Echtzeit-Visualisierung der Nieren-Mikroperfusion mit Laser-Speckle-Kontrast-Bildgebung

Kontakt: Audrey Hu WhatsApp/hp: 0086 13880143964 E-Mail:audrey.hu@wecistanche.com

Wido Heeman ,a,b,c,*,† Hanno Maassen ,b,d,† Joost Calon,e Harry van Goor,d Henri Leuvenink,b Gooitzen M. van Dam,b und E. Christiaan Boerma f

Abstrakt

Bedeutung:Intraoperative Parameter vonNieren-kortikale Mikroperfusion (RCM) wurden mit postoperativer Ischämie/Reperfusionsschädigung in Verbindung gebracht. Die Laser-Speckle-Kontrast-Bildgebung (LSCI) könnte diesbezüglich wertvolle Informationen liefern, mit dem Vorteil gegenüber dem derzeitigen Behandlungsstandard, dass es sich um ein berührungsloses und vollflächiges Bildgebungsverfahren handelt.

Ziel:Unsere Studie zielt darauf ab, die Verwendung von LSCI für die Visualisierung von RCM an ex vivo perfundierten Schweinen von menschlicher Größe zu validierenNierenin verschiedenen Modellen hämodynamischer Veränderungen.

Ansatz: Ein Vergleich wurde zwischen drei durchgeführtNieren-Perfusionsmessungen: LSCI, der gesamte arterielle Nierenblutfluss (RBF) und Seitenstrom-Dunkelfeld (SDF)-Bildgebung in verschiedenen Einstellungen von Ischämie/Reperfusion.

Ergebnisse:LSCI zeigte eine gute Korrelation mit RBF für das Reperfusionsexperiment ({{0}}.94 0.02; p < {{10}}.{{="" 15}}0{{20}}1)="" und="" kurz-="" und="" lang="" anhaltende="" lokale="" ischämie="" (0.90="" 0.03;="" p="">< 0,0001="" und="" 0.="" 81="" 0.08;="" p="">< 0,0001).="" die="" korrelation="" verringerte="" sich="" für="" niedrigflusssituationen="" aufgrund="" der="" rbf-umverteilung.="" die="" korrelation="" zwischen="" lsci="" und="" sdf="" (0,81="" 0,10;="" p="">< 0,0001)="" zeigte="" eine="" überlegenheit="" gegenüber="" rbf="" (0,54="" 0,22;="" p=""><>

Schlussfolgerungen:LSCI ist in der Lage, RCM mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung abzubilden. Es kann lokale Durchblutungsdefizite sofort erkennen, was mit dem derzeitigen Behandlungsstandard nicht möglich ist. Die Weiterentwicklung von LSCI in der Transplantationschirurgie könnte bei der klinischen Entscheidungsfindung helfen.

Schlüsselwörter:Laser-Speckle-Kontrastbildgebung; Transplantation;Niere; Nebenstrom-Dunkelfeld-Bildgebung;Nieren-Mikroperfusion.

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1. Einleitung

Intraoperativ behindertNieren-kortikale Mikroperfusion (RCM) beispielsweise während einer Anastomose wurde mit postoperativen Komplikationen im Zusammenhang mit Ischämie/Reperfusionsverletzung in Verbindung gebracht.

Andere haben das Potenzial der oberflächennahen Perfusionsbildgebung für die Vorhersage postoperativer Komplikationen aufgezeigt, einschließlich reduzierter Kreatinin-Clearance, verzögerter Transplantatfunktion und sogar Transplantatabstoßung.1–4 Daher ist es denkbar, dass die intraoperative Überwachung von RCM mit optischen Bildgebungsmethoden durchgeführt wird kann die chirurgische Entscheidungsfindung unterstützen, was zu einer verbesserten Durchblutung während der Organreperfusion führen und möglicherweise zu einer Verringerung ungünstiger postoperativer Ergebnisse beitragen kann.

