Methods of spinal cord protection in aortic surgery : experimental porcine studies

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>Paraplegia is one of the most devastating complication after surgery for thoracic or thoracoabdominal aortic aneurysm. Despite the modern protection strategies utilized prior to, during and after the surgery, the risk of permanent paraplegia remains. In the repair of acute type A aortic dissection, selective cerebral perfusion (SCP) and lower body circulatory arrest (LBCA) are widely used operative methods to protect the central nervous system. The temperature used during SCP and LBCA has gradually been rising, which has not necessarily been beneficial for the spinal cord.</p><p>New methods to protect the spinal cord and eliminate the possibility of permanent paraplegia are needed. Ischaemic preconditioning was first introduced in the 1980s in myocardial protection, while remote ischaemic preconditioning (RIPC) was introduced in the 1990s. In experimental studies, RIPC has proven to be an effective method to protect the spinal cord from ischaemia. Nonetheless, to date, there is no evidence for its potential in aortic aneurysm surgery in a clinical setting. The complete mechanism by which RIPC exerts its protective action is also unknown. Ischaemic priming by occluding the segmental arteries in an elective setting before the surgical treatment of the aortic aneurysm is a promising new method in protection of the spinal cord from ischaemic insult. However, to our knowledge, ischaemic priming of the spinal cord has not yet been attempted in an acute setting.</p><p>The studies presented in this thesis were carried out as a chronic porcine study. The main objective of the studies was spinal cord protection during ischaemic insult. Study I demonstrated the protective effect of RIPC against spinal cord ischaemia. Pigs treated with RIPC exhibited a faster neurological recovery and preferable near-infrared spectroscopy values four hours after the spinal cord ischaemia compared to control pigs. In study II, acute ischaemic priming led to improved neurological recovery, lower lactate discharge and fewer histopathologic changes in the spinal cord compared to control pigs. In study III, LBCA and SCP in a simulated frozen elephant trunk operation with extent stent craft resulted in a disastrous outcome when the LBCA time was 65 minutes.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Rinta- tai rinta-vatsa-aortan aneurysman korjausleikkauksen yksi pahimmista mahdollisista komplikaatioista on pysyvä alaraajahalvaus huolimatta tänä päivänä käytössä olevista selkäytimen suojausmenetelmistä. Akuutin tyypin A aortan dissekaation korjausleikkauksen aikana selektiivinen aivoperfuusio ja verenkierron hypoterminen pysäyttäminen ovat usein käytettyjä metodeja suojata aivoja ja muita iskemialle alttiita kudoksia. Avustetun aivoperfuusion ja kehon hypotermisen verenkierron pysäytyksen lämpötilaraja on kuitenkin viime vuosien aikana hiljalleen noussut korkeammaksi, eikä tämä välttämättä ole selkäytimen suojauksen kannalta paras mahdollinen tilanne.</p><p>Uusia selkäytimen suojausmenetelmiä tarvitaan edelleen, jotta pysyvän alaraajahalvauksen riski olisi mahdollisimman pieni. Sydämen suojaamisessa käytettävä iskeeminen esialtistus esiteltiin kirjallisuudessa 1980-luvulla. Seuraavalla vuosikymmenellä kirjallisuudessa esiteltiin myös etäinen iskeeminen esialtistus. Sittemmin kokeellisissa tutkimuksissa on osoitettu, että etäinen iskeeminen esialtistus suojaa selkäydintä iskeemiseltä vauriolta. Iskeemisestä esialtistuksesta tai etäisestä iskeemisestä esialtistuksesta ei toistaiseksi ole aikasempaa näyttöä aneurysmakirurgian yhteydessä. Niin ikään iskeemisen esialtistuksen tai etäisen iskeemisen esialtistuksen vaikutusmekanismia ei tunneta vielä tarkasti. Elektiivisessä aortan aneurysmakirurgiassa selkäytimen ja sen kollateraaliverenkierron iskeeminen esikäsittely on uusi ja lupaava keino suojata selkäydintä tulevan kirurgisen korjaustoimenpiteen aikana. Selkäytimen iskeemisen esikäsittelyn vaikutusta ei ole aikaisemmin tutkittu akuutissa tilanteessa.