Intramuscular measurement of PCO2 to diagnose susceptibility to malignant hyperthermia

Die Maligne Hyperthermie ist eine latente Myopathie, deren Anlageträger im täglichen Leben nicht ohne weiteres zu identifizieren sind. Gerät eine zur MH-veranlagte Person jedoch in Kontakt mit einer der Triggersubstanzen (volatile Inhalationsanästhetika und depolarisierende Muskelrelaxantien), so kommt es durch den vererbten Defekt im Ryanodin-Rezeptor zu einem Hypermetabolismus der Skelettmuskulatur, verbunden mit Laktatazidose, Kohlendioxidanstieg und Temperaturerhöhung. Der derzeitige Goldstandard der MH-Diagnostik, der In-vitro Kontrakturtest, erfordert eine invasive Muskelbiopsie vom Patienten sowie zeit- und kostenintensive Laboruntersuchungen. Die nicht-invasive molekulargenetische Diagnostik führt nur bei einem Teil der Patienten zur endgültigen Diagnose, da nur bei ungefähr 40 % aller MH-Familien eine der untersuchten Mutationen gefunden wird. Um ein minimal-invasives Testverfahren zu entwickeln, das auf alle Patienten anwendbar ist, wurde in dieser Arbeit untersucht, ob die intramuskuläre Bestimmung der CO2-Partialdruckänderung nach lokaler Applikation der Triggersubstanz Halothan zu einem Unterschied zwischen MH-Veranlagten und nicht MH-Veranlagten führt. Des Weiteren sollte überprüft werden, ob die intramuskuläre Injektion der Triggersubstanz Sevofluran ebenfalls eine messbare Stoffwechselveränderung hervorruft, die zu einer Unterscheidung zwischen den Gruppen führt. Zur Untersuchung der Reaktion auf Halothan wurden bei 16 freiwilligen Probanden (8 MHS, 8 MHN) je zwei Messeinrichtungen, bestehend aus einem Zuspritzkatheter und einer CO2-Messsonde, im M. vastus lateralis platziert. Nach Applikation von 200 microl Halothan 5 Vol% bzw. 6 Vol% wurden die CO2-Veränderungen für 30 Minuten aufgezeichnet. Zur Detektion etwaiger lokaler oder systemischer Nebenwirkungen erfolgte die Registrierung der Vitalfunktionen sowie bestimmter metabolischer Parameter. Die Untersuchung der Reaktion auf Sevofluran erfolgte an 16 Pietrain-Schweinen (8 MHS, 6 MHN) nach gleicher Methode. Appliziert wurden je 100 microl Sevofluran 2,5 Vol%, 5 Vol%, 7,5 Vol% und 15 Vol% sowie ein Sevofluran-Dantrolen Gemisch. Auch hier wurden systemische und metabolische Parameter bestimmt. Sowohl Halothan als auch Sevofluran führten zu einer lokal gesteigerten messbaren CO2-Produktion. Dabei ergaben sich für beide Substanzen signifikante Unterschiede zwischen den Gruppen sowohl für den jeweils bestimmten maximalen CO2-Partialdruck als auch für den berechneten maximalen pCO2-Anstieg. Die Reaktion auf das Sevofluran-Dantrolen Gemisch zeigte keine Unterschiede zwischen den Gruppen. Ausgeprägte systemische oder lokale Nebenwirkungen wurden in keiner der beiden Versuchsreihen beobachtet. Wie auch schon in anderen Studien konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die intramuskuläre Applikation von Triggersubstanzen zu einem lokal gesteigerten Stoffwechsel führt, der sich anhand einer lokalen CO2-Messung verifizieren lässt. Die gemessene Stoffwechselsteigerung ist dabei abhängig von der Art der applizierten Triggersubstanz, ihrer Konzentration sowie dem verwendeten Applikationsverfahren. Bei MH-Veranlagten erfolgt die Steigerung des Stoffwechsels sowohl schneller als auch ausgeprägter, was eine Unterscheidung zwischen ihnen und nicht MH-Veranlagten erlaubt. Das vorgestellte metabolische Messverfahren nach Applikation von Halothan oder Sevofluran ist somit ein Erfolg versprechender Ansatz zur minimal-invasiven Diagnostik einer Veranlagung zur Malignen Hyperthermie.In malignant hyperthermia (MH) susceptible individuals, anaesthesia with volatile anaesthetics and depolarising muscle relaxants may lead to a potentially lethal metabolic syndrome of skeletal muscle metabolism as a result of uncontrolled calcium release. The loss of control of the myoplasmic calcium regulation leads to hypermetabolism, muscle rigidity, lactic acidosis and heat production. Susceptibility to MH is diagnosed by an invasive, in vitro, muscle contracture test with halothane and caffeine according to standardised test protocols of the European and the North American MH Groups. As the required muscle biopsy for testing is associated with the risk of wound infection, bleeding or sensory deficit, and genetic evidence of a causative mutation for MH is found in less than 50% of susceptible individuals, alternative and minimally invasive methods to detect MH susceptibility continue to be sought for. In this dissertation it was hypothesised that intramuscular halothane injection increases local PCO2 concentrations in malignant hyperthermia susceptible (MHS) but not in non-susceptible (MHN) individuals. It was furthermore hypothesised that intramuscular sevoflurane injection allows diagnostic differentiation between malignant hyperthermia susceptible (MHS) and non-susceptible(MHN) pigs by measurement of intramuscular PCO2, and that dantrolene reduces the sevoflurane-induced PCO2 increase. PCO2 probes with attached microtubing catheters for halothane injection were placed into the lateral vastus muscle of eight MHS and eight MHN probands. Following equilibration, a single bolus of 200 microl halothane 5 and 6 vol% was injected. PCO2 was measured spectrophotometrically. Baseline PCO2 concentrations were similar between groups. Maximum PCO2 and maximum rate of PCO2 increase was significantly enhanced by halothane 5 and 6 vol% in MHS compared to MHN probands. Systemic haemodynamic and metabolic parameters did not differ between both groups. For measuring the reaction to sevoflurane PCO2 probes with microtubing were positioned in the triceps muscle of 8 MHS and 6 MHN pigs. Following equilibration, sevoflurane boli at different concentrations and a sevoflurane dantrolene bolus were injected synchronously. PCO2 was measured spectrophotometrically and the rate of PCO2 increase was calculated. Intramuscular sevoflurane injection increased local PCO2 dosedependently and significantly higher in MHS than in MHN pigs. Measurement of the rate of PCO2 increase allowed a distinct differentiation between single MHS and MHN pigs. No significant increase in PCO2 was found with sevoflurane and dantrolene. In conclusion local halothane application induces a hypermetabolic reaction with a significant PCO2 increase in MHS compared to MHN probands, indicating a susceptibility to malignant hyperthermia. Intramuscular halothane injection with PCO2 measurement seems to be a suitable method for the development of a minimally invasive metabolic test to diagnose malignant hyperthermia susceptibility. Also local injection of sevoflurane induces a hypermetabolic reaction measured by PCO2 increases. The reduced PCO2 increase in MHS following sevoflurane and dantrolene injection is suggestively a result of the sevoflurane mediated calcium release and its antagonism by dantrolene. Therefore also Sevoflurane may be useful for a minimally invasive diagnostic test for malignant hyperthermia in man