Delineare i fenotipi fisiopatologici del danno cerebrale ischemico ipossico dopo arresto cardiaco (DIFFUSION)

Scopo: sviluppare metodi per differenziare tra pazienti con lesioni cerebrali ischemiche ipossiche che presentano dipendenza da diffusione rispetto a perfusione. Secondariamente, studiare i meccanismi sottostanti responsabili della limitazione della diffusione dell'apporto di ossigeno.

Ipotesi:

1. I pazienti con PD mostreranno aumenti di O2EF quando il CBF è ridotto durante la ventilazione ipocapnica, mentre i pazienti con DL mostreranno un cambiamento minimo di O2EF, indicando la presenza di un trasporto diffusivo di O2 alterato.
2. I biomarcatori cerebrali sierici saranno maggiori con DL rispetto a PD, indicando permeabilità BBB, danno gliale e assonale.
3. Il rapporto lattato/piruvato sarà aumentato nei pazienti con DL rispetto a PD, indicando una disfunzione mitocondriale.
4. L'esito neurologico clinico sarà peggiore nei pazienti con DL rispetto al PD.
5. Ci sarà una percentuale ridotta di macrofagi e cellule immunitarie circolanti associate nel bulbo venoso giugulare rispetto alla circolazione arteriosa nei pazienti con DL.

Giustificazione:

Questo progetto di ricerca mira a differenziare in modo prospettico i fenotipi fisiopatologici del danno cerebrale ischemico ipossico (HIBI), delineare i meccanismi sottostanti e determinare gli esiti clinici associati. In Canada, circa 40.000 persone all'anno subiscono un arresto cardiaco. L'HIBI, l'insulto cerebrale risultante dopo l'arresto cardiaco, è il determinante predominante dell'esito avverso post-arresto cardiaco con solo il 5-15% dei pazienti che hanno esiti neurologici favorevoli. Il resto dei sopravvissuti all'HIBI può sperimentare sequele neuropsichiatriche significative e con costi sanitari significativi (~ $ 160.000 per paziente all'anno). Dati questi risultati deludenti, esistono opportunità significative per migliorare i risultati.

La fisiopatologia dell'HIBI è caratterizzata da un danno ischemico primario durante l'arresto circolatorio e da un danno secondario dopo il ritorno della circolazione spontanea (ROSC). Questa lesione secondaria deriva in gran parte da un inadeguato rilascio cerebrale di ossigeno post-rianimazione (CDO2). CDO2 dipende dal flusso sanguigno cerebrale (CBF), che è proporzionale alla pressione di perfusione cerebrale (CPP) [pressione arteriosa media (MAP) - pressione intracranica (ICP)]. Dato che la stragrande maggioranza della fisiopatologia dell'HIBI è caratterizzata da ICP basso-normale, il principale determinante fisiologico del CDO2 complessivo nel contesto di terapia intensiva è la MAP.

Studi osservazionali hanno collegato l'ipotensione (diminuzione di MAP e CBF) a esiti neurologici avversi. Tuttavia, studi di controllo randomizzati sull'aumento uniforme della MAP non sono riusciti a dimostrare l'efficacia clinica o biologica. Questa discrepanza tra l'importanza percepita dell'ottimizzazione della MAP nel periodo post-rianimazione e la mancanza di efficacia clinica suggerisce che potrebbero esserci lacune mancanti nella comprensione della fisiopatologia dell'HIBI. L'approccio semplicistico dell'aumento uniforme della MAP presuppone che una volta che l'ossigeno viene erogato al letto capillare cerebrale, la normale diffusione dell'ossigeno si verifica attraverso la barriera emato-encefalica (BBB) ​​e il normale utilizzo dell'ossigeno cellulare culmina nel metabolismo aerobico neuronale. L'omeostasi metabolica cerebrale si basa sull'integrazione dell'erogazione convettiva di ossigeno, sulla diffusione attraverso la BBB e sul normale utilizzo cellulare da parte dei mitocondri. In altre parole, mentre l'aumento di CBF e CDO2 fornisce più ossigeno al cervello, questa strategia affronta solo un componente della cascata dell'ossigeno e ignora i ruoli vitali della diffusione e dell'utilizzo dell'ossigeno. Recentemente, il nostro gruppo di ricerca ha dimostrato che, nonostante la gestione orientata agli obiettivi guidata dal neuromonitoraggio invasivo, i pazienti con HIBI hanno continuato a sperimentare un carico significativo di ipossia cerebrale. In un'analisi post-hoc, abbiamo dimostrato un fenotipo fisiopatologico unico in un sottogruppo di pazienti affetti da HIBI che presentano una limitazione della diffusione (DL) dell'erogazione di ossigeno. In questo caso, nonostante l'ottimizzazione della CDO2 convettiva al letto capillare cerebrale, nei pazienti è stata inibita la diffusione dell'ossigeno nel tessuto parenchimale. I precisi meccanismi fisiopatologici alla base di questa scoperta nell'HIBI sono sconosciuti. Al contrario, questo lavoro sentinella ha anche dimostrato che l'altro sottogruppo di pazienti con HIBI mostrava una diffusione di ossigeno intatta nel parenchima che dipendeva dalla perfusione sistemica. Questi due fenotipi fisiopatologici distinti di HIBI (limitazione della diffusione [DL] e dipendenza dalla perfusione [PD]) comportano implicazioni significative per l'assistenza post-rianimazione, ma rimangono questioni chiave di ricerca. In particolare, la conferma prospettica di questi fenotipi, delineando i meccanismi alla base del DL e studiando gli esiti clinici tra DL e PD sono di grande importanza.

