Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Auswirkungen des Opioids Fentanyl auf die neuronale Aktivität visueller Strukturen der Katze und den Serumcortisol-Spiegel unter Allgemeinanästhesie

Grewing, Michaela

It is well known that anaesthetic agents can influence the results of electrophysiological in vivo studies. This knowledge, however, is rarely taken into account in neurophysiological research. The aim of the present study was to examine the influence of the opioid analgetic agent fentanyl upon the neuronal activity in two visual structures with different µ-opioid receptor density, i. e. the superior colliculus (SC) and primary and secondary visual cortex (area 17/18). In addition, the influence on serum cortisol levels as indicator for experimentally induced stress was examined. In four chronically implanted cats 61 experiments were performed under general anaesthesia using halothane (0.4 to 1.0%) and nitrous oxide to oxygen as 3:1. Fentanyl was administered as bolus of 3, 5 or 10 µg/kg BM alone or as bolus followed by infusion of 3, 5 or 10 µg/kg/h. Stimulus driven activity, spontaneous activity and preferred stimulus velocity of collicular and cortical single and multi units were analyzed before and after application of fentanyl. To judge the depth of anaesthesia and experimentally induced stress during the experiments the heart rate was registered every twenty minutes and blood was collected hourly for cortisol analysis. Because little information is available about serum cortisol reference values and circadian rhythm in the cat, serum cortisol levels of the institute’s cat population were determined in 24h measurements in 18 adult and juvenile cats from the local breeding colony. In conclusion, fentanyl in the dosages 3, 5 and 10 µg/kg BM was found to reduce the halothane-concentration needed to maintain general anaesthesia without significantly affecting the neuronal activity of collicular or cortical units. The anticipated effect of an enhanced stimulus driven activity could not verified. After application of lower dosages of fentanyl, with regard to control values a smaller number of SC neurons showed a reduced stimulus driven activity. In contrast to stimulus driven activity, the spontaneous activity of SC neurons mostly increased after application of fentanyl: the higher the fentanyl dosage, the lower the number of units showing an increase of spontaneous activity. There was no influence of the different concentrations of halothane (range 0.4 to 1.0%) on neuronal activity and velocity preference of SC units. Heart rate under general anaesthesia without electrophysiological recording was significantly lower when using fentanyl. However, a direct influence of fentanyl application on heart rate could not be proved. Halothane concentration of ³0.8 to £1.0% led to a significantly higher heart rate than ³0.4 to <0.8%. Serum cortisol levels of anaesthetized cats increased significantly during electrophysiological recording. This effect could be significantly reduced by fentanyl application. Halothane in the concentrations used had no effect on serum cortisol levels. Thus, fentanyl dosages used in this study were able to reduce the stress inflicted by anaesthesia and experimental procedures. The lowest cortisol increase was obtained by infusion of fentanyl before onset of electrophysiological recordings. To reduce the endocrine response to stress, fentanyl should be administered before exposure to stress- or painful stimuli. The reference range of serum cortisol was 0.24 to 3.88 µg/dl for all cats. There was no evidence for a circadian rhythm of serum cortisol in the cats tested.

