Ikke-invasiv og invasiv renal hypoksiovervåking i en svinemodell av hemoragisk sjokk
Summary
Her presenteres en protokoll for å måle renal oksygenering i medulla og ikke-invasivt oksygenpartialtrykk i urin i en hemoragisk sjokksvinemodell for å etablere oksygenpartialtrykk i urin som en tidlig indikator på akutt nyreskade (AKI) og et nytt gjenopplivende endepunkt.
Abstract
Opptil 50% av pasientene med traumer utvikler akutt nyreskade (AKI), delvis på grunn av dårlig nyreperfusjon etter alvorlig blodtap. AKI er for tiden diagnostisert basert på en endring i serumkreatininkonsentrasjon fra baseline eller lengre perioder med redusert urinmengde. Dessverre er data om serumkreatininkonsentrasjon ved baseline ikke tilgjengelig hos de fleste pasienter med traume, og dagens estimeringsmetoder er unøyaktige. I tillegg kan serumkreatininkonsentrasjonen ikke endres før 24-48 timer etter skaden. Til slutt må oliguri vedvare i minst 6 timer for å diagnostisere AKI, noe som gjør det upraktisk for tidlig diagnose. AKI-diagnostiske tilnærminger som er tilgjengelige i dag, er ikke nyttige for å forutsi risiko under gjenopplivning av pasienter med traumer. Studier tyder på at urin partialtrykk av oksygen (PuO2) kan være nyttig for å vurdere nyrehypoksi. En monitor som forbinder urinkateteret og urinoppsamlingsposen ble utviklet for å måle PuO2 ikke-invasivt. Enheten har en optisk oksygensensor som estimerer PuO2 basert på luminescensslukkingsprinsipper. I tillegg måler enheten urinstrøm og temperatur, sistnevnte for å justere for forstyrrende effekter av temperaturendringer. Urinstrømmen måles for å kompensere for effekten av oksygeninntrengning i perioder med lav urinstrøm. Denne artikkelen beskriver en svinemodell av hemoragisk sjokk for å studere forholdet mellom ikke-invasiv PuO2, nyrehypoksi og AKI-utvikling. Et sentralt element i modellen er ultralydveiledet kirurgisk plassering i nyremedulla av en oksygenprobe, som er basert på en ikke-kappet optisk mikrofiber. PuO 2 vil også bli målt i blæren og sammenlignet med nyre- og ikke-invasive PuO2-målinger. Denne modellen kan brukes til å teste PuO 2 som en tidlig markør for AKI og vurdere PuO2 som et gjenopplivende endepunkt etter blødning som indikerer endeorgan i stedet for systemisk oksygenering.
Introduction
Akutt nyreskade (AKI) rammer opptil 50% av pasienter med traumer innlagt på intensivavdelingen1. Pasienter som utvikler AKI har en tendens til å ha lengre oppholdstid på sykehus og intensivavdelinger og en tredobbelt større risiko for dødelighet 2,3,4. For tiden er AKI oftest definert av retningslinjene for forbedring av nyresykdom som forbedrer globale utfall (KDIGO), som er basert på endringer i serumkreatininkonsentrasjon fra baseline eller perioder med langvarig oliguri5. Data om kreatininkonsentrasjon ved baseline er utilgjengelig hos de fleste pasienter med traume, og estimeringsligninger er upålitelige og er ikke validert hos pasienter med traume6. I tillegg kan serumkreatininkonsentrasjonen ikke endres før minst 24 timer etter skaden, noe som utelukker tidlig identifisering og intervensjon7. Mens forskning tyder på at urinproduksjon er en tidligere indikator på AKI enn serumkreatininkonsentrasjon, krever KDIGO-kriteriene minst 6 timer oliguri, noe som utelukker intervensjoner rettet mot skadeforebygging8. Den optimale terskelen for urinproduksjon hver time og passende varighet av oliguri for å definere AKI diskuteres også, noe som begrenser effektiviteten som en tidlig markør for sykdommen 9,10. Dermed er nåværende diagnostiske tiltak for AKI ikke nyttige i traumeinnstillinger, fører til forsinket diagnose av AKI, og gir ikke sanntidsinformasjon om pasientens risikostatus for å utvikle AKI.
