Niet-invasieve metingen van nierperfusie tijdens hartchirurgie

Acuut nierletsel (AKI) is een helaas veel voorkomende complicatie van hartchirurgie die optreedt bij tot wel 40% van de patiënten en resulteert in verhoogde mortaliteit, verlengd verblijf op de IC en ziekenhuisopname. AKI na hartchirurgie is geen goedaardige complicatie, waardoor de mortaliteit toeneemt van 1% tot 19% bij degenen met AKI en tot 63% mortaliteit bij degenen die nierfunctievervangende therapie (RRT) nodig hadden. In een ander onderzoek hadden patiënten met AKI met RRT na een hartoperatie 39 keer meer mortaliteit dan patiënten zonder AKI (95% CI 32-48).[6] AKI is ook in verband gebracht met verhoogde morbiditeit en een groter aantal patiënten dat moet worden ontslagen naar een uitgebreide zorginstelling.

De pathofysiologie van AKI na hartchirurgie is multifactorieel. Patiënten die een hartoperatie ondergaan, zijn waarschijnlijk vatbaarder voor AKI, gezien hun neiging om oudere patiënten te zijn met meerdere comorbiditeiten, waaronder reeds bestaande chronische nierziekte, hartdisfunctie, diabetes mellitus en gevorderde leeftijd. Cardiale chirurgiepatiënten worden ook blootgesteld aan meerdere nefrotoxische middelen in de peri-operatieve periode, waaronder radiocontrastkleurstoffen die worden gebruikt voor angiografie, angiotensine-converterend-enzymremmers en diuretica. Hemodynamisch onstabiele patiënten kunnen worden blootgesteld aan een laag hartminuutvolume en een lage systemische bloeddruk vanwege de pathologische aandoening die hen in de eerste plaats naar de cardiale operatiekamer brengt. Lage cardiale output en systemische bloeddruk kunnen leiden tot verminderde nierperfusie. Inductie en handhaving van anesthesie kunnen leiden tot myocarddepressie en hemodynamische instabiliteit, waardoor de nierperfusie nog verder afneemt. In de meeste gevallen wordt hartchirurgie vergemakkelijkt door cardiopulmonale bypass (CPB), het proces waarbij de patiënt op een hart- en longmachine wordt geplaatst die pompt, oxygeneert en CO2 uit het bloed van de patiënt verwijdert terwijl het hart wordt gestopt. Het is bekend dat het CPB-circuit zelf aanzienlijke ontstekingen en hemodynamische veranderingen veroorzaakt die nierbeschadiging kunnen veroorzaken, vooral bij langdurige CPB-tijden. Vasopressor en inotrope middelen zoals vasopressine, norepinefrine, milrinon en epinefrine worden vaak gebruikt om de bloeddruk en het hartminuutvolume op peil te houden. Hoewel sommige van deze middelen de systemische bloeddruk kunnen verhogen door de systemische vasculaire weerstand te verhogen, kan dit in feite resulteren in een afname van de nierperfusie. Het effect van deze middelen op de incidentie van AKI is onzeker.

Traditioneel is de diagnose van AKI gebaseerd op een aanhoudende daling van de urineproductie of een stijging van het serumcreatinine. De 2012 Kidney Disease Improving Global Outcomes (KDIGO)-classificatie definieert AKI als een toename van serumcreatinine met 0,3 mg/dl of meer in 48 uur of een stijging tot ten minste 1,5 maal de uitgangswaarde. Drie stadia van AKI worden vervolgens gedefinieerd op basis van toenemende waarden van serumcreatinine of duur van verminderde urineproductie.

De belangrijkste beperking van de creatinine- en urineproductie als marker van de nierfunctie is het tijdsverloop tussen verwonding en diagnose. Het duurt vaak 24-36 uur na nierbeschadiging voordat de serumcreatininespiegel stijgt. De perioperatieve urineproductie wordt beïnvloed door de volumestatus, anesthetica en het gebruik van diuretica en AKI wordt pas gediagnosticeerd als oligurie gedurende ten minste 6-12 uur is opgetreden. Dit maakt metingen van serumcreatinine en urineproductie ongevoelig voor acute veranderingen in de nierfunctie en relatief onbruikbaar bij de acute diagnose van AKI tijdens en na hartchirurgie.

