L-ornithine phenylacetate attenuates increased arterial and extracellular brain ammonia and prevents intracranial hypertension in pigs with acute liver failure.

Hyperammonemia is a feature of acute liver failure (ALF), which is associated with increased intracranial pressure (ICP) and brain herniation. We hypothesized that a combination of L-ornithine and phenylacetate (OP) would synergistically reduce toxic levels of ammonia by (1) L-ornithine increasing glutamine production (ammonia removal) through muscle glutamine synthetase and (2) phenylacetate conjugating with the ornithine-derived glutamine to form phenylacetylglutamine, which is excreted into the urine. The aims of this study were to determine the effect of OP on arterial and extracellular brain ammonia concentrations as well as ICP in pigs with ALF (induced by liver devascularization). ALF pigs were treated with OP (L-ornithine 0.07 g/kg/hour intravenously; phenylbutyrate, prodrug for phenylacetate; 0.05 g/kg/hour intraduodenally) for 8 hours following ALF induction. ICP was monitored throughout, and arterial and extracellular brain ammonia were measured along with phenylacetylglutamine in the urine. Compared with ALF + saline pigs, treatment with OP significantly attenuated concentrations of arterial ammonia (589.6 +/- 56.7 versus 365.2 +/- 60.4 mumol/L [mean +/- SEM], P= 0.002) and extracellular brain ammonia (P= 0.01). The ALF-induced increase in ICP was prevented in ALF + OP-treated pigs (18.3 +/- 1.3 mmHg in ALF + saline versus 10.3 +/- 1.1 mmHg in ALF + OP-treated pigs;P= 0.001). The value of ICP significantly correlated with the concentration of extracellular brain ammonia (r(2) = 0.36,P< 0.001). Urine phenylacetylglutamine levels increased to 4.9 +/- 0.6 micromol/L in ALF + OP-treated pigs versus 0.5 +/- 0.04 micromol/L in ALF + saline-treated pigs (P< 0.001).Conclusion:L-Ornithine and phenylacetate act synergistically to successfully attenuate increases in arterial ammonia, which is accompanied by a significant decrease in extracellular brain ammonia and prevention of intracranial hypertension in pigs with ALF.

Rôle du monoxyde d'azote dans la calcification vasculaire et la rigidité artérielle dans un modèle d'hypertension systolique isolée

