Kopplung von Gehirnfluss und Stoffwechsel während der Erwachsenenchirurgie

Das Gehirn ist ein hochgradig stoffwechselaktives Organ, das etwa 15 % des Herzzeitvolumens mit einem normalen zerebralen Blutfluss (CBF) von etwa 50 ml/100 g/min erhält. Unter normalen Umständen ist CBF eng an den lokalen Gehirnstoffwechsel gekoppelt. Eine Erhöhung der zerebralen Stoffwechselaktivität einer Gehirnregion löst eine entsprechende Steigerung der Durchblutung dieser Gehirnregion aus. Umgekehrt führt eine Verringerung der Hirnstoffwechselaktivität zu einer verminderten Durchblutung. Dieses streng kontrollierte physiologische Phänomen ist als Fluss-Stoffwechsel-Kopplung bekannt.

Es wird angenommen, dass die Fluss-Stoffwechsel-Kopplung ein vorwärtsgerichteter physiologischer Schutzmechanismus ist, bei dem die neuronale Aktivität den CBF direkt erhöht und so die erhöhte Energieversorgung anpasst. Im Falle einer zerebralen Minderdurchblutung (d. h. Reduzierung des CBF), Gehirngefäße würden zum Ausgleich erweitert und die lokale Sauerstoffextraktionsfraktion (OEF) würde erhöht. Wenn die zerebrale Minderdurchblutung anhält und unter dem Schwellenwert liegt, würde die Aktivität der Gehirnzellen unterdrückt, was zu einer Verringerung der zerebralen Stoffwechselrate (CMR) und des zerebralen Stoffwechselbedarfs an Sauerstoff (CMRO2) führen würde. Dieser Fluss-Metabolismus-Kopplungsmechanismus ist mithilfe eines PET-Scans sowohl bei gesunden Probanden als auch bei Patienten mit pathologischen Erkrankungen gut untersucht. Wichtig ist, dass diese physiologische Eigenschaft des Flussstoffwechsels als Reaktion auf eine Gehirnischämie als früherer Indikator für eine zerebrale Ischämie während einer Operation verwendet werden kann. Mit anderen Worten: Eine Überwachung, die auf einen plötzlichen Abfall des CMRO2 oder einen Anstieg des OEF hinweist, kann als früher Marker für eine Hirnischämie dienen. Aufgrund technischer Einschränkungen ist die Erkennung solch subtiler physiologischer Veränderungen am Krankenbett jedoch eine Herausforderung, insbesondere im intraoperativen Bereich. Darüber hinaus können viele physiologische, pathologische und pharmakologische Faktoren diese Fluss-Metabolismus-Kopplungsbeziehung beeinflussen und somit die Interpretation von CMRO2/OEF-Änderungen als Indikator für Gehirnischämie beeinflussen. Weitere Studien sind erforderlich, um zu untersuchen, wie Anästhetika die Interpretation verfälschen können.

Verschiedene Anästhetika können die Fluss-Stoffwechsel-Kopplung auf unterschiedliche Weise verändern. Der Hirnstoffwechsel wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt, darunter der Funktionszustand des Nervensystems, Anästhetika und die Körpertemperatur. Die Wirkung einzelner Anästhetika auf die CMR ist gut untersucht. Kurz gesagt, die meisten Anästhetika unterdrücken die CMR dosisabhängig, mit Ausnahme von Ketamin und Lachgas (N2O). Die anästhetische Unterdrückung des CMR wird hauptsächlich durch die Reduzierung elektrophysiologischer Aktivitäten vorangetrieben. Frühere Studien haben gezeigt, dass mehrere Anästhetika, darunter Barbiturate, Isofluran, Sevofluran, Desfluran, Propofol und Etomidat, die Plasmakonzentrationen erhöhen und eine fortschreitende Unterdrückung der EEG-Aktivität und eine gleichzeitige Verringerung des CMR verursachen können.

