Spojení cerebrálního průtoku a metabolismu během chirurgie u dospělých

Mozek je vysoce metabolicky aktivní orgán, který přijímá přibližně 15 % srdečního výdeje s normálním průtokem krve mozkem (CBF) přibližně 50 ml/100 g/min. Za normálních okolností je CBF pevně spojen s lokálním mozkovým metabolismem. Zvýšení mozkové metabolické aktivity jedné oblasti mozku spustí odpovídající zvýšení průtoku krve do této oblasti mozku. Naopak snížení mozkové metabolické aktivity povede ke snížení průtoku krve. Tento přísně kontrolovaný fyziologický jev je známý jako spojení průtoku a metabolismu.

Má se za to, že spojení průtok-metabolismus je dopředný fyziologický ochranný mechanismus, kde neuronální aktivita přímo zvyšuje CBF, čímž odpovídá zvýšenému přísunu energie. V případě mozkové hypoperfuze (tj. snížení CBF), mozkové cévy by byly kompenzovaně dilatovány a lokální extrakční frakce kyslíku (OEF) by se zvýšila. Pokud mozková hypoperfuze přetrvává a je pod prahovou hodnotou, aktivita mozkových buněk by byla potlačena, což by vedlo ke snížení cerebrální metabolické rychlosti (CMR) a cerebrální metabolické potřeby kyslíku (CMRO2). Tento spojovací mechanismus průtok-metabolismus je dobře studován pomocí PET skenu jak u zdravých dobrovolníků, tak u pacientů s patologickými stavy. Důležité je, že tato fyziologická vlastnost průtokového metabolismu v reakci na mozkovou ischémii může být použita jako časnější indikátor cerebrální ischemie během operace. Jinými slovy, monitorování, které indikuje náhlý pokles CMRO2 nebo zvýšení OEF, může sloužit jako časný marker mozkové ischemie. Vzhledem k technickým omezením je však detekce takových jemných fyziologických změn u lůžka náročná, zejména v intraoperačním prostředí. Navíc mnoho fyziologických, patologických a farmakologických faktorů může ovlivnit tento vztah mezi průtokem a metabolismem, a tudíž ovlivnit interpretaci změn CMRO2/OEF jako indikátoru mozkové ischémie. Jsou vyžadovány další studie, které se zabývají tím, jak mohou anestetika zmást interpretaci.

Různá anestetika mohou měnit spojení průtok-metabolismus různými způsoby. Rychlost mozkového metabolismu je určena řadou faktorů, včetně funkčního stavu nervového systému, anestetik a tělesné teploty. Vliv jednotlivých anestetik na CMR byl dobře prostudován. Stručně řečeno, většina anestetik potlačuje CMR způsobem závislým na dávce, s výjimkou ketaminu a oxidu dusného (N2O). Anestetická suprese CMR je řízena především snížením elektrofyziologických aktivit. Předchozí studie ukázaly, že několik anestetik, včetně barbiturátů, isofluranu, sevofluranu, desfluranu, propofolu a etomidátu, může zvýšit plazmatické koncentrace a způsobit progresivní supresi EEG aktivity a současné snížení CMR.

Aby se problém ještě více zkomplikoval, během operace je anesteziolog povinen udržovat adekvátní mozkový perfuzní tlak, aby bylo zajištěno dostatečné množství CBF pro pokrytí metabolických požadavků. Navození celkové anestezie je často spojeno se snížením středního arteriálního krevního tlaku (MAP) a cerebrálního perfuzního tlaku, což lze přičíst snížení srdečního výdeje (CO) a systémové vaskulární rezistence (SVR). Mnoho intraoperačních stavů, jako je ztráta krve a chirurgické umístění, může dále zhoršit krevní tlak pacienta, a tím i CBF. Fenylefrin a efedrin se běžně podávají během neurochirurgických výkonů k potlačení kardiovaskulární deprese a k léčbě hypotenze související s anestezií. Studie blízké infračervené spektroskopie (NIRS) u pacientů v anestezii naznačují, že fenylefrin snižuje regionální cerebrální saturaci kyslíkem (StO2) ve srovnání s efedrinem, a to i přes výrazné zvýšení MAP. Výsledky těchto studií jsou protichůdné a představují různá omezení.

