Nitric oxide in experimental sepsis

• Nitric oxide (NO) is important in the control of blood pressure and organ perfusion. In septic shock, NO produced by inducible NO-synthase (NOS) has been claimed to mediate pathological vasodilation and cell injury, while NO produced by constitutive NOS may be protective in counteracting hypoperfusion and organ injury. This thesis comprises studies on the effects of inhaled NO on pulmonary function in a porcine model of unresuscitated Gram-negative septic shock and acute lung injury (ALI). In this model and in normal pigs, we also investigated the effects of non-selective NOS inhibition on global and regional haemodynamics and oxygen extraction. NO inhalation: Inhaled NO (57 and 60 ppm) selectively attenuated pulmonary vasoconstriction without direct effects on the systemic circulation. Early NO inhalation preserved gas exchange by reducing venous admixture and alveolar dead space, but had no effects on respiratory mechanics. The effects on pulmonary haemodynamics and gas exchange were repeatable. Inhaled NO may mitigate endotoxic lung injury by reducing leukocyte sequestration in the pulmonary microvasculature. NOS inhibition: In both normal and endotoxic pigs, the pulmonary vasculature was more sensitive to the vasoconstricting effects of NOS inhibition than the systemic. In normal pigs, this pulmonary vasoconstriction was enhanced by prior stimulation with acetylcholine. The enhancement may be related to an associated release of a vasoconstricting prostanoid. In endotoxic shock, NOS inhibition caused several animals, with extreme pulmonary hypertension, to die before the end of the observation time. In spite of the fatal overall effects, hepatic perfusion was unharmed by NOS inhibition. The capacity to increase oxygen extraction, in response to the decrease in oxygen delivery, was preserved. In hypodynamic shock, compensatory mechanisms other than NO may be more important in the regulation of hepatic blood flow.

