Cerebral edema and acute liver failure : pathophysiological mechanisms and new therapeutic approaches

L’encéphalopathie hépatique (EH) se développe chez les patients atteints d’une maladie du foie et se caractérise par de nombreuses anomalies neuropsychiatriques. L’insuffisance hépatique aiguë (IHA) se caractérise par une perte progressive de l’état de conscience, par une augmentation rapide de l’œdème cérébral et une augmentation de la pression intracrânienne entraînant une herniation cérébrale et la mort. Plusieurs facteurs sont responsables du développement de l’EH mais depuis une centaine d’années, l’hyperammonémie qui peut atteindre des concentrations de l’ordre de plusieurs millimolaires chez les patients atteints d’IHA aux stades de coma est considérée comme un facteur crucial dans la pathogenèse de l’EH. La présente thèse comprend 4 articles suggérant l’implication de nouveaux mécanismes pathogéniques dans le développement de l’EH et de l’œdème cérébral associés à l’IHA et tente d’expliquer l’effet thérapeutique de l’hypothermie et de la minocycline dans la prévention de l’EH et de l’œdème cérébral: 1. L’IHA induite par dévascularisation hépatique chez le rat se caractérise par une augmentation de la production de cytokines pro-inflammatoires cérébrales (IL-6, IL-1, TNF-). Cette observation constitue la première évidence directe que des mécanismes neuro-inflammatoires jouent une rôle dans la pathogenèse de l’EH et de l’œdème cérébral associés à l’IHA (Chapitre 2.1, articles 1 et 2). 2. L’activation de la microglie telle que mesurée par l’expression de marqueurs spécifiques (OX42, OX-6) coïncide avec le développement de l’encéphalopathie (stade coma) et de l’œdème cérébral et s’accompagne d’une production accrue de cytokines pro-inflammatoires cérébrales (Chapitre 2.1, article 1 et 2). 3. Un stress oxydatif/nitrosatif causé par une augmentation de l’expression de l’oxyde nitrique synthétase et une augmentation de la synthèse d’oxyde nitrique cérébral participe à la pathogénèse des complications neurologiques de l’IHA (Chapitre 2.3, articles 3 et 4). 4. Des traitements anti-inflammatoires tels que l’hypothermie et la minocycline peuvent constituer de nouvelles approches thérapeutiques chez les patients atteints d’IHA (Chapitre 2.1, article 1; Chapitre 2.2, article 2). 5. Les effets bénéfiques de l’hypothermie et de la minocycline sur les complications neurologiques de l’IHA expérimentale s’expliquent, en partie, par une diminution du stress oxydatif/nitrosatif (Chapitre 2.3, article 3; Chapitre 2.4, article 4).

Mild hypothermia in the prevention of brain edema in acute liver failure: mechanisms and clinical prospects.

Mild hypothermia (32 degrees C-35 degrees C) reduces intracranial pressure in patients with acute liver failure and may offer an effective adjunct therapy in the management of these patients. Studies in experimental animals suggest that this beneficial effect of hypothermia is the result of a decrease in blood-brain ammonia transfer resulting in improvement in brain energy metabolism and normalization of glutamatergic synaptic regulation. Improvement in brain energy metabolism by hypothermia may result from a reduction in ammonia-induced decrease of brain glucose (pyruvate) oxidation. Restoration of normal glutamatergic synaptic regulation by hypothermia may be the consequence of the removal of ammonia-induced decreases in expression of astrocytic glutamate transporters resulting in normal glutamate neurotransmitter inactivation in brain. Randomized controlled clinical trials of hypothermia are required to further evaluate its clinical impact.

Mild hypothermia prevents cerebral edema and CSF lactate accumulation in acute liver failure.