Um das Problem noch weiter zu verkomplizieren, muss der Anästhesist während der Operation einen ausreichenden zerebralen Perfusionsdruck aufrechterhalten, um sicherzustellen, dass genügend CBF vorhanden ist, um den Stoffwechselbedarf zu decken. Die Einleitung einer Vollnarkose ist häufig mit einer Verringerung des mittleren arteriellen Blutdrucks (MAP) und des zerebralen Perfusionsdrucks verbunden, was auf eine Verringerung des Herzzeitvolumens (CO) und des systemischen Gefäßwiderstands (SVR) zurückzuführen ist. Viele intraoperative Bedingungen wie Blutverlust und chirurgische Positionierung können den Blutdruck des Patienten und damit den CBF weiter beeinträchtigen. Phenylephrin und Ephedrin werden üblicherweise bei neurochirurgischen Eingriffen verabreicht, um kardiovaskulären Depressionen entgegenzuwirken und anästhesiebedingte Hypotonie zu behandeln. Untersuchungen zur Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) an anästhesierten Patienten legen nahe, dass Phenylephrin die regionale Sauerstoffsättigung (StO2) im Gehirn im Vergleich zu Ephedrin trotz eines deutlichen Anstiegs des MAP verringert. Die Ergebnisse dieser Studien sind widersprüchlich und weisen verschiedene Einschränkungen auf.

Aufgrund der relativen Transparenz von Gewebe für Licht im nahen Infrarotbereich und der Abhängigkeit der Lichtabsorption von der Sauerstoffanreicherung des Hämoglobins gilt NIRS seit langem als vielversprechender Neuromonitor, was eine nicht-invasive Methode zur Messung von StO2 darstellt. Darüber hinaus ist NIRS äußerst sicher, kostengünstig und ermöglicht eine Echtzeitüberwachung. Kommerzielle Systeme sind verfügbar und wurden für das Neuromonitoring bei verschiedenen chirurgischen Eingriffen mit dem damit verbundenen Risiko einer Hirnverletzung eingesetzt, darunter Koronararterienbypass und Karotisendarteriektomie.1,2 Trotz der Vorteile von NIRS ist seine diagnostische Genauigkeit zur Erkennung intraoperativer Ischämie umstritten.3 Eine kürzlich durchgeführte systematische Überprüfung kam zu dem Schluss, dass:

„NIRS verfügt über eine geringe Sensitivität und hohe Spezifität zur Identifizierung intraoperativer Ischämie … Der extrakranielle Signalbeitrag war sehr unterschiedlich.“ 4

Diese Schlussfolgerung spiegelt die beiden Haupteinschränkungen kommerzieller NIRS-Systeme wider. Erstens besteht kein direkter Zusammenhang zwischen StO2 und Ischämie, da StO2 nicht nur vom CBF abhängt, sondern auch vom Stoffwechselbedarf des Gewebes. Zweitens ist die Lichtabsorption in der Kopfhaut und im Schädel eine Hauptquelle für Signalverunreinigungen. Tatsächlich stammen mehr als 80 % des NIRS-Signals aus extrazerebralen Geweben, da der Abstand von der Hautoberfläche zum Gehirn zwischen 1,0 und 1,5 cm beträgt. Infolgedessen können hämodynamische Veränderungen im oberflächlichen Gewebe die gehirnbezogenen Signale überschatten. Aufgrund dieser beiden Einschränkungen wurde kein spezifischer StO2-Schwellenwert zur Identifizierung einer intraoperativen Ischämie festgelegt.

Unser Team hat Technologien entwickelt, um die beiden Haupteinschränkungen kommerzieller NIRS-Systeme zu beseitigen. Im Hinblick auf die Verbesserung der Tiefenempfindlichkeit haben wir ein zeitaufgelöstes (tr)NIRS-System entwickelt, das die Zeit misst, die Photonen benötigen, um sich durch Gewebe zu bewegen.5 Basierend auf dem Prinzip, dass Zeit gleich Entfernung ist, wird Licht, das Kopfhaut und Schädel abfragt, früher aufgezeichnet als Licht, das das Gehirn erreicht.

