Неинвазивный и инвазивный мониторинг гипоксии почек на свиной модели геморрагического шока
Summary
Здесь представлен протокол для измерения оксигенации почек в мозговом веществе и неинвазивного парциального давления кислорода в моче в модели свиней с геморрагическим шоком для установления парциального давления кислорода в моче в качестве раннего индикатора острого повреждения почек (ОПП) и новой реанимационной конечной точки.
Abstract
У 50% пациентов с травмой развивается острое повреждение почек (ОПП), отчасти из-за плохой почечной перфузии после тяжелой кровопотери. В настоящее время ОПП диагностируется на основании изменения концентрации креатинина в сыворотке крови по сравнению с исходным уровнем или длительных периодов снижения диуреза. К сожалению, исходные данные о концентрации креатинина в сыворотке крови недоступны у большинства пациентов с травмой, а современные методы оценки неточны. Кроме того, концентрация креатинина в сыворотке крови может не изменяться до 24-48 ч после травмы. Наконец, олигурия должна сохраняться в течение как минимум 6 часов для диагностики ОПП, что делает ее непрактичной для ранней диагностики. Доступные сегодня подходы к диагностике ОПП бесполезны для прогнозирования риска во время реанимации пациентов с травмой. Исследования показывают, что парциальное давление кислорода в моче (PuO2) может быть полезно для оценки почечной гипоксии. Монитор, соединяющий мочевой катетер и мешок для сбора мочи, был разработан для неинвазивного измеренияPuO2. Устройство включает в себя оптический датчик кислорода, который оцениваетPuO2 на основе принципов гашения люминесценции. Кроме того, прибор измеряет поток мочи и температуру, причем последняя корректируется с учетом смешанных эффектов изменений температуры. Мочевой поток измеряется для компенсации эффектов проникновения кислорода в периоды низкого потока мочи. В данной статье описывается свиная модель геморрагического шока для изучения взаимосвязи между неинвазивнымPuO2, почковой гипоксией и развитием ОПП. Ключевым элементом модели является хирургическое размещение в мозговом веществе почки под контролем ультразвука кислородного зонда, который основан на непокрытом оптическом микроволокне. PuO2 также будет измеряться в мочевом пузыре и сравниваться с почечными и неинвазивными измерениямиPuO2. Эта модель может быть использована для тестирования PuO 2 в качестве раннего маркера ОПП и оценки PuO2 как реанимационной конечной точки после кровоизлияния, которая указывает на орган-мишень, а не на системную оксигенацию.
Introduction
Острым повреждением почек (ОПП) страдают до 50% пациентов с травмой, поступающих в отделение интенсивной терапии1. Пациенты, у которых развивается ОПП, как правило, имеют более длительную продолжительность пребывания в больнице и отделении интенсивной терапии и в три раза больший риск смертности 2,3,4. В настоящее время ОПП чаще всего определяется рекомендациями по улучшению глобальных исходов заболеваний почек (KDIGO), которые основаны на изменениях концентрации креатинина в сыворотке крови по сравнению с исходным уровнем или периодами длительной олигурии5. Исходные данные о концентрации креатинина недоступны у большинства пациентов с травмой, а уравнения оценки ненадежны и не были подтверждены у пациентов с травмой6. Кроме того, концентрация креатинина в сыворотке крови может не изменяться по крайней мере через 24 часа после травмы, что исключает раннее выявление и вмешательство7. Хотя исследования показывают, что диурез является более ранним показателем ОПП, чем концентрация креатинина в сыворотке, критерии KDIGO требуют как минимум 6 часов олигурии, что исключает вмешательства, направленные на профилактику травм8. Также обсуждается оптимальный почасовой порог диуреза и соответствующая продолжительность олигурии для определения ОПП, что ограничивает его эффективность в качестве раннего маркера заболевания 9,10. Таким образом, современные диагностические меры для ОПП бесполезны в условиях травматологии, приводят к отсроченной диагностике ОПП и не предоставляют информацию в режиме реального времени о статусе риска развития ОПП у пациента.
