ISSN : 1301-5680
e-ISSN : 2149-8156
TURKISH JOURNAL OF
THORACIC AND
CARDIOVASCULAR SURGERY
Turkish Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery     
Use of Ascorbic Acid in Open Heart Surgery as an Oxygen Free Radical Scavenger
Ergun SALMAN, Mehmet BAYRAKTAROĞLU, Orhan Veli DOĞAN, Yavuz YÖRÜKOĞLU, Ertan YÜCEL, *Şebnem KÖSEBALABAN, **Nazmi ÖZER
SSK Ankara Hastanesi Kalp Damar Cerrahisi Kliniği,
*SSK Ankara Hastanesi Biyokimya Bölümü
**Hacettepe Üniversitesi Tıp Fakültesi Biyokimya ABD Başkanı

Abstract

In order to investigate oxygen free radical scavenging effect of the ascorbic acid (vitamin C), two groups of patients were formed in whom valve surgery planned. In the study group (Group I) high doses of ascorbic acid (15 gr) were administered via IV route during induction of anesthesia. Control group (Group II) did not receive ascorbic acid. During cardiopulmonary bypass systemic hypothermia (28°C), topical hypothermia, and cold intermittant crystalloid cardioplegia (10 ml/kg initially, then 5 ml/kg repeated every 30 minutes) was applied. Mean aortic cross clamp times were similar (Group I:71.8±3.7 min, Group II:73.5±5.2 min, p<0.05) and never less than 30 minutes. Blood samples for biochemical study (lactate, CPK-MB, uric acid, glutathion, vitamin E, malondialdehyde measurements) were taken 1 min, 5 min, 15 min after declamping of the aorta and 15 min after the termination of cardiopulmonary bypass. Hemodynamic measurements of patients (heart rate, cardiac index, systemic vascular resistance, left ventricular stroke work index) were recorded before cardiopulmonary bypass, 15 min, 2 hr, 4 hr, 6 hr, 9 hr, 12 hr, 24 hr after termination of cardiopulmonery bypass. Results of biochemical analysis supported the effect of ascorbic acid as an oxygen difference between two groups. This is tought to be related to the factors which were non uniformly distributed in both groups (pulmonary hypertension, positive inotropic, preload, afterload reducing medications) directly effecting the hemodynamic condition.

Introduction

Deneysel çalışmalar serbest oksijen radikallerinin myokardda iskemik reperfüzyon hasarına neden olduğunu göstermektedir [1,2,3]. Zweier ve arkadaşları iskemik myokardın reperfüzyonu ile serbest radikallerin patlama derecesindeki aşırı artışını direkt olarak ölçülmüşlerdir [3].

Serbest oksijen radikallerinin sebep olduğu hasarı önlemek için eksojen radikal temizleyicisi üzerinde çalışılmıştır. Bunlardan biri de endojen bir antioksidan olan askorbik asittir. Askorbik asit (Vitamin C) membran içindeki ve ekstrasellüler sıvılardaki lipid peroksidasyonunu önler, geniş dozaj limiti içerisinde toksik etkiye sahip değildir. Operasyon gibi fiziksel stresler plasma askorbik asit seviyesinde düşüşe neden olur. Oral veya parenteral verilen yüksek doz askorbik asit plasma seviyesini geçici olarak normale döndürebilir. Normal seviye stres sona erinceye kadar yüksek dozda askorbik asit verilmesi ile devam ettirilebilir.

Literatürde E vitamini ile birlikte verilen askorbik asidin serbest oksijen radikallerini temizleyici etki gösterdiğini bildiren yayınlar vardır [4,5]. Askorbik asidin tek başına nasıl bir etki gösterdiğini saptamak için hem biyokimyasal hem de hemodinamik komponenti olan bu çalışma gerçekleştirilmiştir.

Methods

Kapak cerrahisi planlanan (mitral valv replasmanı, aort valv replasmanı, aort ve mitral valv replasmanı, açık mitral komissürotomi, mitral valv replasmanı + triküspit plasti) Class II-III hastaların teşkil ettiği iki hasta grubu oluşturuldu (Tablo I). Aort kros klemp zamanı 30 dakikanın altında olan hastalar çalışmaya alınmadı.