Der Wert der gängigen Techniken, wie z. B. postoperative Duplex-Sonographie oder eine arterielleNieren-Blutfluss (RBF)-Sonde zur Überwachung des Gesamt-RBF ist durch die Tatsache begrenzt, dass solche Techniken lokale Perfusionsheterogenitäten nicht berücksichtigen.5 Sie basiert auf dem Missverständnis, dass der Gesamt-RBF die RCM angemessen widerspiegelt.6 Daher ist die Verwendung von Techniken, die dies können Der Nachweis von Heterogenität des Blutflusses wird bevorzugt.7 Die postoperative Duplex-Sonographie kann lokale Perfusionsdefizite erkennen8 und wurde in mehreren Studien validiert. Ihre allgemeine Anwendung ist jedoch durch eine erhebliche Abhängigkeit vom Bediener eingeschränkt.5 Andere berichteten über die Verwendung von Kontaktbildgebungsmethoden zur direkten Visualisierung und Quantifizierung der Bewegung roter Blutkörperchen (RBC).2,3 Diese Methoden lieferten vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf bestimmte Cut-off-Werte für verzögerte Transplantatfunktion, postoperative Kreatininspiegel oder sogar Allotransplantatabstoßung mit RCM-Messungen, die bereits 5 Minuten nach der Reperfusion durchgeführt werden.1–4 Die Haupteinschränkung dieser Methoden ist das kleine (∼ 1 mm2) Sichtfeld (FOV) in die das RCM visualisiert werden kann. Kürzlich wurde die Indocyaningrün (ICG)-Fluoreszenzbildgebung eingeführt, um die RCM zu beurteilen und mit dem klinischen Ergebnis zu korrelierenNiereTransplantation.5,9,10 Die ICG-Fluoreszenz ist jedoch schwer zu quantifizieren10 und das Vorhandensein eines Fluoreszenzsignals bedeutet nicht sofort ein gut durchblutetes Organ.11 Die Verabreichung des Fluoreszenzfarbstoffs, der bei jeder Perfusionsmessung erforderlich ist, behindert auch den chirurgischen Eingriff.

Bis heute fehlt noch ein objektives, intraoperatives Bildgebungsinstrument, das bei der Visualisierung des RCM während der Operation helfen kann. In diesem Artikel berichten wir über die Verwendung von Laser-Speckle-Kontrast-Bildgebung (LSCI), einer berührungslosen Echtzeit-Vollfeld-Bildgebungstechnik mit einem großen FOV, die den Blutfluss in Geweben ohne die Verabreichung eines Fluoreszenzfarbstoffs sichtbar machen kann ,12 zur Überwachung von RCM bei Schweinen in menschlicher Größebetreffend. Unser Ziel ist es, die Verwendung von LSCI als Instrument zur Messung der Organreperfusion während mehrerer Modelle hämodynamischer Veränderungen zu validieren.

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2. Materialien und Methoden

2.1 Schlachthofnieren

Sechs aus dem Schlachthof stammende Schweinenieren wurden von einem örtlichen Schlachthof bezogen. Schweine (weibliche Schweine der holländischen Landrasse, etwa 5 Monate alt, mit einem Durchschnittsgewicht von 130 kg) wurden zu Verzehrszwecken geschlachtet und gemäß standardisierter gesetzlicher Verfahren behandelt. Die Schweine wurden durch Strom betäubt und starben an Ausblutung. Während der Entblutung wurden etwa 2 Liter Blut in einem Becherglas mit 25,000 IE Heparin (LEO Pharma A/S, Ballerup, Dänemark) gesammelt. Die Nieren wurden en bloc aus der Leiche entfernt, die Nierenarterie wurde freipräpariert und das umgebende Gewebe wurde entfernt. Für alle Experimente wurde die linke Niere verwendet, da diese Seite eine besser sichtbare arterielle Bifurkation aufwies. Nach 30 Minuten warmer Ischämie (dh der Zeit zwischen dem Stopp der Blutzirkulation und dem Beginn der Kältespülung) wurden die Nieren mit 500 ml kalter 4-Grad-Kochsalzlösung gespült. Als nächstes wurden die Nieren in einen Nierenhalter eingebaut und auf der hypothermischen Perfusionsmaschine (HMP) (Kidney Assist Transporter, Organ assist, Groningen, Niederlande) bei 4 Grad platziert und dreieinhalb Stunden bei einem mittleren Druck von 25 perfundiert mmHg. HMP wurde mit Sauerstoff angereichert (100 Prozent O2) mit einer Geschwindigkeit von 100 ml∕min.

2.2 Normothermische Maschinenperfusion

Der Aufbau der normothermischen Maschinenperfusion (NMP) wurde an anderer Stelle ausführlich beschrieben,13 unter Verwendung eines Zentrifugalpumpenkopfes (Deltastream DP3, MEDOS Medizintechnik AG, Heilbronn, Deutschland), gesteuert durch eine selbst entwickelte Software (Sophisticate, Labview, National Instruments, Austin). , USA).14 Die Software ermöglicht nicht nur sowohl fluss- als auch druckgesteuerte Perfusion, sondern ermöglicht auch das Umschalten zwischen pulsierendem sinusförmigem und konstantem Fluss.

