Nichtinvasive Messungen der Nierendurchblutung während der Herzchirurgie

Akute Nierenschädigung (AKI) ist eine leider häufige Komplikation bei Herzoperationen, die bei bis zu 40 % der Patienten auftritt und zu erhöhter Sterblichkeit, verlängerter Intensivstation und Krankenhausaufenthaltsdauer führt. AKI nach einer Herzoperation ist keine gutartige Komplikation und erhöht die Sterblichkeit von 1 % auf 19 % bei Patienten mit AKI und auf 63 % bei Patienten, die eine Nierenersatztherapie (RRT) benötigten. In einer anderen Studie hatten Patienten mit AKI mit RRT nach einer Herzoperation eine 39-mal höhere Sterblichkeit als Patienten ohne AKI (95 % KI 32-48).[6] AKI wurde auch mit einer erhöhten Morbidität und einer größeren Anzahl von Patienten in Verbindung gebracht, die in eine erweiterte Pflegeeinrichtung entlassen werden mussten.

Die Pathophysiologie der AKI nach Herzoperation ist multifaktoriell. Patienten, die sich einer Herzoperation unterziehen, sind wahrscheinlich anfälliger für AKI, da sie tendenziell ältere Patienten mit mehreren Komorbiditäten sind, darunter vorbestehende chronische Nierenerkrankungen, Herzfunktionsstörungen, Diabetes mellitus und fortgeschrittenes Alter. Herzchirurgische Patienten sind in der perioperativen Phase auch mehreren nephrotoxischen Mitteln ausgesetzt, darunter Röntgenkontrastmittel, die für die Angiographie verwendet werden, Angiotensin-Converting-Enzym-Hemmer und Diuretika. Hämodynamisch instabile Patienten können aufgrund des pathologischen Zustands, der sie in erster Linie in den Herzoperationssaal bringt, einem niedrigen Herzzeitvolumen und einem niedrigen systemischen Blutdruck ausgesetzt sein. Ein niedriges Herzzeitvolumen und ein niedriger systemischer Blutdruck können zu einer verminderten Nierendurchblutung führen. Einleitung und Aufrechterhaltung der Anästhesie können zu Myokarddepression und hämodynamischer Instabilität führen, wodurch die Nierendurchblutung noch weiter reduziert wird. In den meisten Fällen wird die Herzoperation durch einen kardiopulmonalen Bypass (CPB) erleichtert, bei dem der Patient an eine Herz-Lungen-Maschine angeschlossen wird, die pumpt, Sauerstoff anreichert und CO2 aus dem Blut des Patienten entfernt, während das Herz stillsteht. Es ist bekannt, dass der CPB-Kreislauf selbst erhebliche Entzündungen und hämodynamische Veränderungen verursacht, die insbesondere bei verlängerten CPB-Zeiten zu Nierenschäden führen können. Vasopressorische und inotrope Mittel wie Vasopressin, Norepinephrin, Milrinon und Epinephrin werden häufig verwendet, um den Blutdruck und das Herzzeitvolumen aufrechtzuerhalten. Während einige dieser Mittel den systemischen Blutdruck erhöhen können, indem sie den systemischen Gefäßwiderstand erhöhen, kann dies tatsächlich zu einer Abnahme der Nierendurchblutung führen. Die Auswirkung dieser Wirkstoffe auf die Inzidenz von AKI ist ungewiss.

Traditionell basiert die Diagnose von AKI entweder auf einem anhaltenden Abfall der Urinausscheidung oder einem Anstieg des Serumkreatinins. Die 2012 Kidney Disease Improving Global Outcomes (KDIGO)-Klassifikation definiert AKI als einen Anstieg des Serumkreatinins um 0,3 mg/dl oder mehr in 48 Stunden oder einen Anstieg auf mindestens das 1,5-fache des Ausgangswerts. Drei Stadien von AKI werden dann basierend auf steigenden Werten von Serumkreatinin oder Dauer der verminderten Urinausscheidung definiert.