Infiammazione e lesione secondaria nella DL: i meccanismi precisi della lesione secondaria sottostante e i suoi contributi alla limitazione della diffusione non sono chiari. Recentemente, il nostro gruppo di ricerca ha dimostrato un rilascio netto di interleuchina-6 dal parenchima cerebrale/unità neurovascolare in pazienti con HIBI che presentano ipossia cerebrale e limitazione della diffusione. L'interleuchina-6, una citochina pro-infiammatoria chiave, è responsabile dell'inizio della cascata infiammatoria, della diapedesi dei leucociti, dell'attivazione dei macrofagi e del rilascio di ulteriori mediatori infiammatori a valle. Il culmine di questa risposta immunitaria disregolata è associato a disfunzione neuronale, apoptosi e morte cellulare. Pertanto, comprendere la proporzione di sottotipi di cellule immunitarie che partecipano a questa cascata infiammatoria disregolata nell'HIBI è essenziale per sviluppare terapie volte a modulare la cascata infiammatoria per la conservazione del tessuto neuronale vulnerabile.

Obiettivi:

Obiettivo 1 (outcome primario): confermare la presenza di DL rispetto a PD nei pazienti con HIBI quantificando i cambiamenti nella frazione di estrazione dell'ossigeno (O2EF) che si verificano in seguito a una riduzione del CBF con ventilazione ipocapnica.

Obiettivo 2 (risultato secondario): confrontare le differenze nei biomarcatori cerebrali sierici nei pazienti HIBI con DL rispetto a PD.

Obiettivo 3 (risultato secondario): confrontare la differenza nel rapporto lattato/piruvato nei pazienti HIBI con DL vs. PD.

Obiettivo 4 (esito terziario): confrontare la differenza nell'esito clinico neurologico nei pazienti HIBI con DL rispetto a PD.

Obiettivo 5 (risultato terziario): confrontare le differenze nella proporzione di cellule immunitarie circolanti (macrofagi) e sottotipi rari tra le posizioni del bulbo venoso arterioso e giugulare nei pazienti con DL.

Design della ricerca: questo sarà uno studio osservazionale prospettico. Panoramica dello studio: questo studio sarà condotto presso il Vancouver General Hospital. Il consenso informato sarà ottenuto dal decisore sostituto. Il giorno 1 inizierà il neuromonitoraggio, il sangue del bulbo arterioso e giugulare verrà raccolto per l'emogasanalisi e la quantificazione dei biomarcatori cerebrali sierici e verranno effettuate misure di microdialisi ogni ora. Il campionamento arterioso viene eseguito dalla linea arteriosa che viene posizionata come parte delle cure abituali. Il campionamento del bulbo giugulare viene eseguito da un catetere giugulare posizionato appositamente per lo scopo di questo studio. Inoltre quantificheremo entrambi i gradienti PvO2-PbtO2 e condurremo un test ventilatorio ipocapnico per determinare la relazione tra perfusione e O2EF. Nei giorni 2 e 3, il neuromonitoraggio continuerà e il sangue per i biomarcatori sierici e l'emogasanalisi verrà nuovamente raccolto insieme alla microdialisi oraria. Dopo il giorno 3, il neuromonitoraggio verrà rimosso su richiesta del medico curante. L'imaging TC e MRI eseguito come parte delle cure abituali sarà analizzato per il carico ischemico. I risultati clinici saranno raccolti a 6 mesi nei sopravvissuti.

