|
Non-invasive diagnostic method to monitor gastrointestinal microcirculatory disturbances
|
Help
Print
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
|
Details of project |
|
|
Identifier |
116861 |
Type |
K |
Principal investigator |
Varga, Gabriella |
Title in Hungarian |
Nem invazív diagnosztikai eljárás gasztrointesztinális keringési zavarok korai felismerésére |
Title in English |
Non-invasive diagnostic method to monitor gastrointestinal microcirculatory disturbances |
Keywords in Hungarian |
mikrokeringés, metán, diagnosztika, fotoakusztika |
Keywords in English |
microcirculation, methan, diagnostics, photoacustics |
Discipline |
Medical engineering and technology (Council of Medical and Biological Sciences) | 70 % | Haematology, immunology, thrombosis, infectious diseases (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % | Ortelius classification: Surgery | Public health, health services, environmental and occupational medicine, epidemiology, medical ethics
(Council of Medical and Biological Sciences) | 10 % | Ortelius classification: Diagnostics |
|
Panel |
Clinical Medicine |
Department or equivalent |
Institute of Surgical Research (University of Szeged) |
Participants |
Ábrahám, Szabolcs Bari, Gábor Boros, Mihály Érces, Dániel Garab, Dénes Kaszaki, József Mészáros, András Mohácsi, Árpád Peták, Ferenc Strifler, Gerda Szabó, Anna Szűcs, Szilárd Tőkés, Tünde
|
Starting date |
2016-01-01 |
Closing date |
2021-03-31 |
Funding (in million HUF) |
26.828 |
FTE (full time equivalent) |
15.64 |
state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az alacsony perctérfogattal járó állapotokat (szepszis, vérzéses shock) a keringés redisztribúciója követi, amelynek célja a létfontosságú szervek keringésének fenntartása. Fontos jellemzője a vazokonstrikció, amely nem egyformán érint minden szervet és ennek következtében a periférián lokális ischaemia alakulhat ki. A vazokonstrikció különösen kifejezett a splanchnikus területen, a vékonybél nyálkahártyáját is érinti, amely a mikrokeringés jelentős romlásához vezet. Paradox módon a károsodást az oki terápiát követően újrainduló keringés, vagyis az ischaemiát követő reperfúzió is fokozza. A termelődő oxigén- és nitrogén eredetű szabadgyökök tovább károsítják a mikroerek endotheliumát, fokozzák a kapilláris permeabilitást, interstitiális ödémát okoznak. Ennek következtében a nyálkahártya nem képes tovább ellátni „barrier” funkciót, amely baktériumok és bakteriális termékek transzlokációjához, végső soron szepszishez vezet. A gasztrointesztinális (GI) rendszer mikrokeringés romlás korai felismerése a kezelés sikerességének szempontjából kiemelkedően fontos. A korai diagnosztikával lerövidül az idő a mikrokeringési diszfunkció kialakulása és a terápia megkezdése között, ezzel csökkentve a káros következmények kialakulását. A GI traktus mikrokeringésének vizsgálatára ma használható technikák egy része a klinikumban nem alkalmazható (jelzett mikrogyöngy módszer) másik része invazív és minimálisan invazív technika (indocianin zöld clearance-, intravitális videomikroszkópos-, lézer-Doppler módszerek). Kutatásaink végső célja, kísérletes eredményeinket arra kívánjuk felhasználni, hogy a betegágy mellett is alkalmazható, új, nem invazív diagnosztikai lehetőséget fejlesszünk ki.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A metán biológiai szerepét korábbi eredményeink alapján feltételezhetjük. A biogén metán legjelentősebb forrásai a vastagbelet colonizáló metanogén mikroorganizmusok lehetnek. Emellett más, eddig jórészt ismeretlen mechanizmusok útján is képződhet nem-bakteriális eredetű metán, hipoxia vagy oxido-reduktív stressz alatt, így mesenteriális I/R során magas kilélegzett metán szintet mutattunk ki a reperfúzió kezdetén. Elméletünk szerint a jelenség összefüggésben áll a mikrokeringés újraindulásával. Elgondolásunkat alátámasztja az a klinikai megfigyelésünk, hogy szívsebészeti betegekben autológ vér transzfúzióját követően megnő a kilélegzett metán koncentráció. E jelenség hátterében az átmenetileg fokozódó splanchnikus áramlás és mikrokeringés állhat. A két megfigyelés felveti, hogy a kilélegzett metán szint valós idejű mérése alkalmas-e a mikrokeringés állapotának nyomon követésére. A humán populáció 30-60%-ában mérhető a körlevegőhöz képest magasabb kilélegzett metán koncentráció (metán-termelők). Feltételezzük, hogy termelők esetében az endogén eredetű metán mérése elegendő a mikrokeringési diszfunkció kimutatására bizonyos esetekben (elektív műtétek). Nem-termelők esetében vagy, amikor a korábbi kilélegzett metán szint nem ismert, exogén módon, a GI traktusba juttatva jelenthet megoldást. Kísérleteink során a fentiek alapján több kérdésre keressük a választ. Megvizsgáljuk, hogy az endogén forrásból származó kilélegzett metán milyen összefüggésben áll a vékonybél mikrokeringésével és a hemodinamikai és biokémiai változásokkal. Célunk olyan exogén metánforrás kifejlesztése, amely lehetővé teszi a vékonybél mikrokeringésének nem-invazív monitorozását nem-termelők esetében is.