• 検索結果がありません。

Blood Flow Changes in the Hypothalamus duringPyrogen-induced Fever in Rabbits

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "Blood Flow Changes in the Hypothalamus duringPyrogen-induced Fever in Rabbits"

Copied!
8
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

Blood Flow Changes in the Hypothalamus during Pyrogen‑induced Fever in Rabbits

Takaakira INOMOTO, Nobu OHWATARI, and Mitsuo KOSAKA

Department of Epidemiology and Environmental Physiology , Institute Kor Tropical Medicine, Nagasaki university

Abstract : It has been generally accepted that local brain temperature has three physical factors, i. e., metabolic heat production in local cerebral tissue, local blood flow, and the temperature of inflowing blood. From the thermoregulatory point of view, it is particularly important to determine how these three factors regulate the hypothalamic temper‑

ature. The present study was designed to evaluate changes in hypothalamic blood flow during pyrogen‑induced fever in rabbits. A hydrogen clearance method was used to measure cerebral blood flow with conscious animals restrained stereotaxically. Blood flows were calculated from the initial slope of hydrogen clearance curves. After intravenous injection of LPS‑pyrogen (from E. coli), the blood flow was increased or decreased with similar shifts of biphasic character in hypothalamic temperature. This suggests that blood flow changes in the hypothalamus may play an important role in fluctuations of hypothalamic temperature during pyrogen‑induced fever.

INTRODUCTION

Bacterial pvrogens are known to induce fever in most experimental animals, includ「

ing the rabbit, and have been used to investigate mechanisms of thermogenesis (for

review see Cranston, 1976 ; Rosendorff, 1976 ; Hellon, 1978〕― We recently showed that

during pyrogen‑induced fever in rabbits, hypothalamic temperature was increased with a decrease in blood flow in the common carotid artery, and we suggested that this hypothal‑

amic temperature change might be induced by an alteration of hypothalamic blood flow (Inomoto et al. , 1979). From the thermoregulatory point of view, it is particularly impor‑

tant to determine the possible effect of hypothalamic blood flow changes on fluctuations

in hypothalamic temperature ―

Cranston and Rosendorff (1968b) and Rosendorff (1973) have shown an increase in

hypothalamic blood flow during pyrogen―induced fever in rabbits using a 133Xe injection

technique.

The present study was also designed to evaluate blood flow changes in the hypothal‑

amus in response to intravenous injection of pyrogen in rabbits. However, we used a Contribution No.893 from the Institute for Tropical Medicine, Nagasaki University.

Received for publication, October 31, 1979

(2)

hydrogen clearance method to measure blood flow because repeated measurements can be readily performed. The hydrogen clearance method has been employed by many invest!‑

gators since Fieschi et al. (1965) to measure local cerebral blood flow in a variety of species, including the rabbit (Halsey et al. , 1977). The theoretical principle of the method was described by Aukland et al. (1964). In this study, hypothalamic temperature was also measured, and the possible roles for hypothalamic blood flow changes in fluctuations of

hypothalamic temperature were discussed.

MATEI一*IALS AND METHODS

Male albino rabbits weighing 2.7―3.4 kg were used in this study. The following

surgical procedures and experiments were carried out with unanesthetized animals restrained stereotaxically under an ambient temperature of about 28oC.

Surgical procedures

After the animal's head was fixed in a prone position using a stereotaxic apparatus,

two holes were drilled in the exposed skull bilaterally to the midline above the preoptic area

of the hypothalamus according to the atlas of Monnier and Gangloff (1961). For the measurement of hypothalamic blood flow, a Pt/Pt black electrode 〔tip ; 300 〟 in diameter and 1 mm in length〕 was inserted stereotaxically into the hypothalamic region. The indifferent Ag/AgCl electrode was placed under the incised skin and sutured with the

surrounding tissues. For the measurement of hypothalamic temperature, a copper―con‑

stantan thermocouple (1 mm in diameter) was inserted stereotaxically into the hypothalamus, through another craniotomy hole. All Pt/Pt black electrodes and thermocouples were anchored rigidly to the skull by a piece of gum.

Measurements of hypothalamic blood flow

A polarizing voltage of 10‑50 mV was applied between the two electrodes, and about 30 minutes were allowed for stabilization of the electrode system before hydrogen clearance

was measured. The animal was then given a hydrogen―air mixture to breathe sponta‑

neously for 60 seconds. A hydrogen monitor 〔PHG―300, M. T. GIKEN〕 and an electronic

polyrecorder 〔EPR‑10B, TOA DENPA) was used for amplification and recording, re‑

spectively. The electrical circuit of the recording system is shown in Fig. 1. The first 40 seconds of the clearance curve recorded after inhalation of hydrogen had been stopped was discounted in order to correct for the

arterial recirculation of hydrogen as discussed by Pasztor et al. (1973) and Halsey et al.