Tüm hastalara kardiyopulmoner bypas sırasında 28C sistemik hipotermi, topikal hipotermi, ilk önce kilograma 10 mililitreden, daha sonra her 30 dakikada bir kilograma 5 mililitreden kristalloid kardiyopleji uygulandı. Her iki grubun ortalama aort kros klemp zamanları benzerdi (Grup I: 71.8 3.7 dk, Grup II:73.5 5.2 dk, p<0.05). Çalışma grubuna anestezi indüksiyonu sırasında yüksek doz (15 gr) askorbik asit intravenöz infüzyon şeklinde verildi. Kontrol grubuna askorbik asit verilmedi. Her hastaya radial arter kateteri, termodilüsyon kateteri, sağ atriotomi ile koroner sinüs kateteri konuldu. Biyokimyasal analiz için kan numuneleri aort kros klempi kaldırıldıktan sonra 1., 5. ve 15. dakikalarda eş zamanlı olarak radial arter ve koroner sinüs kateterinden, kardiyopulmoner bypasdan çıktından 15 dakika sonra ise sadece radial arter kateterinden alındı. Bu kanların laktat, CPK-MB, ürik asit, glutatyon, E vitamini, malondialdehit seviyelerine bakıldı. Hemodinamak ölçümler – kalp hızı, kardiyak indeks (CI), sistemik vasküler rezistans (SVR), sol ventrikül stroke work indeksi (LVSWI)-kardiyopulmoner bypasa geçmeden önce, kardiyopulmoner bypastan çıktıntan 15 dk, 2 st, 4 st, 9 st, 12 st, 24 st sonra yapıldı. Sonuçlar ortalama değer ± SD olarak verildi. İstatistiki analizler Student-t testi ile yapıldı.

Results

Çalışma grubundaki 11 hastanın 4’ü, kontrol grubundaki 6 hastanın 3’ü erken postoperatif dönemde pozitif inotropik ihtiyacı gösterdi.

Biyokimyasal analiz sonuçları Tablo II’de toplu olarak gösterildi. Her bir zaman grubunda her bir lokalizasyondan (arter, koroner sinüs) alınan kanlardaki laktat, CPK-MB, ürik asit, malon-dialdehit seviyeleri çalışma grubunda kontrol grubuna göre anlamlı olarak düşüktü, reduced glutatyon ve E vitamini seviyeleri ise anlamlı olarak yüksekti.

Hemodinamik ölçüm sonuçları Tablo III’de toplu olarak gösterildi. Burada kardiyopulmoner bypastan çıktıntan 15 dk, 2 st, 4 st, 6 st, 9 st, 12 st ve 24 st sonra yapılan ölçümlerde kalp hızı, CI, SVR, LVSWI açısından her iki grup arasında istatistiki olarak anlamlı bir farklılık tespit edilmedi.

Discussion

İskemi ve reperfüzyon ortamında etkili olan serbest oksijen radikal injürisine karşı myokardı koruyan 2 tip antioksidan vardır.

1) Preventif Antioksidanlar: Bunlar serbest radikallerin potansiyel kaynaklarını H2O2 gibi enert ürünlere çevirirler.

2) Zincir-kıran Antioksidanlar: Bunlar da serbest radikaleri tutar, peroksidatif hasarı önlerler. Biyolojik sistemlerdeki glutatyon peroksidaz, katalaz, katalaz preventif antioksidanlardır. Süperoksit dismutaz (SOD), askorbik asit, ürik asit, bilirubin, reduced glutaton ve protein sülfidril grupları ise suda eriyen eriyen zincir-kıran antioksidandır [8,9].

Kalp ve karaciğerin selenium bağımlı glutatyon peroksidaz aktiviteleri birbirine benzerdir. SOD vücutta ağırlıklı olarak karaciğerde bulunmaktadır. Vücut SOD aktivitesinin %27’si kalp kasındadır. Vücut katalaz aktivitesinin kalp kasına serbest radikalleri detoksifiye etmede karaciğer kadar techiz değildir; reperfüzyon injürisine daha hassastır [10].

Guarnieri ve arkadaşları hipoksinin myokardial glutatyon peroksidaz ve SOD aktivitelerini azalttığını, bunun reoksijenasyon sonrası en az 60 dk devam ettiğini tespit etmişlerdir [11]. Das ve arkadaşları da SOD, katalaz ve glutatyon peroksidaz aktivitelerinin iskemi sonrası azaldığını saptamışlardır [12]. Reperfüzyon sırasında hücresel savunma mekanizmaları iskemi ve hipoksi tarafından sınırlandırıldığı için myokardial serbest radikal injürüsi agreve olabilmektedir.

