Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Influence of lidocaine on the equine small intestine contractile function after an Ischaemia and reperfusion injury

Guschlbauer, Maria

The postoperative paralytic ileus (POI) is a well known, undesirable complication after intestinal strangulation and obstruction with subsequent colic surgery in horses. The overall small intestinal motility was decreased, often showing a complete loss of motility which was leading to a loss of intestinal propulsive and dynamic peristalsis (GERRING et al., 2002). Over 40 % of postoperative dying was attributable to POI, which furthermore went along with high costs for hospital stay and intensive care treatment (BRIANCEAU et al., 2002). Lidocaine, an aminoamide local anaesthetic, was the most commonly used prokinetic agent in the therapy of POI the early postoperative period in horses (1.3 mg/kg bwt bolus and thereafter a CRI of 0.05 mg/kg bwt) (VAN HOOGMOED et al., 2004). In the horse, lidocaine significantly increases dose-dependently in vitro the amplitude of contractions of undamaged proximal duodenum muscle strips (NIETO et al., 2000). Some authors could also demonstrate a stimulation of intestinal motility in in vivo examinations (BRIANCEAU et al., 2002; GROUDINE et al., 1998). Very important findings were provided in a study by TAKEO et al. (1998) showing that lidocaine may have some membrane stabilising effects. They could demonstrate using ischaemic and reperfused, isolated rabbit hearts that lidocaine was able to beneficially affect the force of contraction of heart muscle and had a positive influence on heart cell muscle metabolism. This may be extrapolated to the ischaemic and reperfused small intestine of horses. Nevertheless cellular effects could also not be clarified mechanistically (TAKEO et al., 1988). There was no information about exact and direct prokinetic mechanisms of lidocaine directly on smooth muscle or interstitial cells of Cajal published yet. The aims of the study were functional and structural in vitro examinations to characterise dose-dependent effects of lidocaine on the motility of undamaged equine jejunum and jejunum which was in vivo artificially damaged by ischaemia and reperfusion injury. Furthermore it was assessed if an intraoperativ lidocaine application before reperfusion has beneficial effects on motility of smooth muscle, challenged by ischemia and reperfusion, in vitro. To study the effects of lidocaine on morphological parameters, lidocaine was infused during surgery before reperfusion.  19 horses underwent surgery, using a modified jejunal IR injury model described by DABAREINER et al. (2001), to induce an artificial ischaemia and reperfusion injury in the distal jejunum. To examine the effects of lidocaine on smooth muscle function directly, isometric force performance was measured in vitro in non-injured (Control) and in vivo smooth muscle tissues injured by ischaemia and reperfusion (IR). Dose-dependent response of lidocaine was measured in both samples. To assess membrane permeability release of creatinekinase (CK) was measured in in vitro incubations. Furthermore isometric force performance was measured in vitro in ischaemic and reperfused jejunal smooth muscle (IR) and in smooth muscle which was treated with lidocaine simultaneously with ischaemia and reperfusion (IRL). To assess the influence of lidocaine on membrane permeability, activity of marker enzymes (CK and LDH) released by in vitro incubated tissues was determined biochemically. For evaluation of morphologic parameters consecutive slices of tissue samples were evaluated under a light microscope. Lidocaine stimulated contractility of IR injured smooth muscle was more pronounced than that of Control smooth muscle. A three-phasic dose-dependency was observed with an initial recovery of contractility especially in IR injured smooth muscle followed by a plateau phase where contractility was maintained over a broad concentration range. CK release was decreased by lidocaine. Therefore lidocaine may improve smooth muscle contractility by cellular repair mechanisms which are still unknown. An important factor in ameliorating intestinal smooth muscle contractility may be a direct effect of lidocaine on cell membrane permeability of intestinal smooth muscle cells and ICC. Improving contractility of smooth muscle after IR injury is essential in recovery of propulsive intestinal motility. Application of lidocaine during surgery before reperfusion allowed maintenance of contractile performance after an ischaemia and reperfusion injury. Basic contractility and frequency of contractions were significantly increased in IRL smooth muscle tissues in vitro. In vitro supplementation of lidocaine achieved a further improvement of contractility of both, IR and IRL. Only in vitro applied lidocaine was able to ameliorate membrane permeability in smooth muscles of IR and IRL. Lidocaine significantly reduced the looseness of tissue in the submucosal and muscular layer, indicating prevention of interstitial oedema. This might affirm the membrane stabilising effect of lidocaine. Besides approved prokinetic features lidocaine could prevent structural alterations of gut wall induced by ischaemia and reperfusion In these studies it could be demonstrated for the first time that lidocaine increases the force of contraction and the frequency of contractions resulting in an increase of contractility. This may be because of direct effects of lidocaine on the intestinal smooth muscle cell, which is responsible for force of contractions, or the ICC, regulating the frequency of contractions. This pacemaker activity is fundamental for intestinal propulsive and phasic motility (HUIZINGA et al., 1999). Increasing the frequency of contractions dose-dependently indicated a direct effect of lidocaine on ICC activity. Our study could demonstrate that lidocaine is able to decrease the release of CK of ischaemic and reperfused muscle tissue, after incubation with lidocaine. CK and LDH are markers for cell membrane integrity and therefore for viability for smooth muscle cells. Decreasing the release of CK resulted in an increase of force of contractions in vitro indicating a direct membrane stabilising property of lidocaine directly on the smooth muscle cells. A decrease in membrane permeability would decrease a loss of essential electrolytes and macromolecules which are essential for physiological cell metabolism. Next to the ameliorating properties of lidocaine, a preventive effect may be assumed when infusing lidocaine intraoperatively before reperfusion.