Die Temperatur wurde mit einem Jubalo-Wasserheizsystem reguliert und auf 37 Grad eingestellt. In den Oxygenator wurde ein integrierter Wärmetauscher (HILITE 1000®, MEDOS Medizintechnik AG, Heilbronn, Deutschland) eingebaut. Der Durchflusssensor ist ein Clamp-on-Durchflusssensor (ME7PXL clamp®, Transonic Systems Inc., Ithaca, USA). Der Drucksensor ist ein wegwerfbarer Truewave®-Druckwandler (Edwards Lifesciences, Irvine, USA). Als Perfusionsmedium wurden 500 ml autologes Leukozyten-abgereichertes Blut verwendet. Das Blut wurde mit 300 ml Ringer-Laktat (Baxter, Utrecht, Niederlande) verdünnt und mit 10 ml 8,4-prozentigem Bicarbonat (B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland), 10 ml 5-prozentiger Glucose (Baxter, Utrecht, Niederlande) ergänzt. , 6 mg Mannit (Baxter, Utrecht, Niederlande), 0,33 ml Dexamethason (Centrafarm, Etten-Leur, Niederlande), 100 mg∕200 mg Amoxicillin/Clavulansäure (Sandoz BV Almere, Niederlande), 90 mg Kreatinin (Sigma -Aldrich, St. Louis) und 0,1 ml Natriumnitroprussid (Sigma-Aldrich, St. Louis). Plasma wurde hinzugefügt, um einen Hämatokrit von 24 Prozent zu erreichen. Es erfolgte eine konstante Infusion (20 ml∕h) einer Mischung aus 90 ml Aminosol (Aminoplasmal, B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland), 1 ml Insulin (NovoRapid®, Novo Nordisk, Bagsværd, Dänemark) und 3 ml Bicarbonat gepflegt. Carbogen (95 Prozent O2 und 5 Prozent CO2) wurde über den Oxygenator mit einer Flussrate von 500 ml∕min zugeführt. Das vollständige NMP-Setup ist in Abb. 1 dargestellt.

2.3 Einrichtung der Laser-Speckle-Kontrast-Bildgebung

LSCI basiert auf dem Prinzip von kohärentem Laserlicht, das von Gewebe zurückgestreut wird und am Detektor ein Speckle-Muster bildet. Durch die Phasenverschiebung dieses zurückgestreuten Lichts entsteht ein zufälliges Interferenzmuster, die sogenannten Speckles. Durch Bewegung im Gewebe, dh Bewegung der roten Blutkörperchen, beginnt das Interferenzmuster zu fluktuieren, wodurch ein dynamisches Speckle-Muster entsteht, das durch die endliche Belichtungszeit des Detektors verwischt wird. Der Speckle-Kontrast K wird nach Gl. (1).

wo ist die Standardabweichung der Intensität I über der mittleren Intensität hIi, berechnet über ein Faltungsfenster in Raum und/oder Zeit. Ein LSCI-Aufbau wurde basierend auf der Analysesoftware Lapvas-Imaging (LIMIS Development BV, Leeuwarden, Niederlande) erstellt, die zuvor von unserer Gruppe demonstriert wurde, um den mikrovaskulären Blutfluss im Darm während In-vivo-Ischämie-/Reperfusionsexperimenten zu qualifizieren.15 Eine Monochromkamera ( CM-200GE®, Jai, Kopenhagen, Dänemark) wurde auf einer festen 3D-gedruckten Halterung platziert, um die Unveränderlichkeit von Abstand und Einfallswinkel von Kamera und Laser sicherzustellen (Abb. 1). Der Abstand zwischen der Kamera und der Niere betrug 20 cm mit einem resultierenden FOV von 19 × 14 cm. Das Objektiv (LM12JC®, Kowa, Düsseldorf, Deutschland) wurde auf eine Blendenzahl von 7 eingestellt, was zu ~2 Pixeln pro Speckle führte und somit das Nyquist-Kriterium erfüllte.16 Ein Polarisationsfilter wurde hinzugefügt, um spiegelnde Reflexionen zu minimieren. Die Bilder hatten eine Größe von 1624 × 1236 Pixel und wurden mit 3,125 Frames∕s und einer Belichtungszeit von 40 ms aufgenommen. Eine längere Belichtungszeit ist erforderlich, um als Ergebnis der Kombination aus einem Laser mit niedriger Leistung und einem großen FOV angemessene Pixelintensitäten zu erhalten. Die Bilder wurden unter Verwendung eines zeitlich gemittelten räumlichen LSCI-Algorithmus mit einem räumlichen 7 × 7-Schiebefenster und einem zeitlichen Fenster von 7 Frames analysiert. Eine rote fasergekoppelte Laserdiode (λ ¼ 638 nm, 200 mW; Lionix International, Enschede, Niederlande) wurde in eine optische Faser mit einer Kollimationslinse (12 mm ∅, − 12 mm FL-unbeschichtete Doppelkonkavlinse, Edmund Optics, New Jersey, USA) am distalen Ende. Der Laser wurde auf einer festen Stange montiert und auf eine Ausgangsleistung von 120 mW eingestellt. Der gesamte Aufbau (Abb. 1) wurde in eine abgedunkelte Box gestellt, um jegliches Umgebungslicht zu blockieren. Während der Experimente wurden 2D-Perfusionskarten generiert und in Echtzeit angezeigt, während Speckle-Rohbilder für die weitere Offline-Nachbearbeitung gespeichert wurden.