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Akut keringési elégtelenséggel járó kórképek esetében kialakulhat a GI traktus mikrokeringésének diszfunkciója. Az akut károsodás számos esetben életet veszélyeztető állapotot eredményezhet. A GI traktusban bekövetkező keringési zavar számos kórfolyamatot kísérő szövődmény lehet (shock, haemodialysis, szív- és érsebészeti beavatkozások), amely nagy létszámú betegcsoportot érint. Az elzáródással nem járó, mesenteriális áramláscsökkenés felismerése különösen nehéz. A későn diagnosztizált mikrokeringés-romlás miatt a folyamat kialakulása és a kezelés között hosszú idő telhet el. A kezelés elmaradása, vagy késői megkezdése esetén súlyos szeptikus szövődmények alakulhatnak ki, amelyek terápiája a kórházi tartózkodást és a költségeket jelentősen megemeli. Jelen pályázat fő célkitűzése meghatározni az endogén vagy exogén forrásból származó kilélegzett metán szintjében bekövetkező változások kinetikáját és dinamikáját a kialakuló GI mikrokeringési diszfunkcióval összefüggésben. További célunk annak vizsgálata, hogy a kilélegzett metán szint változásait hogyan befolyásolják a lélegeztetési beállítások, módok, valamint az egyes altatógázok. A kilélegzett metán a vékonybél nyálkahártyán keresztül kerül a keringésbe és az alveoláris kapillárisokon keresztül jut a kilélegzett levegőbe, ezért megvizsgálnánk, hogy a légzőrendszer (ARDS), vagy a GI traktus akut és krónikus gyulladással járó kórképei (gastritis, colitis) milyen hatással vannak a kilélegzett metánszint mérésének alkalmazhatóságára. Kutatásunk során fókuszálunk olyan új, exogén metán beviteli lehetőség keresésére, amelynek a későbbiekben biztonságos humán, klinikai alkalmazhatósága is lehetséges (lipid-szuszpenzió, fehérje- vagy kolloidoldatok), valamint olyan betegágy mellett is jól alkalmazható műszer kifejlesztésére, amely könnyen kezelhető, felhasználóbarát és egyszerűen beilleszthető a már meglévő lélegeztető rendszerekbe. Az új, nem invazív monitorozási lehetőség a GI mikrokeringési zavarok korai felismerését teszi lehetővé, amely hozzájárul a késői szövődmények kialakulási kockázatának csökkentéséhez. Ezáltal csökken a kezelések hossza, az alkalmazott gyógyszerek mennyisége, dózisa, így lerövidül és költséghatékonyabbá válik a kórházi kezelés.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A vérkeringés romlására a szervezet által adott válasz, hogy a létfontosságú szervek oxigén ellátását próbálja megtartani, amíg a többi szervtől elvonja a vérellátást. Ennek következtében a bél keringése is zavart szenved, ami megszünteti a bélnyálkahártya védő funkcióját, és így a rajta lévő mikroorganizmusok és káros termékeik bejuthatnak a keringésbe. Ezen folyamat elkerülése érdekében különösen fontos a bél mikrokeringés romlásának időben történő felismerése. Erre jelenleg nem áll mód invazív beavatkozás nélkül. A metán egy biológiai szereppel rendelkező, kicsi gázmolekula, amely legnagyobb részt a bélbaktériumoktól származik. Számos megfigyelés alátámasztja, hogy a lassuló, vagy megszűnő keringés esetén a kilélegzett metán szintje lecsökken, és a visszatérő áramlás kapcsán megemelkedik. Azonban csak az emberek harmada termel megfelelő mértékű metánt a bél keringés vizsgálatához, a többi esetben, vagy ha a kiindulási érték nem ismert, kívülről kell bejuttatni a gázt. A bél mikrokeringés romlása gyakran életveszélyes szövődményekkel jár, amelyek létrejöhetnek szisztémás betegségek és nagyobb beavatkozások kapcsán. A diagnózis felállítását tovább késlelteti, hogy tünetei gyakran enyhék, ám a következmények súlyosak. Ezért célunk a bél mikrokeringése és a kilélegzett metánszint közötti összefüggések felderítése, és a vékonybélbe történő metán bevitelének kidolgozása. Továbbá azt vizsgáljuk, hogy a különböző lélegeztetési beállítások, egyéb betegségek és kezelések hogyan befolyásolják a metán szintjét, valamint kidolgozunk egy betegágy mellett alkalmazható mérő készüléket. Így a korai felismeréssel csökkenthetők a kórházi költségek és megelőzhetők a súlyos szövődmények.