Der postoperative paralytische Ileus (POI) ist eine bekannte Komplikation nach Operationen im Bereich des equinen Dünndarms, vor allem nach Strangulationen und Obstruktionen. Er wird aber auch als ein postoperatives Problem des humanen Dickdarms beschrieben. Nach einer erfolgten Kolikoperation tritt er oft als unerwünschte und schwerwiegende Komplikation auf. Beim POI ist die Gesamtaktivität des Dünndarmes gestört und herabgesetzt, welches bis hin zu einem vollständigen Sistieren der Darmmotilität führen kann. Definitionsgemäß versteht man darunter den Verlust der dynamischen, propulsiven und der statischen Motilität (GERRING, 2002). Die Mechanismen und die Entstehung des POI sind noch nicht vollständig geklärt. Lidocain wird in der Therapie des POI beim Pferd als das Prokinetikum der Wahl in der postoperativen Phase verwendet (VAN HOOGMOED et al., 2004). Aus Versuchen an perfundierten, artifiziell hypoxisch geschädigten und reoxygenierten Herzen war bekannt, dass Lidocain möglicherweise eine membranstabilisierende Wirkung und einen förderlichen Effekt auf die Erholung der Kontraktionskraft und des Metabolismus des Herzmuskels hat. Dieser Effekt trat allerdings nur nach vorheriger ischämischer Schädigung mit anschließender Reoxygenierung auf, ist jedoch ebenfalls mechanistisch nicht hinreichend geklärt (TAKEO et al., 1988). Der genaue Wirkmechanismus der prokinetischen Eigenschaften von Lidocain und dessen direkte Wirkung auf glatte Muskelzellen und die interstitiellen Zellen nach Cajal, sind aber bis dato ungeklärt.  Lidocain könnte  über eine Stabilisierung der Membranen der glatten Muskelzellen wirken und dadurch eine Erhöhung der kontraktilen Leistungsfähigkeit erzielen. Diskutiert werden sollte, ob eine in vivo Lidocain-Infusion während der Reperfusion die Beeinträchtigung der Motilität verhindern bzw. reduzieren kann und dadurch präventiv gegen die Entwicklung eines POI wirkt. Insgesamt an 19 Tieren wurde eine artifizielle Ischämie- und Reperfusionsschädigung des Jejunums, angelehnt an ein modifiziertes Operationsprotokoll nach DABAREINER et al. (2001), durchgeführt. Um die direkten Effekte von Lidocain an der glatten Muskulatur zu untersuchen, wurden in vitro isometrische Kraftmessungen an in vivo geschädigten Gewebeproben aus behandelten und unbehandelten Pferdejejunum durchgeführt. Zur Studie der genauen Wirkung auf die Membranpermeabilität der Darmmuskulatur wurden Proben mit Lidocain in vitro inkubiert. Creatinkinase (CK) und Laktatdehydrogenase (LDH) wurden als Marker für die Permeabilitätserhöhung der Zellmembran im Inkubationspuffer gemessen. Histologische Schnitte wurden angefertigt, HE gefärbt und unter dem Lichtmikroskop beurteilt. Nach Lidocainapplikation konnte eine dosisabhängige Zunahme der isometrischen Kontraktionskraft der Zirkulärmuskulatur des ungeschädigten und geschädigten equinen Jejunums nach Lidocaingabe beobachtet werden. Dies bedeutet, dass sich die Wirkung von Lidocain direkt an der glatten Muskelzelle und/oder den ICC des Darmes abspielen muss. In dieser Studie konnte erstmals gezeigt werden, dass Lidocain durch Erhöhung der Kraft und der Frequenz der Kontraktionen die daraus resultierende