Um eine kontinuierliche Blutflussüberwachung zu ermöglichen, haben wir trNIRS mit einer ergänzenden optischen Technologie kombiniert, die als diffuse Korrelationsspektroskopie (DCS) bekannt ist. Anstatt die Lichtabsorption zu messen, misst DCS zeitliche Signalschwankungen, die durch die Bewegung von Lichtstreuern verursacht werden, die im Gewebe durch den Blutfluss im Mikrogefäßsystem dominiert werden (d. h. Gewebeperfusion).8 Wie NIRS kann DCS durch Signalveränderungen im oberflächlichen Gewebe beeinflusst werden, hat jedoch den intrinsischen Vorteil, dass die Durchblutung im Gehirn im Vergleich zur Kopfhaut erheblich höher ist (~ 5:1).9 Um die beiden Signalbeiträge zu trennen, erfasst unser System Daten in zwei Quellen-Detektor-Abständen: einem kurzen Abstand zur Überwachung der Kopfhautdurchblutung und einem längeren Abstand mit größerer Empfindlichkeit gegenüber CBF.10 Wir haben zuvor DCS verwendet, um die CBF-Stabilität bei Frühgeborenen zu überwachen in den ersten Lebenstagen und bei Herzoperationen.11,12 In einer kürzlich erschienenen Arbeit, die den Einsatz von DCS zur Überwachung des CBF während einer Karotisendarteriektomie untersuchte, wurde eine durchschnittliche Verringerung der Perfusion um 57 % durch Klemmen berichtet13.

Unser gezeigtes hybrides trNIRS/DCS verfügt über die Fähigkeit, CBF und StO2 gleichzeitig zu messen. Mit dieser Kombination kann der Sauerstoffstoffwechsel im Gehirn, der als zerebrale Stoffwechselrate des Sauerstoffverbrauchs (CMRO2) bezeichnet wird, durch Kombination der beiden Messungen berechnet werden.

Basierend auf dieser neu entwickelten Technik am Krankenbett wollen wir untersuchen, wie sich CBF und CMRO2 unter Vollnarkose verändern und wie sie auf Phenylephrin und Ephedrin bei Hypotonie reagieren.

Alle Studienteilnehmer werden unter Einhaltung der örtlichen Ethikrichtlinien rekrutiert und eingewilligt. Die behandelnden Anästhesisten und Chirurgen werden aufgrund der Art des Eingriffs nicht geblendet. Patienten und Ergebnisprüfer sind jedoch hinsichtlich der Behandlungsintervention blind. Alle Patienten erhalten eine Standard-Anästhesieversorgung und die chirurgische und anästhetische Behandlung der Patienten erfolgt standardmäßig und wird in dieser Studie nicht verändert. Die Anästhesie wird mit 1–2 µg/kg Fentanyl, 1,5–3 mg/kg Propofol und 0,6–0,9 mg Rocuronium eingeleitet mg/kg. Automatischer Blutdruck, Elektrokardiographie, Pulsoximetrie, Kapnographie, Ösophagustemperatur sowie eingeatmete und ausgeatmete Sauerstoff- und CO2-Konzentration werden überwacht. Es wird eine kontrollierte Beatmung mit 50 % Sauerstoff in der Luft angewendet und der endexspiratorische CO2-Wert wird bei 35–40 mmHg gehalten. Die Sauerstoffsättigung wird über 96 % gehalten. FiO2 kann erhöht sein, wenn es zu einer arteriellen Entsättigung kommt. Die Körpertemperatur wird über 36 °C gehalten. Nach der Operation werden die Patienten extubiert und auf die Intensivstation verlegt. Die Narkosetiefe wird kontinuierlich entweder anhand des Bispektralindex (BSI) oder des Patientenzustandsindex (PSI) überwacht.

