The effect of hyperbaric oxygen on ischemia-reperfusion injury of musculocutaneous flaps in rats

Abstract

[한글]허혈-재관류 손상을 입은 조직에 대한 고압산소는 조직의 생존율을 높이는 것으로 알려져 있다. 하지만 그 원리는 정확히 밝혀 지지 않은 채 아직 연구 단계에 머물러 있다. 본 논문은 백서 복직근피판에 있어 허혈-재관류 손상에 미치는 고압산소의 치료 효과를 접착 분자 (adhesion molecule)인 내피 세포의 intercellular adhesion molecule-1(ICAM-1) 과 중성구의 CD18을 중점적으로 분석하였다. 백서 복직근피판은 5 x 6 cm. 의 크기로 하나의 혈관경을 중심으로 거상 되었다. 70마리의 백서를 4개의 군으로 다음과 같이 분류하였다; 제 0 군: sham (n=10), 제 I 군: 4 시간의 허혈 손상 후 재관류 시행 (n=20), 제 II 군: 4 시간의 허헐손상중 후반 90분의 고압산소 치료 후 재관류 시행 (100% 산소, 2.5 절대기압) (n=20), 제 III 군: 4 시간의 허혈 손상 후 재관류 시행 즉시 90분 간의 고압산소 치료 (100% 산소, 2.5 절대기압) (n=20). 실험 분석은 피판의 생존율, 조직학적 관찰, myeloperoxidase (MPO) 정량, CD18의 유동세포계산 (flow cytometry), 및 ICAM-1 mRNA에 대한 Northern analysis로 이루어 졌다. 피판의 생존율은 제 II 와 III 군이 I 군 보다 높은 결과를 보였다 (p< 0.05). 백혈구의 내피에 대한 접착성을 실험 후 24시간과 5일째 분석한 결과, 제 I 군이 제 II 와 III 군 보다 높은 접착율을 보였다 (p < 0.05). MPO 정량은 24시간에 분석한 결과 제 I 군이 제 II 와 III 군 보다 높은 수치를 나타냈다 (p < 0.05). ICAM-1 에 대한 면역조직화학 염색과 ICAM-1 mRNA 분석은 제 II 와 III 군이 제 I 군에 비해 약한 발현 현상을 보였다. CD18은 모든 군에서 유사한 정도의 발현을 보였다. 분석 중 제 II 와 III 군은 별 차이가 없었다.위의 분석을 토대로 다음과 같은 결론을 유추하였다: 1) 고압 산소는 백서복직근 피판에 백혈구의 유입 되는 양을 줄인다. 2) 허혈-재관류 손상후 CD18 과 ICAM-1 의 발현은 증가시켜 백혈구가 내피에 접착 하는 것을 촉진 시킨다. 3) 고압산소는 CD18에 미치는 효과는 미미하지만 ICAM-1 의 발현을 줄인다. 4) 재관류 전 또는 후에 시행하는 고압 산소의 치료는 별 차이가 없다. 본 연구는 고압산소가 허혈-재관류 손상을 입은 피판에 대해 생존율을 증가 시키며 내피 ICAM-1의 발현 억제 현상 (down-regulation) 을 그 기전으로 볼 수 있었다.

[영문]

The effect of hyperbaric oxygen is known to increase survival of ischemic tissue after reperfusion but its mechanism is not fully understood. The purpose of this study was to evaluate the effect of hyperbaric oxygen on musculocutaneous flap of rat against ischemia-reperfusion injury, focusing on the mechanism involving the expression of adhesion molecules such as intercellular adhesion molecule 1 (ICAM-1) of endothelial cells and CD18 of neutrophils. A transverse rectus abdominis musculocutanous (TRAM) flap (6 x 5 cm.) supplied by a single pedicle, superior epigastric artery and vein, was elevated in 70 Sprauge-Dawley rats. The rats were divided into 4 groups; Group 0: sham (n = 10), Group I: 4 hour ischemia followed by reperfusion (n=20), Group II: 4 hour ischemia and hyperbaric oxygen (100% oxygen, 2.5 atmosphere absolute, during the last 90 minutes of ischemia before reperfusion) followed by reperfusion (n = 20), and Group III: 4 hour ischemia followed by reperfusion and hyperbaric oxygen (100% oxygen, 2.5 atmosphere absolute, after reperfusion for 90 minutes) (n = 20). The study consisted of gross examination for flap survival, histology, myeloperoxidase (MPO) assay, flow cytometric study of CD18, and Northern analysis on ICAM-1 mRNA expression. The gross measurement of the flap showed increased survival in group II and III compared to group I (p < 0.05). The leukocytes adherent to the endothelium was counted at 24 hours and on the 5th day: Group I was significantly increased compared to group II and III (p < 0.05). The myeloperoxidase (MPO) assay of TRAM flap at 24 hours revealed significant increase of group I compared to group II and III (p < 0.05). The expression of CD18 was similar between group I, II, and III. The immunohistochemical staining for ICAM-1 and Northern analysis on ICAM-1 mRNA showed decreased expression in group II and III compared to group I. Through out the analysis, group II and III did not show any significant differences. These results suggests; 1) Hyperbaric oxygen reduces the introduction of leukocytes in the TRAM flap but not enough to prevent adhesion of neutrophils on endothelial cells. 2) Ischemia-reperfusion injury increases the expression of CD18 and ICAM-1 and causes increased adhesion of leukocytes on endothelium. 3) The hyperbaric oxygen does not alter the expression of CD18 but decreases the expression of ICAM-1. 4) The point of application for hyperbaric oxygen, whether applied before or after reperfusion, did not show any differences in outcome. In conclusion, the application of hyperbaric oxygen against ischemia-reperfusion injury increases the flap survival and the beneficial effect may be explained by a protective mechanism involving down-regulation of ICAM-1 on endothelial cells.