L’hypertension systolique isolée (HSI) est le résultat de changements au niveau de la paroi vasculaire qui ont pour conséquence d’augmenter la rigidité artérielle. Ces modifications surviennent surtout au niveau des grosses artères comme l’aorte et sont associées au vieillissement. La fragmentation des fibres élastiques, leur calcification (élastocalcinose) et la fibrose font partie des changements majeurs observés avec l’âge. En plus de ces changements, le vieillissement vasculaire provoque des modifications au niveau des cellules qui composent la paroi. Les cellules endothéliales sécrètent moins de monoxyde d’azote (NO) provoquant une dysfonction endothéliale et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) synthétisent maintenant des protéines matricielles et osseuses. Situé entre le sang et les CMLVs, l’endothélium contrôle le tonus vasculaire par la sécrétion de plusieurs substances vasoactives qui interagissent entre elles afin de maintenir l’homéostasie du système vasculaire. Parmi celles-ci, on note l’endothéline (ET), un puissant vasoconstricteur et le NO, un gaz vasorelaxants. Ce dernier est aussi reconnu pour bloquer la production d’ET par un mécanisme dépendant du guanosine monophosphate cyclique (GMPc). Comme il y a une interaction entre le NO et l’ET, et que cette dernière est impliquée dans la calcification artérielle, le NO pourrait être impliqué dans la modulation de l’élastocalcinose et de la rigidité artérielle par l’inhibition de l’ET et la modification de la composition de la paroi. Cet effet, qui se produirait au delà des effets vasorelaxants du NO, offre un potentiel thérapeutique intéressant pour l’HSI. Afin d’évaluer l’implication du NO dans la calcification vasculaire et la rigidité artérielle, un modèle animal d’HSI a été utilisé (modèle warfarine vitamine K, WVK). Ce modèle d’élastocalcinose est basé sur l’inhibition de la maturation d’une protéine anti-calcifiante, la matrix Gla protein (MGP), par la warfarine. Afin de déterminer l’implication physiologique du NO dans l’initiation et la progression de l’élastocalcinose, sa production a été inhibée par un analogue de la L-arginine, le L-NG-nitroarginine methyl ester (L-NAME). Lors des processus d’initiation de la calcification, le L-NAME a prévenu l’élastocalcinose sans toutefois modifier la vitesse de l’onde de pouls (PWV). Suite au traitement L-NAME, l’expression de la NO synthase inductible (iNOS) a été diminuée alors qu’elle a été augmentée lors du traitement WVK. Elle pourrait donc être impliquée dans les processus de calcification vasculaire. De plus, la NO synthase endothéliale (eNOS) semble également impliquée puisqu’elle a été augmentée dans le modèle WVK. Cette hausse pourrait être bénéfique pour limiter l’élastocalcinose alors que l’expression de la iNOS serait délétère. Lors de la progression de la calcification, le L-NAME a augmenté l’élastocalcinose et le PWV. Dans ce contexte, l’ET serait impliquée dans l’amplification de la calcification vasculaire entrainant une hausse de la rigidité artérielle. Comme le NO endogène limite la progression de la calcification et conséquemment la rigidité artérielle, il semble être protecteur. L’efficacité d’une modulation de la voie du NO dans le modèle WVK a été étudiée par l’administration d’un donneur de NO, le sinitrodil, ou d’un inhibiteur de la phosphosdiestérase 5 (PDE5), le tadalafil. La modulation de la voie du NO semble être bénéfique sur la rigidité artérielle, mais seulement de façon aiguë. En effet, le sinitrodil a modifié de transitoirement la rigidité au niveau de l’aorte possiblement par la modulation du tonus vasculaire sans toutefois avoir des effets sur la composition de la paroi. Comme le modèle WVK n’affecte pas la fonction endothéliale, les concentrations endogènes de NO semblent être optimales puisque le sinitrodil provoque une augmentation de l’élastocalcinose possiblement par le développement d’une tolérance. Tout comme le sinitrodil, le tadalafil a modulé de manière aiguë la rigidité artérielle sans modifier la composition de la paroi. Globalement, ces travaux ont permis de mettre en évidence les effets bénéfiques du NO endogène pour limiter le développement de l’HSI, suggérant qu’une dysfonction endothéliale, tel qu’observé lors du vieillissement, a un impact négatif sur la maladie.

Selective alterations of brain osmolytes in acute liver failure: protective effect of mild hypothermia.

The principal cause of mortality in patients with acute liver failure (ALF) is brain herniation resulting from intracranial hypertension caused by a progressive increase of brain water. In the present study, ex vivo high-resolution 1H-NMR spectroscopy was used to investigate the effects of ALF, with or without superimposed hypothermia, on brain organic osmolyte concentrations in relation to the severity of encephalopathy and brain edema in rats with ALF due to hepatic devascularization. In normothermic ALF rats, glutamine concentrations in frontal cortex increased more than fourfold at precoma stages, i.e. prior to the onset of severe encephalopathy, but showed no further increase at coma stages. In parallel with glutamine accumulation, the brain organic osmolytes myo-inositol and taurine were significantly decreased in frontal cortex to 63\% and 67\% of control values, respectively, at precoma stages (p<0.01), and to 58\% and 67\%, respectively, at coma stages of encephalopathy (p<0.01). Hypothermia, which prevented brain edema and encephalopathy in ALF rats, significantly attenuated the depletion of myo-inositol and taurine. Brain glutamine concentrations, on the other hand, did not respond to hypothermia. These findings demonstrate that experimental ALF results in selective changes in brain organic osmolytes as a function of the degree of encephalopathy which are associated with brain edema, and provides a further rationale for the continued use of hypothermia in the management of this condition.

Keeping cool in acute liver failure: rationale for the use of mild hypothermia.