(1977〕 The curves were replotted on semi‑

logarithmic paper, and blood flows were

calculated from the two―minute initial

of the curve (see ''initial slope technique" of Olesen et a/., 1971).

Fig. 1. Block dia即am of the recording system.

(3)

且坤erimental design

After the electrode system had been stabilized, individual basal flow values for 15 rabbits were determined over a 30 minute interval. The animals were then divided into a test and control group of 8 and 7 animals, respectively. Test animals were given 1‑3μ LPS‑pyrogen (Lipopolysaccharide from E. coli, B‑8, SIGMA), distilled in 2 ml physio‑

logical saline solution, through the retroauricular vein. Control animals received 2 ml of a physiological saline solution without pyrogen. Blood flows were measured repeatedly over four consecutive intervals of 30 minutes each, and differences in the flow changes from the basal value were compared between the two groups. In addition to hypothalamic temperature, temperatures of the rectum and ear skin, measured with copper‑constantan thermocouples connected to an electric thermometer 〔ELLAB〕 and the respiratory rate were recorded in order to monitor effects of the drug administration.

RESU―LTS

Basal hypothalamic blood flow

After stabilization of the electrode system, basal blood flows were measured over a 30 minute interval for 15 animals. Either monoexponential or biexponential hydrogen clearance curves were obtained 〔Table l〕. Ten oat of 15 animals had only monoexponential clearances, while 5 showed only biexponential clearances. Monoexponential clearances gave a mean

flow rate of 28.1 ml/lOOg per minute 〔SD±7.3〕. The flow rate of biexponential clearance calculated by the two compartmental analysis of Lassen et al, (1963) gave mean values of 168.7 ml/lOOg per minute (SD±29.0〕 and 39.0 ml/lOOg per minute 〔SD±5・0〕 for fast and slow components, respectively. We used the initial slope method to determine total

blood flow within the hypothalamus. The validity of th巳m巳thod was discussed elsewhere

(Symon et a/., 1974 ; Doyle et al., 1975 ; Tamura et at., 1978). Basal total blood flows estimated from the two‑minute initial slope of the hydrogen clearance curves had a mean value of 33.3 ml/lOOg per minute (SD±10.1〕.

Control experiment

Repeated measuremens of blood flow were carried out to determine stress‑induced changes in blood flow and thermoregulatory parameters due to the physical restraint and

Table 1. Analysis of hydrogen clearance curves in 15 rabbits

No. of animals Clearance curves Blood flows (ml/lOOg/min°

Monoexponential Biexponential

28.1 ± 7.3      ――

168.7 ± 29.0 〔fast〕 * 39.0± 5.0〔slow〕 ‑

* The difference between the slow component flow rate and the monoexponential clearance

was not statistically significant 〔for details see text〕.

(4)

placement of the electrodes and thermocouples during a two hours experimental period.

Blood flow changes in the 7 control animals are summarized and shown in Fig. 2. The blood flows measured were grouped into sequential 30 minute intervals and expressed asapercentage of the basal values of each animal. Means and standard deviations for each interval are also presented. This figure illustrates a decrease in the blood flows compared with basal values at each time

!〓ヽ れ d) rロ l――J EP

>

ナ―」

EP U) EP

」コ し「

・〇

U]

g C) l――■

J電

p

⊂1 0

「―1 ロ⊃

120

ll(】

100

90

80

70

0 ‑ 30     30 ‑ 60    60 ‑ 90    90 ‑ 120 time (rain)

Fig. 2. Change in hypotnalamic blood flow over a period of two hours.

interval, but these changes were not statistically significant. Thermoregulatory parameters such as rectal, hypothalamic and ear skin temperatures as well as the respiratory rate were observed to be relatively constant over a period of two hours 〔Fig. 3〕.

Blood fro馳changes after pyrogen administration

lntravenous injection of LPS‑pyrogen is known to cause a biphasic fever resulting from a decrease in heat loss mainly from the ear skin as well as respiratory passage, and

from an increase in heat production due to shivering and non―shivering thermogenesis

(NST〕 in the rabbit. In this experiment, 6 out of 8 pyrogen‑injected animals showed biphasic fever. Monophasic fever was observed in the other two animals over a period of

ml/lOOg!mln

ml!100各!min

「 [

cc

xhi

■―――――■       ‑       ――――――l

亡y亡1e!mln

ー30     口      30      60     90     120

Fig. 3. Time course of a control experiment.