Meer recent zijn er verschillende vroege biomarkers ontwikkeld om patiënten te identificeren die risico lopen op het ontwikkelen van AKI. Twee van deze biomarkers, TIMP-2 en IGFBP7, zijn gebruikt voor de vroege voorspelling van AKI bij IC- en hartchirurgische patiënten. Desalniettemin is "vroege detectie" met deze biomarkers tot 3-4 uur (en in sommige studies 24 uur) na nierschade beperkt.

Een van de belangrijkste beperkingen bij de inspanningen om de incidentie van AKI bij hartchirurgie te verminderen, is het ontbreken van een real-time monitor van nierperfusie. Zoals hierboven vermeld, is het algemeen bekend dat de urineproductie een slechte indicator is van de nierperfusie. Hoewel de urinestroomsnelheid lineair gerelateerd kan zijn aan de bloeddruk tijdens CPB, is dit waarschijnlijk gerelateerd aan een fenomeen dat drukdiurese wordt genoemd en is het onwaarschijnlijk dat het een weerspiegeling is van een verbeterde nierperfusie. De renale bloedstroom kan worden gemeten door de nierader te canuleren via een centraal veneuze katheter die in de dijbeenader is geplaatst. Dit is echter een zeer invasieve techniek en wordt niet routinematig gebruikt.

Als gevolg van het ontbreken van real-time monitoring van de nier tijdens hartchirurgie, moeten anesthesisten vaak weloverwogen inschattingen maken over welke bloeddruk en cardiale output voldoende zijn voor nierperfusie op basis van de baseline bloeddruk en nierfunctie van de patiënt. Bij een patiënt met een lange geschiedenis van hypertensie en/of chronische nierziekte is het doel van de anesthesioloog vaak om te proberen een hogere gemiddelde arteriële druk (MAP) te behouden, zowel op als buiten CPB dan normaal, om "de nierperfusie te verbeteren". Er zijn zeer weinig gegevens om deze praktijk te ondersteunen, vooral als we vasopressormiddelen moeten gebruiken om deze hogere MAP-doelen te bereiken, en de exacte doel-MAP bij deze patiënten is onbekend.

Dit gebrek aan real-time monitoring van de nierperfusie staat in schril contrast met de waakzame monitoring van de hersenen tijdens hartchirurgie. Cerebrale oxymeters die routinematig worden gebruikt om de zuurstofverzadiging van de hersenen te meten, transcraniële Doppler-systemen om de cerebrale bloedstroom te meten en EEG om de hersenactiviteit te meten. Vaak wordt het argument aangevoerd om de hersenen te gebruiken als indexorgaan voor adequate perfusie naar de rest van het lichaam, maar tijdens perioden van hemodynamische instabiliteit wordt de hersenperfusie behouden ten koste van andere organen. De ondergrens van autoregulatie van de hersenen (de bloeddruk waaronder de bloedstroom afhankelijk wordt van de bloeddruk) wordt verondersteld een bloeddruk van 50-55 mmHg te zijn. [20, 21] Hoewel het exacte aantal bij mensen niet is vastgesteld en er veel discussie is over een adequate bloeddruk voor nierperfusie, ligt de ondergrens van autoregulatie voor de nier waarschijnlijk aanzienlijk hoger dan die voor de hersenen. Desaturaties in de hersenen kunnen daarom specifiek zijn voor een slechte doorbloeding van andere organen zoals de nieren en de darmen, maar zijn waarschijnlijk niet gevoelig voor deze veranderingen.