| Summary Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Conditions with low cardiac output (such as sepsis, hemorrhagic shock) are followed by the redistribution of the circulation in order to maintain the perfusion of the vital organs. One of the most characteristic features of this process is vasoconstriction, which does not involve the tissues equally and therefore ischemia may affects peripheral organs more prominently. The splanchnic area especially the mucosa of the small intestine is affected by the vasoconstriction that leads to microcirculatory failure. Paradoxically reperfusion can cause impairment, after the recovery of the circulation, as the part of the therapy. The formation of the oxygen and nitrogen free radicals causes further damage on the endothelium, increases permeability and tissue edema. The mucosa does not able to maintain its barrier function, thus bacteria and bacterial components and products can transferred to the circulation that can finally lead to septic complications. The recognition of the gastrointestinal (GI) hypoperfusion in time is crucial in respect the therapy. With an early diagnosis the latency between the onset of the circulation dysfunction and the therapy get shorter, thus the incidence of the harmful consequences is decreased. Among current methods for monitoring the GI microcirculation there are techniques that are not even suitable for clinical use (marked micro pearls), while other possibilities require invasive or minimal invasive techniques (indocyanin green clearance-, intravital videomicroscopy-, laser-Doppler techniques). The end purpose of our investigations is to create a new non-invasive diagnostic procedure based on our findings which can be used at the bedside.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The biological role of methane can be assumed according to our previous data. The main source of the biogenic methane might be the colon, colonized by methanogen microorganisms. However, other unknown mechanisms may be involved in the production of non-bacterial methane. Under hypoxic conditions or oxido-reductive stress, like mesenteric I/R high concentration of exhaled methane has been shown at the beginning of the reperfusion. In our theory this finding refers to the restarting microcirculation. This idea is supported by a clinical observation in patients underwent cardiac surgery, as autologous blood transfusion caused increase in exhaled methane levels. This effect can be explained by the temporarily increased splanchnic flow and perfusion. The observations of the two studies suggest the exhaled methane levels as a possible tool for tracking the condition of the GI microcirculation. Elevated methane levels can be measured in the 30-60% of the human population compared to the atmospheric concentration. In case of producers we suppose that the measurement of the endogenous methane is sufficient for recognizing the microcirculatory failure in certain cases. However, in non-producers or if methane level is unknown the administration of exogenous methane directly into the GI tract can mean the solution. Therefore several questions emerge. Thus, correlation between the exhaled level of the endogenous methane and the small intestinal perfusion will be studied in parallel with hemodynamic and biochemical changes. Another task is the development of an exogenous source of methane that allows the monitoring of the small bowel microcirculation non-invasively in non-producers.