Mens utviklingen av AKI i en traumeinnstilling er kompleks og sannsynligvis forbundet med flere årsaker som dårlig nyreperfusjon på grunn av hypovolemi, redusert nyreblodstrøm på grunn av vasokonstriksjon, traumerelatert betennelse eller iskemi-reperfusjonsskade, er nyrehypoksi en vanlig faktor blant de fleste former for AKI11,12. Spesielt er medulla-regionen i nyrene svært utsatt for ubalanse mellom oksygenbehov og forsyning i traumeinnstillingen på grunn av redusert oksygentilførsel og høy metabolsk aktivitet assosiert med natriumreabsorpsjon. Hvis det var mulig å måle oksygenering av nyremedulla, kan det derfor være mulig å overvåke en pasients risikostatus for å utvikle AKI. Selv om dette ikke er klinisk mulig, korrelerer urinpartialtrykk av oksygen (PuO2) ved utløpet av nyrene sterkt med medullært vevsoksygenering13,14. Andre studier har vist at det er mulig å måle blære PuO 2 og at det endres som respons på stimuli som endrer medullær oksygen og nyrebekken PuO2 nivåer, for eksempel en reduksjon i nyreblodstrømmen15,16,17. Disse studiene antyder at PuO2 kan indikere perfusjon i endeorganet og kan være nyttig for å overvåke effekten av intervensjoner i traumeinnstillinger på nyrefunksjonen.
For å overvåke PuO 2 ikke-invasivt ble det utviklet en ikke-invasiv PuO2-skjerm som lett kan kobles til enden av et urinkateter utenfor kroppen. Den ikke-invasive PuO2-skjermen består av tre hovedkomponenter: en temperatursensor, en luminescensslukkende oksygensensor og en termisk basert strømningssensor. Siden hver oksygensensor er optisk basert og er avhengig av Stern-Volmer-forholdet for å kvantifisere forholdet mellom luminescens og oksygenkonsentrasjon, er det nødvendig med en temperatursensor for å kompensere for potensielle forvirrende effekter av temperaturendringer. Strømningssensoren er viktig for å kvantifisere urinproduksjonen og for å bestemme retningen og størrelsen på urinstrømmen. Alle tre komponentene er forbundet med en kombinasjon av mannlige, kvinnelige og t-formede luerlåskontakter og fleksible rør av polyvinylklorid (PVC). Enden med den koniske kontakten kobles til utløpet til urinkateteret, og enden med slange over den koniske kontakten forbinder lysbilder over kontakten på urinoppsamlingsposen.
Til tross for måling distalt for blæren, viste en nylig studie at lav urin PuO2 under hjertekirurgi er forbundet med økt risiko for å utvikle AKI18,19. På samme måte har dagens dyremodeller primært fokusert på tidlig påvisning av AKI under hjertekirurgi og sepsis 14,20,21,22. Dermed gjenstår spørsmål om bruken av denne nye enheten i traumer. Målet med denne forskningen er å etablere PuO2 som en tidlig markør for AKI og undersøke bruken som et gjenopplivende endepunkt hos pasienter med traumer. Dette manuskriptet beskriver en svinemodell av hemoragisk sjokk som inkluderer plassering av den ikke-invasive PuO 2-monitoren, en blære PuO2-sensor og en vevsoksygensensor i nyremedulla. Data fra den ikke-invasive monitoren vil bli sammenlignet med blære PuO2 og invasive vevsoksygenmålinger. Den ikke-invasive monitoren inkluderer også en strømningssensor som vil være nyttig for å forstå forholdet mellom urinstrømningshastighet og oksygeninntrenging, noe som reduserer evnen til å utlede renal medullar vevsoksygenering fra ikke-invasiv PuO2 når urinen krysser urinveiene. I tillegg vil data fra de tre oksygensensorene bli sammenlignet med systemiske vitale tegn, for eksempel gjennomsnittlig arterielt trykk. Den sentrale hypotesen er at ikke-invasive PuO2-data vil sterkt korrelere med invasivt medullært oksygeninnhold og vil reflektere medullær hypoksi under gjenopplivning. Ikke-invasiv PuO2-overvåking har potensial til å forbedre traumerelaterte utfall ved å identifisere AKI tidligere og tjene som et nytt gjenopplivende endepunkt etter blødning som indikerer endeorgan i stedet for systemisk oksygenering.
Protocol
Representative Results
Discussion
AKI er en vanlig komplikasjon hos pasienter med traumer, og for øyeblikket er det ingen validert sengemonitor for oksygenering av nyrevev, noe som kan muliggjøre tidligere AKI-deteksjon og veilede potensielle inngrep. Dette manuskriptet beskriver bruken og instrumenteringen av en svinehemoragisk sjokkmodell for å etablere ikke-invasiv PuO2 som en tidlig indikator på AKI og et nytt gjenopplivingsendepunkt i traumeinnstillinger.