Evidence from both clinical and experimental studies demonstrates that mild hypothermia prevents encephalopathy and brain edema in acute liver failure (ALF). As part of a series of studies to elucidate the mechanism(s) involved in this protective effect, groups of rats with ALF resulting from hepatic devascularization were maintained at either 37°C (normothermic) or 35°C (hypothermic), and neurological status was monitored in relation to cerebrospinal fluid (CSF) concentrations of ammonia and lactate. CSF was removed via implanted cisterna magna catheters. Mild hypothermia resulted in a delay in onset of encephalopathy and prevention of brain edema; CSF concentrations of ammonia and lactate were concomitantly decreased. Blood ammonia concentrations, on the other hand, were not affected by hypothermia in ALF rats. These findings suggest that brain edema and encephalopathy in ALF are the consequence of ammonia-induced impairment of brain energy metabolism and open the way for magnetic resonance spectroscopic monitoring of cerebral function in ALF. Mild hypothermia could be beneficial in the prevention of severe encephalopathy and brain edema in patients with ALF awaiting liver transplantation.

Mild hypothermia prevents brain edema and attenuates up-regulation of the astrocytic benzodiazepine receptor in experimental acute liver failure.

BACKGROUND/AIMS: Mild hypothermia has proven useful in the clinical management of patients with acute liver failure. Acute liver failure in experimental animals results in alterations in the expression of genes coding for astrocytic proteins including the "peripheral-type" (astrocytic) benzodiazepine receptor (PTBR), a mitochondrial complex associated with neurosteroid synthesis. To gain further insight into the mechanisms whereby hypothermia attenuates the neurological complications of acute liver failure, we investigated PTBR expression in the brains of hepatic devascularized rats under normothermic (37 degrees C) and hypothermic (35 degrees C) conditions. METHODS: PTBR mRNA was measured using semi-quantitative RT-PCR in cerebral cortical extracts and densities of PTBR sites were measured by quantitative receptor autoradiagraphy. Brain pregnenolone content was measured by radioimmunoassay. RESULTS: At coma stages of encephalopathy, animals with acute liver failure manifested a significant increase of PTBR mRNA levels. Brain pregnenolone content and [(3)H]PK 11195 binding site densities were concomitantly increased. Mild hypothermia prevented brain edema and significantly attenuated the increased receptor expression and pregnenolone content. CONCLUSIONS: These findings suggest that an attenuation of PTBR up-regulation resulting in the prevention of increased brain neurosteroid content represents one of the mechanisms by which mild hypothermia exerts its protective effects in ALF.

Systemic oxidative stress is implicated in the pathogenesis of brain edema in rats with chronic liver failure.

Chronic liver failure leads to hyperammonemia, a central component in the pathogenesis of hepatic encephalopathy (HE); however, a correlation between blood ammonia levels and HE severity remains controversial. It is believed oxidative stress plays a role in modulating the effects of hyperammonemia. This study aimed to determine the relationship between chronic hyperammonemia, oxidative stress, and brain edema (BE) in two rat models of HE: portacaval anastomosis (PCA) and bile-duct ligation (BDL). Ammonia and reactive oxygen species (ROS) levels, BE, oxidant and antioxidant enzyme activities, as well as lipid peroxidation were assessed both systemically and centrally in these two different animal models. Then, the effects of allopurinol (xanthine oxidase inhibitor, 100mg/kg for 10days) on ROS and BE and the temporal resolution of ammonia, ROS, and BE were evaluated only in BDL rats. Similar arterial and cerebrospinal fluid ammonia levels were found in PCA and BDL rats, both significantly higher compared to their respective sham-operated controls (p<0.05). BE was detected in BDL rats (p<0.05) but not in PCA rats. Evidence of oxidative stress was found systemically but not centrally in BDL rats: increased levels of ROS, increased activity of xanthine oxidase (oxidant enzyme), enhanced oxidative modifications on lipids, as well as decreased antioxidant defense. In PCA rats, a preserved oxidant/antioxidant balance was demonstrated. Treatment with allopurinol in BDL rats attenuated both ROS and BE, suggesting systemic oxidative stress is implicated in the pathogenesis of BE. Analysis of ROS and ammonia temporal resolution in the plasma of BDL rats suggests systemic oxidative stress might be an important "first hit", which, followed by increases in ammonia, leads to BE in chronic liver failure. In conclusion, chronic hyperammonemia and oxidative stress in combination lead to the onset of BE in rats with chronic liver failure.

