainage in polyethylene glycol-conjugated superoxide dis- mutase in paraplegia associated with thoracic aortic cross-clamping. J Vasc Surg 1991; 13:615-21.
8) Schittek A, Bennink GBWE, Cooley DA, Langford LA: Spinal cord protection with intravenous ni- modipine: A functional and morphologic evaluation. J Thorac Cardiovasc Surg 1992; 104:1100,5.
9) Breckwoldt WL, Genco CM, Connolly RJ, Cle- veland RJ, Diehl |T: Spinal cord protection during aortic occlusion: Efficacy of intrathecal tetracaine. Ann Thorac Surg 1991; 51:959-63.
10) Maughan RE, Mohan J, Nathan İM, et al: int- rathecal perfusion of an oxygenated perfluorocarbon prevents paraplegia after aortic occlusion. Ann Tho- rac Surg 1992; 54:818-25.
11) Svensson LG, Stewart RW, Cosgrove DM, et al: Preliminary results a'.ıd rationale for the use of int- rachecal papaverine for the prevention of paraplegia after aortic surgery. S Afr J Surg 1988; 26:153-60.
12) Svensson LG, Grum DF, Bednarski M, Cosgrove DM, Loop FD: Appraisal of cerebrospinal fluid al- terations during aortic surgery with intratechal pa- paverine administration and cerebrospinal fluid dra- inage. J Vasc Surg 1990; 11:423-9.
13) Agee JM, Flanagan TL, Blackbourne LH, Kron İL, Tribble CG: Reducing postischemic paraplegia using conjugated superoxide dismutase. Ann Thorac Surg 1991:51:911-5.
14) Cuevas P, Reimers D, Carceller F, Jimenez A: Isc-