Combination Therapy With Insulin-like Growth Factor-1 and Hypothermia Synergistically Improves Outcome After Transient Global Brain Ischemia in the Rat

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Abstract

Objectives:

Hypothermia has a well-established neuroprotective effect and offers a foundation for combination therapy for brain ischemia. The authors evaluated the effect of combination therapy with insulin-like growth factor-1 (IGF-1) and hypothermia on brain structure and function in the setting of global brain ischemia and reperfusion in rats.

Methods:

Male Sprague-Dawley rats were randomly assigned to groups by a registrar. Animals were subjected to 8 minutes of global brain ischemia using bilateral carotid occlusion and systemic hypotension, followed by 7 days (Stage I dose studies) or 28 days (Stage II outcome studies) of reperfusion. Sham controls were subjected to surgery, but not ischemia. Stage II animals were randomized to no treatment, IGF-1 at the dose determined in Stage I, hypothermia (32°C for 4 hours), or a combination of IGF-1 and hypothermia. Stage II animals underwent 21 days of spatial memory testing. At 7 days (Stage I) or 28 days (Stage II), brains were harvested for counting of CA1 neurons. The primary Stage II outcome was a neurologic outcome index computed as the ratio of viable CA1 neurons per 300-μm field to the number of days to reach success criteria on the memory task.

Results:

Stage I experiments confirmed the neuroprotective effect of the hypothermia protocol and IGF-1 at a dose of 0.6 U/kg. Stage II studies suggested that early neuroprotection with hypothermia and IGF-1 was not well maintained to 28 days and that combination therapy was more beneficial than either IGF-1 or hypothermia alone. Median and interquartile ranges (IQRs) of viable neurons per 300-μm field were 114 (IQR = 99.5 to 136) for sham, three (IQR = 2 to 4.8) for untreated ischemia, four (IQR = 3 to 70.25) for ischemia treated with IGF-1 alone, 25 (IQR = 3 to 70) for ischemia treated with hypothermia alone, and 78 (IQR 47.3 to 97.5) for ischemia treated with combination therapy. Days to memory success criteria were 13.6 (IQR = 11.5 to 15.5 days) for sham, 23.5 (IQR = 20 to 25.5 days) for untreated ischemia, 17.5 (IQR = 15.5 to 25.5 days) for ischemia treated with IGF-1, 15 (IQR = 14.5 to 21 days) for ischemia treated with hypothermia, and 13.5 (IQR = 12.25 to 18.5 days) for ischemia treated with combination therapy. Neurologic outcome indices were 8.5 (IQR = 7.4 to 9.5) for sham, 0.14 (IQR = 0.08 to 0.2) for untreated ischemia, 0.18 (IQR = 0.17 to 4.6) for ischemia treated with IGF-1, 0.7 (IQR = 0.2 to 4.8) for ischemia treated with hypothermia, and 5.7 (IQR = 3.3 to 6.2) for ischemia treated with combination therapy. Statistically significant differences in neuron counts, days to memory test criteria, and outcome index were found between sham and untreated ischemic animals. Of the three treatment regimens, only combination therapy showed a statistically significant difference from the untreated ischemic group for neuronal salvage (p = 0.02), days to criteria (p = 0.043), and outcome index (p = 0.014).

Conclusions:

Combination therapy with IGF-1 (0.6 U/kg) and therapeutic hypothermia (32°C for 4 hours) at the onset of reperfusion synergistically preserves CA1 structure and function at 28 days after 8 minutes of global brain ischemia in healthy male rats.

Resumen:

La Terapia Combinada con IGF-1 e Hipotermia Mejora de Forma Sinérgica el Resultado tras la Isquemia Cerebral Global Transitoria en la Rata

Objetivos:

La hipotermia tiene un efecto neuroprotector bien establecido y ofrece un principio para la terapia combinada de la isquemia cerebral. Se evaluó el efecto de la terapia combinada con IGF-1 e hipotermia en la estructura y la función cerebral en el escenario de la isquemia global cerebral y la reperfusión en ratas.