NIRS je již dlouho uznáván jako slibný neuromonitor díky relativní průhlednosti tkáně vůči světlu v blízké infračervené oblasti a závislosti absorpce světla na oxygenaci hemoglobinu, což představuje neinvazivní metodu měření StO2. Kromě toho je NIRS extrémně bezpečný, levný a poskytuje monitorování v reálném čase. Komerční systémy jsou dostupné a používají se pro neuromonitoring během různých chirurgických zákroků s přidruženým rizikem poranění mozku, včetně bypassu koronární artérie a karotidové endarterektomie.1,2 Přes výhody NIRS je jeho diagnostická přesnost pro detekci intraoperační ischemie kontroverzní.3 Nedávný systematický přezkum dospěl k závěru, že:

"NIRS má nízkou senzitivitu a vysokou specifitu k identifikaci intraoperační ischémie... Příspěvek extrakraniálního signálu byl velmi variabilní." 4

Tento závěr odráží dvě hlavní omezení komerčních systémů NIRS. Za prvé, vztah mezi StO2 a ischemií není přímý, protože StO2 nezávisí pouze na CBF, ale také na metabolické potřebě tkáně. Za druhé, absorpce světla v pokožce hlavy a lebce je hlavním zdrojem kontaminace signálu. Ve skutečnosti více než 80 % signálu NIRS pochází z extracerebrálních tkání, protože vzdálenost od povrchu kůže k mozku se pohybuje mezi 1,0 až 1,5 cm. V důsledku toho mohou hemodynamické změny v povrchových tkáních zastínit signály související s mozkem. Kvůli těmto dvěma omezením nebyl stanoven specifický práh StO2 pro identifikaci intraoperační ischemie.

Náš tým vyvíjí technologie pro řešení dvou hlavních omezení komerčních systémů NIRS. S ohledem na zvýšení hloubkové citlivosti jsme vyvinuli časově rozlišený (tr)NIRS systém, který měří čas, který fotony potřebují k průchodu tkání.5 Na základě principu, že čas se rovná vzdálenosti, je světlo, které se dotazuje na pokožku hlavy a lebku, zaznamenáno dříve než světlo, které dopadá do mozku.

Abychom zajistili nepřetržité monitorování průtoku krve, zkombinovali jsme trNIRS s doplňkovou optickou technologií známou jako difuzní korelační spektroskopie (DCS). Namísto měření absorpce světla měří DCS časové kolísání signálu způsobené pohybem rozptylovačů světla, kterým ve tkáni dominuje mikrovaskulatura krevního toku (tj. prokrvení tkání).8 Stejně jako NIRS může být DCS ovlivněn změnami signálu v povrchové tkáni, ačkoli má vnitřní výhodu v tom, že průtok krve je podstatně vyšší v mozku ve srovnání s pokožkou hlavy (~ 5:1).9 Abychom oddělili dva příspěvky signálu, náš systém získává data na dvou vzdálenostech zdroj-detektor: na krátkou vzdálenost pro sledování průtoku krve skalpem a na delší vzdálenost s větší citlivostí na CBF.10 Dříve jsme používali DCS k monitorování stability CBF u předčasně narozených dětí během prvních dnech života a při kardiochirurgii.11,12 Nedávná studie zkoumající použití DCS k monitorování CBF během karotické endarterektomie uvádí průměrné snížení perfuze o 57 % při sevření13.

Náš hybridní trNIRS/DCS, který je zobrazen, má schopnost měřit CBF a StO2 současně. Pomocí této kombinace lze kombinací těchto dvou měření vypočítat metabolismus kyslíku v mozku, který se označuje jako cerebrální metabolická rychlost spotřeby kyslíku (CMRO2).

Na základě této nově vyvinuté techniky u lůžka plánujeme posoudit, jak se CBF a CMRO2 mění v celkové anestezii a jejich reakce na fenylefrin a efedrin během hypotenze.