HBF; hypothalamic blood flow, Thy;

nypothalamic temperature, Tre ; rectal temperature, Le; ear skin temperature.

RR; respiratory rate.

;/.E

mln

‑30     0      30     60     90     120

Fig. 4. Effect of intravenous injection ofLPS―

pyrogen. Time course of a typical ex―

penment. At the arrow, LPS‑pyrogen

〔P.〕 was injected intravenously. For

abbreviations see Fig. 3―

I

子与

30「

≡三[

43…‑c

;[

≡:週or .0 .(j 亡y亡1e l≡≡巨

―      ̲̲ 1,― ̲―――――――――――⊥――〓L

HBF

―――,

′‑‑,,,̲ー‑‑!‑一‑!‑‑ Tr I

,,,‑・!(‑―‑、叫̲̲一―一―‑‑ Tp∈

■To

,い‑!十,、.R

三o.op 9.5‑

9.0‑

8.5. ‑c /…三4E

cycle l享4E

―      ――――■

"       ̲     HEF

l

1

p. I‑‑プ‑‑=ゴ;芸喜 k芦才ー ′

′い 立Te

!/mln

いd,I,い

」  ― ―― l

! J 氏 min

―――― 】  ―――  ―     1―――‥― ―――― 」

(5)

two hours. In 5 of the animals showing biphasic fever, and in 1 of the animals showing monophasic fever, similar shifts in hypothalamic blood flow were observed. However, the time course of the changes differed from animal to animal. Therefore, the blood flow changes after pyrogen administration could not be compared statistically with those m the control experiment at each time interval.

The thermoregulatory curves presented in Fig. 4 are representative of the data obtained in this experiment. Hypothalamic blood flow changes correlated more strongly with changes in hypothalamic temperature than with changes in rectal temperature.

DISCUSSION

It has been generally accepted that local brain temperature has three physical factors, i. e., metabolic heat production in local cerebral tissue, local blood flow, and the temperature of inflowing blood 〔Hayward and Baker, 1969). It is particularly important to determine how these factors regulate hypothalamic temperature during the febrile phase・

our observation that hypothalamic blood flow was increased during pyrogen‑induced fever in the rabbit agrees with the previous reports of Cranston and Rosendorff (1968b〕 and Rosendorff 〔1973〕 suggesting a possible role for hypothalamic blood flow changes in fluctuations of hypothalamic temperature. On the other hand, it is true that a rise in arterial blood temperature results from a decrease of heat loss and an increase of heat production during pyrogen‑induced fever. Therefore, changes in arterial blood temperature may also contribute to fluctuations of hypothalamic temperature, since the hypothalamus is considered to be directly affected by the temperature of arterial blood leaving the heart in "internal carotid" species such as the rabbit (Hayward and Baker, 1968 and 1969).

Furthermore, Rosendorff (1973〕 pointed out that blood flow alterations in the hypothalamus may be due to changes in body temperature, and are not pyrogen induced.

Two interpretations for hypothalamic blood flow changes remain ; blood flow changes may

be attributed t。 n巳ur。nal activity, and/or they may be induced by neurogenic control of

hypothalamic blood flow. Changes in the activity levels of thermo‑sensitive neurons in the hypothalamus following pyrogen administration have been reported by many investigators since Wit and Wang (1968〕 The neurogenic control of hypothalamic blood flow was discussed previously (Inomoto et at. , 1979).

It is of interest that recorded hydrogen clearance curves from the hypothalamus had both monoexponential and biexponential characteristics. This suggests inhomogeneity in the blood flows within the hypothalamus, contrary to the findings of Cranston and Rosen‑

dorff 〔1968a〕 and Rosendorff 〔1972〕. In their experiments, 133Xe was injected into the

hypothalamus to measure blood flow and 133Xe clearances were shown to be invariably

mono巳xponential. Differences in methodology may e叩Iain the discrepancy between these

studies.

(6)

The clearance rate of the fast component was greater than the cortical grey matter or deep nuclear blood flows in other species (Pasztor et a/., 1973 ; Choki et a/., 1977).

Using the hydrogen clearance method, however, Halsey et a/.(1977) reported that when hydrogen was given by a brief inhalation of less than 5 minutes, the flow rate of the fast component from the rabbit cortex was 150 to 250 ml/lOOg per minute. Halsey et al. also suggested that the excess flow rate of the fast component may be attributed to diffusion of hydrogen gas from the fast flow compartment to the slow flow compartment in addition to direct delivery of the indicator by the blood.

