610 Medizin und Gesundheit
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Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is a valuable technique analyzing electrochemical behavior of biological systems such as electrical characterization of cells and biomolecules, drug screening, and biomaterials in biomedical field. In EIS, an alternating current (AC) power signal is applied to the biological system, and the impedance of the system is measured over a range of frequencies.
In vitro culture models of endothelial or epithelial barrier tissue can be achieved by culturing barrier tissue on scaffolds made with synthetic or biological materials that provide separate compartments (apical and basal sides), allowing for further studies on drug transport. EIS is a great candidate for non-invasive and real-time monitoring of the electrical properties that correlate with barrier integrity during the tissue modeling. Although commercially available transendothelial/transepithelial electrical resistance (TEER) measurement devices are widely used, their use is particularly common in static transwell culture. EIS is considered more suitable than TEER measurement devices in bioreactor cultures that involve dynamic fluid flow to obtain accurate and reliable measurements. Furthermore, while TEER measurement devices can only assess resistance at a single frequency, EIS measurements can capture both resistance and capacitance properties of cells, providing additional information about the cellular barrier's characteristics across various frequencies. Incorporating EIS into a bioreactor system requires the careful optimization of electrode integration within the bioreactor setup and measurement parameters to ensure accurate EIS measurements. Since bioreactors vary in size and design depending on the purpose of the study, most studies have reported using an electrode system specifically designed for a particular bioreactor. The aim of this work was to produce multi-applicable electrodes and established methods for automated non-invasive and real-time monitoring using the EIS technique in bioreactor cultures. Key to the electrode material, titanium nitride (TiN) coating was fabricated on different substrates (materials and shape) using physical vapor deposition (PVD) and housed in a polydimethylsiloxane (PDMS) structure to allow the electrodes to function as independent units. Various electrode designs were evaluated for double-layer capacitance and morphology using EIS and scanning electron microscopy (SEM), respectively. The TiN-coated tube electrode was identified as the optimal choice. Furthermore, EIS measurements were performed to examine the impact of influential parameters related to culture conditions on the TiN-coated electrode system. In order to demonstrate the versatility of the electrodes, these electrodes were then integrated into in different types of perfusion bioreactors for monitoring barrier cells. Blood-brain barrier (BBB) cells were cultured in the newly developed dynamic flow bioreactor, while human umblical vascular endothelial cells (HUVECs) and Caco-2 cells were cultured in the miniature hollow fiber bioreactor (HFBR). As a result, the TiN-coated tube electrode system enabled investigation of BBB barrier integrity in long-term bioreactor culture. While EIS measurement could not detect HUVECs electrical properties in miniature HFBR culture, there was the possibility of measuring the barrier integrity of Caco-2 cells, indicating potential usefulness for evaluating their barrier function. Following the bioreactor cultures, the application of the TiN-coated tube electrode was expanded to hemofiltration, based on the hypothesis that the EIS system may be used to monitor clotting or clogging phenomena in hemofiltration. The findings suggest that the EIS monitoring system can track changes in ion concentration of blood before and after hemofiltration in real-time, which may serve as an indicator of clogging of filter membranes. Overall, our research demonstrates the potential of TiN-coated tube electrodes for sensitive and versatile non-invasive monitoring in bioreactor cultures and medical devices.
Objectives: The aim of this work is to define critical warning brainstem auditory evoked potential (BAEP) signs as a marker for the postoperative hearing outcome.
Study design: Retrospective study
Setting: Tertiary referral center
Patients: 162 patients who underwent resection of acoustic neuroma via a transtemporal approach with intraoperative monitoring (IOM) at the Department of Otorhinolaryngology, Plastic, Esthetic and Reconstructive Head and Neck Surgery, from January 2011 to December 2017.
Interventions: BAEP was performed in all patients; while intraoperative direct recording of the cochlear nerve function was done in 131 patients.
Main Outcome Measure: postoperative hearing thresholds (Pure tone audiometry).
Results: The most significant risk factor is the permanent loss of wave V as it increases the risk of postoperative hearing loss by 18 times; followed by three-steps increment of the stimulus intensity as it increases the risk by 5.75 times; and finally the response thresholds obtained during the intraoperative direct recording of cochlear nerve function. Each unite increment of the threshold increases the risk of postoperative hearing loss by 6.7%.
Conclusions: We believe that the intraoperative BAEP critical signs during IOM detected in this study can be used as a helpful tool to predict postoperative hearing loss in patients with acoustic neuroma.
