Klinische Atemwegsbewertung mittels Spektroskopiestudie (CREST)

ZWECK: Demonstration des Zusammenhangs zwischen der Durchblutung der Atemmuskulatur und der Atemarbeit mittels Nahinfrarotspektroskopie unter Verwendung des Indocyaningrün-Farbstoffs NIRS-ICG.

HYPOTHESE UND ZIELE

HYPOTHESE Nr. 1: Bei Probanden mit normaler Atemmuskelfunktion (gesunde Freiwillige) variiert der RMBF, gemessen mit der NIRS-ICG-Technik, direkt mit der Atemarbeit (WOB), gemessen durch Änderungen der transpulmonalen Druckgradienten und gemessen durch Ösophagus- und Oberflächen-EMG .

Ziel Nr. 1: Messung und Demonstration der Beziehung zwischen RMBF und WOB/EMG bei gesunden Freiwilligen, die einen abnormalen Lungenwiderstand simulieren.

Ziel Nr. 2: Messung und Demonstration der Beziehung zwischen RMBF und WOB bei gesunden Freiwilligen, wodurch eine abnormale Lungencompliance simuliert wird.

HYPOTHESE Nr. 2: Bei Personen mit abnormaler Atemmuskelfunktion (Entwöhnung von der mechanischen Beatmung nach COPD- oder ARDS-Exazerbationen) variiert der RMBF, gemessen mit der NIRS-ICG-Technik, mit der Atemarbeit, gemessen durch Änderungen der transpulmonalen Druckgradienten und gemessen durch Ösophagus- und Oberflächen-EMG.

Ziel Nr. 3: Messung und Demonstration des Zusammenhangs zwischen RMBF und WOB bei klinischen Probanden mit abnormalem Lungenwiderstand (Entwöhnung von der mechanischen Beatmung nach COPD-Exazerbation).

Ziel Nr. 4: Messung und Demonstration der Beziehung zwischen RMBF und WOB bei klinischen Probanden mit abnormaler Lungencompliance (Entwöhnung von der mechanischen Beatmung nach ARDS).

HYPOTHESE Nr. 3: Basierend auf früheren Autoren spekulieren wir, dass die Blutflussraten in den Atemmuskeln für einen bestimmten WOB in klinischen Populationen anders sein werden als bei gesunden Freiwilligen. Wir gehen davon aus, dass die Steigung der linearen Regressionsanalyse, die BFI mit WOB in Beziehung setzt (sowohl transpulmonale Druckgradienten als auch EMG), in klinischen Populationen „steiler“ sein wird, was darauf hindeutet, dass ein Grund für Atemversagen und Entwöhnungsschwierigkeiten in diesen Populationen ineffizienter Atemmuskelsauerstoff sein könnte Nutzung.

Ziel Nr. 5: Nachweis, dass sich die RMBF-WOB-Beziehungen in klinischen Populationen von denen unterscheiden, die bei gesunden Freiwilligen gemessen werden.

BEGRÜNDUNG Bisher hat sich die Messung des regionalen Blutflusses und der Sauerstoffverwertung als schwierig erwiesen. Nirgendwo trifft dies mehr zu als bei der Messung der regionalen Durchblutung und Sauerstoffverwertung der Atemmuskulatur. Vieles, was wir über den respiratorischen Muskelblutfluss (RMBF) wissen, stammt aus Tierversuchen oder Humanforschung, die hochinvasive Methoden erfordert. Die Entwicklung einer minimalinvasiven Technik zur Messung des RMBF hat das Potenzial, unser Wissen über Atemenergie in Forschung und Klinik erheblich zu erweitern.

Mithilfe der Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) kann die Absorption elektromagnetischer Energie im nahen Infrarotbereich (650 bis 1000 nm) durch In-vivo-Chromophore gemessen werden. Bei der Beurteilung der Sauerstoffversorgung des regionalen Gewebes bewertet NIRS die Menge der emittierten Energie, die im Bereich absorbiert wird, der mit Hämoglobin (760 nm) und Desoxyhämoglobin (800 nm) verbunden ist. Das Verhältnis dieser Mengen an absorbiertem Licht kann verwendet werden, um einen Index für die Sauerstoffversorgung/Desoxygenierung des Gewebes zu erstellen. Indocyaningrüner Farbstoff ist ein synthetischer Chromophor, der Energie im Infrarotspektrum (805 nm) absorbiert. Guenette et al. maßen die Anreicherung von ICG in den Atemmuskeln mittels NIRS, während die Konzentration von ICG im arteriellen Blut mittels Photodensitometrie gemessen wurde. Diese Technik hat den Vorteil, dass sie den absoluten Muskelblutfluss bei gleichzeitiger Messung des Herzzeitvolumens quantifizieren kann und so die Berechnung absoluter regionaler Blutflüsse und absoluter regionaler Sauerstoffaufnahmeraten ermöglicht. Die Praktikabilität dieser Technik bei gesunden Probanden wird durch die Notwendigkeit von Blutentnahmen und Reinfusionen sowie der arteriellen Kanülierung und der Messung des Herzzeitvolumens erschwert.

