INTRAOPERATIVE VISUALISIERUNG DER MENSCHLICHEN MIKROZIRKULATION IN DER GEFÄß- UND TRANSPLANTATIONSCHIRURGIE: EVALUIERUNG DER ORTHOGONALEN POLARISATIONS SPEKTROPHOTOMETRIE

Abstract

Die orthogonale Polarisations Spektrophotometrie (OPS Imaging) erlaubt die intraoperative Messung humaner Mikrozirkulation. Dabei ermöglicht der technisch einfache Aufbau, die Mikrozirkulation in Echtzeit auf dem Monitor zu verfolgen. Neben diesem ersten visuellen Eindruck können die wesentlichen und aus der intravitalen Fluoreszenzmikroskopie bekannten mikrovaskulären Parameter, computergestützt quantifiziert werden. Dies kann allerdings nicht in Echtzeit, sondern nur offline erfolgen. In allen untersuchten Geweben kann die mikrovaskuläre Architektur mit kapillären, bzw. sinusoidalem Netzwerk, Arteriolen und Venolen exakt abgebildet werden. Durch die kontinuierliche Bildgebung kann der Verlauf von Erythrozytensäulen in den Gefäβen verfolgt werden und eine Erythrozytenaggregation oder völlige Stase des Blutflusses erkannt werden. Damit ist die OPS Imaging Technik den anderen nicht- bildgebenden Verfahren wie inert gas clearance, Thermodiffusion und Laser Doppler flowmetry überlegen, da diese nur indirekt Auskunft über die Perfusion geben und regionale Durchblutungsstörungen, wie sie beispielsweise bei der Sepsis auftreten, nicht erfassen können. Die OPS Imaging Technik bleibt aufgrund der physikalischen Eigenschaften auf die Darstellung der hämoglobintragenden Erythrozyten und somit auf die Beurteilung der reinen Perfusionsparameter beschränkt. Die direkte Darstellung von Leukozyten, Plättchen, Endothel- oder Parenchymzellen ist nicht möglich. So erscheinen Leukozyten als Aussparungen der Erythrozytensäule, was für die Bewertung der Leukozyten-/ Endothelinteraktion jedoch nicht ausreichend ist. Somit wird die OPS Imaging Technik insbesondere im experimentellen Bereich die IFM nicht ersetzen können. Wie in experimentellen Studien bereits untersucht wurde, zeigt sich zwischen der OPS Imaging Technik und der intravitalen Fluoreszenzmikroskopie eine statistisch signifikante Übereinstimmung der Bildqualität sowie der meisten mikrozirkulatorischen Parameter in der Rückenhautkammer des Hamsters, der Rattenleber unter physiologischen Bedingungen sowie nach 20 minütiger warmer Ischämie, des Rattenpankreas unter physiologischen Bedingungen, sowie der murinen Colonschleimhaut. Die Erfahrungen der bisherigen humanen Studien mittels OPS Imaging Technik beschränken sich auf die Erfassung der Mikrozirkulation an der Haut, Dura, Darmschleimhaut, sowie dem sublingualen Raum. Insbesondere die bisherigen Daten an Sepsis- und neurochirurgischen Patienten demonstrieren eindrucksvoll die Bedeutung der klinischen Mikrozirkulationsmessung durch Visualisierung der kapillären Strombahn. In den vorliegenden Studien kann diese Technik erstmals erfolgreich an soliden viszeralen Organe, sowie der Endstrombahn der Arteria carotis interna angewendet werden und ermöglicht erstmals einen Einblick in die Pathophysiologie der Mikrozirkulationsstörung am Menschen. Es ist von großem Interesse, das Monitoring der Mikrozirkulation auf den Menschen zu übertragen und somit die Lücke zwischen Labor und Krankenbett zu schließen. Aus unserer Sicht könnte eine Validierung der zahlreichen tierexperimentellen Daten mittels OPS Imaging am Menschen erfolgen und somit sowohl das Verständnis für die Rolle der Mikrozirkulationsstörung im Krankheitsverlauf verbessert und neue therapeutische Ansätze überprüft werden.

Orthogonal polarization spectral (OPS) imaging enables the online visualization of human microvascular blood flow. Thereby, this techniue images the microvascular architecture including arterioles, capillaries and venoles representively, as known only from the intravital fluorescence microscopy technique. It further allows the offline computer assisted quantification of microcirculatory parameters. The application of microvascular imaging techniques in humans is limited and has been impossible for the study of solid visceral organs. Presently existing experience includes capillaroscopy and laser-scanning confocal imaging. These techniques restrict the visualization of the microcirculation in humans to easy accessible sites like nailfold, the conjunctiva, and the skin. In contrast to intravital fluorescence microscopy, OPS-imaging can be used to visualize the microcirculation in humans, because fluorescent dyes, are not required. Both OPS-imaging and intravital fluorescence microscopy image erythrocytes adequately. Comparison between these methods in standardized models of intravital microscopy revealed a statistically significant agreement in respect to the image quality and the dimension of the microcirculatory parameters. Therefore, there is a very good agreement between intravital fluorescence microscopy and OPS-imaging. Since OPS-imaging visualizes erythrocytes through the absorbance of hemoglobin, the leukocytes appear only indirectly as the smooth boundary of the erythrocyte column disappears and becomes pitted with gaps and holes caused by the edges of rolling and sticking leukocytes, insufficient to allow for the assessment of leukocyte-endothelial cell interactions. Therefore, OPS-imaging is limited for parameters of the erythrocyte column. By using the OPS imaging technique intraoperatively, the current studies enabled for the first time the visualization of microvascular blood flow of solid organs. The results of these studies gave an important insight into the pathophysiology of human microcirculatory changes in the setting of liver and pancreatic transplantation, as well as in terminal capillaries during carotid revascularization. With the interest of closing the gap between bench and bedside, these studies may be the first step into the validation of animal experimental and human data under pathophysiologic conditions.