En av de klare fordelene med denne svinemodellen er …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbeidet i dette tilskuddet er finansiert av University of Utah Clinical and Translational Science Institute gjennom Translational and Clinical Studies Pilot Program og Department of Defense Office of the Congressionally Directed Medical Research Programs (PR192745).
Materials
| 1/8" PVC tubing | Qosina | SKU: T4307 | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| 3/16" PVC tubing | Qosina | SKU: T4310 | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| 3/8" TPE tubing | Qosina | SKU: T2204 | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| 3/32" (1), 1/8" (1), 5/32" (1) drill bit | Dewalt | N/A | For building noninvasive PuO2 monitor |
| Biocompatible Glue | Masterbond | EP30MED | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| Bladder PuO2 sensor | Presens | DP-PSt3 | Oxygen dipping probe |
| Bladder oxygen measurement device | Presens | Fibox 4 | Stand-alone fiber optic oxygen meter |
| Chlorhexidine 4% scrub | Vetone | N/A | For scrubbing insertion or puncture sites |
| Conical connector with female luer lock | Qosina | SKU: 51500 | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| Cuffed endotracheal tube | Vetone | 600508 | For sedating the subject and providing respiratory support |
| Euthanasia solution (pentobarbital sodium|pheyntoin sodium) | Vetone | 11168 | For euthanasia after completion of experiment |
| General purpose temperature probe, 400 series thermistor | Novamed | 10-1610-040 | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| HotDog veterinary warming system | HotDog | V106 | For controlling subject temperature during experiment |
| Invasive tissue oxygen measurement device | Optronix | N/A | OxyLite™ oxygen monitors |
| Invasive tissue oxygen sensor | Optronix | NX-BF/OT/E | Oxygen/Temperature bare-fibre sensor |
| Isoflurane | Vetone | 501017 | To maintain sedation throughout the experiment |
| Isotonic crystalloid solution | HenrySchein | 1537930 or 1534612 | Used during resuscitation in the critical care period |
| Liquid flow sensor | Sensirion | LD20-2600B | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| Male luer lock to barb connector | Qosina | SKU: 11549 | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| Male to male luer connector | Qosina | SKU: 20024 | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| Norepinephrine | HenrySchein | AIN00610 | Infusion during resuscitation |
| Noninvasive oxygen measurement device | Presens | EOM-O2-mini | Electro optical module transmitter for contactless oxygen measurements |
| Non-vented male luer lock cap | Qosina | SKU: 65418 | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| O2 sensor stick | Presens | SST-PSt3-YOP | Part of noninvasive PuO2 monitor |
| PowerLab data acquisition platform | AD Instruments | N/A | For data collection |
| REBOA catheter | Certus Critical Care | N/A | Used in experimental protocol |
| Super Sheath arterial catheters (5 Fr, 7 Fr, 9 Fr) | Boston Scientific | C1894 | for intravascular access |
| Suture | Ethicon | C013D | For securing catheter to skin and closing incisions |
| T connector, all female luer locks | Qosina | SKU: 88214 | Part of noninvasive PuO2 monitor |
Riferimenti
- Gomes, E., Antunes, R., Dias, C., Araújo, R., Costa-Pereira, A. Acute kidney injury in severe trauma assessed by RIFLE criteria: a common feature without implications on mortality. Scandinavian Journal of Trauma, Resuscitation and Emergency Medicine. 18, 1 (2010).
- Bihorac, A., et al. Incidence, clinical predictors, genomics, and outcome of acute kidney injury among trauma patients. Annals of Surgery. 252 (1), 158-165 (2010).
- Perkins, Z. B., et al. Trauma induced acute kidney injury. Plos One. 14 (1), 0211001 (2019).
- Lai, W. H., et al. Post-traumatic acute kidney injury: a cross-sectional study of trauma patients. Scandinavian Journal of Trauma, Resuscitation and Emergency Medicine. 24 (1), 136 (2016).
- Khwaja, A. KDIGO clinical practice guidelines for acute kidney injury. Nephron Clinical Practice. 120 (4), 179-184 (2012).
- Saour, M., et al. Assessment of modification of diet in renal disease equation to predict reference serum creatinine value in severe trauma patients: Lessons from an observational study of 775 cases. Annals of Surgery. 263 (4), 814-820 (2016).
