Bedeutung der Epiduralanästhesie für die mikrovaskuläre Perfusion des Darms bei Endotoxinämie

Abstract

Das Intestinum ist aufgrund seiner Funktion mit sehr unterschiedlichen Anforderungen konfrontiert. So stehen hier nicht nur resorptive Aufgaben, sondern auch die Sicherung einer effizienten Abwehr im Vordergrund. Zur Aufrechterhaltung seiner Funktion benötigt der Dünndarm daher eine ausreichende Blutversorgung. Im Rahmen einer Endotoxinämie kann es jedoch zu einer Verschlechterung der Perfusion des Intestinums unter anderem durch eine sympothoadrenerge Reaktion des Körpers kommen. Dabei kann es dann im weiteren Verlauf zu einer progredienten Zellschädigung durch Hypoxie bei Minderperfusion bzw. durch direkte bakterielle Einflüsse kommen. Aufgrund ihrer diversen unterschiedlichen Aufgaben hat die Mukosa einen hohen O2-Bedarf und verfügt daher über ein besonders komplex aufgebautes Kapillargefäßsystem. Damit ist die Mukosa aber auch für Schädigungen durch Hypoxie und Toxine besonders anfällig. Bei Schädigung der Epithelschichten wird eine bakterielle Translokation begünstigt. Der Darm kann so aufgrund seiner Standortflora sowie durch diverse den Darm passierende Pathogene zur Initiierung, Perpetuierung und Amplifikation einer systemischen Entzündungsreaktion beitragen. So scheint die Aufrechterhaltung einer effizienten intestinalen Gewebsperfusion ein sinnvoller Ansatzpunkt zur Optimierung der Behandlung von Patienten in der Endotoxinämie zu sein. Im Rahmen einer thorakalen Epiduralanästhesie kommt es zur Blockade der sympathoadrenergen Fasern im anästhesierten Gebiet. Dabei gibt es in Bezug auf den Darm unterschiedliche Erkenntnisse über die Einflüsse der TEA auf die Intestinaldurchblutung. So wurde in einigen Studien nachgewiesen, dass die TEA zu einer unveränderten, teilweise sogar zu einer verminderten Perfusion führen kann. Jedoch zeigten andere Studien, dass die TEA mit einer deutlichen Verbesserung der Gewebsperfusion einhergeht. Die Hypothese dieser Arbeit war daher, dass eine TEA insgesamt zu einer Verbesserung der Durchblutung des Intestinums führt und somit hypoxische Zellschädigungen im Rahmen der Endotoxinämie verhindert bzw. minimiert werden können. Unter diesem Aspekt wäre die TEA ein vielversprechender Behandlungsansatz zu einer Verbesserung der Situation und der Therapie von Patienten mit Ganzkörperinflammation und Sepsis. Unter dieser Arbeitshypothese wurden in dieser Studie erstmalig die Auswirkungen einer thorakalen Epiduralanästhesie auf die Perfusion der Muskularis und Mukosa des Dünndarms unter Endotoxinämie untersucht. Die Versuchsreihen wurden an einem standardisierten Tiermodell durchgeführt. Es wurden vier Versuchsgruppen zu jeweils acht Tieren gebildet, wobei jeweils zwei Gruppen der Untersuchung der Mukosa und zwei Gruppen der Untersuchung der Muskularis zugeordnet wurden. Dabei wurde jeweils einer Gruppe Lidocain als Anästhetikum in der TEA verabreicht, die Kontrollgruppe erhielt eine entsprechende Menge isotonischer Kochsalzlösung. Im weiteren Verlauf wurde nach entsprechender Vorbereitung und Lagerung der Tiere das terminale Ileum für die Intravitalmikroskopie ausgelagert. Zur Messung der Muskularisdurchblutung wurden Aufnahmen der serösen Seite des Darmes angefertigt, zur Erstellung der Bilder der Mukosa wurde der Darm eröffnet. Nach 30-minütiger Stabilisation wurde ein Bolus eines Fluoreszenz- Farbstoffs verabreicht und die ersten Videoaufnahmen angefertigt (Ausgangswerte). Dann wurde mit der Verabreichung des Anästhetikums bzw. der isotonischen Kochsalzlösung begonnen und weitere