Einführung: Die physikalischen Eigenschaften des intravenösen Anästhetikums Propofol (2,6-Diisopropylphenol) erlauben dessen fluoreszenzspektrometrische Detektion. Zur Entwicklung eines direkten Online-Monitorings im optisch dichten Medium Blut wird das Signalverhalten von Propofol im mit Blutprodukten gefüllten Kreislaufsystem untersucht. Material und Methoden: Der kontinuierliche Umsatz von 140,2 ml Probenvolumen im Kreislaufmodell mit integrierter Durchflussquarzküvette bezweckt ein stabiles Fluoreszenzniveau des Messmediums, da Blutprodukte in statischer Versuchsanordnung unter der verwendeten Anregungsstrahlung (UV-C) starken photochemischen Bleichungseffekten ausgesetzt sind. Als Messmedien untersucht werden Gefrorenes Frischplasma (GFP), eine Suspension aus Erythrozytenkonzentrat und GFP (EK + GFP) sowie am Versuchstag gespendetes heparinisiertes Vollblut. Es erfolgt die standardisierte Injektionen von vier Propofolboli, durch die im System Konzentrationen von 35,7 μg/ml bis 3,6 μg/ml entstehen und den klinisch relevanten Wirkspiegeln bei Narkoseeinleitung sowie Narkoseaufrechterhaltung entsprechen. Unter Anregung mit Licht der Wellenlänge 274 nm liefert Propofol ein maximales Signal bei 300 nm. Anhand der in engen zeitlichen Abständen aufgenommen Fluoreszenzspektren werden die Propofoleffekte bei 300 nm im Summationsspektrum des Blut-Propofol-Gemischs analysiert. Ergebnisse: Die Signalanstiege bei 300 nm nach Injektion in das mit GFP bzw. EK + GFP gefüllte Kreislaufsystem sind hochsignifikant für die erzeugten Propofolspiegel von 35,7 μg/ml bis 3,6 μg/ml und weisen eine sehr gute lineare Korrelation von R2 = 0,73 bis zu R2 = 0,99 zwischen Fluoreszenzsignal und Propofolkonzentration auf. Allein für diese Messmedien kann durch den Einsatz des Kreislaufmodells ein ausreichend stabiles Fluoreszenzsignal zum Propofolnachweis erreicht werden. Dem Fluoreszenzanstieg nach Propofolinjektion folgt in allen Messmedien ein über 30 Minuten andauernder Signalabfall, für den nach fluoreszenzspektrometrischer Untersuchung von Schlauchproben des Kreislaufmodells die Adsorption des lipophilen Anästhetikums an Silikon als ein ursächlicher Faktor bestimmt werden kann. Schlussfolgerung: Der direkte konzentrationsabhängige Fluoreszenznachweis von klinisch eingesetzten Propofol-Wirkspiegeln gelingt allein in transfusionsmedizinisch aufbreiteten Blutprodukten.
Überwachung der Narkosetiefe: Wissenschaft und Wirklichkeit Fragestellung: Die vorliegende systematische Übersicht soll einen Überblick über die wissenschaftlich getesteten Verfahren zur Bestimmung der Narkosetiefe schaffen. Darüber hinaus könnte die dadurch entstandene Wissensbank zur Errechnung eines kombinierten Narkosetiefenparameters dienen. Parallel dazu wird durch eine Umfrage die klinische Wirklichkeit abgebildet. Methoden: Mit Hilfe der Suchfunktionen der Internetdatenbanken der National Library of Medicine, Pubmed, Embase und Central aus der Cochrane Library wurden alle Veröffentlichungen über passende wissenschaftliche Studien zum Thema „Narkosetiefe-Monitoring“ ausgewählt, gesichtet, katalogisiert und verglichen. Gleichzeitig wurde eine Umfrage nach den tatsächlich angewandten Überwachungsverfahren der Narkosetiefe an 30 Universitätskliniken Deutschlands durchgeführt. Ergebnisse: Die Auswertung der 179 aus den Datenbanken ausgewählten Originalarbeiten ergab eine große Vielfalt an unterschiedlichen Möglichkeiten im Studiendesign. Es konnten vier gänzlich verschiedene Herangehensweisen definiert werden. Selbst innerhalb dieser vier Gruppen sind die Differenzen so groß, dass die jeweils zugeordneten Studien kaum untereinander verglichen werden können. Die Unterschiede wurden herausgestellt und tabellarisiert, so dass Studien mit ähnlichen oder gleichen Ansätzen, Bedingungen und Parametern erkannt werden können. Insgesamt fällt auf, dass in 70,8% der Studien EEG-basierte Monitore (wie z.B. BIS) mehr als in einem Vergleich oder als einziges untersucht wurden. Herz-Kreislauf-Parameter (wie z.B. Blutdruck und Herzfrequenz) wurden in 14,6% der Studien in mehr als einem Vergleich oder ausschließlich untersucht. Im Gegensatz dazu werden in den 313 Abteilungen der 30 befragten Universitätskliniken Deutschlands zu 9,3% EEG-basierte Monitore tatsächlich standardmäßig angewandt und zu 92,7 % Herz-Kreislauf-Parameter. Diskussion: Die Unterschiede in den 179 Originalarbeiten sind so zahlreich und vielfältig, dass aus ihren Ergebnissen keine Wissensbank für einen kombinierten Narkosetiefe-Parameter erstellt werden kann. In den Studien wurden hauptsächlich EEG-basierte Monitore untersucht, die im Gegensatz dazu in der klinischen Wirklichkeit nur selten und in bestimmten Situationen angewandt werden. Zu den am häufigsten eingesetzten Herz-Kreislauf-Parametern gibt es dagegen kaum geeignete und wenn nur schlecht vergleichbare wissenschaftliche Untersuchungen. Ein akzeptierter Goldstandart, der auch die für Patienten so schwerwiegenden Wachheitserlebnisse zuverlässig verhindern lässt, fehlt weiterhin. Schlussfolgerung: In Zukunft sollten Studien mit einheitlicheren Designs durchgeführt werden, damit direkte Vergleiche und Zusammenfassungen ermöglicht werden können.