Vagus nerve stimulation protects cerebral microcirculation and neuronal function independently from nitric oxide system in endotoxinemic rats

Abstract

Sepsis wird durch eine überempfindliche Reaktion des Wirts gekennzeichnet, die den Einfluss von Stickstoffmonoxid (NO) auf die Mikrozirkulationsstörung beinhaltet, was zu einem katecholamine-resistenten Schock führt. Es kommt auch zur makrozirkulatorischen Störung und damit verbundenen Perfusionsstörungen der Organe. Das Gehirn ist sehr empfindlich gegenüber inadäquater Durchblutung. Distale Vagusnerv-Stimulation mildert das Entzündungsgeschehen und verbessert möglicherweise das Ergebnis der Sepsis. Diese Studie stellt die Auswirkungen der Vagusnerv-Stimulation auf die Integrität der zerebralen Mikrozirkulation dar.Hierzu wird die neurovaskuläre Kopplung vom somatosensorischen Kortex bei beatmeten und sedierten Ratten durch elektrische Stimulation der Vorderpfote, EEG- sowie transkranielle Laser-Doppler-Flussmessung erfasst. Bei den nicht-septischen und septischen Ratten wurde die Wirkung der bilateralen Vagotomie, Vagotomie mit linksseitiger distaler Vagusnerv-Stimulation und einer Placebo-Gruppe verglichen. Das ruhe LDF Signal, die evozierten Potentiale und hämodynamischen Reaktionen wurden über einen Zeitraum von 4,5 Std. gemittelt. Der Effekt auf das NO-System wurde am Ende des Experiments durch die Analyse von iNOS-Expression und Nitrit/Nitrat-Messungen erfasst sowie die Zytokine (IFN-γ, TNF-a, IL-6, IL-10), hypoxischen Signalmoleküle wie HIF-2a und Apoptose-Moleküle Bax bewertet.Das Auftreten eines zerebralen mikrovaskulären Versagens ist von der Schwere der entzündungsfördernden Phase der Erkrankung abhängig. Endotoxin induziert ein moderates sepsis-assoziiertes Syndrom mit typischen makrozirkulatorischen Veränderungen wie z.B. Senkung des Blutdrucks und schwaches Auftreten von zerebraler Hyperämie. Des Weiteren wurden zeitabhängige mikrozirkulatorische Störungen mit Entkopplung und Depression der evozierten Potentiale beobachtet. Zusätzlich zu den entzündungshemmenden Tendenzen auf den Zytokinspiegel, stabilisiert die Stimulation des Vagusnervs die neurovaskuläre Kopplung und evozierte Potentiale ohne hemmenden Einfluss auf das Stickstoffmonoxid-System. Die positive Auswirkung auf die evozierten Potentiale könnte teilweise das Ergebnis der Sepsis erklären. Vagotomie ist assoziiert mit schweren Entzündungen, was zu einem hypoxischen Zustand führt, gezeigt durch die Erhöhung der HIF-2a Werte. Die Ergebnisse von Vagotomie und Vagusnerv-Stimulation unterstützen sogar die Hypothese von Tracey eines "cholinergen entzündungshemmenden Wegs".Zum Schluss kann gesagt werden, dass die Vagusnerv-Stimulation vor zerebralem Mikrozirkulationsversagen schützt, welches die neuronale Integrität gefährdet. Zudem ist anzumerken, dass die Vagusnerv-Stimulation keinem Effekt auf das NO-System hat. Sepsis is the most frequent cause of death in all intensive care units. It is characterized as a hyper-inflammatory host response including NO-related microcirculatory dysfunction leading to catecholamine-resistant shock. It leads also to macrocirculatory disorganisation and disturbance in organ perfusion. The brain is especially susceptible to an insufficient blood supply. It has been shown that vagus nerve stimulation mitigates inflammation and possibly improves the outcome of sepsis. This study presents the effects of vagus nerve stimulation on the integrity of cerebral microcirculation. The neurovascular coupling in the somatosensory cortex was studied in ventilated and sedated rats by applying electrical forepaw stimulation and EEG and transcranial LDF recording. In both control and endotoxinemic rats, the effect of bilateral vagotomy, vagotomy with left sided distal vagus nerve stimulation, and a sham group were compared. Resting LDF, evoked potentials and hemodynamic responses were obtained over a period of 4.5 h. Regulation of NO signalling was assessed at the end of the experiment by analysing iNOS expression and nitrite/nitrate measurements, cytokines (IFN-γ, TNF-a, IL-6, IL-10), hypoxic signalling molecules such as HIF-2a and the apoptosis molecule, Bax. The occurrence of a cerebral microvascular failure depends on the severity of the pro-inflammatory phase of inflammation. Endotoxin induced a moderate sepsis-like syndrome with typical macrocirculatory changes such as a decrease in blood pressure and the occurrence of slight cerebral hyperaemia. Time-dependent microcirculatory dysfunction with uncoupling and depression of evoked potentials were observed. Without inhibition of NO signalling, vagal stimulation stabilized neurovascular coupling, evoked potentials and showed anti-inflammatory tendency on cytokine levels. The positive effects on evoked potential amplitudes may partly explain better outcomes of sepsis syndrome. Vagotomy contributed to severe inflammation resulting in a hypoxic state, as indicated by increased HIF-2a levels. Current results from vagus nerve stimulation and vagotomy even corroborate Tracy s hypothesis of a cholinergic anti-inflammatory pathway .In conclusion, vagus nerve stimulation protects against early cerebral microcirculatory failure, which has relevance for neuronal integrity. Furthermore, the effects were not related to an inhibition of NO signalling.