Compartment syndrome–induced microvascular dysfunction: an experimental rodent model

Compartment syndrome–induced microvascular dysfunction: an experimental rodent model

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Abdel-Rahman Lawendy, MD*†‡§; David W. Sanders, MD, MSc*†‡; Aurelia Bihari, MSc†§; Neil Parry, MD‡¶**; Daryl Gray, MD‡¶; Amit Badhwar, PhD†§¶

From the *Division of Orthopaedic Surgery and the †Department of Medical Biophysics, University of Western Ontario, the ‡Trauma Program, London Health Sciences Centre, the §Centre for Critical Illness Research, Lawson Health Research Institute, the ¶Division of General Surgery and the **Division of Critical Care, Department of Medicine, Schulich School of Medicine and Dentistry, University of Western Ontario, London, Ont.

Abstract

Background: Acute compartment syndrome (CS) is a limb-threatening disease that results from increased intracompartmental pressure. The pathophysiologic mechanisms by which this occurs are poorly understood. This study was designed to measure the effects of increased intracompartmental pressure on skeletal muscle microcirculation, inflammation and cellular injury using intravital videomicroscopy (IVVM) in a clinically relevant small animal model.

Methods: We induced CS in 10 male Wistar rats (175–250 g), using a saline infusion technique. Intracompartmental pressure was controlled between 30 and 40 mm Hg and maintained for 45 minutes. After fasciotomy, the extensor digitorum longus muscle was visualized using IVVM, and perfusion was quantified. We quantified leukocyte recruitment to measure the inflammatory response. We measured muscle cellular injury using a differential fluorescent staining technique.

Results: The number of nonperfused capillaries increased from 12.7 (standard error of the mean [SEM] 1.4 ) per mm in the control group to 30.0 (SEM 6.7) per mm following 45 minutes of elevated intracompartmental pressure (CS group; p = 0.031). The mean number of continuously perfused capillaries (and SEM) decreased from 78.4 (3.2) per mm in the control group to 41.4 (6.9) per mm in the CS group (p = 0.001). The proportion of injured cells increased from 5.0% (SEM 2.1%) in the control group to 16.3% (SEM 6.8%) in the CS group (p = 0.006). The mean number of activated leukocytes increased from 3.6 (SEM 0.7) per 100 μm2 in the control group to 8.6 (SEM 1.8) per 100 μm2 in the CS group (p = 0.033).

Conclusion: Early CS-induced microvascular dysfunction resulted in a decrease in nutritive capillary perfusion and an increase in cellular injury and was associated with a severe acute inflammatory component.

Résumé

Contexte : Le syndrome compartimental aigu (SC) est une affection qui met en danger un membre et résulte d’une élévation de la pression intracompartimentale. Les mécanismes physiopathologiques à l’origine du syndrome sont mal compris. Cette étude visait à mesurer les effets de l’élévation de la pression intracompartimentale sur la microcirculation dans les muscles de l’appareil locomoteur, l’inflammation et les lésions cellulaires au moyen de la vidéomicroscopie intravitale (VMIV) dans un modèle d’animal de petite taille pertinent sur le plan clinique.

Méthodes : Nous avons provoqué un SC chez 10 rats Wistar mâles (175–250 g) en utilisant une technique de perfusion de solution physiologique. La pression intracompartimentale a été maintenue entre 30 et 40 mm Hg pendant 45 minutes. Après une fasciotomie, nous avons visualisé le muscle extenseur commun des orteils par VMIV et quantifié la perfusion. Nous avons quantifié la mobilisation des leucocytes afin de mesurer la réaction inflammatoire. Nous avons mesuré les lésions des cellules des muscles en utilisant une technique de coloration fluorescente différentielle.

Résultats : Le nombre de capillaires non perfusés est passé de 12,7 (erreur type de la moyenne [ETM] 1,4 ) par mm chez les sujets témoins à 30,0 (ETM 6,7) par mm après 45 minutes de pression intracompartimentale élevée (groupe SC; p = 0,031). Le nombre de capillaires perfusés continuellement (et ETM) est passé de 78,4 (3,2) par mm chez les sujets témoins à 41,4 (6,9) par mm chez les sujets du groupe SC (p = 0,001). La proportion de cellules traumatisées est passée de 5,0 % (ETM 2,1 %) chez les sujets témoins à 16,3 % (ETM 6,8 %) chez ceux du groupe SC (p = 0,006). Le nombre moyen de leucocytes activés est passé de 3,6 (ETM 0,7) par 100 μm2 chez les sujets témoins à 8,6 (ETM 1,8) par 100 μm2 chez ceux du groupe SC (p = 0,033).

Conclusion : Le SC a provoqué rapidement une dysfonction microvasculaire entraînant une baisse de la perfusion capillaire nutritive et une élévation des lésions cellulaires, et a été associé à une composante inflammatoire aiguë sévère.


Accepted for publication Mar. 23, 2010

Competing interests: None declared.

Contributors: Dr. Lawendy designed the study and wrote the article. Ms. Bihari acquired the data. All authors analyzed the data, reviewed the article and approved its publication.

DOI: 10.1503/cjs.048309

Correspondence to: Dr. A.-R. Lawendy, Victoria Hospital, Rm. A6-142, London Health Sciences Centre, 800 Commissioners Rd. E, London ON N6A 5G5 arlawend@uwo.ca