Niet-invasieve en invasieve renale hypoxiemonitoring in een varkensmodel van hemorragische shock
Summary
Hier wordt een protocol gepresenteerd om renale oxygenatie in het medulla en niet-invasieve urine zuurstof partiële druk te meten in een hemorragisch shock varkensmodel om urine zuurstof partiële druk vast te stellen als een vroege indicator van acute nierschade (AKI) en een nieuw reanimatie-eindpunt.
Abstract
Tot 50% van de patiënten met trauma ontwikkelt acute nierschade (AKI), deels als gevolg van slechte nierperfusie na ernstig bloedverlies. AKI wordt momenteel gediagnosticeerd op basis van een verandering in serumcreatinineconcentratie ten opzichte van baseline of langdurige perioden van verminderde urineproductie. Helaas zijn gegevens over de serumcreatinineconcentratie bij baseline niet beschikbaar bij de meeste patiënten met trauma en zijn de huidige schattingsmethoden onnauwkeurig. Bovendien kan de serumcreatinineconcentratie pas 24-48 uur na het letsel veranderen. Ten slotte moet oligurie minimaal 6 uur aanhouden om AKI te diagnosticeren, waardoor het onpraktisch is voor een vroege diagnose. AKI-diagnostische benaderingen die vandaag beschikbaar zijn, zijn niet nuttig voor het voorspellen van risico’s tijdens de reanimatie van patiënten met trauma. Studies suggereren dat urinaire partiële druk van zuurstof (PuO2) nuttig kan zijn voor het beoordelen van nierhypoxie. Een monitor die de urinekatheter en de urineopvangzak verbindt, is ontwikkeld om PuO2 niet-invasief te meten. Het apparaat bevat een optische zuurstofsensor die PuO2 schat op basis van luminescentie-blusprincipes. Bovendien meet het apparaat de urinestroom en temperatuur, de laatste om aan te passen aan verstorende effecten van temperatuurveranderingen. De urinestroom wordt gemeten om de effecten van het binnendringen van zuurstof tijdens perioden van lage urinestroom te compenseren. Dit artikel beschrijft een varkensmodel van hemorragische shock om de relatie tussen niet-invasieve PuO2, nierhypoxie en AKI-ontwikkeling te bestuderen. Een belangrijk element van het model is de echogeleide chirurgische plaatsing in het niermerg van een zuurstofsonde, die is gebaseerd op een niet-verwarmde optische microvezel. PuO 2 zal ook worden gemeten in de blaas en vergeleken met de nier- en niet-invasieve PuO2-metingen. Dit model kan worden gebruikt om PuO 2 te testen als een vroege marker van AKI en PuO2 te beoordelen als een reanimatie-eindpunt na een bloeding dat indicatief is voor eindorgaan in plaats van systemische oxygenatie.
Introduction
Acuut nierletsel (AKI) treft tot 50% van de patiënten met trauma die zijn opgenomen op de intensive care1. Patiënten die AKI ontwikkelen, hebben meestal een langere verblijfsduur in het ziekenhuis en op de intensive care en een drievoudig groter risico op sterfte 2,3,4. Momenteel wordt AKI meestal gedefinieerd door de Kidney Disease Improving Global Outcomes (KDIGO) -richtlijnen, die zijn gebaseerd op veranderingen in serumcreatinineconcentratie ten opzichte van baseline of perioden van langdurige oligurie5. Baseline creatinineconcentratiegegevens zijn niet beschikbaar bij de meeste patiënten met trauma en schattingsvergelijkingen zijn onbetrouwbaar en zijn niet gevalideerd bij patiënten met trauma6. Bovendien kan de serumcreatinineconcentratie pas ten minste 24 uur na het letsel veranderen, waardoor vroegtijdige identificatie en interventie worden uitgesloten7. Hoewel onderzoek suggereert dat urineproductie een eerdere indicator is van AKI dan serumcreatinineconcentratie, vereisen de KDIGO-criteria een minimum van 6 uur oligurie, wat interventies gericht op letselpreventie uitsluit8. De optimale urineproductiedrempel per uur en de juiste duur van oligurie voor het definiëren van AKI worden ook besproken, wat de effectiviteit ervan als een vroege marker van de ziektebeperkt 9,10. De huidige diagnostische maatregelen voor AKI zijn dus niet nuttig in trauma-instellingen, leiden tot een vertraagde diagnose van AKI en bieden geen realtime informatie over de risicostatus van een patiënt voor het ontwikkelen van AKI.
