Nevrotoksičnost in vnetni odgovor pri diabetičnih miših po vnosu bupivakaina v liposomih

Markova, Liljana (author), Cvetko, Erika (mentor), Stopar Pintarič, Tatjana (co-mentor)

Uvod Pojavnost sladkorne bolezni v svetu narašča. Bolniki s sladkorno boleznijo potrebujejo dvakrat več kirurških posegov kot bolniki brez sladkorne bolezni. Zaradi spremljajočih bolezni ima področna anestezija pogosto prednost pred splošno anestezijo, ni pa povsem raziskano, koliko je pri sladkornih bolnikih s periferno nevropatijo področna anestezija varna. Med izvajanjem periferne živčne blokade lahko pride do poškodbe živca, kar je lahko posledica mehanske poškodbe ali nevrotoksičnega in vazokonstrikcijskega učinka lokalnega anestetika. Toksični učinki lokalnih anestetikov so lahko večji pri diabetični periferni nevropatiji ter mikroangiopatiji. Kljub raziskavam, ki so pokazale nevrotoksičnost visokih odmerkov lokalnih anestetikov in formulacij anestetikov s podaljšanim delovanjem, ni konsenza o tem, ali se je treba pri sladkornih bolnikih izogibati področni anesteziji ali prilagoditi tehniko izvajanja. V zadnjem desetletju so razvili nove farmakološke oblike lokalnih anestetikov s podaljšanim sproščanjem, da bi tako izboljšali glavne pomanjkljivosti lokalnih anestetikov, kot so kratkotrajnost senzoričnega bloka, povečano tveganje za sistemsko in lokalno toksičnost ter lokalni vnetni odgovor. Bupivakain v liposomih (BL) (DepoFoam Bupivacaine, Exparel, Pacira Pharmaceuticals, Inc. San Diego, CA) je novejša farmakološka oblika bupivakaina, ki se v večjem deležu nahaja v liposomih. Rezultati raziskav njegove nevrotoksičnosti so si nasprotujoči. Do zdaj so proučevali toksičnost BL pri zdravem živcu na različnih živalskih modelih, ne pa še na diabetično spremenjenem živcu. Namen naše raziskave je bil ugotoviti razliko v trajanju senzoričnega bloka med BL in bupivacain hidrokloridom (BH) ter nevrotoksični in vnetni odgovor po vnosu BL ob diabetično spremenjeni živec. Metode dela V prospektivno, randomizirano in dvojno slepo raziskavo smo vključili 36 mišjih samic, 18 s sladkorno boleznijo tipa 1 in 18 kontrolnih brez sladkorne bolezni. V skladu s protokolom za povzročitev sladkorne bolezni tipa 1 smo uporabili streptozotocin, ki ima toksičen učinek na ß-celice trebušne slinavke. Prisotnost sladkorne bolezni tipa 1 smo potrdili z večkratnimi meritvami krvnega sladkorja, telesne mase ter porabe hrane in vode. Razvito periferno nevropatijo smo potrdili s 'tail flick' in plantarnim testom. Nato smo izvedli blok ishiadičnega živca. Glede na vbrizgano učinkovino smo živali razdelili v tri poskusne in tri kontrolne skupine, ki smo jim perinevralno vbrizgali 35 mg/kg 1,31 % BL, 7 mg/kg 0,25 % BH in 0,9 % natrijevega klorida (NaCl). Čas trajanja senzoričnega bloka smo ocenili s plantarnim testom. Sedem dni po bloku ishiadičnega živca smo živali evtanazirali in z anatomsko sekcijo prikazali mesto vnosa učinkovine ter odvzeli 8 mm dolg odsek ishiadičnega živca za histomorfološke in imunohistokemične preiskave. Rezultati Rezultati raziskave so pokazali, da vrsta lokalnega anestetika (?2p=0,55, p<0,0001), periferna nevropatija (?2p=0,17, p<0,0009) in interakcija (?2p=0,20, p<0,0002) med njimi statistično značilno vplivajo na čas trajanja ishiadičnega živčnega bloka. Največji vpliv je imela vrsta lokalnega anestetika. Po vnosu BL je bilo trajanje senzoričnega bloka tako pri diabetičnih kot pri kontrolnih miših statistično značilno daljše v primerjavi z BH. Po injekciji BH nismo ugotovili statistično značilnih razlik (?AUC 522 min; 95 % IZ: - 4039, 5083; p > 0,99) v trajanju ishiadičnega živčnega bloka pri diabetičnih in kontrolnih miših. Histomorfometrična analiza živcev je pokazala večje G-razmerje (razmerje med premerom aksona in premerom živčnega vlakna) pri diabetičnih miših, tretiranih z BH v primerjavi z 0,9 % natrijevim kloridom in BL. Pri kontrolnih miših, tretiranih z BH, smo ugotovili manjšo gostoto in večji premer vlaken in aksonov v primerjavi s kontralateralnimi netretiranimi živci. Statistično značilnih razlik v morfometričnih parametrih ishiadičnih živcev diabetičnih in kontrolnih miši, tretiranih z 0,9 % NaCl in BL, nismo ugotovili. V nobenem vzorcu nismo ugotovili dokazov o akutnem ali kroničnem vnetju. Zaključek Z uporabo temeljnih poskusnih metod in modelov na miših smo ugotovili, da je trajanje senzoričnega perifernega bloka pri diabetičnih miših odvisno tako od vrste lokalnega anestetika kot tudi od razvitosti periferne nevropatije. Lokalni anestetik s podaljšanim sproščanjem, kot je BL, statistično značilno podaljša senzorični živčni blok pri diabetično spremenjenih ishiadičnih živcih miši v primerjavi z mišmi brez sladkorne bolezni. Med mišmi s sladkorno boleznijo in mišmi brez sladkorne bolezni nismo ugotovili statistično značilne razlike v trajanju ishiadičnega živčnega bloka po vnosu BH. To je lahko posledica pristopa določitve trajanja ishiadičnega živčnega bloka, velike variabilnosti zaradi različne stopnje razvitosti periferne nevropatije v skupini miši s sladkorno boleznijo ter izbire nižje koncentracije BH zato, da bi zagotovili enako oziroma primerljivo začetno maksimalno izpostavljenost živca prostemu BH kot v BL. Nevrotoksičnosti pri uporabi BL pri miših s sladkorno boleznijo ali miših brez sladkorne bolezni nismo ugotovili. Ugotovili pa smo znake nevrotoksičnosti po vnosu BH, tako pri miših s sladkorno boleznijo kot pri miših brez sladkorne bolezni.