Kontraktilität der durch Ischämie und Reperfusion geschädigten Muskelproben durch direkte Wirkung auf die glatte Muskelzelle und ICC in vitro positiv beeinflussen konnte. Die abgesenkte basale Aktivität der IR-Proben wurde mehr durch eine Reduktion der Frequenz der Kontraktionen als durch eine Reduktion der Kraft der Kontraktionen bestimmt, welches also für eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit der ICC durch die IR-Schädigung sprechen könnte. Durch eine in vitro Applikation von Lidocain konnte diese Reduktion jedoch wieder aufgehoben werden. Die Kontraktilität der geschädigten Muskelproben konnte auf das gleiche maximale Kontraktilitätsniveau wie das der Ungeschädigten gebracht werden. Ein wichtiger Mechanismus zur Reparatur scheint die Reduktion der Membranpermeabilität zu sein. Eine artifizielle IR-Schädigung in diesem Ausmaß führt zu einer Erhöhung der Zellmembranpermeabilität. Dies dürfte Störungen des zellulären Energiestoffwechsels verursachen, welche bis zu einem vollständigen Verlust der Zellfunktionalität führen könnten (TAKEO et al., 1989; BURTON et al., 1990). Lidocain konnte in allen Inkubationen signifikant die Freisetzung von CK und LDH, zwei Marker für die Zellpermeabilität und für das Absterben von Muskelzellen (TAKEO et al., 1989), herabsetzen. Durch die herabgesetzte  Freisetzung von CK mit gleichzeitiger Erhöhung der Kraft der Kontraktionen durch Lidocain kann eine Wiederherstellung der physiologischen Muskelzellfunktionen angenommen werden, welche als Ergebnis dieses Reparaturmechanismus auf zellulärer Ebene gesehen werden könnte. Eine Verminderung der Durchlässigkeit der Zellmembran durch Lidocain könnte den Verlust von Elektrolyten und Makromolekülen, wie etwa von Adenosindiphosphat minimieren. Auch das Zellmembranpotential könnte dadurch stabilisiert werden und so zu einer verbesserten Zellfunktion führen. In den histologischen Schnitten wurde sichtbar, dass 15 Minuten Ischämie gefolgt von 15 Minuten der Reperfusion ausreichend waren um deutliche Schäden in der Darmwand zu produzieren. Lidocain verringerte die Auflockerung der intestinalen Schichten, was für eine reduzierte Ödembildung in behandeltem Gewebe spricht. Dies könnte ebenfalls auf der membranstabilisierenden Wirkung des Lidocains beruhen. Neben einer reparierenden Wirkung des Lidocains kann auch eine präventive Wirkung angenommen werden, da eine frühzeitige Lidocainapplikation während der Reperfusion durch intravenöse Infusion am lebenden Pferd verhindert, dass es zu einem Frequenzabfall bei den in vitro gemessenen Kontraktionsabläufen in den IRL-Proben kommt. Die Freisetzung von CK und LDH und die Kontraktionskraft blieb durch die in vivo Behandlung mit Lidocain unverändert hoch bzw. schlecht. Erst eine weitere in vitro Applikation von Lidocain konnte eine auch Verbesserung der Amplitude erreichen, was ebenfalls wieder mit einer Verringerung der Membranpermeabilität einherging.

Quote

Citation style:

Guschlbauer, Maria: Influence of lidocaine on the equine small intestine contractile function after an Ischaemia and reperfusion injury. Hannover 2010. Tierärztliche Hochschule.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export