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The dysfunction of the GI microcirculation can evolve because of diseases with circulatory failure. This acute impairment often leads to a life threatening condition. Numerous accompanying diseases can cause GI circulatory disturbance as a complication (shock, hemodialysis, cardio-vascular surgery) that affects high number of patients. The recognition of the reduced mesenteric flow of non-occlusive origin is notably hard. Due to the late diagnosis of the injured microcirculation a lot of time could pass from the onset until the start of the therapy. In absence or late initiation of the adequate treatment septic complications may occur, which can subsequently increase significantly the retention time and charges in hospitals. The main purpose of this application is to determine the kinetics and dynamics of the changes in exhaled methane levels originated from endogenous or exogenous source in connection with GI microcirculatory dysfunction. Our further aim is to examine how the exhaled methane level can be affected by the respiratory settings, modes and the inhaled anesthetic gases. The methane passes through the mucosal membrane of the small intestine into the circulation and from the capillaries of the alveoli to the exhaled air; therefore we it is necessary to explore the effects of the respiratory alterations and acute or chronic inflammatory GI diseases such as gastritis and colitis on the applicability of the measurement of the exhaled methane as a diagnostic tool. In our investigation we focus on a new opportunity to administrate the exogenous methane that provides possibility for safe clinical application (lipid suspension, protein or colloid solution). Furthermore an instrument would be developed that is user friendly, easy to handle and use at the bedside, and could be simply integrated into existing breathing systems. The new possible non-invasive monitoring method allows the early recognition of the GI microcirculatory disorders and contributes to decrease the risk of late complications. This can reduce the length of treatment, the dose and amount of drugs used, shorten and make more cost effective the hospitalization.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The body response of the body to the impairment of circulation is to maintain the oxygen supply of vital organs while distracting the blood supply from the rest of the body. As a consequence, the blood flow in the gut is disturbed, which eliminates the protective function of the bowel mucosa, and thus, the microorganisms and their harmful products enter into the vessels. To avoid this, it is important to detect the damage of the capillaries of the bowel in time. Currently, only few, questionable non-invasive procedures are available. Methane is a small gas molecule mostly comes from the gut bacteria and has biological role. Several observations confirmed that in the event of slowing or stopping of the flow, exhaled methane level drops and rises in relation to the returned flow. However, only one third of the people produce enough methane for examine the intestinal circulation, in other cases, or if the initial value is unknown, the gas should be provided from outside. The alteration of the intestinal microcirculation is often associated with life-threatening complications that may occur in connection with systemic diseases and major interventions. Symptoms are often mild, further delaying the diagnosis, but the consequences are serious. Thus, our aim is exploring the connection between the intestinal perfusion, exhaled methane and the development of a methane intake possibility to the small intestine. We also examine the different ventilator settings and the influence of illnesses and treatments to the level of methane. A measuring device would be worked out to be applied at the bedside. Thus, early detection can reduce hospital costs and prevent serious complications.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
List of publications |
|
|