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2.4 Hämodynamische Experimente

Wir haben eine Reihe von vier hämodynamischen Experimenten entworfen, um den LSCI als Werkzeug für die Organperfusionsmessung zu untersuchen (Abb. 2). Bei allen Versuchen wurden Temperatur, Druck, die (arterielle) RBF und der Nierenwiderstand gemessen. Anschließend haben wir die kortikale Perfusion mit LSCI gemessen. Diese Experimente wurden entwickelt, um die Fähigkeit zu untersuchen, zwischen gut und schlecht durchbluteten Geweben über die Zeit zu unterscheiden (Abschn. 2.4.1 bis 2.4.3) und um die Fähigkeit der Techniken zu analysieren, zwischen lokalen Durchblutungsdefiziten, dh räumlicher Auflösung, und der zu unterscheiden Geschwindigkeit, mit der dies erkannt wird, dh zeitliche Auflösung (Kap. 2.4.3 und 2.4.4). Diese Experimente wurden an fünf verschiedenen Nieren wiederholt. In einer separaten Extraniere haben wir RBF, LSCI und Seitenstrom-Dunkelfeld (SDF)-Bildgebung gleichzeitig durchgeführt, während wir wiederholte lokale Ischämie und drei Gasbolus-Injektionen durchführten (Abschnitt 2.5).

2.4.1 Reperfusionsexperiment

Die Validierung der Beziehung zwischen den RBF- und LSCI-Werten ist für die klinische Anwendung von entscheidender Bedeutung. Abgesehen von der Ähnlichkeit mit der Reperfusion während einer Nierentransplantation könnte uns dieses Experiment Einblicke in die Korrelation zwischen RBF- und LSCI-Werten bei Low- und High-Flow-Werten zu Beginn bzw. Ende des Experiments geben. Nach HMP und einer Kaltspülung mit 500 ml 0,9-prozentigem NaCl wurde die Niere in die NMP-Organkammer eingebaut und 60 min lang mit einem Druck von 85 mmHg und einem sinusförmigen Fluss mit einer Frequenz von 60 aufgewärmt Hz, um eine physiologische Situation nachzuahmen. In dieser Stunde erwärmt sich die Niere von 4 Grad auf 37 Grad.

2.4.2 Strömungsexperiment

Ähnlich wie das Reperfusionsexperiment (Abschn. 2.4.1) könnte uns dieses Experiment schrittweise und kontrolliert Einblick in die Korrelation zwischen RBF- und LSCI-Werten geben. Für dieses Experiment wurde der Fluss von sinusförmiger Perfusion auf konstanten Fluss umgeschaltet, um einen stabilen linearen Fluss ohne die Störung des sinusförmigen Musters zu gewährleisten. Der Durchfluss wurde auf eine Rate von 200 ml∕ min eingestellt. Der Versuch wurde bei 150 ml∕min gestartet, falls die Niere nach der Aufwärmphase den Fluss von 200 ml∕min nicht erreichte. Der Durchfluss wurde alle 4 min in Schritten von 50 ml∕min verringert. Anschließend wurde der Fluss in Schritten von 50 ml∕min auf das Ausgangsniveau erhöht, wenn ein Fluss von 50 ml∕min erreicht war. Dieses Experiment wurde zweimal nacheinander an jeder Niere durchgeführt.

2.4.3 Lokale Ischämie

Wir könnten die Fähigkeit zur Unterscheidung zwischen gut und nicht durchbluteten Geweben innerhalb des FOV bewerten, indem wir einen lokalen ischämischen Bereich induzieren. Die Geschwindigkeit, mit der der große lokale Perfusionsunterschied sichtbar gemacht werden kann, gibt einen Hinweis auf den klinischen Mehrwert im Falle eines ungewollten lokalen Perfusionsdefizits während einer Nierentransplantation. Ein Katheter (4F arterial Embolectomy Catheter, Edward Lifescience, Irvine, USA) wurde vor NMP in die Nierenarterie eingeführt und in der unteren Bifurkation der Nierenarterie vernäht. Der Katheter wurde aufgeblasen, was eine lokale Ischämie in einem Teil der Niere auslöste. Die Ischämie wurde zweimal induziert. Beim ersten Mal folgte auf eine kurze 5--minütige warme ischämische Periode eine 10--minütige Erholungszeit. Beim zweiten Mal folgte auf eine lange 15--minütige warme Ischämieperiode eine 40--minütige Erholungszeit.