Metodología:

Se asignaron de forma aleatorizada ratas macho Sprague-Dawley a diferentes grupos mediante un registro. Se sometió a los animales a ocho minutos de isquemia global cerebral transitoria mediante la oclusión de ambas carótidas y la hipotensión sistémica, seguido de 7 días (Etapa I estudios de dosis) o 28 días (Etapa II de estudios de resultados) de reperfusión. Los controles se sometieron a cirugía, pero no a isquemia. En la Etapa II, los animales se asignaron de forma aleatoria a no tratamiento, a IGF-1 a la dosis determinada en la Etapa I, a hipotermia (32°C durante 4 horas) o a la combinación de IGF-1 e hipotermia. Los animales de la Etapa II fueron sometidos a 21 días de test de memoria espacial. A los siete días (Etapa I) o a los 28 días (Etapa II), los cerebros se extrajeron para contar las neuronas CA1. El resultado principal de la Etapa II fue un índice de resultado neurológico que se cuantificó como el porcentaje de neuronas viables CA1 por 300 μm de campo para el número de días necesario para alcanzar el criterio de éxito en la tarea de memoria.

Resultados:

Los experimentos de la Etapa I confirmaron el efecto neuroprotector del protocolo de hipotermia e IGF-1 a dosis de 0,6 U/kg. Los estudios de la Etapa II sugirieron que la neuroprotección precoz con hipotermia e IGF-1 no se mantuvo adecuadamente a los 28 días, y que la terapia combinada fue más beneficiosa que el IGF-1 o la hipotermia aislada. La mediana y los rangos intercuartílicos (RIC) de neuronas viables por 300 μm de campo fue 114 (RIC 99,5 a 136) para falsos controles, 3 (RIC 2 a 4,8) para isquemia no tratada, 4 (RIC 3 a 70,25) para isquemia tratada con sólo IGF-1, 25 (RIC 3 a 70) para isquemia tratada con sólo hipotermia y 78 (RIC 47,3 a 97,5) para isquemia tratada con terapia combinada. Los días hasta alcanzar los criterios de éxito de memoria fueron 13,6 (RIC 11,5 a 15,5 días) para falsos controles, 23,5 (RIC 20 a 25,5 días) para isquemia no tratada, 17,5 (RIC 15,5 a 25,5 días) para isquemia tratada sólo con IGF-1, 15 (RIC 14,5 a 21 días) para isquemia tratada sólo con hipotermia y 13,5 (RIC 12,25 a 18,5 días) para isquemia tratada con terapia combinada. Los índices de resultado neurológico fueron 8,5 (RIC 7,4 a 9,5) para falsos controles, 0,14 (RIC 0,08 a 0,2) para isquemia no tratada, 0,18 (RIC 0,17 a 4,6) para isquemia tratada con IGF-1, 0,7 (RIC 0,2 a 4,8) para isquemia tratada con hipotermia y 5,7 (RIC 3,3 a 6,2) para isquemia tratada con terapia combinada. Se encontraron diferencias estadísticamente significativas en la suma de neuronas, los días hasta los criterios de test de memoria y los índices de resultado entre los falsos controles y los animales con isquemia no tratada. De los tres regímenes terapéuticos, sólo la terapia combinada mostró una diferencia estadísticamente significativa del grupo isquémico no tratado para las neuronas salvajes (p = 0,02), los días hasta los criterios (p = 0,043) y el índice de resultado (p = 0,014). La terapia combinada demostró tendencias hacia la mejora en la mortalidad y las crisis tras la isquemia.

Conclusiones:

La terapia combinada con IGF-1 (0,6 U/kg) y la hipotermia terapéutica (32°C durante cuatro horas) al inicio de la reperfusión preserva de forma sinérgica la estructura y la función CA1 a los 28 días tras ocho minutos de isquemia global transitoria en ratas macho sanas.

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