Encephalopathy, brain edema and intracranial hypertension are neurological complications responsible for substantial morbidity/mortality in patients with acute liver failure (ALF), where, aside from liver transplantation, there is currently a paucity of effective therapies. Mirroring its cerebro-protective effects in other clinical conditions, the induction of mild hypothermia may provide a potential therapeutic approach to the management of ALF. A solid mechanistic rationale for the use of mild hypothermia is provided by clinical and experimental studies showing its beneficial effects in relation to many of the key factors that determine the development of brain edema and intracranial hypertension in ALF, namely the delivery of ammonia to the brain, the disturbances of brain organic osmolytes and brain extracellular amino acids, cerebro-vascular haemodynamics, brain glucose metabolism, inflammation, subclinical seizure activity and alterations of gene expression. Initial uncontrolled clinical studies of mild hypothermia in patients with ALF suggest that it is an effective, feasible and safe approach. Randomized controlled clinical trials are now needed to adequately assess its efficacy, safety, clinical impact on global outcomes and to provide the guidelines for its use in ALF.

Neuropathological changes in the brain of pigs with acute liver failure.

Abstract Objective. Cerebral edema is a serious complication of acute liver failure (ALF), which may lead to intracranial hypertension and death. An accepted tenet has been that the blood-brain barrier is intact and that brain edema is primarily caused by a cytotoxic etiology due to hyperammonemia. However, the neuropathological changes in ALF have been poorly studied. Using a well characterized porcine model we aimed to investigate ultrastructural changes in the brain from pigs suffering from ALF. Materials and methods. Sixteen female Norwegian Landrace pigs weighing 27-35 kg were randomised into two groups: ALF (n = 8) and sham operated controls (n = 8). ALF was induced with an end-to-side portacaval shunt followed by ligation of the hepatic arteries. Biopsies were harvested from three different areas of the brain (frontal lobe, cerebellum, and brain stem) following eight hours of ALF and analyzed using electron microscopy. Results. Profound perivascular and interstitial edema were found in all three areas. Disruption of pericytic and astrocytic processes were seen, reflecting breakdown/lesion of the blood-brain barrier in animals suffering from ALF. Furthermore, neurons and axons were edematous and surrounded by vesicles. Severe damage to Purkinje neuron (necrosis) and damaged myelin were seen in the cerebellum and brain stem, respectively. Biopsies from sham operated animals were normal. Conclusions. Our data support the concept that vasogenic brain edema plays an important role in the development of intracranial hypertension in pigs with ALF.

Brain edema in acute liver failure and chronic liver disease: Similarities and differences.

Hepatic encephalopathy (HE) is a complex neuropsychiatric syndrome that typically develops as a result of acute liver failure or chronic liver disease. Brain edema is a common feature associated with HE. In acute liver failure, brain edema contributes to an increase in intracranial pressure, which can fatally lead to brain stem herniation. In chronic liver disease, intracranial hypertension is rarely observed, even though brain edema may be present. This discrepancy in the development of intracranial hypertension in acute liver failure versus chronic liver disease suggests that brain edema plays a different role in relation to the onset of HE. Furthermore, the pathophysiological mechanisms involved in the development of brain edema in acute liver failure and chronic liver disease are dissimilar. This review explores the types of brain edema, the cells, and pathogenic factors involved in its development, while emphasizing the differences in acute liver failure versus chronic liver disease. The implications of brain edema developing as a neuropathological consequence of HE, or as a cause of HE, are also discussed.

Relation entre CaMKII et les dynamiques calciques endothéliales : impact de l'hypertension arterielle.