Die Haupteinschränkung der Kreatinin- und Urinausscheidung als Marker der Nierenfunktion ist die Zeitverzögerung zwischen Verletzung und Diagnose. Nach einer Nierenschädigung dauert es oft 24–36 Stunden, bis der Serumkreatininspiegel ansteigt. Die perioperative Urinausscheidung wird durch den Volumenstatus, Anästhetika und die Anwendung von Diuretika beeinflusst und AKI wird erst diagnostiziert, wenn eine Oligurie für mindestens 6-12 Stunden aufgetreten ist. Dies macht Serumkreatinin- und Harnausscheidungsmessungen unempfindlich gegenüber akuten Veränderungen der Nierenfunktion und relativ nutzlos bei der akuten Diagnose von AKI während und nach einer Herzoperation.

In jüngerer Zeit wurden mehrere frühe Biomarker entwickelt, um Patienten zu identifizieren, bei denen ein Risiko für die Entwicklung von AKI besteht. Zwei dieser Biomarker, TIMP-2 und IGFBP7, wurden zur frühen Vorhersage von AKI bei Patienten auf der Intensivstation und bei Herzoperationen verwendet. Dennoch ist die „Früherkennung“ mit diesen Biomarkern noch auf 3-4 Stunden (in einigen Studien 24 Stunden) nach Nierenschädigung begrenzt.

Eine der größten Einschränkungen bei den Bemühungen, das Auftreten von AKI in der Herzchirurgie zu reduzieren, ist das Fehlen einer Echtzeitüberwachung der Nierendurchblutung. Wie oben erwähnt, ist die Urinausscheidung bekanntermaßen ein schlechter Indikator für die Nierendurchblutung. Während die Harnflussrate unter CPB linear mit dem Blutdruck in Beziehung stehen kann, hängt dies wahrscheinlich mit einem Phänomen zusammen, das als Druckdiurese bezeichnet wird, und ist wahrscheinlich kein Spiegelbild einer verbesserten Nierendurchblutung. Der renale Blutfluss kann gemessen werden, indem die Nierenvene durch einen zentralen Venenkatheter, der in der Femoralvene platziert ist, kanüliert wird. Dies ist jedoch eine hochinvasive Technik und wird nicht routinemäßig verwendet.

Aufgrund des Fehlens einer Echtzeitüberwachung der Niere während einer Herzoperation müssen Anästhesisten häufig fundierte Vermutungen darüber anstellen, welcher Blutdruck und welches Herzzeitvolumen für die Nierendurchblutung angemessen sind, basierend auf dem Ausgangsblutdruck und der Nierenfunktion des Patienten. Bei einem Patienten mit einer langen Vorgeschichte von Bluthochdruck und/oder chronischer Nierenerkrankung besteht das Ziel des Anästhesisten häufig darin, zu versuchen, einen höheren mittleren arteriellen Druck (MAP) sowohl mit als auch ohne CPB als normal aufrechtzuerhalten, um die „Nierendurchblutung“ zu verbessern. Es gibt sehr wenige Daten, die diese Praxis unterstützen, insbesondere wenn wir Vasopressoren verwenden müssen, um diese höheren MAP-Ziele zu erreichen, und der genaue Ziel-MAP bei diesen Patienten unbekannt ist.