Všichni účastníci studie budou přijati a budou souhlasit s dodržováním místních etických směrnic. Ošetřující anesteziologové a chirurgové nebudou vzhledem k povaze zákroku oslepeni. Pacienti a hodnotitelé výsledků však budou zaslepeni, pokud jde o léčebný zásah. Všem pacientům bude poskytnuta standardní anesteziologická péče a chirurgická a anestetická léčba pacientů bude prováděna standardním způsobem a nebude v této studii měněna. Anestezie bude vyvolána fentanylem 1-2 mcg/kg, propofolem 1,5-3 mg/kg, rokuroniem 0,6-0,9 mg/kg. Bude monitorován automatický krevní tlak, elektrokardiografie, pulzní oxymetrie, kapnografie, teplota jícnu, vdechovaný a vydechovaný kyslík a koncentrace CO2. Bude aplikována řízená ventilace s 50% kyslíkem ve vzduchu a hladiny CO2 na konci výdechu budou udržovány na 35-40 mmHg. Nasycení kyslíkem se udržuje nad 96 %. FiO2 lze zvýšit, pokud dojde k arteriální desaturaci. Tělesná teplota bude udržována nad 36 ℃. Po operaci budou pacienti extubováni a převezeni na PACU. Hloubka anestezie bude průběžně monitorována buď bispektrálním indexem (BSI) nebo indexem stavu pacienta (PSI).

Všichni pacienti budou monitorováni přístrojem trNIRS/DCS od úvodu do anestezie až po dokončení operace. Senzor NIRS bude umístěn na čelo pacienta.

Před indukcí anestezie budou měřeny předoperační základní mozkové hemodynamické a metabolické parametry jako ScO2, CBF, CMRO2, OEF po dobu 1 minuty. Monitorování bude pokračovat během úvodu do anestezie a tracheální intubace. Po indukci anestezie budou získány postindukční cerebrální hemodynamické a metabolické parametry.

Po tracheální intubaci se zajištěnými dýchacími cestami budou podávány udržovací a vazopresorické látky podle přidělené skupiny. Čtyři možné přidělené skupiny jsou následující:

Skupina 1: Anesteziologická údržba na bázi propofolu s fenylefrinem použitým jako vasopresor Skupina 2: Anesteziologická údržba na bázi propofolu s efedrinem použitým jako vasopresor Skupina 3: Anesteziologická údržba na bázi sevofluranu s fenylefrinem použitým jako vasopresor Skupina 4: Údržba anestetika na bázi sevofluranu s efedrinem používaným jako vasopresor

Prostředky údržby

• U skupiny s propofolem bude pacient během operace dostávat propofol jako udržovací činidlo. Typická dávka je 150-200 mg/kg/min.
• U sevofluranové skupiny bude pacient během operace udržován na 1 MAC sevofluranu.
• Propofol i sevofluran jsou běžně používané udržovací prostředky a hloubka anestezie bude udržována na PSI 30-40 (normální rozmezí 25-50) bez ohledu na výběr látek. Anesteziologové používají oba přípravky často a v naší každodenní praxi se výběr anestetik řídí především osobní preferencí, s výjimkou pacientů se specifickými kontraindikacemi, jako je maligní hypertermie nebo alergie na léky.

Vazopresorické látky

• U skupiny s fenylefrinem bude pacient dostávat infuzi fenylefrinu jako primárního vazopresoru volby.
• U skupiny s efedrinem bude pacient dostávat infuzi efedrinu jako primárního vazopresoru volby.
• Vasopressor bude podáván pouze k udržení MAP v rozmezí 0-20 % nad výchozí hodnotou. V praxi celkové anestezie lze efedrin a fenylefrin podávat jako bolusovou injekci nebo infuzi. V této studii je použit infuzní režim z důvodu nutnosti udržení stabilního krevního tlaku při opakovaných měřeních mozkové hemodynamiky v ustáleném stavu v každé skupině. U pacientů s refrakterní hypotenzí navzdory infuzi fenylefrinu nebo efedrinu budou použity jiné vazopresory nebo inotropy. U pacientů, kteří nedostávali žádný vazopresor (např. žádná hypotenze během celé operace) nebo kteří dostávají více typů vazopresorů, analyzujeme jejich data za použití přístupu „intention-to-treat“ a „as-per-protocol“.

Neurologické výsledky pacientů na jednotce postanesteziologické péče (PACU) budou také shromažďovány prostřednictvím rutinního fyzického vyšetření.