Considerazioni statistiche. Misura di prova. È stato utilizzato un test t accoppiato per approssimare il calcolo della dimensione del campione per un modello misto lineare. Per differenziare DL vs. PD, Menon et al. trovato una differenza nel cambiamento di O2EF di circa il 10% tra i pazienti con PD e DL (15% [SD 7] vs. 5% [SD 4], p = 0,03) con esposizione a ipocapnia. Supponendo una differenza nell'O2EF del 10% con una deviazione standard della differenza di 9, assumendo un alfa di 0,05 e una potenza desiderata di 0,80, la dimensione del campione è di 28 pazienti (G*Potenza). Recluteremo 40 pazienti per consentire la mortalità precoce prima del completamento dei tre giorni di monitoraggio. Date le nostre precedenti distribuzioni di circa il 50% dell'intera coorte definita come DL e il 50% come PD, prevediamo che avremo almeno 14 pazienti in ciascun gruppo. Dato il nostro precedente tasso di reclutamento di 12 pazienti in 12 mesi per il neuromonitoraggio invasivo nell'HIBI dopo l'arresto cardiaco presso la nostra istituzione, questa dimensione del campione sarà facilmente raggiungibile entro tre anni. Piano di analisi: le variabili discrete saranno riassunte per frequenze e percentuali. Le variabili continue saranno riassunte per media (SD) o media (P10, P90) se i dati sono distorti. Considereremo statisticamente significativo un P-value <0,05.

1. Obiettivo 1: Verranno esaminate le differenze nel cambiamento dell'O2EF in entrambi i gruppi di studio durante la ventilazione dell'ipocapnia per confermare la presenza di DL rispetto a PD. Questa analisi sarà condotta con un t-test a due code per campioni indipendenti sulla variazione dell'O2EF secondaria all'ipocapnia tra pazienti con DL e PD. Verrà confrontata la capacità di determinare in modo non invasivo DL e PD con O2EF con quella del metodo invasivo del gradiente PbtO2-PvO2. Questa analisi sarà condotta con l'analisi delle caratteristiche dell'operatore ricevente.
2. Obiettivo 2: Le differenze nelle concentrazioni di biomarcatori cerebrali sierici tra pazienti DL e PD saranno esaminate utilizzando campioni indipendenti t-test a due code.
3. Obiettivo 3: Le differenze nei rapporti lattato/piruvato dalla microdialisi tra pazienti DL e PD saranno esaminate utilizzando campioni indipendenti t-test a due code per valutare la disfunzione mitocondriale.
4. Obiettivo 4: Le differenze negli esiti clinici neurologici (BTACT e CPC) e di qualità della vita (EuroQol-5) a 6 mesi tra pazienti con DL e PD saranno esaminate utilizzando campioni indipendenti t-test a due code.
5. Obiettivo 5: Le differenze nella proporzione di cellule immunitarie circolanti (macrofagi) e sottotipi rari tra le posizioni del bulbo venoso arterioso e giugulare nei pazienti con DL saranno esaminate utilizzando campioni indipendenti t-test a due code.
6. Analisi dei risultati esplorativi: le differenze nel carico ischemico sulla TC della testa (punteggio ASPECTS) e sulla risonanza magnetica cerebrale (volume di iperintensità della sostanza bianca e percentuale di voxel sulla mappatura del coefficiente di diffusione apparente di <650 x 106 mm/s sull'imaging ponderato in diffusione) in entrambi i gruppi saranno esaminati utilizzando t-test a due code per campioni indipendenti.

Analisi basata sul sesso: poiché la comprensione della fisiopatologia dell'HIBI rimane limitata, non è chiaro se esistano differenze legate al sesso. Di conseguenza, la valutazione delle differenze legate al sesso non è un risultato primario del presente studio, ma comprenderà un'analisi esplorativa che mira a informare la ricerca futura e la generazione di ipotesi. Nella nostra terapia intensiva la percentuale di pazienti ricoverati per HIBI post arresto cardiaco è stata di circa il 60% di uomini e il 40% di donne negli ultimi 3 anni. È probabile che ci sia un rapporto simile tra maschi e femmine nello studio attuale. Tutti i dati saranno stratificati per sesso, tra tutti i pazienti e all'interno di ciascun gruppo di pazienti. All'interno di ciascun gruppo di pazienti (DL vs. PD) le differenze tra maschi e femmine saranno valutate con t-test per campioni indipendenti. Verrà inoltre eseguita un'analisi lineare del modello a effetti misti (fattori fissi: gruppo di pazienti e sesso; fattore casuale: soggetti) con un termine di interazione per il gruppo di pazienti*sesso. Sebbene probabilmente sottodimensionati per rilevare effetti significativi, questi dati stratificati e i relativi risultati statistici saranno riportati e pubblicati in un supplemento di dati insieme al manoscritto. Eventuali effetti significativi saranno comunque inclusi nel documento manoscritto principale.