Abstract Objective: Although postoperative cognitive dysfunction (POCD) often complicates recovery from major surgery, the pathogenic mechanisms remain unknown. We explored whether systemic inflammation, in response to surgical trauma, triggers hippocampal inflammation and subsequent memory impairment, in a mouse model of orthopedic surgery. Methods: C57BL/6J, knock out (lacking interleukin [IL]‐1 receptor, IL‐1R −/− ) and wild type mice underwent surgery of the tibia under general anesthesia. Separate cohorts of animals were tested for memory function with fear conditioning tests, or euthanized at different times to assess levels of systemic and hippocampal cytokines and microglial activation; the effects of interventions, designed to interrupt inflammation (specifically and nonspecifically), were also assessed. Results: Surgery caused hippocampal‐dependent memory impairment that was associated with increased plasma cytokines, as well as reactive microgliosis and IL‐1β transcription and expression in the hippocampus. Nonspecific attenuation of innate immunity with minocycline prevented surgery‐induced changes. Functional inhibition of IL‐1β, both in mice pretreated with IL‐1 receptor antagonist and in IL‐1R −/− mice, mitigated the neuroinflammatory effects of surgery and memory dysfunction. Interpretation: A peripheral surgery‐induced innate immune response triggers an IL‐1β‐mediated inflammatory process in the hippocampus that underlies memory impairment. This may represent a viable target to interrupt the pathogenesis of postoperative cognitive dysfunction. ANN NEUROL 2010;68:360–368

Cognitive decline following surgery in older individuals is a major clinical problem of uncertain mechanism; a similar cognitive decline also follows severe infection, chemotherapy, or trauma and is currently without effective therapy. A variety of mechanisms have been proposed, and exploring the role of inflammation, we recently reported the role of IL-1β in the hippocampus after surgery in mice with postoperative cognitive dysfunction. Here, we show that TNF-α is upstream of IL-1 and provokes its production in the brain. Peripheral blockade of TNF-α is able to limit the release of IL-1 and prevent neuroinflammation and cognitive decline in a mouse model of surgery-induced cognitive decline. TNF-α appears to synergize with MyD88 , the IL-1/TLR superfamily common signaling pathway, to sustain postoperative cognitive decline. Taken together, our results suggest a unique therapeutic potential for preemptive treatment with anti-TNF antibody to prevent surgery-induced cognitive decline.

Background Neuroapoptosis is induced by the administration of anesthetic agents to the young. As alpha2 adrenoceptor signaling plays a trophic role during development and is neuroprotective in several settings of neuronal injury, the authors investigated whether dexmedetomidine could provide functional protection against isoflurane-induced injury. Methods Isoflurane-induced injury was provoked in organotypic hippocampal slice cultures in vitro or in vivo in postnatal day 7 rats by a 6-h exposure to 0.75% isoflurane with or without dexmedetomidine. In vivo, the alpha2 adrenoceptor antagonist atipamezole was used to identify if dexmedetomidine neuroprotection involved alpha2 adrenoceptor activation. The gamma-amino-butyric-acid type A antagonist, gabazine, was also added to the organotypic hippocampal slice cultures in the presence of isoflurane. Apoptosis was assessed using cleaved caspase-3 immunohistochemistry. Cognitive function was assessed in vivo on postnatal day 40 using fear conditioning. Results In vivo dexmedetomidine dose-dependently prevented isoflurane-induced injury in the hippocampus, thalamus, and cortex; this neuroprotection was attenuated by treatment with atipamezole. Although anesthetic treatment did not affect the acquisition of short-term memory, isoflurane did induce long-term memory impairment. This neurocognitive deficit was prevented by administration of dexmedetomidine, which also inhibited isoflurane-induced caspase-3 expression in organotypic hippocampal slice cultures in vitro; however, gabazine did not modify this neuroapoptosis. Conclusion Dexmedetomidine attenuates isoflurane-induced injury in the developing brain, providing neurocognitive protection. Isoflurane-induced injury in vitro appears to be independent of activation of the gamma-amino-butyric-acid type A receptor. If isoflurane-induced neuroapoptosis proves to be a clinical problem, administration of dexmedetomidine may be an important adjunct to prevent isoflurane-induced neurotoxicity.

Postoperative cognitive dysfunction is being increasingly reported as a complication. The authors investigated the role of cytokine-mediated inflammation within the central nervous system in the development of cognitive dysfunction in a rat model.Adult rats were subjected to neuroleptic anesthesia (20 microg/kg fentanyl plus 500 microg/kg droperidol, intraperitoneal) for splenectomy or no surgery. On postanesthetic days 1, 3, and 7, cognitive function was assessed in a Y maze. To evaluate the immune response in the hippocampus, the authors measured glial activation, as well as transcription and expression of key proinflammatory cytokines interleukin 1beta and tumor necrosis factor alpha. To determine propensity for apoptosis, they measured expression of Bax and Bcl-2.Cognitive function in splenectomized animals was impaired at days 1 and 3 after surgery compared with cognitive function in nonanesthetized rats. At all times, anesthetized rats that were not subjected to surgery were no different from control rats. Glial activation was observed in the hippocampus only in splenectomized rats at postsurgery days 1 and 3. Interleukin-1beta messenger RNA (mRNA) was significantly increased at postsurgery days 1 and 3, with an increase in protein expression detected on day 1. There was a significant increase in tumor necrosis factor-alpha mRNA on day 1 after surgery, although this was not associated with an increase in protein expression. The ratio of Bcl-2:Bax was significantly decreased in the splenectomized animals.These results suggest that splenectomy performed during neuroleptic anesthesia triggers a cognitive decline that is associated with a hippocampal inflammatory response that seems to be due to proinflammatory cytokine-dependent activation of glial cells.