Um die logistischen Schwierigkeiten der arteriellen und zentralvenösen Kanülierung (erforderlich zur Bestimmung des Herzzeitvolumens) zu vermeiden, wurde ein relativer Blutflussindex (BFI) vorgeschlagen. Die BFI-Methode ist eine minimalinvasive Alternative und wurde ursprünglich für die schnelle und wiederholte Abschätzung des zerebralen Blutflusses am Krankenbett entwickelt. Der BFI wird aus einem transkutan gemessenen NIRS-ICG-Signal abgeleitet und erfordert keine arterielle Kanülierung oder Messung des Herzzeitvolumens. Der BFI ist ein relatives Maß für den Blutfluss, da der absolute Fluss nicht bestimmt werden kann, es sei denn, die arterielle ICG-Konzentration wird gemessen.

Frühere Analysen verglichen BFI und den mit NIRS und ICG ermittelten absoluten Muskelblutfluss und zeigten eine starke Übereinstimmung zwischen BFI und NIRS-abgeleitetem absoluten Muskelblutfluss. Bisher hat sich keine Studie mit dem Zusammenhang zwischen NIRS-ICG-abgeleiteten BFI-Werten und der Atembelastung, gemessen durch Ösophagus- und Oberflächen-EMG (EEMG-SEMG), bei Probanden mit abnormaler Compliance oder Resistenz oder in klinischen Populationen befasst.

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (chronische Bronchitis und Emphysem) ist eine pathologische Erkrankung, die durch eine Zerstörung des Lungenparenchyms und eine abnormale Verengung der Atemwege gekennzeichnet ist, die zu einer Einschränkung der Luftzufuhr führt. In der klinischen Praxis wird COPD durch einen charakteristisch geringen Luftstrom und einen abnormalen Widerstand des Lungensystems bei Lungenfunktionstests definiert. Im Gegensatz zum Asthma ist diese Einschränkung nur schwer reversibel und schreitet mit der Zeit fort. COPD ist die vierthäufigste Todesursache bei Kanadiern. Schwere COPD-Exazerbationen erfordern möglicherweise eine mechanische Beatmung und die Einweisung auf die Intensivstation.

Das akute Atemnotsyndrom (ARDS) ist eine schwere Lungenerkrankung, die sowohl durch direkte als auch indirekte entzündliche Schäden verursacht wird. Es ist durch eine Entzündung des Lungenparenchyms gekennzeichnet, die zu einem beeinträchtigten Gasaustausch und einer abnormalen Compliance des Atmungssystems führt. Hypoxämie und die Freisetzung systemisch aktiver Zytokine führen häufig zum Versagen mehrerer Organe und zum Tod. ARDS erfordert typischerweise eine mechanische Beatmung und die Einweisung in eine Intensivstation.

Patienten mit COPD oder ARDS, die eine mechanische Beatmung benötigen, haben ein hohes Risiko, entweder aufgrund ihrer Krankheit oder aufgrund von Komplikationen während einer kritischen Erkrankung zu sterben. Diejenigen, die die akute Phase ihrer Krankheit überleben, benötigen häufig eine längere mechanische Beatmung und haben oft Schwierigkeiten, sich von der Beatmungsunterstützung zu entwöhnen. Während Anomalien des Lungenparenchyms und Dekonditionierung wesentliche Bestandteile dieses „Entwöhnungsversagens“ sind, können die Kraft der Atemmuskulatur und möglicherweise die Durchblutung der Atemmuskulatur eine Rolle spielen.

FORSCHUNGSMETHODE Wir werden eine Reihe von vier Studien durchführen, um die Wirksamkeit der Nahinfrarot-Spektroskopie-Indocyanin-Grün-Farbstoff-Technik (NIRS-ICG) für die nicht-invasive Messung des Atemmuskelblutflusses (RMBF) zu demonstrieren. Die ersten beiden Studien werden an gesunden Freiwilligen durchgeführt und die zweiten beiden Studien werden an klinischen Populationen durchgeführt (beatmete Patienten, die sich von COPD-Exazerbationen oder von ARDS erholen). Die ersten beiden Studien werden in unserem Labor für Atemphysiologie (dem Health and Integrative Physiology Laboratory der University of British Columbia) und die zweiten beiden auf der Intensivstation (ICU) des VGH durchgeführt.