In these experiments, we observed changes in hypothalamic blood flow after pyrogen

administration― It is not known whether such changes were directly induced by pyrogen,

or resulted from changes in body temperature. There is a growing body of evidence that thermo‑sensitive neurons are widely distributed in the central nervous axis, and not restrict‑

ed to the hypothalamus 〔for review see Kosaka, 1977). Nakayama and Hori 〔1973) reported that the activity of the thermo‑sensitive neurons in the midbrain changes in response to pyrogen・ Additional experiments are needed to determine whether or not

similar blood flow changes occur during pyrogen―induced fever二in the extrahypothalamic

area containing thermo‑sensitive neurons.

This study was supported by a scientific research grant (No. 344020) of the Ministry of Education of Japan in 1978 and 1979.

REFERENCES

1) Aukland, K―, Bower, B. F., & Berliner, R. W. 〔1964〕: Measurement 。f local blood flow with

hydrogen gas. Circ― Res., 14, 164‑187.

2) Choki, J., Yamaguchi, T., Takeya, Y., Morotomi, Y., & Omae T. 〔1977〕 : Effect of亡arotid

artery ligation on regional cerebral blood flow in normotensive and spontaneously hypertensive

rats. Acta Neurol. Scand. (suppl.), 56(64), 70‑71.

3〕 Cranston. W― I. (1976〕 Fever and leukocyte pyrogen・ Israel J. Med. Sci., 12(9〕, 951‑954.

4) Cranston, W. I. & Rosendorff, C. 〔1968a〕 Local hypothalamic blood flow in the conscious

rabbit. J. Physiol., 204, 25―26.

5) Cranston, W. I. & Rosendorff, C. (1968b〕 Hypothalamic blood flow in conscious rabbits; effects of monoamines and pyrogen. Brit. J. Pharmacol. Chemotherap. , 32(2〕, 437‑438.

6) Doyle, T. F・, Martins, A. N., & Kobrine, A. I. (1975) : Estimating total cerebral blood flow from the initial slope of hydrogen washout curves. Stroke, 6, 149‑152,

7) Fieschi, C‑ Bozzao, L., & Agnoli, A. (1965) : Regional clearance of hydrogen as a measure of cerebral blood flow. Acta Neurol. Scand., suppl., 14, 46‑52.

8) Halsey, J. H., Capra, N. F., & McFarland, R. S. (1977): Use of hydrogen for measurement of regional cerebral blood flow : Problem of intercompartmental diffusion. Stroke, 〔2〕, 35ト 357.

9〕 Hayward, J. N. & Baker, M・ A. (1968〕 : Role of cerebral arterial blood in the regulation of

brain temperature in the monkey. Amer. J. Physiol. , 215〔2〕, 389=403.

(7)

loo Hayward, J. N. & Baker, M. A. 〔1969〕: A comparative study of the role of the cerebral arterial blood in the regulation of brain temperature in five mammals. Brain Res. , 16, 417‑440.

11〕 Hellon, R. 〔1978〕 Fever : its mediators and its significance〓 In : New Trends in Thermal

Physiology, edited by Houdas, Y. and Guieu, J― D., 33‑38, Masson. Paris―

12〕 Inomoto, T., Onwatari, N., & Kosaka, M. (1979) : Effects of thermal stimuli and pyrogen administration on blood flow of common carotid artery in rabbits. Trop. Med., 21(1), 37‑34 (in Japanese with English abstract) ,

13〕 Kosaka, M. (1977〕 : Thermoregulatory functions in the decerebrate rabbit. Igakunoayumi, 100(12〕, 853‑854 〔in Japanese).

14〕 Lassen, N. A., Heφdt―Rasmussen, K., Sφrensen, S. C., Skinhφji, E., Cronquist, S., Bodforss, B., & Ingvar, D. H. (1963〕 : Regional cerebral blood flow in man determined by krypton8' Neurology, 13(9), 719‑727.

15) Monnier. M. & Gangloff, H. 〔1961〕 Atlas for stereotaxic brain research on the conscious rabbit. Elsvier, New York.

16〕 Nakayama, T. & Hori, T. 〔1973〕 Effect of anesthetic and pyrc>gen on thermally sensitive neurons in the brainstem. J. Appl. Physiol., 34, 351‑355.

17) Olesen, J., Paulson, O. B., & Lassen, N. A. (1971) : Regional cerebral blood flow in man determined by the initial slope of the clearance of intra‑arterially injected 133Xenon. Stroke, 2.