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.

The use of artificial intelligence algorithms to guide surgical treatment of adolescent idiopathic scoliosis

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tri-dimensionelle du rachis. Son traitement comprend l’observation, l’utilisation de corsets pour limiter sa progression ou la chirurgie pour corriger la déformation squelettique et cesser sa progression. Le traitement chirurgical reste controversé au niveau des indications, mais aussi de la chirurgie à entreprendre. Malgré la présence de classifications pour guider le traitement de la SIA, une variabilité dans la stratégie opératoire intra et inter-observateur a été décrite dans la littérature. Cette variabilité s’accentue d’autant plus avec l’évolution des techniques chirurgicales et de l’instrumentation disponible. L’avancement de la technologie et son intégration dans le milieu médical a mené à l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle informatiques pour aider la classification et l’évaluation tridimensionnelle de la scoliose. Certains algorithmes ont démontré être efficace pour diminuer la variabilité dans la classification de la scoliose et pour guider le traitement. L’objectif général de cette thèse est de développer une application utilisant des outils d’intelligence artificielle pour intégrer les données d’un nouveau patient et les évidences disponibles dans la littérature pour guider le traitement chirurgical de la SIA. Pour cela une revue de la littérature sur les applications existantes dans l’évaluation de la SIA fut entreprise pour rassembler les éléments qui permettraient la mise en place d’une application efficace et acceptée dans le milieu clinique. Cette revue de la littérature nous a permis de réaliser que l’existence de “black box” dans les applications développées est une limitation pour l’intégration clinique ou la justification basée sur les évidence est essentielle. Dans une première étude nous avons développé un arbre décisionnel de classification de la scoliose idiopathique basé sur la classification de Lenke qui est la plus communément utilisée de nos jours mais a été critiquée pour sa complexité et la variabilité inter et intra-observateur. Cet arbre décisionnel a démontré qu’il permet d’augmenter la précision de classification proportionnellement au temps passé à classifier et ce indépendamment du niveau de connaissance sur la SIA. Dans une deuxième étude, un algorithme de stratégies chirurgicales basé sur des règles extraites de la littérature a été développé pour guider les chirurgiens dans la sélection de l’approche et les niveaux de fusion pour la SIA. Lorsque cet algorithme est appliqué à une large base de donnée de 1556 cas de SIA, il est capable de proposer une stratégie opératoire similaire à celle d’un chirurgien expert dans prêt de 70% des cas. Cette étude a confirmé la possibilité d’extraire des stratégies opératoires valides à l’aide d’un arbre décisionnel utilisant des règles extraites de la littérature. Dans une troisième étude, la classification de 1776 patients avec la SIA à l’aide d’une carte de Kohonen, un type de réseaux de neurone a permis de démontrer qu’il existe des scoliose typiques (scoliose à courbes uniques ou double thoracique) pour lesquelles la variabilité dans le traitement chirurgical varie peu des recommandations par la classification de Lenke tandis que les scolioses a courbes multiples ou tangentielles à deux groupes de courbes typiques étaient celles avec le plus de variation dans la stratégie opératoire. Finalement, une plateforme logicielle a été développée intégrant chacune des études ci-dessus. Cette interface logicielle permet l’entrée de données radiologiques pour un patient scoliotique, classifie la SIA à l’aide de l’arbre décisionnel de classification et suggère une approche chirurgicale basée sur l’arbre décisionnel de stratégies opératoires. Une analyse de la correction post-opératoire obtenue démontre une tendance, bien que non-statistiquement significative, à une meilleure balance chez les patients opérés suivant la stratégie recommandée par la plateforme logicielle que ceux aillant un traitement différent. Les études exposées dans cette thèse soulignent que l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle dans la classification et l’élaboration de stratégies opératoires de la SIA peuvent être intégrées dans une plateforme logicielle et pourraient assister les chirurgiens dans leur planification préopératoire.