Bársony A, Vida N, Gajda Á, Rutai A, Mohácsi Á, Szabó A, Boros M, Varga G, Érces D: Methane exhalation can monitor the microcirculatory changes of the intestinal mucosa in a large animal model of hemorrhage and fluid resuscitation., Frontiers in Medicine 7; 669, 2020 | Bari G, Szűcs S, Érces D, Ugocsai M, Bozsó N, Balog D, Boros M, Varga G.: Experimental model for cardiogenic shock with pericardial tamponade, Magy Seb. 2017 Dec;70(4):297-302., 2017 | Mészáros AT, Szilágyi ÁL, Juhász L, Tuboly E, Érces D, Varga G, Hartmann P.: Mitochondria as sources and targets of methane., Front Med (Lausanne). 2017 Nov 13;4:195., 2017 | Nógrády M, Varga G, Szűcs S, Kaszaki J, Boros M, Érces D.: Effects of complement C5a inhibitor therapy in animal models of non-occlusive mesenteric ischemia, Magy Seb. 2017 Sep;70(3):221-231., 2017 | Varga G, Ugocsai M, Hartmann P, Lajkó N, Molnár R, Szűcs S, Jász DK, Érces D, Ghyczy M, Tóth G, Boros M.: Acetylsalicylic acid-tris-hydroxymethyl-aminomethane reduces colon mucosal damage without causing gastric side effects in a rat model of colitis., Inflammopharmacology. 2017 Apr 27., 2017 | Bari Gábor, Érces Dániel, Varga Gabriella, Szűcs Szilárd, Bogáts Gábor, Boros Mihály: The pathophysiology, clinical and experimental possibilities of pericardial tamponade, Orvosi hetilap, 2018 | Szűcs Sz., Bari G., Varga G., Bogáts G., Boros M., Érces D.: A tüdőkeringés nem invazív monitorozási lehetősége kísérletes ECC alatt, Cardiologia Hungarica 47; F13, 2017., 2017 | Bari G., Szűcs Sz., Érces D., Rutai A., Balogh B., Bogáts G., Boros M.,Varga G.: Metán kezelés hatása az extrakorporális keringést követő gyulladásos válaszra kísérletes nagyállat modellen, Cardiologia Hungarica 47; F2, 2017., 2017 | Érces D, Varga G, Szűcs Sz, Balogh D, Bozsó N, Boros M:: Artesunatkezelés hatása a nem okklúzív mesenterialis ischaemia során kialakuló keringési elégtelenségre, Magyar Sebészet 2017; 70(3): p. 260, 2017 | Varga G, Ugocsai M, Hartmann P, Lajkó N, Molnár R, Szűcs Sz, Jász Dk, Ghyczy M, Tóth G, Boros M:: Acetilszalicilsav-tris-hidroximetil-aminometán (asa-tris) gyulladáscsökkentő hatása kísérletes colitisben, Magyar Sebészet 2017; 70(3): p. 259-260, 2017 | Szűcs Sz, Bari G, Varga G, Érces D, Bozsó N, Balog D, Gules M, Gyaraki P, Boros M: A gastrointestinalis mikrokeringésben bekövetkező változások nem invazív monitorozási lehetősége kísérletes pericardialis tamponád során, Magyar Sebészet 2017; 70(3): p. 260, 2017 | Bari Gábor, Érces Dániel, Varga Gabriella, Szűcs Szilárd, Bogáts Gábor, Boros Mihály: The pathophysiology, clinical and experimental possibilities of pericardial tamponade, Orv Hetil. 2018 Feb;159(5):163-167. doi: 10.1556/650.2018.30958. Review. Hungarian., 2018 | Érces D, Varga G, Szűcs Sz, Balogh D, Bozsó N, Boros M:: Artesunatkezelés hatása a nem okklúzív mesenterialis ischaemia során kialakuló keringési elégtelenségre, Magyar Sebészet 2017; 70(3): p. 260, 2017 | Varga G, Ugocsai M, Hartmann P, Lajkó N, Molnár R, Szűcs Sz, Jász Dk, Ghyczy M, Tóth G, Boros M:: Acetilszalicilsav-tris-hidroximetil-aminometán (asa-tris) gyulladáscsökkentő hatása kísérletes colitisben, Magyar Sebészet 2017; 70(3): p. 259-260, 2017 | Szűcs Sz, Bari G, Varga G, Érces D, Bozsó N, Balog D, Gules M, Gyaraki P, Boros M: A gastrointestinalis mikrokeringésben bekövetkező változások nem invazív monitorozási lehetősége kísérletes pericardialis tamponád során, Magyar Sebészet 2017; 70(3): p. 260, 2017 | Bari G, Szűcs S, Érces D, Boros M, Varga G.: Experimental pericardial tamponade-translation of a clinical problem to its large animal model., Turk J Surg. 2018 Sep 1;34(3):205-211. doi: 10.5152/turkjsurg.2018.4181. eCollection 2018., 2018 | Bari G, Érces D, Varga G, Szucs S, Varga Z, Bogáts G, Boros M.: Methane inhalation reduces the systemic inflammatory response in a large animal model of extracorporeal circulation., Eur J Cardiothorac Surg. 2019 Jan 12. doi: 10.1093/ejcts/ezy453. [Epub ahead of print], 2019 | Szűcs S, Bari G, Ugocsai M, Lashkarivand RA, Lajkó N, Mohácsi Á, Szabó A, Kaszaki J, Boros M, Érces D, Varga G.: Detection of Intestinal Tissue Perfusion by Real-Time Breath Methane Analysis in Rat and Pig Models of Mesenteric Circulatory Distress., Crit Care Med. 2019 May;47(5):e403-e411. doi: 10.1097/CCM.0000000000003659., 2019 | Anett Bársony, Noémi Vida, Ámos Gajda, Attila Rutai, Árpád Mohácsi, Anna Szabó, Mihály Boros, Gabriella Varga, Dániel Érces: Methane Exhalation Can Monitor the Microcirculatory Changes of the Intestinal Mucosa in a Large Animal Model of Hemorrhage and Fluid Resuscitation, FRONTIERS IN MEDICINE 7: 567260, 2020 |
|
|
|
|
|
|
Back »
|
|
|