519―540―

18〕 Pasztor, E. Symon, L., Dorsch, N. W. C., & Branston, N. M. (1973): The hydrogen clearance method in assessment of blood flow in cortex, white matter and deep nuclei of baboons. Strok, 4, 556‑567.

19) Rosendorff, C. (1972) : The measurement of local cerebral blood flow and the effect of amines, Prog. Brain Res., 35, 115‑156.

20) Rosendorff, C. (1973) : Hypothalamic blood flow. Int. Symp. Calgary 1973. In : Recent Studies of Hypothalamic Function, 399‑407, Karger, Base1 1974.

21〕 Rosendorff, C. (1976〕 The pathogenesisof fever : Neurochemicalaspects. Israel J. Med. Sci. , 12〔9〕, 960‑973.

22) Symon, L., Pasztor, E., & Branston, N. M. (1974〕 : The distribution and density of reduced cerebral blood flow following acute middle cerebral artery occlusion: An experimental study by the technique of hydrogen clearance in baboons. Stroke, 5, 355‑364.

23) Tamura, A., Asano, T., Tak, Y‑k., Manaka, S., Hirakawa, K., & Sano, K. (1978): Mea surement of cerebral blood flow with hydrogen clearance method : technique and a comparative study with the venous out flow method. Noshinkei, 30〔1〕, 47‑54 (in Japanese with English ab‑

stract〕.

24〕 Wit, A. and Wang, S. C. (1968〕 Temperature‑sensitive neurons in preoptic/anterior hypothalamic

region : actions or pyro宮en and acetylsalicylate. Amer. J, Physiol. , 215, 1160‑1169.

(8)

発熱ウサギの視床下部温とその局所脳血流量

井元孝章・大渡伸・小坂光男(長崎大学熱帯医学研究所疫学部門)

体温調節の観点から,とくに発熱時の脳局所血流量の変化について興味がもたれる.今回,水 素ガス・クリアランス法によりウサギの視床下部(視束前野)血流量の測定を行い,pyrogen発 熱時の視床下部温に及ぼす脳局所血流量の影響について検討した.室温を約28℃に保ち,無麻酔 にて,ウサギの頭部を脳定位固定装置で固定し,穿頭後視床下部の一側に視床下部温測定用熱電 対を,対側に視床下部血流量測定のため白金‑白金黒電極を挿入した.不関電極は頭部皮下に縫 著した.血流量の算定は,水素ガス吸入後描記されたクリアランス曲線を片対数グラフにプロッ

トし,吸入停止後の40秒間を除いたinitial slope法により行った.ウサギを2群に分け,コント ロール群に生食水を,他群にはLPS‑pyrogenを生食水に溶解し,それぞれ耳介後静脈に投与し た.視床下部血流量および温度測定に加え,直腸温・耳介皮膚温・呼吸数を測定し,それらの経 時的変化を両群にて比較した.pyrogen投与後,視床下部血流量の変化はとくに視床下部温の2 峯性の変化に同期し,また同様の増減傾向を示した.このことから,pyrogen発熱時の視床下部 温の変化には,局所血流量の増減も関与していると考えられる.視床下部血流変化と同時記録し た体温調節の諸反応指標から体温の神経性調節機序について二・三の検討が加えられた.

熱帯医学 第21巻 第3号153―160頁, 1979年11月

参照

関連したドキュメント

201 Tl distribution inhibiting the Sol antigravitational activation. However factors other than muscle activity may be involved in low blood perfusion seen in Sol of the U3w group.

We measured blood levels of adiponectin in SeP knockout mice fed a high sucrose, high fat diet to examine whether SeP was related to the development of hypoadiponectinemia induced

Other important features of the model are the regulation mechanisms, like autoregulation, CO 2 ¼ reactivity and NO reactivity, which regulate the cerebral blood flow under changes

Unsteady pulsatile flow of blood through porous medium in an artery has been studied under the influence of periodic body acceleration and slip condition in the presence of

A two-dimensional viscous dusty flow induced by normal oscillation of a wavy wall for moderately large Reynolds number is studied on the basis of boundary layer theory in the case

In this study, the fully developed, steady, laminar flow of blood is studied in a long pipe with square and circular cross-sections subjected to a magnetic field generated by

Thus, in this paper, we study a two-phase fluid model for blood flow through mild stenosed narrow arteries of diameter 0.02 mm–0.1 mm at low-shear rates γ < ˙ 10/sec treating

Pour tout type de poly` edre euclidien pair pos- sible, nous construisons (section 5.4) un complexe poly´ edral pair CAT( − 1), dont les cellules maximales sont de ce type, et dont