AST-120 (spherical carbon adsorbent) lowers ammonia levels and attenuates brain edema in bile duct-ligated rats

The pathogenesis of hepatic encephalopathy is multifactorial, involving gut-derived toxins such as ammonia, which has been demonstrated to induce oxidative stress. Therefore, a primary hepatic encephalopathy treatment target is reducing ammonia production in the gastrointestinal tract. AST-120, an oral adsorbent of engineered activated carbon microspheres with surface areas exceeding 1600 m(2) /g, acts as a sink for neurotoxins and hepatotoxins present in the gut. We evaluated the capacity of AST-120 to adsorb ammonia in vitro and to lower blood ammonia, oxidative stress and brain edema in cirrhotic rats. Cirrhosis was induced in rats by bile duct ligation for 6 weeks. AST-120 was administered by gavage preventively for 6 weeks (0.1, 1, and 4 g/kg/day). In addition, AST-120 was evaluated as a short-term treatment for 2 weeks and 3 days (1 g/kg/day) and as a sink to adsorb intravenously infused ammonium acetate. In vitro, AST-120 efficiently adsorbed ammonia. Ammonia levels significantly decreased in a dose-dependent manner for all AST-120-treated bile duct-ligated rats (nontreated: 177.3 ± 30.8 μM; AST-120, 0.1 g/kg/day: 121.9 ± 13.8 μM; AST-120, 1 g/kg/day: 80.9 ± 30.0 μM; AST-120, 4 g/kg/day: 48.8 ± 19.6 μM) and significantly correlated with doses of AST-120 (r = -0.6603). Brain water content and locomotor activity normalized after AST-120 treatments, whereas arterial reactive oxygen species levels remained unchanged. Furthermore, AST-120 significantly attenuated a rise in arterial ammonia after ammonium acetate administration (intravenously). Conclusion:AST-120 treatment decreased arterial ammonia levels, normalized brain water content and locomotor activity but did not demonstrate an effect on systemic oxidative stress. Also, AST-120 acts as an ammonia sink, efficiently removing blood-derived ammonia. Additional studies are warranted to evaluate the effects of AST-120 on hepatic encephalopathy in patients with advanced liver disease. (HEPATOLOGY 2011;).

Increased brain lactate is central to the development of brain edema in rats with chronic liver disease

The pathogenesis of brain edema in patients with chronic liver disease (CLD) and minimal hepatic encephalopathy (HE) remains undefined. This study evaluated the role of brain lactate, glutamine and organic osmolytes, including myo-inositol and taurine, in the development of brain edema in a rat model of cirrhosis.Six-week bile-duct ligated (BDL) rats were injected with (13)C-glucose and de novo synthesis of lactate, and glutamine in the brain was quantified using (13)C nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR). Total brain lactate, glutamine, and osmolytes were measured using (1)H NMR or high performance liquid chromatography. To further define the interplay between lactate, glutamine and brain edema, BDL rats were treated with AST-120 (engineered activated carbon microspheres) and dichloroacetate (DCA: lactate synthesis inhibitor).Significant increases in de novo synthesis of lactate (1.6-fold, p<0.001) and glutamine (2.2-fold, p<0.01) were demonstrated in the brains of BDL rats vs. SHAM-operated controls. Moreover, a decrease in cerebral myo-inositol (p<0.001), with no change in taurine, was found in the presence of brain edema in BDL rats vs. controls. BDL rats treated with either AST-120 or DCA showed attenuation in brain edema and brain lactate. These two treatments did not lead to similar reductions in brain glutamine.Increased brain lactate, and not glutamine, is a primary player in the pathogenesis of brain edema in CLD. In addition, alterations in the osmoregulatory response may also be contributing factors. Our results suggest that inhibiting lactate synthesis is a new potential target for the treatment of HE.