- Ostermann, M., Joannidis, M. Acute kidney injury 2016: diagnosis and diagnostic workup. Critical Care. 20 (1), 299 (2016).
- Koeze, J., et al. Incidence, timing and outcome of AKI in critically ill patients varies with the definition used and the addition of urine output criteria. BMC Nephrology. 18 (1), 70 (2017).
- Ralib, A., Pickering, J. W., Shaw, G. M., Endre, Z. H. The urine output definition of acute kidney injury is too liberal. Critical Care. 17 (3), 112 (2013).
- Ostermann, M. Diagnosis of acute kidney injury: Kidney disease improving global outcomes criteria and beyond. Current Opinion Critical Care. 20 (6), 581-587 (2014).
- Harrois, A., Libert, N., Duranteau, J. Acute kidney injury in trauma patients. Current Opinion Critical Care. 23 (6), 447-456 (2017).
- Ow, C. P. C., Ngo, J. P., Ullah, M. M., Hilliard, L. M., Evans, R. G. Renal hypoxia in kidney disease: Cause or consequence. Acta Physiologica. 222 (4), 12999 (2018).
- Leonhardt, K. O., Landes, R. R., McCauley, R. T. Anatomy and physiology of intrarenal oxygen tension: Preliminary study of the effets of anesthetics. Anesthesiology. 26 (5), 648-658 (1965).
- Stafford-Smith, M., Grocott, H. P. Renal medullary hypoxia during experimental cardiopulmonary bypass: a pilot study. Perfusion. 20 (1), 53-58 (2005).
- Kitashiro, S., et al. Monitoring urine oxygen tension during acute change in cardiac output in dogs. Journal of Applied Physiology. 79 (1), 202-204 (1995).
- Sgouralis, I., et al. Bladder urine oxygen tension for assessing renal medullary oxygenation in rabbits: experimental and modeling studies. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative, and Comparative Physiology. 311 (3), 532-544 (2016).
- Kainuma, M., Kimura, N., Shimada, Y. Effect of acute changes in renal arterial blood flow on urine oxygen tension in dogs. Critical Care Medicine. 18 (3), 309-312 (1990).
- Zhu, M. Z. L., et al. Urinary hypoxia: an intraoperative marker of risk of cardiac surgery-associated acute kidney injury. Nephrology Dialysis Transplantation. 33 (12), 2191-2201 (2018).
- Silverton, N. A., et al. Noninvasive urine oxygen monitoring and the risk of acute kidney injury in cardiac surgery. Anesthesiology. 135 (3), 406-418 (2021).
- Lankadeva, Y. R., et al. Intrarenal and urinary oxygenation during norepinephrine resuscitation in ovine septic acute kidney injury. Kidney International. 90 (1), 100-108 (2016).
- Evans, R. G., et al. Renal hemodynamics and oxygenation during experimental cardiopulmonary bypass in sheep under total intravenous anesthesia. American Journal of Physiology. Regulatory, Integrative, and Comparative Physiology. 318 (2), 206-213 (2020).
- Sgouralis, I., Evans, R. G., Layton, A. T. Renal medullary and urinary oxygen tension during cardiopulmonary bypass in the rat. Mathematical Medicine and Biology. 34 (3), 313-333 (2017).
- Lankadeva, Y. R., Kosaka, J., Evans, R. G., Bellomo, R., May, C. N. Urinary oxygenation as a surrogate measure of medullary oxygenation during angiotensin II therapy in septic acute kidney injury. Critical Care Medicine. 46 (1), 41-48 (2018).
- Ngo, J. P., et al. Factors that confound the prediction of renal medullary oxygenation and risk of acute kidney injury from measurement of bladder urine oxygen tension. Acta Physiologica. 227 (1), 13294 (2019).
- Spahn, D. R., et al. The European guideline on management of major bleeding and coagulopathy following trauma: fifth edition. Critical Care. 23 (1), 98 (2019).
- Legrand, M., et al. Fluid resuscitation does not improve renal oxygenation during hemorrhagic shock in rats. Anesthesiology. 112 (1), 119-127 (2010).
- Badin, J., et al. Relation between mean arterial pressure and renal function in the early phase of shock: a prospective, explorative cohort study. Critical Care. 15 (3), 135 (2011).
- Ribeiro Junio, M. A. F., et al. The complications associated with resuscitative endovascular balloon occlusion of the aorta (REBOA). World Journal of Emergency Surgery. 13, 20 (2018).