Alle Patienten werden vom trNIRS/DCS-Gerät von der Narkoseeinleitung bis zum Abschluss der Operation überwacht. Der NIRS-Sensor wird auf der Stirn des Patienten platziert.

Vor der Einleitung der Anästhesie werden präoperative grundlegende zerebrale hämodynamische und metabolische Parameter wie ScO2, CBF, CMRO2, OEF 1 Minute lang gemessen. Die Überwachung wird während der Anästhesieeinleitung und der Trachealintubation fortgesetzt. Nach der Anästhesieeinleitung werden die zerebralen hämodynamischen und metabolischen Parameter nach der Einleitung ermittelt.

Nach der trachealen Intubation mit gesicherten Atemwegen werden Erhaltungs- und Vasopressormittel entsprechend der zugewiesenen Gruppe verabreicht. Die vier möglichen zugeordneten Gruppen sind wie folgt:

Gruppe 1: Anästhesie-Aufrechterhaltung auf Propofol-Basis mit Phenylephrin als Vasopressor. Gruppe 2: Anästhesie-Aufrechterhaltung auf Propofol-Basis mit Ephedrin als Vasopressor. Gruppe 3: Anästhesie-Aufrechterhaltung auf Sevofluran-Basis mit Phenylephrin als Vasopressor. Gruppe 4: Anästhesie-Aufrechterhaltung auf Sevofluran-Basis mit Ephedrin als Vasopressor

Wartungsagenten

• In der Propofol-Gruppe erhält der Patient Propofol als Erhaltungsmittel während der Operation. Die typische Dosis beträgt 150–200 mg/kg/min.
• In der Sevofluran-Gruppe wird der Patient während der Operation mit 1 MAC Sevofluran versorgt.
• Sowohl Propofol als auch Sevofluran sind häufig verwendete Erhaltungsmittel, und die Anästhesietiefe wird unabhängig von der Wahl der Mittel bei 30–40 PSI (Normalbereich 25–50) gehalten. Anästhesisten verwenden beide Mittel häufig und in unserer täglichen Praxis basiert die Wahl der Anästhesiemittel hauptsächlich auf persönlichen Vorlieben, mit Ausnahme von Patienten mit spezifischen Kontraindikationen wie maligner Hyperthermie oder Arzneimittelallergie.

Vasopressormittel

• In der Phenylephrin-Gruppe erhält der Patient eine Phenylephrin-Infusion als primären Vasopressor seiner Wahl.
• In der Ephedrin-Gruppe erhält der Patient eine Ephedrin-Infusion als primären Vasopressor seiner Wahl.
• Vasopressor wird nur verabreicht, um den MAP innerhalb von 0–20 % über dem Ausgangswert zu halten. In der Allgemeinanästhesiepraxis können Ephedrin und Phenylephrin als Bolusinjektion oder Infusion verabreicht werden. In dieser Studie wird ein Infusionsregime verwendet, da in jeder Gruppe ein stabiler Blutdruck während wiederholter Messungen der zerebralen Hämodynamik im Steady-State aufrechterhalten werden muss. Bei Patienten mit refraktärer Hypotonie trotz Phenylephrin- oder Ephedrin-Infusion werden andere Vasopressoren oder Inotropika eingesetzt. Für Patienten, die keinen Vasopressor erhielten (z. B. (keine Hypotonie während der gesamten Operation) oder die mehrere Arten von Vasopressoren erhalten, werden wir ihre Daten sowohl nach einem Intention-to-Treat- als auch nach einem Protokollansatz analysieren.

Die neurologischen Ergebnisse von Patienten auf der Postanästhesiestation (PACU) werden ebenfalls durch routinemäßige körperliche Untersuchungen erfasst.