• Popular Abstract in Swedish Septisk shock (shock utlöst av blodförgiftning) är en potentiellt dödlig komplikation till infektion med bakterier eller andra mikroorganismer. Inte bara de infekterande organismerna i sig, men också de inflammatoriska system och signalsubstanser som aktiveras, orsaker ett generaliserat inflammatoriskt tillstånd. Om obehandlat, kan detta leda till att ett eller flera organsystem sviktar. De tidigast och hårdast drabbade organen är lungorna, levern och njurarna, men sviktande hjärtfunktion, liksom den tarmskada, som ofta ses, är viktiga komponenter i förloppet och kan bidraga till att tillståndet försämras. De bakomliggande mekanismerna är många. Omfördelning av blodflödet, lågt arteriellt blodtryck samt dålig syresättning och därmed minskad syrgasleverans till känsliga organ anses spela en viktig roll. Vita blodkroppar och andra inflammatoriska celler ackumuleras i vissa delar av kretsloppet, skadar kärlens endotelbarriär och invaderar omkringliggande vävnad. De frisläpper här fria syre-radikaler och enzymer vilka har direkt skadliga effekter på vävnadscellerna. Kvävemonoxid, NO, har flera fysiologiska och kemiska egenskaper av betydelse för nervsystemet, kretsloppet och kroppens immunförsvar. Det senaste decenniet har en intensiv forskning avseende NOs funktioner vid sjukdom och hälsa visat att dessa kan vara såväl positiva som skadliga. NO bildas från aminosyran L-arginin, med hjälp av enzymet NO-syntas (NOS). Detta enzym förekommer i två huvudformer, en alltid fungerande 'konstitutiv' form, cNOS, och en 'inducerbar' form, iNOS, som endast bildas vid vissa inflammatoriska stimuli. När iNOS aktiveras, bildas stora mängder NO, medan mängden producerad NO med hjälp av cNOS är mer beskedlig och självreglerande. Kvävemonoxid diffunderar lätt genom biologiska membran och inaktiveras mycket snabbt i blod. Den är en instabil molekyl som lätt reagerar i processer som involverar utväxling av elektroner (dvs. redox reaktioner). Utanför kroppen finns NO som en instabil gas. NO är kärlvidgande och anses i fysiologiska koncentrationer deltaga i regleringen av blodtryck och organ blodflöde. Vidare påverkar NO blodplätternas förmåga att klibba ihop (aggregation) och de vita blodkropparnas tendens att fästa till kärlens endotel (adhesion). Vid septisk shock aktiveras iNOS och de stora mängderna NO, som därvid bildas, tros medverka till blodtrycksfall och omfördelning av blodflödet. Dessutom kan det vara orsak till blodkärlens oförmåga att reagera normalt på kärlsammandragande droger. I lägre koncentrationer kan NO, via sina redox-egenskaper, inaktivera skadliga fria syrgas-radikaler och därmed skydda mot cellskada. Vid sepsis kan emellertid höga NO koncentrationer tillsammans med dess höggradiga reaktivitet istället bidra till att fler och mera skadliga syrgas-radikaler bildas i aktiverade celler som makrofager och granulocyter. Även om dessa radikaler utgör en viktig del av de inflammatoriska cellernas förmåga att eliminera främmande organismer, kan de också tänkas orsaka vävnadsskada. Vid sepsis är kärlmotståndet i det stora kretsloppet oftast lågt samtidigt som det är förhöjt i lung kretsloppet. Detta kan leda till ett ökat vätskeläckage i lungorna, vilket gör att lungorna blir stela (minskad tänjbarhet), och tillsammans med en omfördelning av blodflödet försämrar lungfunktionen. I arbete I-III sövdes och respiratorbehandlades grisar. Med hjälp av en infusion av endotoxin- ett ämne framställt från Gram-negativa bakterier- utlöstes ett septisk shock-liknande tillstånd hos djuren. Djuren studerades med avseende på effekterna av NO som tillsatts inandningsluften (NO inhalation) via respiratorn. Syftet var att sänka motståndet i lung-kretsloppet, förbättra lungfunktionen, och hindra ansamlingen av vita blodkroppar i lungkärlen. NO inhalationen sänkte kärlmotståndet i lungan, och förbättrade lungfunktionen genom en bättre balans mellan luftutbyte och blodförsörjning i de olika lungdelarna. Däremot kunde positiva effekter på lungans tänjbarhet och luftvägsmotståndet inte påvisas. NO inhalationen motverkade också att vita blodkroppar fastnade i lungkretsloppet. Resultaten från arbete II antydde att tidig NO inhalation har en skyddande effekt mot lungskadan i sig. I arbete IV studerades effekten av att hämma aktiviteten av NOS med L-NMMA hos normala sövda grisar. Resultaten visade att kärlmotståndet och blodtrycket ökade i båda kretsloppen, men mest i lungkretsloppet. Föregående stimulering av NO frisättningen med acetylkolin förstärkte denna ökning i lungkärlmotståndet. Detta orsakades möjligen av att acetylkolin, eller ökad NO frisättning i sig, samtidigt stimulerade till en frisättning av ett kärlsammandragande ämne. I arbete V sövdes och respiratorbehandlades grisarna. Efter operation med insättning av flödesmätare omkring blodkärlen till lever och tarm, påbörjades en endotoxin infusion som ovan. En timme senare påbörjades en infusion med L-NAME, som hämmar NOS. Effekten av L-NAME i kombination med endotoxin var en tvåfaldig ökning av det perifera kärlmotståndet men en tolvfaldig ökning av motståndet i lungkretsloppet. Ett samtidigt fall i det totala blodflödet ledde till att 4 av 6 djur avled innan observationstidens slut. Blodförsörjningen till tarmen påverkades ocksä negativt av L-NAME, men inte leverblodflödet. Konklusion: NO inhalation använd vid septiskt utlöst lungskada kan vara av värde för att förbättra lungfunktionen och avlasta hjärtat genom att minska kärlmotståndet i lungorna. Möjligen kan NO inhalation i tidigt skede motverka ytterligare försämring av lungskadan. Hämning av NOS har teoretiska möjligheter att kunde användes i septisk shock för att höja blodtrycket och normalisera fördelningen av blodflödet mellan olika organ. Våra resultat pekar dock på betydande risker vid dess användning i form av en oönskad ökning av kärlmotståndet i lungorna och tarmen.

Ämnesord

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Klinisk medicin -- Anestesi och intensivvård (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Clinical Medicine -- Anesthesiology and Intensive Care (hsv//eng)

Nyckelord

intensive care

Nitric oxide

Sepsis

NO inhalation

Endotoxin

Acute lung injury

ARDS

Nitric oxide synthase

L-NMMA

L-NAME

Anestesiologi

Anaesthesiology

Pigs

intensivvård

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)