</p><p>Tässä väitöskirjatyöksi tarkoitetussa tutkimuksessa tutkittiin ja selvitettiin selkäytimen suojaamista iskeemiseltä vauriolta. Tutkimus toteutettiin käyttäen apuna kokeellista eläinmallia. Ensimmäisessä tutkimuksessa osoitettiin etäisen iskeemisen esialtistuksen johtavan nopeampaan neurologiseen toipumiseen ja parempaan selkäytimen ja tämän kollateraalisuonten verenkiertoon selkäydiniskemian jälkeen. Toisessa tutkimuksessa selkäytimen iskeeminen esikäsittely johti parempaan neurologiseen paranemiseen ja matalampaan leikkauksen aikaiseen laktaattipäästöön. Lisäksi selkäytimen histopatologinen analyysi osoitti, että selkäytimen vauriot olivat vähäisempiä. Kolmannessa tutkimuksessa todettiin, että jo 65 minuutin selektiivinen aivoperfuusio ja muun verenkierron pysäytys 28 asteen lämpötilassa yhdistettynä jäljiteltyyn ”Frozen elephant trunk” leikkausmenetelmään johti katastrofaaliseen lopputulokseen.</p></div>

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Original papers</p><p>Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.</p><ol type="I"><li><p>Honkanen, H.-P., Mustonen, C., Herajärvi, J., Tuominen, H., Starck, T., Kallio, M., Kiviluoma, K., Anttila, V., & Juvonen, T. (2020). Remote ischemic preconditioning in spinal cord protection: A surviving porcine study. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery, 32(4), 788–796. <a href="https://doi.org/10.1053/j.semtcvs.2020.03.018">https://doi.org/10.1053/j.semtcvs.2020.03.018</a></p></li><li><p>Honkanen, H.-P., Mustonen, C., Herajärvi, J., Tuominen, H., Starck, T., Kallio, M., Kiviluoma, K., Anttila, V., & Juvonen, T. (2022). Priming protects the spinal cord in an experimental aortic occlusion model. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. Advance online publication. <a href="https://doi.org/10.1016/j.jtcvs.2020.09.137">https://doi.org/10.1016/j.jtcvs.2020.09.137</a></p></li><li><p>Honkanen, H.-P., Mustonen, C., Tuominen, H., Kiviluoma, K., Anttila, V., & Juvonen, T. (2022). Spinal cord injury during selective cerebral perfusion and segmental artery occlusion: An experimental study. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. Advance online publication. <a href="https://doi.org/10.1093/icvts/ivab219">https://doi.org/10.1093/icvts/ivab219</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2023061555189">Self-archived version</a></p></li></ol></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Osajulkaisut</p><p>Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.</p><ol type="I"><li><p>Honkanen, H.-P., Mustonen, C., Herajärvi, J., Tuominen, H., Starck, T., Kallio, M., Kiviluoma, K., Anttila, V., & Juvonen, T. (2020). Remote ischemic preconditioning in spinal cord protection: A surviving porcine study. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery, 32(4), 788–796. <a href="https://doi.org/10.1053/j.semtcvs.2020.03.018">https://doi.org/10.1053/j.semtcvs.2020.03.018</a></p></li><li><p>Honkanen, H.-P., Mustonen, C., Herajärvi, J., Tuominen, H., Starck, T., Kallio, M., Kiviluoma, K., Anttila, V., & Juvonen, T. (2022). Priming protects the spinal cord in an experimental aortic occlusion model. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. Advance online publication. <a href="https://doi.org/10.1016/j.jtcvs.2020.09.137">https://doi.org/10.1016/j.jtcvs.2020.09.137</a></p></li><li><p>Honkanen, H.-P., Mustonen, C., Tuominen, H., Kiviluoma, K., Anttila, V., & Juvonen, T. (2022). Spinal cord injury during selective cerebral perfusion and segmental artery occlusion: An experimental study. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. Advance online publication. <a href="https://doi.org/10.1093/icvts/ivab219">https://doi.org/10.1093/icvts/ivab219</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2023061555189">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li></ol></div>