L’endothélium vasculaire joue un rôle prépondérant dans la régulation du tonus vasculaire en générant l’oxyde nitrique (NO), la prostacycline (PGI2) et les facteurs hyperpolarisants dérivés de l’endothélium (EDHF) comme puissants vasodilatateurs. Ces mécanismes requièrent le calcium (Ca2+) à divers niveaux, démontrant l’importance des dynamiques calciques endothéliales. Une perturbation de l’homéostasie calcique est observée dans une dysfonction endothéliale liée à l’hypertension artérielle. Il est impératif d’approfondir nos connaissances sur les signalisations calciques endothéliales impliquées dans le contrôle du tonus vasculaire. Des études récentes ont montré qu’une variation locale de la concentration en Ca2+ libre intracellulaire ([Ca2+]i) est suffisante pour générer une réponse physiologique importante. Les pulsars calciques sont caractérisés par une augmentation de [Ca2+]i spontanée et transitoire spécifiquement localisée au niveau des projections myoendothéliales (PMEs). Ces PMEs sont des sites de communication privilégiés entre les cellules endothéliales (CEs) et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs). Les pulsars calciques sont impliqués dans le mécanisme de l’EDHF via l’activation des canaux potassiques Ca2+-dépendant de moyenne conductance (KCa3.1 ou IKCa). Les travaux de cette thèse visent à améliorer nos connaissances sur les signalisations calciques locales en caractérisant une nouvelle voie de signalisation pouvant être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Outre les canaux KCa3.1 peu d’informations sont disponibles sur les cibles sensibles aux pulsars calciques. Une première étude a permis d’identifier la protéine kinase II dépendante du complexe Ca2+/calmoduline (CaMKII) sous ses isoformes α, β et δ dans les CEs d’artères natives de souris comme une cible pouvant être modulée par les pulsars calciques. Des études en immunofluorescence ont permis d’observer la localisation particulière de CaMKII endothéliale dans les PMEs, les sites des pulsars calciques. Une stimulation spécifique des pulsars calciques par la phényléphrine (PE) engendre un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Sachant que CaMKII active l’oxyde nitrique synthase endothéliale (NOS3), nous avons évalué l’impact d’une stimulation des pulsars calciques sur la production de NO en présence d’un inhibiteur de CaMKII, le KN-93. Nous avons démontré que la production de NO est en partie dépendante de l’activation de CaMKII par les pulsars calciques. En utilisant un modèle d’hypertension induite par l’infusion chronique de PE, nous avons permis de mettre en évidence une perturbation dans la relation entre les pulsars calciques et CaMKII. Dans une seconde étude nous avons établi deux modèles (normo- et hypertendus) d’infusion chronique à l’angiotensine II (AngII) afin évaluer l’impact des ROS et de l’hypertension sur la voie de signalisation pulsars/CaMKII/NO. Nos résultats ont montré une augmentation des pulsars calciques accompagnée d’un recrutement de CaMKII dans les PMEs. Une stimulation aigue à l’AngII suggère que les ROS modulent les dynamiques calciques et que l’AngII stimule la production de NO. Cette étude propose que ces voies de signalisations impliquent les récepteurs de type 1 et 2 à l’AngII (AT1 et AT2). L’étude des pulsars calciques dépend fortement de la structure native des artères qui permet de conserver la formation des PMEs. La dernière étude présentée dans cette thèse a permis d’établir une relation entre les PMEs et les pulsars calciques dans trois lits vasculaires distincts (artères mésentériques, pulmonaires et coronariennes). Nos résultats ont montré que les paramètres cinétiques des pulsars calciques sont fortement conservés entre les différents lits vasculaires. Toutefois, la fréquence globale ainsi que le nombre de sites actifs des pulsars calciques diffèrent avec une proportion plus élevée dans les artères mésentériques et coronariennes comparativement aux artères pulmonaires. Ces résultats corrèlent avec le nombre plus élevé de PMEs retrouvé dans les artères mésentériques et coronariennes. Ces travaux suggèrent que les pulsars calciques sont fondamentaux pour les artères de résistance. Les études de cette thèse ont mené à l’identification d’une nouvelle voie de signalisation impliquant les pulsars calciques et CaMKII endothéliale dans la stimulation de la production de NO. Cette nouvelle voie de signalisation pourrait être impliquée dans la régulation du tonus vasculaire en condition physiopathologique. Les pulsars calciques semblent être fortement conservés entre les différentes artères de résistances et ce malgré la disparité dans les PMEs, suggérant un rôle prépondérant dans la fonction vasculaire. Ces travaux ouvrent une avenue pour le développement de potentielles cibles thérapeutiques pouvant contrer la dysfonction endothéliale associée à l’hypertension artérielle.