Dieser Mangel an Echtzeitüberwachung der Nierendurchblutung steht in krassem Gegensatz zur wachsamen Überwachung des Gehirns während einer Herzoperation. Zerebrale Oxymeter, die routinemäßig zur Messung der Sauerstoffsättigung des Gehirns verwendet werden, transkranielle Dopplersysteme zur Messung des zerebralen Blutflusses und EEG zur Messung der Gehirnaktivität. Oft wird argumentiert, das Gehirn als Indexorgan für eine ausreichende Durchblutung des restlichen Körpers zu verwenden, aber in Zeiten hämodynamischer Instabilität wird die Durchblutung des Gehirns auf Kosten anderer Organe aufrechterhalten. Die untere Grenze der Autoregulation des Gehirns (der Blutdruck, unterhalb dessen der Blutfluss blutdruckabhängig wird) liegt vermutlich bei einem Blutdruck von 50-55 mmHg. [20, 21] Obwohl die genaue Anzahl beim Menschen nicht bestimmt wurde und ein angemessener Blutdruck für die Nierendurchblutung weithin diskutiert wird, ist die untere Grenze der Autoregulation für die Niere wahrscheinlich signifikant höher als für das Gehirn. Entsättigungen im Gehirn können daher spezifisch für eine schlechte Durchblutung anderer Organe wie der Niere und des Darms sein, aber sie sind wahrscheinlich nicht empfindlich für diese Veränderungen.

Eine ausreichende Nierendurchblutung ist viel komplizierter als die einfache Messung des renalen Blutflusses oder der renalen venösen Oxygenierung. Grob gesagt hat die Niere drei anatomische Bereiche: die Nierenrinde, wo der größte Teil der Filtration stattfindet, das Nierenmark, wo der Urin aktiv konzentriert wird, und das Nierenbecken, wo der Urin gesammelt wird. Ungefähr ¼ unseres Herzzeitvolumens geht zu unseren Nieren und das meiste davon perfundiert den Kortex zur Filtration. Im Gegensatz dazu wird das Mark nur begrenzt durchblutet. Dies führt zusammen mit der hohen Stoffwechselaktivität des Nierenmarks zu einem relativ hypoxischen Markmilieu mit einem normalen pO2 von 10-20 mmHg und sehr geringer Sauerstoffreserve. Medulläre Hypoxie kann eine Folge einer verringerten Sauerstoffzufuhr oder eines erhöhten Sauerstoffverbrauchs sein und ist eine Hauptdeterminante von AKI und chronischer Nierenerkrankung. Die relativ hypoxische Umgebung des Nierenmarks und seine Rolle bei Nierenschäden legen nahe, dass globale Messungen der systemischen venösen Oxygenierung durch einen zentralen Venenkatheter oder sogar der renalen venösen Oxygenierung durch einen invasiven Nierenvenenkatheter schlechte Monitore für eine angemessene Nierenperfusion sein können. Die idealere Überwachung von Nierenhypoxie und Nierenschädigung wäre ein Maß für die medulläre Oxygenierung.

Aufgrund der räumlichen Nähe der Vasa recta im Nierenmark zu den Harnsammelrohren steht die medulläre Sauerstoffspannung in engerem Zusammenhang mit der Sauerstoffspannung im Urin als die renale venöse Oxygenierung. Die medulläre Sauerstoffspannung wurde in Tierversuchen invasiv gemessen und korreliert sowohl mit der Sauerstoffversorgung im Nierenbeckenurin als auch im Blasenurin. Bei Schweinen wurde gezeigt, dass die Sauerstoffversorgung der Blase im Urin mit zunehmendem Grad an Hypoxämie und Blutung abnimmt und dann durch Wiederbelebung wiederhergestellt wird. Es wurde festgestellt, dass diese Veränderungen anderen globalen hämodynamischen Veränderungen und einem Anstieg des Basendefizits oder der Laktatazidose vorausgehen. In einem Sepsis-Schafmodell war sowohl der medulläre als auch der Urinsauerstoff verringert, und die Wiederherstellung des systemischen Blutdrucks mit Norepinephrin reduzierte die Sauerstoffspannung sowohl im Nierenmark als auch im Urin weiter. Sowohl der medulläre als auch der Beckenurin-Sauerstoffdruck nahmen bei Schweinen mit Beginn der CPB signifikant ab und stiegen nach Beendigung des Bypasses allmählich an, blieben aber niedriger als vor der CPB, was darauf hindeutet, dass die Hämodynamik der CPB einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung von AKI leisten könnte in der Herzchirurgie.