Hoewel de ontwikkeling van AKI in een trauma-setting complex is en waarschijnlijk geassocieerd met verschillende oorzaken, zoals slechte nierperfusie als gevolg van hypovolemie, verminderde renale bloedstroom als gevolg van vasoconstrictie, traumagerelateerde ontsteking of ischemie-reperfusieletsel, is nierhypoxie een veel voorkomende factor bij de meeste vormen van AKI11,12. In het bijzonder is het medulla-gebied van de nier zeer gevoelig voor een onbalans tussen zuurstofvraag en -aanbod in de trauma-setting als gevolg van verminderde zuurstofafgifte en hoge metabole activiteit geassocieerd met natriumreabsorptie. Dus als het mogelijk zou zijn om renale medulla-oxygenatie te meten, kan het mogelijk zijn om de risicostatus van een patiënt voor het ontwikkelen van AKI te controleren. Hoewel dit klinisch niet haalbaar is, correleert de partiële druk van zuurstof (PuO2) in de urine aan de uitlaat van de nier sterk met medullaire weefseloxygenatie13,14. Andere studies hebben aangetoond dat het mogelijk is om blaas PuO 2 te meten en dat het verandert als reactie op stimuli die medullaire zuurstof en nierbekken PuO2-niveaus veranderen, zoals een afname van de renale bloedstroom15,16,17. Deze studies suggereren dat PuO2 kan wijzen op eindorgaanperfusie en nuttig kan zijn voor het monitoren van de impact van interventies in trauma-instellingen op de nierfunctie.
Om PuO 2 niet-invasief te monitoren, is een niet-invasieve PuO2-monitor ontwikkeld die gemakkelijk verbinding kan maken met het uiteinde van een urinekatheter buiten het lichaam. De niet-invasieve PuO2-monitor bestaat uit drie hoofdcomponenten: een temperatuursensor, een luminescentie-dovende zuurstofsensor en een thermische stromingssensor. Omdat elke zuurstofsensor optisch is gebaseerd en afhankelijk is van de Stern-Volmer-relatie om de relatie tussen luminescentie en zuurstofconcentratie te kwantificeren, is een temperatuursensor nodig om mogelijke verstorende effecten van temperatuurveranderingen te compenseren. De stromingssensor is belangrijk om de urineproductie te kwantificeren en om de richting en omvang van de urinestroom te bepalen. Alle drie de componenten zijn verbonden door een combinatie van mannelijke, vrouwelijke en t-vormige luer lock connectoren en poly-vinylchloride (PVC) flexibele buizen. Het uiteinde met de conische connector sluit aan op de uitlaat van de urinekatheter en het uiteinde met slang over de conische connector verbindt dia’s over de connector op de urineopvangzak.
Ondanks het distaal meten van de blaas, toonde een recente studie aan dat lage urinaire PuO2 tijdens hartchirurgie geassocieerd is met een verhoogd risico op het ontwikkelen van AKI18,19. Evenzo hebben de huidige diermodellen zich voornamelijk gericht op de vroege detectie van AKI tijdens hartchirurgie en sepsis 14,20,21,22. Er blijven dus vragen over het gebruik van dit nieuwe apparaat in omgevingen van trauma. Het doel van dit onderzoek is om PuO2 vast te stellen als een vroege marker van AKI en het gebruik ervan als reanimatie-eindpunt bij patiënten met trauma te onderzoeken. Dit manuscript beschrijft een varkensmodel van hemorragische shock dat de plaatsing van de niet-invasieve PuO 2-monitor, een blaas PuO2-sensor en een weefselzuurstofsensor in het niermerg omvat. Gegevens van de niet-invasieve monitor worden vergeleken met blaas PuO2 en invasieve weefselzuurstofmetingen. De niet-invasieve monitor bevat ook een stroomsensor die nuttig zal zijn voor het begrijpen van de relatie tussen urinestroomsnelheid en zuurstofindringing, wat het vermogen vermindert om renale medullaire weefseloxygenatie af te leiden uit niet-invasieve PuO2 terwijl urine de urinewegen doorkruist. Bovendien zullen gegevens van de drie zuurstofsensoren worden vergeleken met systemische vitale functies, zoals de gemiddelde arteriële druk. De centrale hypothese is dat niet-invasieve PuO2-gegevens sterk correleren met het invasieve medullaire zuurstofgehalte en medullaire hypoxie tijdens reanimatie weerspiegelen. Niet-invasieve PuO2-monitoring heeft het potentieel om traumagerelateerde resultaten te verbeteren door AKI eerder te identificeren en te dienen als een nieuw reanimatie-eindpunt na bloeding dat indicatief is voor eindorgaan in plaats van systemische oxygenatie.
Protocol
Representative Results
Discussion
AKI is een veel voorkomende complicatie bij patiënten met trauma en momenteel is er geen gevalideerde bedmonitor voor nierweefseloxygenatie, die eerdere AKI-detectie mogelijk zou kunnen maken en potentiële interventies zou kunnen begeleiden. Dit manuscript beschrijft het gebruik en de instrumentatie van een varkens hemorragisch shockmodel om niet-invasieve PuO2 vast te stellen als een vroege indicator van AKI en een nieuw reanimatie-eindpunt in trauma-instellingen.
Een van de duid…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het werk in deze beurs wordt gefinancierd door het University of Utah Clinical and Translational Science Institute via het Translational and Clinical Studies Pilot Program en het Department of Defense office van de 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 |
References
- 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).