В то время как развитие ОПП в условиях травмы является сложным и, вероятно, связано с несколькими причинами, такими как плохая почечная перфузия из-за гиповолемии, снижение почечного кровотока из-за вазоконстрикции, воспаление, связанное с травмой, или ишемия-реперфузионное повреждение, почечная гипоксия является распространенным фактором среди большинства форм ОПП11,12. В частности, область мозгового вещества почки очень подвержена дисбалансу между потребностью и предложением кислорода в условиях травмы из-за снижения доставки кислорода и высокой метаболической активности, связанной с реабсорбцией натрия. Таким образом, если бы можно было измерить оксигенацию мозгового вещества в почках, можно было бы контролировать состояние риска развития ОПП у пациента. Хотя это клинически неосуществимо, парциальное давление кислорода в моче (PuO2) на выходе из почки сильно коррелирует с оксигенацией медуллярной ткани13,14. Другие исследования показали, что можно измерить PuO 2 в мочевом пузыре и что он изменяется в ответ на стимулы, которые изменяют уровни медуллярного кислорода и PuO2 в почечной лоханке, такие как снижение почечного кровотока15,16,17. Эти исследования показывают, чтоPuO2 может указывать на перфузию органов-мишеней и может быть полезен для мониторинга влияния вмешательств в травматологических условиях на функцию почек.
Для неинвазивного мониторинга PuO2 был разработан неинвазивный монитор PuO2 , который может легко подключаться к концу мочевого катетера вне тела. Неинвазивный монитор PuO2 состоит из трех основных компонентов: датчика температуры, датчика люминесцентного гашения кислорода и датчика потока на тепловой основе. Поскольку каждый датчик кислорода имеет оптическую основу и опирается на соотношения Штерна-Фольмера для количественной оценки взаимосвязи между люминесценцией и концентрацией кислорода, датчик температуры необходим для компенсации любых потенциальных смешанных эффектов изменений температуры. Датчик потока важен для количественной оценки диуреза и определения направления и величины потока мочи. Все три компонента соединены комбинацией штекерных, гнездовых и Т-образных соединителей замка Луера и гибких трубок из поливинилхлорида (ПВХ). Конец с коническим соединителем соединяется с выходным отверстием мочевого катетера, а конец с трубкой над коническим соединителем соединяет направляющие через разъем на мешке для сбора мочи.
Несмотря на измерение дистально по отношению к мочевому пузырю, недавнее исследование показало, что низкий уровеньPuO2 в моче во время операции на сердце связан с повышенным риском развития ОПП18,19. Точно так же современные модели на животных в первую очередь сосредоточены на раннем выявлении ОПП во время кардиохирургии и сепсиса 14,20,21,22. Таким образом, остаются вопросы об использовании этого нового устройства в условиях травмы. Целью данного исследования является установлениеPuO2 в качестве раннего маркера ОПП и изучение его использования в качестве реанимационной конечной точки у пациентов с травмой. В этой рукописи описывается свиная модель геморрагического шока, которая включает размещение неинвазивного монитораPuO2, датчика PuO2 мочевого пузыря и тканевого датчика кислорода в мозговом веществе почки. Данные неинвазивного монитора будут сравниваться с измерениямиPuO2 мочевого пузыря и инвазивного кислорода в тканях. Неинвазивный монитор также включает в себя датчик потока, который будет полезен для понимания взаимосвязи между скоростью потока мочи и проникновением кислорода, что снижает способность делать выводы о насыщении кислородом медуллярной ткани почек из неинвазивного PuO2 при прохождении мочи через мочевыводящие пути. Кроме того, данные с трех датчиков кислорода будут сравниваться с системными показателями жизнедеятельности, такими как среднее артериальное давление. Основная гипотеза заключается в том, что неинвазивные данные PuO2 будут сильно коррелировать с инвазивным медуллярным содержанием кислорода и будут отражать медуллярную гипоксию во время реанимации. Неинвазивный мониторингPuO2 может улучшить исходы, связанные с травмой, за счет более раннего выявления ОПП и использования в качестве новой реанимационной конечной точки после кровоизлияния, которая свидетельствует о гениальном органе-мишени, а не о системной оксигенации.
Protocol
Representative Results
Discussion
ОПП является распространенным осложнением у пациентов с травмой, и в настоящее время не существует утвержденного прикроватного монитора для оксигенации почечной ткани, который мог бы позволить раньше выявлять ОПП и направлять потенциальные вмешательства. В этой рукописи описывается…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа в рамках этого гранта финансируется Институтом клинических и трансляционных наук Университета штата Юта в рамках Пилотной программы трансляционных и клинических исследований и Управления Министерства обороны по программам медицинских исследований, направляемых Конгрессом (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 |
Referências
- 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).
