Aloe-vera extract as drag reducing polymer to regulate blood pressure and tissue oxygenation during hemorrhagic shock

Abstract

Hemorrhagic shock is one of the most important causes of death among traumatized patients. The common treatment is replacing lost volume with colloids or crystalloids, which should never be overloaded to return blood pressure to normal levels, otherwise increasing bleeding may cause mortality. In this study, it is aimed to develop a blood supply product to replace conventional resuscitation during hemorrhagic shock. Drag-reducing polymer (DRP) is blood soluble long chain and high molecular weight polymers. These polymers have a significant effect on blood circulation even if they are added at a very small concentration to the blood. Furthermore, these high molecular weight polymers are capable of reducing the resistance in the vascular system without significantly changing its viscosity. DRPs can contribute to tissue perfusion by reducing the plasma region between the red blood cells and the vessel wall, as well as providing better diffusion of oxygen molecules from the red blood cells into the tissues due to their ability to better mix within the plasma surrounding the red blood cells. In this study, AVDRP (aloe-vera based DRP) was obtained from an aloe-vera plant. Given the fact that DRP has a positive effect on tissue perfusion, AVDRP was modified by the fluorinated alkyl chains (AVDRP/F) to allow dissolving more oxygen in the blood and thus, the effect of tissue perfusion was expected to be enhanced. Drag reducing ability (DRA) of AVDRP was tested in vitro with the Extracorporeal Membrane Oxygenation (ECMO) system. Since the Reynolds numbers in the arteries in the body are well below 1000, the flow in the microcirculation is not turbulent; ECMO system allows us to create turbulences flow to show DRA effect of AVDRP. To see the effects of DRPs on blood circulation a fixed-pressure hemorrhagic shock model was studied in rabbits. After shock was induced, the animals were resuscitated with Ringer Lactate (RL), commercial DRP polymer (PEG), AVDRP, or AVDRP/F at a ppm level concentration. Mean arterial pressure (MAP) and tissue perfusion were monitored during whole operation. Partial pressure of oxygen (pO2), partial pressure of carbon dioxide (pCO2), pH, lactate, saturated oxygen (sO2) level and other important blood parameters were measured at each time point by blood gas analyzer. Additional saturated oxygen (sO2) level was also monitored using oxymetry and blood viscosity was measured during whole operation. The results showed that AVDRP and AVDRP/F have a better ability than RL and PEG to reduce pressure decrease during hemorrhagic shock. During resuscitation these groups were recovered their MAP values more than 90%. They showed higher pO2 level than control groups. Laser speckle analysis proved that they have better ability to increase tissue perfusion.

Hemorajik şok, travmatize olan hastalar arasında ölümün en önemli nedenlerinden biridir. Yaygın tedavi, kan basıncını normal seviyelere getirmek için asla aşırı yüklenmemesi gereken kolloidler veya kristaloitler ile kaybedilen hacmin değiştirilmesidir, aksi takdirde kanamanın artması mortaliteye neden olabilir. Bu çalışmada, hemorajik şok sırasında geleneksel resüstasyonun yerine kullanılabilmesi için bir kan tedarik ürünü geliştirilmesi amaçlanmıştır. Sürükleme azaltıcı polimer (SAP) yüksek moleküler ağırlıklı ve kanda çözünebilen uzun zincirlerdir, kana çok küçük konsantrasyonlarda eklenseler bile kan dolaşımı üzerinde önemli bir etkiye sahiptirler. Bu yüksek moleküler ağırlıklı polimer, viskoziteyi önemli oranda değiştirmeden vasküler sistemdeki direnci azaltabilir. SAP'lar, kırmızı kan hücreleri ve damar duvarı arasındaki plazma bölgesini azaltmasının yanı sıra kırmızı kan hücrelerini çevreleyen plazma içinde daha iyi karışabilmeleri nedeniyle oksijen moleküllerinin kırmızı kan hücrelerinden dokulara daha iyi difüz olmasını sağlayarak doku perfüzyonuna katkıda bulunurlar. Bu tez çalışmasında, bir aloe-vera bitkisinden AVSAP (aloe-vera bazlı SAP) elde edilerek, hemorajik şok sırasında kan basıncına ve doku perfüzyonuna etkileri incelenmiştir. Kendilerine özgü mekanizmaları ile SAP'ın doku perfüzyonu üzerinde olumlu etkisi, AVSAP'ın kanda daha fazla oksijen çözünmesine imkan verecek şekilde modifiye edilmesi amaçlanmıştır. Floroalkil zincirleri ile modifiye edilerek elde edilen AVSAP/F polimerinin doku perfüzyonuna etkileri incelenmiştir. AVSAP'ın sürükleme azaltma yeteneği (SA), Ekstrakorporeal Membran Oksijenlendirme (ECMO) sistemi ile türbülanslı akış oluşturularak in-vitro ortamda test edilmiştir. SAP'lerin kan dolaşımı üzerindeki etkileri in-vivo olarak tavşanlarda oluşturulan sabit basınçlı hemorajik şok modeli ile incelenmiştir. Hemorajik şok oluşturulan hayvanlar, ppm seviyesinde bir konsantrasyonda ticari SAP polimeri (PEG), AVSAP ve AVSAP/F ile resüsite edilerek MAP ve doku perfüzyonu değerleri kontrol grubu olarak Ringer Laktat (RL) ile kıyaslanmışlardır. Kısmi oksijen basıncı (pO2), kısmi karbondioksit basıncı (pCO2), pH, laktat, doymuş oksijen (sO2) seviyesi ve diğer önemli kan parametreleri, belirli zaman aralıklarında kan gazı analiz cihazı ile ölçülmüştür. Ek olarak, doymuş oksijen (sO2) seviyesi de oksimetri kullanılarak izlenmiş, kan viskozite değeri de viskozimetre yardımıyla ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar AVSAP ve AVSAP/F'nin hemorajik şok sırasında basınç düşüşünü azaltmada daha iyi performans sergilediklerini göstermiştir. Resüstasyon sırasında bu gruplarda hem MAP değerleri % 90'ten fazla geri kazanılmış hem de kontrol grubuna kıyasla daha yüksek pO2 seviyesine erişilmiştir. Ayrıca, lazer benek analizi, doku perfüzyonunu arttırmada daha iyi olduklarını kanıtlamıştır.