Aufnahmen nach 30 min durchgeführt (epidurale Infusion). Zur Sicherung der Vergleichbarkeit der Messungen wurde ein elektronisches, an den Versuchstisch gekoppeltes Koordinatensystem benutzt. So konnte bei den Aufnahmeserien jeweils die gleichen Gewebeabschnitte aufgesucht werden. Dann wurde die intravenöse Gabe des LPS begonnen und weitere Aufnahmen nach 60 und 120 min erstellt. Die intestinale mikrovaskuläre Perfusion im ausgelagerten Darmsegment wurde per Epifloureszenz analysiert. Dabei wurden die erstellten Echtzeitvideosequenzen aufgezeichnet und später offline ausgewertet. Die aufgezeichneten Kapillarnetzwerke wurden dann mit einer speziell entworfenen Software analysiert. Zur Beurteilung der mikrovaskulären Perfusion wurden funktionelle Kapillardichte, nicht-perfundierte Kapillardichte und Gesamtkapillardichte in der Mukosa und Muskularis bestimmt. Zusätzlich wurden in den mukosalen Villi die Durchmesser der Zentralarteriolen gemessen. Desweiteren erfolgte die Bestimmung der Erythrozytenfliessgeschwindigkeit mit der etablierten „Frame- by-Frame“-Methode. Es wurden regelmäßige Messungen der HF, des MAD und unterschiedlicher systemischer Laborvariablen durchgeführt sowie die Konzentration von TNFα im Plasma gemessen. Die Ergebnisse der Messungen zeigten, dass die Tiere der Kontrollgruppen ohne TEA im Rahmen einer normotensiven Endotoxinämie offensichtlich in der Lage sind, durch einen Kompensationsmechanismus die Perfusion der Mukosa zu sichern. Dabei wird der Blutfluß von der Muskularis hin zur Mukosa umverteilt. Es scheint sich hierbei um einen Mechanismus zu handeln, der grundsätzlich in der Muskularis lokalisiert ist. Es kommt zur Kontraktion der Muskularisgefässe durch sympathischen Einfluss und damit zur Umverteilung des Blutes in Richtung der Mukosa und Rekrutierung neuer Kapillargefäße. Dadurch wird die Perfusion der Mukosa stabilisiert und einer Schädigung des Endothels vorgebeugt. Im Gegensatz dazu zeigten die Tiere der TEA-Gruppe diesen Mechanismus zur Sicherung der Mukosaperfusion nicht. Durch die Blockade der sympathischen Nervenfasern, welche sich in der Muskularis befinden, waren die Tiere nicht in der Lage, die Muskularisgefässe kompensatorisch zu kontrahieren. Zudem kam es im Rahmen der thorakalen Epiduralanästhesie zusätzlich zu einem Abfall der Herzfrequenz, des Blutdrucks, zum venösen Pooling im Splanchnikusgebiet und konsekutiv zu einer globalen Hypoperfusion im untersuchten Gewebe. Dies wiederum führte zu einer Verminderung der mukosalen Perfusion. Folglich führte die thorakale Epiduralanästhesie unter diesen Bedingungen zu einer Verschlechterung der Perfusion und Oxygenierung der Mukosa und damit vermeintlich zu einer vermehrten Schädigung des Darmepithels, die mit einem starken Anstieg der TNF-α-Konzentration einherging. So lässt sich abschließend feststellen, dass die Aufrechterhaltung eines adäquaten Perfusionsdruckes essentiell für die Optimierung der Mikroperfusion des Splanchnikus unter thorakaler Epiduralanästhesie zu sein scheint. Es ist anzunehmen, dass es unter optimierten Blutdruckverhältnissen eine Verbesserung für die Perfusionssituation des Intestinums unter TEA in der Endotoxinämie gibt. In weiteren Studien sollte untersucht werden, inwiefern sich die Perfusion der Mukosa unter TEA bei Optimierung des Perfusionsdruckes, z B. durch aggressive Volumentherapie oder Hinzunahme von Vasopressoren, verändert bzw. verbessert. Hieraus könnte sich dann langfristig gesehen ein neuer Ansatz für die Therapie und damit eine Verbesserung der Situation septischer Patienten ergeben.