Myokardial serbest radikal injürisini önlemek için ideal antioksidan hem suda hem de yağda erir olmalıdır. Böyle bir antioksidan hem yağlı hem de sulu kompartmanlara kolayca diffüze olur, lipid peroksidasyonunu önler.

Askorbik asitin (C vitamini) efektif bir suda erir antioksidan olduğu öne sürülmektedir [6,13]. Askorbik asit, alfa-tocopherol (E vitamini) ve Toroloxun (E vitamininin suda eriyena analoğu) serbest radiallerle parsiyel oksidasyonu sonucu oluşan tocopheroxyl ve Trolox radikalleri tekrar alfa-tocopherol ve Trolox radikalleri tekrar alfa-tocopherol ve Troloxa çevirebilir. Böylece membran serbest radikaller hasara yol açabildikleri lipid fazdan nisbet inert olan sulu fazla taşınmış olurlar [5,13].

Vücutta serbest oksijen radikal injürisi şu şekilde gelişmektedir: oksijene bir elektorn eklen-mesiyle oluşan süperoksit anyonu ile oksijene üç elektron eklenmesi ile oluşan hidroksil radikalin çevreden elektron çekebilme yani okside edebilme kapasiteleri vardır. Eğer bu maddeler hücre içinde bulunan antioksidan maddelerin detoksifiye etme kapasitelerini aşan miktarlarda olurlarsa oksidatif stres yaratırlar. Bu oksidatif stres tüm hücre elemanlarına özellikle lipidler, membran lipidleri, membran proteinleri, iyonik homeostazisi sağlayan proteinleri, iyonik homeostazisi sağlayan proteinlere zarar verir. Serbest radikallerin potansiyel kaynakları mitokondri, xanthine oksidaz, prostaglandin biyosentezi, fagositik hücre infiltrasyonudur.

Serbest radikallerin sebep olduğu oksidatif stresin global sonucu irreversibl hücre nekrozudur[14].

Süperoksit anyonunun univalent redüksiyonu ile oluşan hidrojen peroksidin metabolizmasında iki önemli enzim vardır. Biri myokardda çok az miktarda bulunan katalaz, diğeri miyokard cytosolüsde önemli miktarda bulunan glutatyon peroksidaz. Heksoz monofosfat şantı glukoz 6 fosfat oksidasyonu yolu ile NADPH oluşturur. NADPH glutatyon redüktazı aktive ederek reducerd glutatyon (GSH) oluşumunu sağlar. Reduced glutatyon da glutatyon peroksidaz tarafından oxidized glutatyona (GSSH) çevrilir. Bu zincir ile oksidatif strese neden olan peroksitlerin miktarı azaltılmış olur. Burada ortaya çıkan glutatyon hücresel oksidatif olaylar hakkında bilgi veren önemli markerlardan biridir. Dokudaki ya da koroner dolaşımdaki glutatyon miktarının artması hücrelerin oksidatif stresden korunduğunun bir göstergesidir [15].

Serbest oksijen radikallerinin zararlı etkilerinden en çok etkilenen hücre elemanları membran lipidleridir. Oksidatif atak özellikle polyansatüre yağ asitlerinin peroksidasyonu ile kendisini gösterir. Lipid peroksidasyonu sonucu lipid radikalleri oluşur. Bu radikaller biraraya gelerek konjuge diene’leri yaparlar. Devam eden oksidasyonla bu diene’ler de parçalanır, malon-dialdehit bu zincir sırasında bir ara ürün olarak oluşur. Bu nedenle malondialdehit düzeyi oksidatif polyansatüre yağ asitleri (PUFA) hasarını bir göstergesi olarak kabul edilir. Malondialdehit miktarının artması hasarı gösterir [16].

Hücre zarında oluşan hasardan dolayı hücre zarında bazı moleküllerin geçişine karşı var olan bariyer ortadan kalkar. Bu durum CPK-MB gibi bazı enzimler hücre dışına çıkar. Kanda CPK-MB düzeyinin artması da hücre hasarını gösterir.

Bu bilgilerin ışığında sonuçlarımızı irdelersek çalışma grubunda ürik asidin düşük çıkması askorbik asidin adenin nükleotidlerin degredasyonunu azaltıcı etkisini göstermektedir(17). E vitamini düzeyinin artması C vitaminin E vitaminin parsiyel oksidasyonu sonucu oluşan tocopheroxyl radikalleri tekrar E vitaminine çevirici etkisindedir. Çalışma grubunda CPK-MB düzeyinin kontrol grubuna göre düşük olması bu grupta hücre hasarının kontrol grubuna göre az olduğunu ifade etmektedir. Çalışma grubunda malondialdehitin azalması, lreduced glutatyonunu artması askorbik asidin serbest oksijen radikal temizleyici etkisinin bir sonucudur.

