Abstract Putzu

L’IMPATTO DELL’ARRESTO CARDIACO SUL METABOLISMO REGIONALE CEREBRALE DEL GLUCOSIO DURANTE
ANESTESIA CON DESFLURANO IN UN MODELLO SPERIMENTALE DI RATTO
L’arresto cardiaco è la causa più importante di ischemia cerebrale globale. Nonostante i tentativi di
migliorare l’outcome, solo una minoranza dei pazienti rianimati viene dimessa in buone condizioni
neurologiche, a causa di un importante danno cerebrale residuo.
L’entità del danno neuronale conseguente l’ischemia cerebrale dipende dalla durata dell’evento ischemico
e la sua distribuzione nel parenchima cerebrale non sembra essere omogenea. Per lo studio dei fenomeni
fisiopatologici che si verificano in corso d’ischemia cerebrale o nella fase immediatamente successiva, sono
stati sviluppati diversi modelli animali di arresto cardiaco; ad oggi, tuttavia, non si è ancora raggiunto un
soddisfacente livello di comprensione degli eventi. Il nostro modello animale, sviluppato in collaborazione
con il Laboratorio di Terapia Intensiva dell’Inselspital (Berna, Svizzera), include l’utilizzo di un bloccante
adrenergico β-1, l’esmololo, e il cloruro di potassio per indurre l’arresto cardiaco.
L’obiettivo principale del progetto è quello di valutare il metabolismo del glucosio cerebrale precocemente
dopo l’arresto cardiaco e studiare come il metabolismo sia influenzato dall’anestesia. Per valutare il
metabolismo del glucosio cerebrale sono state scelte le tecniche imaging di autoradiografia e di Tomografia
ad Emissione di Positroni
(PET) con [18F]FDG, con cui abbiamo calcolato l’uptake assoluto di [18F]FDG e l’uptake relativo di
[18F]FDG, normalizzato per l’uptake medio cerebrale.
Gli animali sono stati distribuiti in due gruppi: il gruppo arresto cardiaco e quello di controllo; entrambi i
gruppi sono stati sottoposti alle stesse procedure chirurgiche e anestesiologiche ed entrambi sono stati
confrontati con un terzo gruppo di animali, non sottoposti né ad anestesia con desflurano né ad operazione
chirurgica.
I ratti hanno mostrato dopo arresto cardiaco un significante decremento assoluto (48-64%) e relativo (2028%) del metabolismo del glucosio neocorticale, dimostrando che la corteccia è la più compromessa dopo
l’ischemia cerebrale. Il metabolismo a livello di ippocampo, striato e talamo, tuttavia, è rimasto ai livelli
degli animali controllo. Infine, il metabolismo cerebrale relativo è aumentato significativamente nel gruppo
arresto cardiaco a livello di mesencefalo (16%), ponte (16%) e cervelletto (24%). L’effetto dell’anestesia si è
rivelato rilevante nel modificare il metabolismo del glucosio cerebrale, tanto da determinare una
diminuzione costante di circa 70% in tutte le aree cerebrali.
Ogni regione cerebrale ha mostrato una particolare reazione metabolica all’ischemia. La riduzione del
metabolismo a livello di cellule sofisticate e sensibili all’ischemia, come i neuroni corticali, può essere
dovuto a un’alterazione del sistema energetico cellulare. D’altra parte, l’incremento relativo del
metabolismo a livello di aree cerebrali vitali e resistenti all’ischemia, come il tronco cerebrale, può essere
giustificato da un aumento relativo della glicolisi aerobia, in risposta a un danno mitocondriale e a una
relativa insensibilità all’anestetico per alterazione dei recettori GABA. Le cellule di Purkinje sono neuroni
inibitori cerebellari sensibili all’ischemia; questa loro caratteristica potrebbe aver portato a un danno
selettivo cerebellare, con un aumento del metabolismo in altre popolazioni cellulari per la perdita della
funzione inibitoria delle cellule di Purkinje e per una relativa insensibilità all’anestetico per alterazione dei
recettori GABA.
In conclusione, i risultati dimostrano che l’ischemia cerebrale globale può essere associata a una
dissociazione regionale del metabolismo del glucosio in anestesia, mostrando un metabolismo ridotto a
livello neocorticale, che aumenta a livello del tronco cerebrale e del cervelletto.
THE IMPACT OF CARDIAC ARREST ON REGIONAL CEREBRAL GLUCOSE METABOLISM DURING DESFLURANE
ANESTHESIA IN AN EXPERIMENTAL RAT MODEL
Cardiac arrest is the most important cause of global cerebral ischemia and despite wide efforts to improve
the outcome, only a minority of resuscitated patients are discharged in good neurological condition,
indicating some degree of neuronal injury after transient ischemia.
The physiopathological events during and after brain ischemia are very complex and partially a matter of
conjecture. Furthermore, neuronal injury is not uniformly distributed and follows a time course.
A variety of cardiac arrest models have been developed in animals. We have established, in collaboration
with the Intensive Care Laboratory of the Inselspital (Bern, Switzerland), a rat model that combines an
ultra-short-acting β-1 adrenergic blocker, esmolol, and potassium chloride to achieve cardiac arrest.
The main purpose of the project is to evaluate, in this cardiac arrest model, the early cerebral glucose
metabolism after resuscitation and how it is affected by desflurane-anesthesia. [18F]FDG autoradiography
and Positron Emission Tomography (PET) were chosen in order to evaluate regional metabolic sensitivity
following cardiac arrest. Absolute [18F]FDG uptake and relative [18F]FDG uptake normalized to mean
cerebral uptake were calculated.
Animals were distributed in two groups. The cardiac arrest group was compared to a control group that
follows all the surgical and anesthetic procedures of the first group. Both groups were under anesthesia allexperiment long. Furthermore, both groups were compared to baseline-unanesthetized animals.
Post-ischemic rats had a significant absolute (48-64%) and relative (20-28%) decrease in neocortical
metabolism, showing that cortices are the most impaired after brain ischemia. Moreover, the metabolism
remained around control’s levels in hippocampus, striatum, and thalamus. Finally, the relative metabolism
increased significantly in midbrain (16%), pons (16%), and cerebellum (24%). Furthermore, our results
confirmed the anesthesia-related decrease in glucose metabolism, with around 70% constant decrease in
the whole brain.
Each brain region showed a specific metabolic reaction after global ischemia. Decreased metabolism in
sophisticated and ischemia-sensitive cells (e.g., neocortical neurons, cerebellar Purkinje cells) may be due
to impairment in cellular bionergetic system, including glycolysis pathway. On the other hand, relative
increased uptake in vital importance and ischemic-resistant regions (e.g., brainstem) may be due to
increased aerobic glycolysis in response to mitochondrial dysfunction, to compensate the loss of ATP, and
due to the loss of anesthetic activity, as a result of brainstem GABA receptors. Purkinje cells are ischemiasensitive inhibitory neurons abundant in the cerebellum; this might have led to a selective damage to these
cells, leading to an increase in metabolism in other cerebellar populations due to loss of Purkinje’s
inhibitory function, concurrently with impairment in GABA receptor function.
In conclusion, the combined results demonstrate that transient moderate global ischemia may be
associated with a dissociation of regional cerebral glucose metabolism under desflurane anesthesia,
showing lower metabolism in neocortical areas and higher metabolism in brainstem and cerebellum.