1996 berichteten Kainuma et al. platzierten eine Sauerstoffelektrode im Blasenkatheter von 96 Patienten, die sich einer Herzoperation mit CPB unterzogen. In ihrem Aufbau gab es 20 ml Totraum zwischen der Spitze des Katheters und dem Oxymeter. Zur Kalibrierung wurden alle zwei Stunden Proben von einem Absperrhahn in der Nähe des Oxymeters entnommen. Sie fanden bei allen Patienten während der CPB deutliche Abnahmen des Sauerstoffdrucks im Urin. Einige Patienten erholten sich nach CPB wieder von ihrer Sauerstoffversorgung im Urin, aber bei 34 % der Patienten nahm die Sauerstoffspannung im Urin nach dem Bypass weiter ab, und diese Patienten hatten eine signifikant höhere Inzidenz von AKI. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Überwachung des Urinsauerstoffs anderen invasiveren Maßnahmen der Nierendurchblutung überlegen sein könnte, aber bis heute wurden keine weiteren Arbeiten zur Überwachung des Urinsauerstoffs beim Menschen während einer Herzoperation veröffentlicht

Faseroptische Technologie wurde in der Endoskopie zur Krebserkennung verwendet. Kontinuierliche Blutgasmessungen wurden auch bei Patienten durchgeführt, die sich einem kardiopulmonalen Bypass unterziehen, indem faseroptische Sonden zur Sauerstoffmessung in die V. jugularis interna durch einen Zentrallinienkatheter oder in die Radialarterie durch einen Radialarterienkatheter implantiert wurden. Kontinuierliche Blutgasmessungen wurden auch bei Patienten durchgeführt, die sich einem kardiopulmonalen Bypass unterziehen, indem faseroptische Sonden zur Sauerstoffmessung in die V. jugularis interna durch einen Zentrallinienkatheter oder in die Radialarterie durch einen Radialarterienkatheter implantiert wurden.

Kürzlich haben Evans et al. bei 35 Patienten, die sich einer Herzoperation mit kardiopulmonalem Bypass unterzogen, eine faseroptische Sauerstoffsonde in der Spitze eines Blasenkatheters platziert. Ihr Studiendesign war unserem sehr ähnlich, da sie eine faseroptische Sauerstoffsensorsonde in die Spitze eines Blasenkatheters platzierten. Der Unterschied in unserem Design besteht darin, dass wir auch eine Durchflusskammer mit Sauerstoffsensor darin geschaffen haben.

Wir hoffen, dass letzteres eng mit dem an der Spitze des Harnkatheters korreliert, aber ein weniger invasiver Ansatz zur Überwachung des Urinsauerstoffs ist. In unserer Studie planen wir, zwei faseroptische Sauerstoffsonden in einem Standard-Harnkatheter zu platzieren. Die erste Sonde wird in den Blasenkatheter eingeführt und an die Spitze des Katheters geschraubt (jedoch immer noch im Katheter und nicht im Körper), um den Sauerstoffdruck im Blasenurin zu messen. Die zweite wird eine Durchflusskammer mit einem faseroptischen Sauerstoffsensor und einem Urinflussratensensor darin sein. Diese Durchflusskammer wird zwischen dem Blasenkatheter und dem Sammelschlauch platziert (siehe Abbildung 1, beigefügt unter „andere Dokumente“). Ein Einwegventil in der Durchflusskammer ermöglicht den Durchgang von Urin, verhindert jedoch einen Rückfluss von entweder Urin oder Luft.

Die Hypothese ist, dass ein weniger invasives Durchflusskammer-Oxymeter ähnliche Messungen liefert wie die näher platzierte Faser an der Spitze des Harnkatheters, dass beide eine zuverlässige Messung der Urinoxygenierung liefern und dass diese Messungen eine akute postoperative Prognose vorhersagen Nierenschädigung bei herzchirurgischen Patienten.