Zahlreiche Studien belegen, dass zur Allgemeinanästhesie verwendete Präparate sich häufig auf die Ergebnisse elektrophysiologischer in vivo Studien auswirken, was innerhalb der neurophysiologischen Forschung allerdings selten berücksichtigt wird. Die vorliegende Arbeit sollte klären, inwieweit das Opioidanalgetikum Fentanyl die neuronale Aktivität visueller Strukturen beeinflusst. Innerhalb von 61 Narkoseexperimenten an vier chronisch implantierten Katzen wurde ergänzend zur Narkoseerhaltung mittels Halothan (0,4 bis 1,0 Vol.-%) und Lachgas (: Sauerstoff wie 3:1) Fentanyl als Bolus von 3, 5 oder 10 µg/kg KM oder als Bolus mit anschließender Dauertropfinfusion von 3, 5 oder 10 µg/kg/h verabreicht. Reizgetriebene und spontane Aktivität, sowie Vorzugsgeschwindigkeit von Neuronen des Colliculus superior, einer Struktur mit hoher µ-Opioidrezeptorendichte bzw. der µ-opioidrezeptorarmen corticalen Areale 17 und 18 wurden vor und nach Applikation von Fentanyl aufgezeichnet. Parallel zu den elektrophysiologischen Ableitungen wurde in zwanzigminütigen Abständen die Herzfrequenz notiert und stündlich eine Blutprobe zur Bestimmung der Serumcortisolkonzentration genommen, um experiment-übergreifend narkose- und versuchsinduzierten Stress zu ermitteln. Da in der Literatur nur wenig Angaben zum Referenzbereich des Serumcortisols der Katze und widersprüchliche Aussagen über eventuelles Vorhandensein einer circadianen Rhythmik des Serumcortisol-Spiegels bei dieser Spezies existieren, fanden vor Beginn der elektrophysiologischen Versuche Untersuchungen zum Referenzbereich und zur circadianen Rhythmik des Serumcortisols an 18 institutseigenen adulten und juvenilen Katzen statt.  In den erfolgten Experimenten war Fentanyl geeignet, den Halothan-Bedarf gering zu halten, ohne in den verwendeten Dosierungen von 3, 5 und 10 µg/kg KM die neuronale Aktivität colliculärer und corticaler Neurone signifikant zu beeinflussen. Der erwartete Effekt einer verbesserten stimulusgetriebenen Antwort der visuellen Strukturen konnte nicht nachgewiesen werden. Allerdings sank nach Fentanyl-Gabe in den unteren Dosierungen im Vergleich zu Kontrollwerten der Anteil der colliculären Neurone mit reduzierter reizgetriebener Aktivität. Im Gegensatz zur reizgetriebenen Aktivität war die Spontanaktivität colliculärer Neurone nach Fentanyl-Applikation überwiegend erhöht, allerdings nahm mit steigender Fentanyl-Dosierung der Anteil der Neurone mit gestiegener Spontanaktivität ab.  Änderungen der Halothankonzentration innerhalb des Bereiches von 0,4 bis 1,0 Vol.-% blieben ohne signifikante Auswirkungen auf Vorzugsgeschwindigkeit, sowie reizgetriebene und spontane Aktivität colliculärer Neurone. Bei Anästhesien ohne elektrophysiologische Versuche war die Herzfrequenz signifikant geringer, wenn zur Inhalationsnarkose Fentanyl kombiniert wurde. Generell wirkte sich Fentanyl in den applizierten Dosierungen nicht signifikant auf die Herzfrequenz anästhesierter Katzen aus. Hingegen wurde unter 0,8 bis 1,0 Vol.-% Halothan eine signifikant höhere Herzfrequenz beobachtet als bei Konzentrationen von 0,4 bis <0,8 Vol.-%. Der Serumcortisol-Spiegel anästhesierter Katzen stieg signifikant, wenn elektrophysiologische Ableitungen erfolgten und war nach Fentanyl-Bolusapplikation für alle Dosierungen signifikant reduziert. Halothan besaß in den verwendeten Konzentrationen keinen Einfluss auf den Serumcortisol-Spiegel. Fentanyl war in den verwendeten Dosierungen geeignet, narkose- und versuchs-bedingten Stress zu verringern, ohne elektrophysiologische Parameter signifikant zu beeinflussen. Die geringsten Cortisolkonzentrationen wurden beobachtet, wenn bereits vor Beginn der elektrophysiologischen Ableitungen Fentanyl als Dauertropfinfusion verabreicht wurde. Um eine endokrine Stressantwort zu reduzieren, sollte daher Fentanyl bereits vor Exposition zu stressvollen oder schmerzhaften Stimuli appliziert werden. Der Cortisolreferenzbereich wacher, ungestresster Katzen betrug 0,24 bis 3,88 µg/dl. Die untersuchten Katzen zeigten keine circadiane Rhythmik des Serumcortisols.

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Grewing, Michaela: Auswirkungen des Opioids Fentanyl auf die neuronale Aktivität visueller Strukturen der Katze und den Serumcortisol-Spiegel unter Allgemeinanästhesie. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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