2.4.4 Gasblaseninfusion

Obwohl die lokale Ischämie (Abschn. 2.4.3) ein großes Perfusionsdefizit verursacht, testet dieses Experiment die Fähigkeit, zwischen diesen Bereichen der lokalen Reperfusion zu unterscheiden und diese rechtzeitig zu beobachten. Die Infusion eines arteriellen Gasbolus induziert eine kurze vollständige Ischämie, gefolgt von kleinen Bereichen lokaler Reperfusion mit schließlich vollständiger Reperfusion der Niere. Das Gas bildet eine Embolie im Blutgefäß. Diese Emboli verhindern den Blutdurchfluss und behindern dadurch die Durchblutung. Wenn sich das Gas im Perfusionsmedium auflöst, verschwindet die Embolie und die Perfusion tritt wieder auf. Die Geschwindigkeit, mit der dies geschieht, hängt vom injizierten Gas und seiner relativen Löslichkeit ab (dh O2 und CO2 lösen sich schneller auf als N2). Als letzter Versuch wurden 4 ml der jeweiligen Gase in die arterielle Leitung injiziert. Zuerst mit O2, anschließend alle 10 min Carbogen (95 Prozent O2 und 5 Prozent CO2), Raumluft und N2.

2.5 Nebenstrom-Dunkelfeld-Bildgebungsexperimente

Die SDF-Bildgebung kann die Bewegung einzelner Erythrozyten verfolgen, was quantitative Blutflussmessungen und die Erkennung subtiler mikrovaskulärer Veränderungen ermöglicht.17–19 Die SDF-Bildgebung ist eine Kontaktmethode mit einem relativ kleinen FOV von ∼ 1 mm2. Das Gerät hat eine Gesamtvergrößerung von 750×. Die Eindringtiefe beträgt ca. 750 µm. Das kleine FOV in Kombination mit einem flachen

Eindringtiefe und die Tatsache, dass es sich um eine Kontaktmethode handelt, macht die SDF-Bildgebung für die Visualisierung oder das RCM weniger geeignet. Das vom System emittierte grüne Licht wird durch das Gewebe gestreut und vom Hämoglobin in den RBCs absorbiert, was zu dunklen RBCs im Kontrast zum Hintergrundgewebe führt. Die Verwendung der SDF-Bildgebung als quantitatives Maß für den Blutfluss ermöglicht es uns, RBF und LSCI mit SDF zu vergleichen. Es muss jedoch beachtet werden, dass RBF sowohl den kortikalen als auch den medullären Blutfluss misst, während LSCI und SDF nur das RCM messen, mit dem Unterschied, dass es sich um ein Vollfeld (LSCI) gegenüber einem kleinen FOV (SDF) handelt. Das SDF-Mikroskop (MicroScan Video Microscope System, MicroScan BV, Amsterdam, Niederlande) wurde an Ort und Stelle gehalten, indem ein Stativ verwendet wurde, das mit einem Labortisch verbunden war, um Bewegungsartefakte zu minimieren. Das Stativ verfügt über X- und Y-Achsen-Präzisionseinstellschrauben, um das Mikroskop senkrecht zur Nierenrinde zu platzieren, ohne Druckartefakte zu induzieren. Die Spitze des SDF-Mikroskops wurde mit einer Plastikkappe bedeckt. Bilder wurden bei 10 Frames∕s mit einer Auflösung von 720 × 576 Pixeln aufgenommen. Das Videosignal wurde mit einem S-VHS-zu-USB-Framegrabber digitalisiert und zur weiteren Offline-Verarbeitung auf einem Computer gespeichert. Das SDF-Mikroskop verwendet pulsierende grüne Leuchtdioden, die um das ladungsgekoppelte Bauelement an der Spitze des Mikroskops herum angeordnet sind. Die Daten wurden mit kundenspezifischer Software (Matlab, Mathworks, Natick, Massachusetts) analysiert, die die mittlere Pixelintensität (MPI) innerhalb des gesamten Rahmens berechnete, indem die durchschnittliche Pixelintensität genommen wurde. Der MPI ist ein Maß für die Anzahl der RBCs. Wenn die Anzahl der RBCs innerhalb des Rahmens zunimmt, verdunkeln sich die Bilder, daher ist der MPI ein relatives Maß für die Anzahl der RBCs (Video 3). Der interessierende Bereich für die Laser-Speckle-Perfusionseinheiten (LSPU) wurde 1 cm von der SDF-Kamera entfernt platziert.

Die Nierenkapsel musste an der Spitze des SDF-Mikroskops lokal entfernt werden, um die RCM während dieses Teils der Experimente abbilden zu können. SDF-Bildgebung, RBF-Messungen und LSCI wurden aufgrund der komplexen Natur der Bildgebung des RCM mittels SDF-Bildgebung nur in einer Niere gleichzeitig durchgeführt. Fünf aufeinanderfolgende Wiederholungen der kurzen lokalen Ischämieexperimente wurden durchgeführt, gefolgt von drei Gasinjektionen mit Sauerstoff, einer mit Raumluft und einer mit Stickstoff.