Recent evidence has demonstrated the anti-apoptotic of dexmedetomidine in different brain injury models. Herein, we investigated whether dexmedetomidine could directly protect against cortical injury in vitro and in vivo.Apoptosis was induced by staurosporine or wortmannin treatment in cortical neuronal cultures in vitro or by 6 h of isoflurane (0.75%) administration to post-natal day 7 rat pups in vivo. Dexmedetomidine was then applied in escalating doses to assess the neuroprotective potential of this agent. Cell survival was quantified using an MTT assay in vitro and in vivo apoptosis was assessed using cleaved caspase-3 immunohistochemistry. Cortical Western blots were conducted for the cellular survival proteins Bcl-2 and phosphorylated extracellular signal-regulated protein kinase (pERK)1 and 2.In vitro dexmedetomidine dose-dependently prevented both staurosporine- and wortmannin-induced injury in cortical neuronal cultures, indicating that dexmedetomidine can prevent apoptosis when applied directly. In vivo isoflurane induced cortical neuroapoptosis compared with air (327+/-80 vs. 34+/-9 caspase-3-positive neurons; P<0.05). Dexmedetomidine inhibited isoflurane-induced caspase-3 expression (P<0.05), although the protection achieved did not completely attenuate the isoflurane injury (P<0.05 vs. air). Isoflurane treatment decreased Bcl-2 and pERK protein expression relative to air, an effect reversed by dexmedetomidine treatment.Dexmedetomidine prevents cortical apoptosis in vitro and in vivo. However, using higher doses of dexmedetomidine does not further increase protection against isoflurane injury in the cortex than previously observed.

Abstract Introduction Acute kidney injury following surgery incurs significant mortality with no proven preventative therapy. We investigated whether the α 2 adrenoceptor agonist dexmedetomidine (Dex) provides protection against ischemia-reperfusion induced kidney injury in vitro and in vivo . Methods In vitro , a stabilised cell line of human kidney proximal tubular cells (HK2) was exposed to culture medium deprived of oxygen and glucose. Dex decreased HK2 cell death in a dose-dependent manner, an effect attenuated by the α 2 adrenoceptor antagonist atipamezole, and likely transduced by phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K-Akt) signaling. In vivo C57BL/6J mice received Dex (25 μg/kg, intraperitoneal (i.p.)) 30 minutes before or after either bilateral renal pedicle clamping for 25 minutes or right renal pedicle clamping for 40 minutes and left nephrectomy. Results Pre- or post-treatment with Dex provided cytoprotection, improved tubular architecture and function following renal ischemia. Consistent with this cytoprotection, dexmedetomidine reduced plasma high-mobility group protein B1 (HMGB-1) elevation when given prior to or after kidney ischemia-reperfusion; pretreatment also decreased toll-like receptor 4 (TLR4) expression in tubular cells. Dex treatment provided long-term functional renoprotection, and even increased survival following nephrectomy. Conclusions Our data suggest that Dex likely activates cell survival signal pAKT via α 2 adrenoceptors to reduce cell death and HMGB1 release and subsequently inhibits TLR4 signaling to provide reno-protection.

Surgery is considered to be the first line treatment for solid tumours. Recently, retrospective studies reported that general anaesthesia was associated with worse long-term cancer-free survival when compared with regional anaesthesia. This has important clinical implications; however, the mechanisms underlying those observations remain unclear. We aim to investigate the effect of anaesthetics isoflurane and propofol on prostate cancer malignancy. Prostate cancer (PC3) cell line was exposed to commonly used anaesthetic isoflurane and propofol. Malignant potential was assessed through evaluation of expression level of hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) and its downstream effectors, cell proliferation and migration as well as development of chemoresistance. We demonstrated that isoflurane, at a clinically relevant concentration induced upregulation of HIF-1α and its downstream effectors in PC3 cell line. Consequently, cancer cell characteristics associated with malignancy were enhanced, with an increase of proliferation and migration, as well as development of chemoresistance. Inhibition of HIF-1α neosynthesis through upper pathway blocking by a PI-3K-Akt inhibitor or HIF-1α siRNA abolished isoflurane-induced effects. In contrast, the intravenous anaesthetic propofol inhibited HIF-1α activation induced by hypoxia or CoCl2. Propofol also prevented isoflurane-induced HIF-1α activation, and partially reduced cancer cell malignant activities. Our findings suggest that modulation of HIF-1α activity by anaesthetics may affect cancer recurrence following surgery. If our data were to be extrapolated to the clinical setting, isoflurane but not propofol should be avoided for use in cancer surgery. Further work involving in vivo models and clinical trials is urgently needed to determine the optimal anaesthetic regimen for cancer patients.

Accumulative evidence suggested that the oxytocin system plays a role in socio-emotional disorders, although its role in neuroinflammation-induced anxiety remains unclear.