The gut serves many functions. In addition to its digestive, secretory, and absorptive functions the gut must maintain an efficient barrier as part of its defence mechanisms. A major factor in achieving a fully functional defence mechanism is the delivery of sufficient blood flow to the mucosa. This blood flow is supplied to the mucosa via a complex system of microvessels. However, during endotoxinaemia intestinal blood flow can be impaired due to the sympathoadrenergic vasoconstrictive reaction of the vegetative nervous system. The resulting mucosal hypoperfusion and hypoxia can induce progressive mucosal tissue injury, rendering the mucosa susceptible to further injury by bacteria or toxins. Subsequent damage of the mucosal epithelium may cause translocation of bacteria or endotoxin from the normal microbial flora as well as pathogens. Hence, the gut can initiate, perpetuate and amplify systemic inflammation. We hypothetised that optimising the intestinal blood flow in patients with endotoxaemia induced systemic inflammatory response may improve outcome. Thoracic epidural anaesthesia (TEA) inhibits thoracic efferent sympathic nerve fibres. It is a widely used technique for intraoperative and postoperative pain control in cases of major surgery. Different effects of thoracic epidural anaesthesia on the intestinal blood flow have been described in the literature. Some studies showed an increase of blood flow by TEA, while others observed a decrease of intestinal perfusion. Here, the effects of TEA on mucosal und muscularis perfusion in the small intestine have been investigated for the first time. The experiments were performed within a standardised animal model. Animals were allocated into four groups (8 animals per group): two for investigation of the mucosa, two for the muscularis. One group of each investigated region of the gut was treated with epidural infusion of lidocain (TEA-Group), the other group received isotonic saline (Control Group). After induction of anesthesia and placement of catheters in the right jugular vein, the carotid artery and in the thoracic epidural space, the terminal ileum was exteriorised from the abdominal cavity for intravital microscopy. To measure the blood flow of the muscularis video recordings were made from the serosal side. For visualisation of the mucosa the respective ileal segment was opened. Animals were allowed to stabilise for 30 minutes, a fluorescent dye (FITC- dextran) was injected, and the first video recordings were made (basic value). Thereafter, lidocain or saline were infused and after further 30 minutes video recordings were repeated (epidural infusion). Onto intravenous injection of LPS, further recordings were made after 60 min and 120 min. An electronic coordinate system connected to the microscope guaranteed that always the same regions were investigated. Real-time video sequences were recorded and analysed offline. For evaluation of the microvascular perfusion, the density of functional capillaries, the number of non-perfused capillaries, and the density of all capillaries were determined in the mucosa and muscularis. Additionally, the diameter of the central villus arteriole in the mucosa was measured and erythrocyte flow velocity was determined by the established “frame-by-frame” method. Heart rate, mean arterial pressure, and the concentration of TNFa in the blood plasma were also measured. The results of the experiments show that the animals in the control group without TEA were able to maintain the perfusion of the mucosa during normotensive endotoxinaemia despite reduction in total intestinal blood flow. Perfusion was redistributed from the muscularis to the mucosa. This mechanism seems to be located solely in the muscularis. Sympathic influence leads to contraction of the blood vessels in the muscularis, which results in redistribution of blood flow towards the mucosa and in additional recruitment of capillary vessels. Thereby perfusion of the mucosa is stabilised and hypoxic injury of the endothelium is prevented. In contrast, animals of the TEA-Group with epidural infusion of lidocain were not able to maintain sufficient perfusion of the mucosa. By blocking of the sympathic nerve fibres, which are located in the muscularis, the animals were not able to constrict the blood vessels in the muscularis as a compensatory mechanism. In addition, TEA resulted in a drop of the heart rate and the blood pressure and in venous pooling in the splanchnic vasculature resulting in a global hypoperfusion within the analysed tissue. As a result the perfusion of the mucosa was diminished. Taken together, during endotoxinaemia thoracic epidural anaesthesia resulted in a decline of the perfusion and oxygenation of the mucosa and finally in increased injury of the intestinal epithelium, which correlates with an increase of the TNFa- concentration in the blood. In conclusion, for optimisation of the microperfusion of the splanchnic tissue by TEA it seems to be essential to maintain the blood pressure. Further studies should investigate the impact of an aggressive fluid replacement or the use of vasopressor drugs on the perfusion of the mucosa during TEA. In the long term this could be a new approach for the treatment of septic patients.