2.6 Datenanalyse

Die Daten sind als mittlere Standardabweichung angegeben, sofern nicht anders angegeben. Die Korrelationen zwischen LSCI in LSPU (AU) und RBF (ml/min) und SDF in MPI (AU) wurden unter Verwendung eines Bestimmtheitsmaßes R2 berechnet. Anwendbare parametrische Paartests wurden verwendet. Ein p-Wert von<0.05 was="" considered="" statistically="" significant.="" the="" experiments="" described="" in="" sec.="" 2.4="" were="" repeated="" five="" times="" to="" rule="" out="" unique="">

Cistanche tubulosa-Extrakt kommt den Nieren zugute

3. Ergebnisse

Das durchschnittliche Gewicht der sechs Schlachthofnieren betrug 338,1 24,0 g.

3.1 Reperfusionsexperiment

Das Reperfusionsexperiment wurde fünfmal in fünf Nieren durchgeführt. Während der Stunde erwärmten sich alle Nieren auf 37 Grad, was zu einem Anstieg der RCM führte (Abb. 3.). Dieses Experiment zeigte eine Ähnlichkeit mit der Reperfusion während einer Nierentransplantation. Die Korrelation zwischen dem normalisierten LSPU (AU) und dem RBF (ml/min) war R2 ¼ 0.94 0.02 (p < 0,0001).="" die="" gute="" korrelation="" könnte="" durch="" die="" tendenz="" einer="" niere="" erklärt="" werden,="" blut="" zuerst="" dem="" kortex="" zuzuordnen,="" was="" der="" fluss="" ist,="" den="" wir="" mit="" lsci="">

3.2 Strömungsexperiment

Das Strömungsexperiment wurde 10 mal in fünf Nieren durchgeführt. Das R2 der normalisierten LSPU (AU) und RBF (ml/min) war 0,59 0,31 (p > 0,05). Auf eine Änderung des Gesamt-RBF folgte keine ähnliche Änderung im Kortex (dh RCM), was zu einer moderaten Korrelation führte. Wie in Abb. 4 zu sehen, scheint es eine hämodynamische Reaktion zu geben, die den Fluss zum Cortex umleitet. Es gab eine offensichtliche hämodynamische Reaktion, wenn der RBF in einem Niedrigflusszustand (~ 100 ml∕ min) verringert wurde. Bei Erhöhung des RBF wurde ein klassisches kurzzeitiges Überschwingen der Reperfusion beobachtet.

3.3 Lokale Ischämie

Das lokale Ischämie-Experiment wurde an fünf Nieren durchgeführt. Das Experiment schlug bei zwei Nieren fehl; eine aufgrund einer Fehlfunktion des Ballonkatheters und die andere aufgrund des Auftretens des ischämischen Bereichs auf der hinteren Seite der Niere. Typische Bilder sind in den Fig. 6 und 7 gezeigt. 5(a) und 5(b). Die Daten sind in Fig. 5(c) in Balkendiagrammen dargestellt, und eine typische Spur eines interessierenden ischämischen Bereichs ist in Fig. 5(d) dargestellt. Die Ergebnisse der kurzen (5 min) und langen (15 min) ischämischen Periode sind in Tabelle 1 zu finden. Die kurzen und langen ischämischen Perioden zeigten keine signifikanten Unterschiede. Die Basislinie ist der Durchschnitt der Zeitspanne vor der Induktion der lokalen Ischämie. Die Ischämie ist der Durchschnitt der ischämischen Periode. Die Reperfusion ist der Maximalwert direkt nach dem Lösen der lokalen Ischämie und die Postokklusion ist der Durchschnitt der Zeit nach der Reperfusion. Die LSPU-Werte sind im Vergleich zur Baseline normalisiert.

3.4 Gasblaseninfusion

Die Gasblaseninfusion wurde einmal an fünf Nieren durchgeführt und war durch eine langsame, lokale Rückkehr von RCM gekennzeichnet, wie in 6 dargestellt. Die Daten sind in Tabelle 2 zu finden, wo der relative Abfall der LSPU in Bezug auf das Ausgangsniveau berechnet wird . Die Anstiegszeit ist definiert als die Zeit, die der LSPU benötigt, um auf das Grundlinienniveau zurückzukehren. Diese war für Stickstoff länger als 600 s und somit konnte die genaue Anstiegszeit nicht gemessen werden. Der R2 wurde mit dem LSPU (AU) und dem RBF (ml/min) berechnet. Die Daten werden in Balkendiagrammen in den Fig. 3 und 4 visualisiert. 7(a) und 7(b) für die durchschnittliche Abfallzeit (Prozent) bzw. Anstiegszeit (s). Abbildung 7(c) zeigt typische LSCI-Spuren für dieses Experiment in einer Niere.

3.5 Nebenstrom-Dunkelfeld-Bildgebung im Vergleich

Die Ergebnisse der Injektion von lokaler Ischämie, Sauerstoff, Raumluft und Stickstoff sind in Tabelle 3 gezeigt. Alle Experimente wurden an derselben Niere durchgeführt. Ein repräsentatives Beispiel für die LSCI-Pseudofarbenbilder und die entsprechenden SDF-Bilder sind in Abb. 8 und Video 3 gezeigt. SDF-LSPU zeigte die beste Gesamtkorrelation im Vergleich zu den LSPU-RBF- und SDF-RBF-R2--Werten .

