Studies on thoracic and peritoneal CO2-insufflation in neonatal rats: 2 implications for minimally invasive neonatal surgery

Abstract

Minimally invasive surgery (MIS) has been increasingly used and the continuous development of technology and instruments allowed the application of this surgical approach, not only in adults, but also in paediatric and neonatal patients to correct several birth defects. Since the beginning of its application in adult patients, several studies on the hemodynamic, metabolic and inflammatory changes during MIS are being extensively performed, with a special focus on the effects of CO2-insufflation. More recently, concerns about the impact of the CO2-insufflation over the developing organs and organ systems of neonates have been published, with brain oxygenation and perfusion the most investigated events. In this thesis, we aimed to unravel some of these issues and contribute to the understanding of the impact of the thoracic and peritoneal CO2-insufflation in this sensitive phase of life, that is the neonatal period. Surgery leads to specific endocrine, immunologic and metabolic changes but, during MIS, the isolated impact of CO2-insufflation on these parameters is limited. Studies on animal models arose as a methodical way to evaluate the impact of CO2-insufflation, by avoiding confounding factors associated with human studies. Nevertheless, most studies are performed in adult animals, with only a few studying these impacts on neonatal models. Additionally, many studies are performed without ventilatory support which is the key player for the maintenance of normal blood gas partial pressures and pH during CO2-insufflation. In this work we developed an intubation technique that could be applied in neonatal rats, allowing respiratory support during CO2-pneumoperitoneum and -pneumothorax. The adjustments in ventilatory parameters allowed the development of a neonatal animal model of CO2-pneumothorax and CO2-pneumoperitoneum, which was then used to evaluate acute and long-term impact of CO2-insufflation over neonatal organ systems. In our anesthetized, endotracheal intubated, mechanically ventilated neonatal rat model, the impact of the CO2-insufflation over the immune system was evaluated at different levels. The impact of CO2-insufflation over immune cell populations was evaluated immediately after CO2-pneumothorax and 4 weeks after exposure, and no major alterations were detected when compared to control animals, suggesting that CO2-insufflation do not exert a significant impact on cellular immune system balance. But when evaluating peripheral (serum) and central (cerebrospinal fluid [CSF]) cytokine response, our findings support that the old paradigm of an immunologically privileged CNS may not be sustained perioperatively during MIS surgery, since increased anti-inflammatory cytokine IL-10 levels in CSF were found in animals submitted either to CO2-pneumothorax or CO2-pneumoperitoneum. The impact of this finding in the developing brain is still unclear, and further study is needed. It is known that a single developmental insult in the neonatal period can initiate a cascade of structural alterations, manifested much later in life or under specific pathological/stress conditions. Since little is known about the functional consequences of the associated hemodynamic, respiratory and inflammatory consequences of CO2-insufflation event over brain development, neurodevelopmental milestones acquisition and long-term behavioral outcomes were evaluated in our neonatal animal models of CO2-pneumothorax and CO2- pneumoperitoneum. Different insufflation pressures and times were evaluated during CO2- pneumoperitoneum. This work supports that this early-life event does not seem to induce any negative impact on neurodevelopment or induce behavioral alterations in adulthood. The findings presented in this thesis provide new insights of the central inflammatory response after MIS and suggests possible implications in other brain related perioperative phenomena. The finding presented in thesis contribute to clarify, step-by-step, some of the ambiguities about the impact of CO2-insufflation over the immature brain of neonates.

A Cirurgia Minimamente Invasiva (MIS) é cada vez mais utilizada em todo o mundo e o contínuo desenvolvimento da tecnologia e instrumentos cirúrgicos têm permitido a sua aplicação, não só em adultos, mas também em crianças e recém-nascidos para corrigir os mais diversos defeitos congénitos. Desde o início da sua aplicação, vários estudos sobre as alterações hemodinâmicas, metabólicas e inflamatórias têm sido publicados, com especial ênfase sobre os efeitos da insuflação com dióxido de carbono (CO2) nas cavidades corporais. Recentes publicações sobre o impacto da insuflação com CO2 nos órgãos em desenvolvimento dos recém-nascidos têm sido publicados, em que os fenómenos de oxigenação e perfusão do cérebro têm sido foco de especial atenção. Nesta tese, temos como objetivo esclarecer algumas dessas questões e contribuir para a melhor compreensão sobre o impacto da insuflação torácica e peritoneal com CO2 nesta fase de especial vulnerabilidade que é o período neonatal. A cirurgia induz mudanças específicas a nível endócrino, imunológico e metabólico, mas estudos sobre o impacto isolado da insuflação de CO2 nestes parâmetros são limitados. Os estudos em modelos animais são muito frequentemente usados para avaliar o impacto da insuflação com CO2 durante procedimentos minimamente invasivos, contudo, a maioria dos estudos são realizados em animais adultos, com apenas alguns deles recorrendo a animais recém-nascidos. Adicionalmente, os estudos com animais recém-nascidos são realizados sem ventilação mecânica, fator essencial para a eliminação do CO2 absorvido durante a insuflação, e consequente manutenção de valores fisiológicos de pressão parcial de gases e do pH. Nesta tese otimizámos uma técnica de entubação endotraqueal que pudesse ser aplicada num modelo roedor neonatal e que permitisse a posterior ventilação mecânica durante a insuflação torácica e abdominal com CO2. Ajustes nos parâmetros ventilatórios permitiram o desenvolvimento de um modelo animal neonatal de CO2-pneumotórax e CO2- pneumoperitoneu. No nosso modelo neonatal ventilado mecanicamente e exposto a insuflação com CO2, o impacto da insuflação com CO2 foi avaliado a diferentes níveis. O impacto da insuflação com CO2 sobre as principais células do sistema imunitário foi avaliado imediatamente após a insuflação torácica com CO2 e 4 semanas após esta exposição e não foram encontradas alterações significativas quando comparadas com animais controlo. Estes dados sugerem que a insuflação com CO2 não constitui um fator perturbador no equilíbrio do sistema imunitário. Mas quando foram avaliados os níveis de citocinas periférica (séricas) e central (líquido cefalorraquidiano), os nossos achados sustentam que o antigo paradigma de um sistema nervoso central (SNC) imunologicamente privilegiado pode não ser mantido no período peri-operatório durante a cirurgia minimamente invasiva. Níveis elevados da citocina anti-inflamatória IL-10 foram detetados no líquido cefalorraquidiano de animais submetidos a insuflação torácica e abdominal com CO2. O impacto deste achado no cérebro em desenvolvimento é, contudo, desconhecido e novos estudos são necessários. Um único insulto no período de desenvolvimento neonatal pode iniciar uma cascata de alterações estruturais, manifestadas muito mais tarde na vida ou sob condições patológicas ou de stress. As consequências funcionais dos efeitos mecânicos e químicos da insuflação com CO2 sobre o desenvolvimento cerebral é desconhecido, e por esse motivo este trabalho teve como objetivo avaliar as possíveis alterações no neurodesenvolvimento assim como avaliar o impacto a longo prazo no nosso modelo animal neonatal. Diferentes pressões e tempos de insuflação foram avaliados. Este evento neonatal não parece resultar em qualquer impacto negativo no desenvolvimento neurológico ou induzir alterações comportamentais na idade adulta. O trabalho aqui apresentado destaca a ausência de consequências funcionais a nível comportamental, mas abre novas portas para futura investigação noutros fenómenos peri-operatórios.