Askorbik asidin bir serbest oksijen radikal temizleyici olduğunu gösteren biyokimyasal çalışmayı hemodinamik çalışma desteklemedi. Biz bunu hemodinamiyi direkt olarak etkileyen, dağılımı her iki grupta uniform olmayan pulmoner hipertansiyon, pozitif inotropik, preload, afterload düşürücü ilaç kullanımına bağladık.

Biyokimyasal analiz sonuçları
Hemodinamik ölçüm sonuçları

References

1) Jolly SR, Kane WJ, Baillie MB, et al: Canine myocardial reperfusion injury; its reduction by the combined administration of superoxide dismutase and catalase. Circ Res 54:277-85,1984.

2) Romaschin AD, Rebeykan I, Wilson GJ, Mickhe DAG: Conjugated dienes in ischemic and reperfused myocardium; an invivo chemical signature of oxygen free radical-mediated injury. J Mol Celi Cardiol 19:289-302,1987.

3) Zweier JL, Flaherty JT, Weisofcldt ML: Direct measurement of free radical generation following reperfusion of ischemic myocardium. Proc Natl Acad Sci USA 84:1404-7,1987.

4) Mickle DAG, Ren-Ke L, Weisel RD et al: Myocardial salvage with Trolox and Ascorbic acid for an acute evolving infarction. Ann Thorac Surg 47:553-7,1989.

5) Barclay LRC, Locke SJ, MacNeil JM: Autoxidation in micelles. SYnergism of vitamin C with lipid-soluble vitamin E and water-soluble Trolox. Can J Chem 63:366-74,1985.

6) Wayner DDM, Burton GW, Ingold KV, et al: The relative contributions of vitamin E, urate, ascorbate and proteins to the total radical trapping antioxidant activity of human blood plasma. Biochim Bioppys Açta. 924:408-19, 1987.

7) Stocker R, Yamamoto Y, Mc Donagh AF, Glazer AN, Ames BN: Bilirubin is an antioxidant of possible physiological importance. Science 235:1043-6, 1987.

8) Burton GW, Joyce A, Ingold KV: Is vitamin E the only lipid soluble, chain breaking antioxidant in human blood plasma and erythrocyte membranes? Arch Biochem Biophys 221:285-90,1983.

9) Cheeseman KH, Collings M, Proudfoot K, et al: Studies on lipid peroxidation in normal and tumour tissues. The Novikoff rat liver tumour. Biochem J 285:507-14,1986.

10) Doroshow JH, Locker GY, Myers CE: Enzymatic defenses of the mouse heart against reactive radicals. J Clinlnvest 65:128-35,1980.

11) Guarnieri C, Flamigni F, Caldarera CM: Role ofoxygen in the cellular damage induced by reoxygenation of hypoxic heart. J Mol Celi Cardiol 12:797-808, 1980.

12) Das DK, Engelman RM, Rousou JA, et al: Pathophysiology of superoxide radical as a potential mediator of reperfusion injury in the pig heart. Basic Res Cardiol 81:155-66,1986.

13) Doba T, Burton GW, Ingold KV: Antioxidant and co-oxidant activity of vitamin C or a water-solube vitamin E analogue, upon the peroxidation of aqueous multilamellar phospholipid liposomes. Biochim Biophsy Açta 835:298-303,1985.

14) Simpson PJ, Lucchesi BR: Informative review. Free radicals and myocardial ischemia and reperfusion injury. J Lab Clin Med 110:13-30,1987.

15) Ferrari R, Ceconi C, Curello S, et al: Oxygen free radicals and myocardial damage; Protective role of Thiol-containing agents. Am J Med 91:95-105 (suppl 3C),1991.

16) Janeiro DR, Burghardt B. Cardiac membrane Vitamen E and malondialdehyde levels in heart muscle of normotensive and spontaneously hypertinsive rats. Lipids. 24:33-38,1989.

17) Barta E, Pechan I, Cornak V, et al: Protective effective of alpha-tocopherol and L-ascorbik acid against the ischemic-reperfusion injury in patients during open-heart surgery. Bratisl Lek Listy. 92:174-83, 1991.