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4. Diskussion

Wir berichten über die Visualisierung von RCM mit ex vivo perfundierten Schweineschlachthausnieren in Menschengröße in verschiedenen Ischämie-/Reperfusionsmodellen. Die lokalen Reperfusionsexperimente zeigten eine hohe Korrelation zwischen LSCI und SDF, die LSCI-Korrelationen mit RBF überlegen war. Die gute Korrelation zwischen LSCI und SDF unterstreicht die hohe zeitliche und räumliche Auflösung von LSCI in seiner Fähigkeit, RCM zu visualisieren. LSCI zeigt nicht nur eine klare Unterscheidung zwischen perfundiertem und nicht perfundiertem Gewebe, sondern verfolgt auch die transiente Ischämie, die durch die Injektion von Gasen mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften induziert wird, in Echtzeit. Dennoch sollte die Wirkung der Überwachung der oberflächennahen kortikalen Mikroperfusion auf die klinische Entscheidungsfindung in einer klinischen Studie weiter untersucht werden.

Das Reperfusionsexperiment zeigte eine hohe Korrelation zwischen RBF und LSCI, was anzeigt, dass die Reperfusion nach Ischämie während einer Nierentransplantation unter Verwendung von LSCI überwacht werden konnte. Dies hat gegenüber herkömmlichen intrarenalen Sonden den Vorteil, dass lokale Durchblutungsdefizite frühzeitig erkannt werden können. Der geringe Unterschied zwischen RBF und LSCI könnte möglicherweise durch den Umverteilungsmechanismus der Niere20 erklärt werden, da die Perfusion von Medulla und Cortex ein dynamischer Prozess ist und von hämodynamischen Faktoren beeinflusst wird. Unsere Daten haben gezeigt, dass ein stabiler RBF einer stabilen kortikalen Perfusion entspricht, da sich die Perfusion des Kortex und der Medulla im Laufe der Zeit ändern kann und unabhängig voneinander ist (z. B. wenn sich der RBF nicht ändert, kann LSCI immer noch die lokale erkennen Durchblutungsstörungen).

Während des Strömungsexperiments mit schrittweiser Änderung des Gesamt-RBF zeigte LSCI nur eine mäßige Korrelation mit dem Gesamt-RBF. Wir nehmen an, dass das funktionelle Gewebe im Kortex auf Kosten einer Verringerung des Flusses zur Medulla als Reaktion auf eine Abnahme des RBF erhalten bleibt. Dies würde zu einer Umleitung des Blutflusses zum Kortex (dh RCM) führen.20 In unseren Daten stieg RCM nach jedem Rückgang des Gesamt-RBF allmählich an, wenn der RBF verringert wurde, als Ergebnis der Autoregulation zugunsten von RCM. Wenn jedoch der RBF in Low-Flow-Situationen erhöht wurde, wurde das Gegenteil beobachtet.

Die lokale Ischämie war sofort im Echtzeit-Live-Feed sichtbar. Das Experiment weist sowohl für die kurze als auch für die lange ischämische Periode eine gute Korrelation auf, die mit der Korrelation vergleichbar ist, die während des LSCI-SDF-Vergleichs gefunden wurde. Dies kann durch die Tatsache erklärt werden, dass kein Blut umzuverteilen ist, sodass die Abnahme des Flusses proportional zum RBF ist. Es zeigt sofort eine Unterscheidung zwischen gut und nicht durchblutetem Gewebe, während eine sichtbare Gewebeverfärbung längere Zeit in Anspruch nimmt. Diese schnelle und genaue Beurteilung der RCM durch LSCI hat potenzielle klinische Auswirkungen. Beispielsweise berichteten Hoffman et al.9 über ein für das menschliche Auge nicht wahrnehmbares Perfusionsdefizit, das durch eine Neupositionierung des Organs in der Fossa iliaca wiederhergestellt werden konnte. Die Fähigkeit von LSCI, die Infusion verschiedener Gase mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften vorübergehend zu verfolgen, demonstriert die hohe räumliche und zeitliche Auflösung. Dies wird durch die gute Korrelation zwischen LSCI-SDF und eine schlechte Korrelation zwischen LSCI-RBF gezeigt. Während der relativ langen Zeit, bevor Stickstoff im Blut gelöst wird, stellt sich RBF langsam wieder her, während der Kortex mehr Zeit braucht, um den vollen Blutfluss wiederherzustellen. Dies führt zu einer relativ schlechten Korrelation, was die Bedeutung der Verwendung von LSCI unterstreicht.