• Language: Slovenian
• Keywords: Bupivakainijev hidroklorid, sladkorna bolezen, bupivakain v liposomih, nevrotoksičnost, periferna nevropatija
• Work type: Doctoral dissertation
• Organization: MF - Faculty of Medicine
• Year: 2021
• PID: 20.500.12556/RUL-124797
• COBISS.SI-ID: 52916995
• Publication date in RUL: 19.02.2021

Secondary language

• Language: English
• Title: Neurotoxicity and inflammatory response of diabetic mice after application of the liposomal bupivacaine

Abstract

Background: Diabetes mellitus and the associated neuropathic complications have become a steadily increasing global health burden. Diabetic patients are estimated to require surgery at least twice as often as nondiabetic patients. Neuropathy may change the way nerves respond to nerve blocks. There is currently no consensus on whether regional anaesthesia techniques should be adopted in these patients. Long-acting local anaesthetics (e.g. bupivacaine HCl) or sustained-release formulations of bupivacaine (e.g. liposomal bupivacaine) could prove neurotoxic in the presence of diabetic neuropathy. The aim of the study was to assess neurotoxicity of liposome bupivacaine in streptozotocin (STZ)-induced diabetic mice after sciatic nerve block using a reduction in fibre density and decreased myelination assessed by G-ratio as an indicator of local anaesthetic neurotoxicity. Methodology: A total of 36 female mice (18 with type 1 diabetes and 18 controls) were included in the prospective, randomized and double-blind study. Diabetes type 1 was induced by intraperitoneal injection of streptozotocin in accordance with the protocols for achieving STZ-induced diabetes in mice. Prior to the experiments, Hargreaves radiant heat method was employed to assess the presence of peripheral neuropathy at baseline in all animals performing tail flick and paw withdrawal tests. Sciatic nerve blocks were achived using 1.3 % liposomal bupivacaine or 0.25 % bupivacaine hydrochloride. Injection of 0.9 % NaCl and no intervention side served as positive or negative controls. The injections were administered percutaneously. The animals were sacrificed and sciatic nerves were harvested 1 week after the nerve block. The presence and extent of histologic evidence of neurotoxicity was assessed using high-resolution light microscopy and morphometric analysis; local inflammatory response was assessed by immunohistochemistry. Results: The results of our study showed that type of local anesthetic (η2p = 0.55, p <0.0001), peripheral neuropathy (η2p = 0.17, p <0.0009), and interaction (η2p = 0.20, p < 0.0002) between them significantly affect the duration of the ishiadic nerve block. The type of local anesthetic had the greatest impact of all. In accordance with the previously found the duration of ishiadic nerve block after administration of liposomal bupivacaine was longer in diabetic goup than in control grup. Likewise the duration of ishiadic nerve block after administration of liposomal bupivacaine was longer in both diabetic and healthy mice compared to bupivacaine hydrochloride. There was no statistically significant difference in the duration of ishiadic nerve block after injection of bupivacaine hydrochloride in diabetic and healthy mice (ΔAUC 522 min; 95% IZ: - 4039, 5083; p > 0,99). In both, diabetic and nondiabetic mice, sciatic nerve block with bupivacaine hydrochloride resulted in a significantly greater G-ratio (axon diameter/large fibre diameter) and an axon diameter compared to nerves treated with liposomal bupivacaine or saline (p < 0.01). Moreover, sciatic nerve block with bupivacaine hydrochloride resulted in higher fibre density and large fibre and axon diameters compared to the control (untreated) sciatic nerves in both STZ-induced diabetic (p < 0.05) and nondiabetic mice (p < 0.01). No evidence of acute or chronic inflammation was observed in any of the treatment groups. Conclusions: Using basic experimental methods and models in mice, we found that the length of duration of sciatic nerve block in diabetic mice depends on both the type of local anesthetic and the development of peripheral neuropathy. Extended duration local anaesthetic formulations, like liposomal bupivacaine, statistically significantly prolong the duration of sensory nerve block in diabetic neuropathic ishiadic nerves in mice compared with control nerves. No statistically significant difference in the duration of ishiadic nerve block of bupivacaine hydrochloride was observed between diabetic and control mice. The following may be a result of the approach of determining the duration of ishiadic nerve block, the high variability due to the different levels of peripheral neuropathy in the diabetic group, and the choice of lower concentration of bupivacaine hydrochloride in order to ensure equal, comparative initial nerve exposure to bupivacaine hydrochloride, contained in liposomal bupivacaine. No neurotoxicity was observed in diabetic and non-diabetic mice treated with bupivacaine in liposomes. Signs of neurotoxicity were observed after bupivacaine hydrochloride administration in both diabetic and non-diabetic mice.

• Keywords: Bupivacaine hydrochloride, diabetes, liposome bupivacaine injectable suspension, neurotoxicity, peripheral neuropathy