Wie bereits erwähnt, visualisiert die SDF-Bildgebung direkt einzelne RBCs. Der Vergleich von LSCI mit SDF und RBF gibt uns wertvolle Informationen über die mit LSCI gemessene Perfusion. Die SDF-Bildgebung einer Niere ist jedoch langwierig und erfordert die Entfernung der Nierenkapsel, was sie für die klinische Praxis ungeeignet macht. Die guten Korrelationen zwischen LSCI und SDF weisen somit darauf hin, dass LSCI wertvolle Informationen liefern kann, mit dem Vorteil, dass es sich um ein berührungsloses und vollflächiges Bildgebungsverfahren handelt.

Ein wichtiger klinischer Bedarf, bei dem LSCI leicht implementiert werden kann, ist die Organtransplantation. Da eine verlängerte Anastomosezeit der Organqualität abträglich ist,21 könnte eine schnelle und einfache Visualisierung der oberflächennahen RCM dazu beitragen, das Transplantationsergebnis zu verbessern, insbesondere da ein Zusammenhang zwischen dem frühen intraoperativen Zustand der Mikroperfusion und den postoperativen Ergebnissen besteht.1–4 Wir gehen davon aus die Visualisierung von ischämischen Arealen und vaskulären Obstruktionen ohne Verzögerung direkt nach der Reperfusion des Organs könnte den Chirurgen bei der klinischen Entscheidungsfindung unterstützen. Dies muss jedoch in klinischen Studien weiter untersucht werden. Diese intraoperative Bildgebung hat das Potenzial, die Reoperationsraten im Vergleich zum aktuellen klinischen Standard mit postoperativer Bildgebung wie der Duplex-Sonographie zu reduzieren. Indem dem Chirurgen direkt angezeigt wird, ob und wo eine Durchblutungsstörung vorliegt, können Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Dies gilt nicht nur für die Transplantationschirurgie, sondern für jede Art von Chirurgie, bei der die Durchblutung ganzer Organe von Interesse ist.

Die Verwendung von LSCI wurde bereits in Rattennieren beschrieben,22–28, aber es fehlt noch Literatur über seine Verwendung in Nieren von menschlicher Größe. Die klinische Anwendung wäre machbar, da LSCI bereits in einem klinischen Umfeld verwendet wurde.15

Eine der größten Herausforderungen, die überwunden werden müssen, bevor LSCI in die klinische Praxis implementiert werden kann, sind Bewegungsartefakte.29 Für diese Experimente haben wir die Niere mit Pipettenspitzen fixiert, um den möglichen Effekt der Bewegung zu eliminieren. Jedoch wird die Niere in vivo infolge von Atembewegungen und Pulsationen des Herzens während der Transplantation einer Bewegung ausgesetzt sein. Andere haben versucht, dies durch die Verwendung von Bezugsmarkern zu überwinden.30,31 Diese Lösung ist für Nierentransplantationen aufgrund des invasiven Aspekts der Anbringung des Bezugsmarkers nicht wünschenswert. Eine weitere potenzielle Einschränkung ist die geringe Eindringtiefe für LSCI von ungefähr 0,4 bis 1 mm je nach Wellenlänge.32,33 Dies schränkt jedoch die Verwendung von LSCI nicht ein, da unsere Daten zeigen, dass Ischämie direkt im RCM nachweisbar ist.

5. Schlussfolgerung

In der Umgebung mit ex vivo maschinenperfundierten Schweinenieren in Menschengröße war LSCI in der Lage, lokale Veränderungen in RCM mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erkennen. In verschiedenen Situationen lokaler Ischämie korrelierte LSCI gut mit der SDF-Bildgebung. LSCI korreliert jedoch nicht immer vollständig mit dem gesamten RBF aufgrund der Heterogenität des Blutflusses zwischen der medullären und kortikalen Mikrozirkulation, was den Mehrwert gegenüber herkömmlichen arteriellen Flusssensoren unterstreicht. Die Implementierung von LSCI während der Transplantation könnte bei der frühzeitigen Erstellung eines geeigneten Behandlungsplans direkt nach der Reperfusion des Organs helfen.

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Wido Heemann,a,b,c,*,† Hanno Maaßen,b,d,† Joost Calon,e

Harry van Goor,d Henri Leuvenink,b Gooitzen M. van Dam,b und

E. Christiaan Boerma aUniversität Groningen, Fakultät Campus Fryslân, Leeuwarden, Niederlande

bUniversitätsklinikum Groningen, Abteilung für Chirurgie, Groningen,

Niederlande cLIMIS Development BV, Leeuwarden, Niederlande dUniversity Medical Centre Groningen, Department of Pathology and Medical Biology,

Groningen, Niederlande eZiuZ Visual Intelligence, Gorredijk, Niederlande fMedical Centre Leeuwarden, Intensivstation, Leeuwarden, Niederlande

Danksagungen

Diese Arbeit wurde vom Wissens- und Innovationsfonds des Samenwerkingsverband Noord Nederland (SNN) unter der Fördernummer KEI18PR004 unterstützt.

Verweise

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