Adequate renale perfusie is veel gecompliceerder dan simpelweg de renale bloedstroom of renale veneuze oxygenatie meten. Grofweg heeft de nier drie anatomische gebieden: de niercortex waar de meeste filtratie plaatsvindt, de niermedulla waar urine actief wordt geconcentreerd en het nierbekken waar urine wordt verzameld. Ongeveer de helft van ons hartminuutvolume gaat naar onze nieren en het meeste daarvan perfuseert de cortex voor filtratie. De medulla krijgt daarentegen slechts een beperkte bloedtoevoer. Dit gecombineerd met de hoge metabolische activiteit van het niermerg resulteert in een relatief hypoxische medullaire omgeving met een normale pO2 van 10-20 mmHg en zeer weinig zuurstofreserve. Medullaire hypoxie kan een gevolg zijn van verminderde zuurstoftoevoer of verhoogd zuurstofverbruik en is een belangrijke bepalende factor voor AKI en chronische nierziekte. De relatief hypoxische omgeving van het niermerg en zijn rol bij nierbeschadiging suggereren dat globale metingen van systemische veneuze oxygenatie via een centraal veneuze katheter of zelfs nierveneuze oxygenatie via een invasieve nieraderkatheter slechte monitoren kunnen zijn van adequate nierperfusie. De meer ideale monitor van nierhypoxie en nierbeschadiging zou een maat zijn voor medullaire oxygenatie.

Vanwege de fysieke nabijheid van de vasa recta in het niermerg met de urineverzamelkanalen, is de medullaire zuurstofspanning nauwer verwant aan de zuurstofspanning in de urine dan aan de renale veneuze oxygenatie. Medullaire zuurstofspanning is invasief gemeten in dierstudies en correleert met zowel nierbekkenurine als blaasurineoxygenatie. Bij varkens bleek de zuurstofvoorziening van de blaas in de urine af te nemen met toenemende mate van hypoxemie en bloeding, en herstelde vervolgens met reanimatie. Deze veranderingen bleken andere globale hemodynamische veranderingen en toenames in basedeficiëntie of lactaatacidose voort te zetten. In een schapenmodel van sepsis was zowel de medullaire als de urinaire zuurstof afgenomen en het herstel van de systemische bloeddruk met noradrenaline verminderde de zuurstofspanning in zowel het niermerg als de urine verder. Zowel de medullaire als de bekken-urine-zuurstofspanning bleek significant af te nemen met het begin van CPB bij varkens, geleidelijk toe te nemen na stopzetting van de bypass, maar lager te blijven dan pre-CPB-niveaus, wat suggereert dat de hemodynamica van CPB een belangrijke bijdrage kan leveren aan de ontwikkeling van AKI bij hartchirurgie.

In 1996 Kainuma et al. plaatste een zuurstofelektrode in de urinekatheter van 96 patiënten die een hartoperatie ondergingen met CPB. In hun opstelling was er 20 ml dode ruimte tussen de punt van de katheter en de oxymeter. Voor kalibratie werden om de twee uur monsters genomen uit een stopkraan in de buurt van de oxymeter. Ze vonden duidelijke afnames van de zuurstofspanning in de urine bij alle patiënten tijdens CPB. Sommige patiënten herstelden hun urine-oxygenatie na CPB, maar bij 34% van de patiënten bleef de zuurstofspanning in de urine afnemen na bypass en deze patiënten hadden een significant hogere incidentie van AKI. Ze concludeerden dat zuurstofmonitoring in de urine mogelijk superieur is aan andere, meer invasieve metingen van nierperfusie, maar tot op heden is er geen verder werk gepubliceerd over zuurstofmonitoring in de urine bij mensen tijdens hartchirurgie.

Glasvezeltechnologie is gebruikt bij endoscopie voor het opsporen van kanker. Continue bloedgasmetingen zijn ook uitgevoerd bij patiënten die een cardiopulmonale bypass ondergaan door het implanteren van optische zuurstofgevoelige sondes in de interne halsader via een centrale lijnkatheter of in de radiale slagader via een radiale slagaderkatheter. Continue bloedgasmetingen zijn ook uitgevoerd bij patiënten die een cardiopulmonale bypass ondergaan door het implanteren van optische zuurstofgevoelige sondes in de interne halsader via een centrale lijnkatheter of in de radiale slagader via een radiale slagaderkatheter.

Meer recentelijk hebben Evans et al. een glasvezelsonde voor zuurstofdetectie in de punt van een urinekatheter geplaatst bij 35 patiënten die een hartoperatie met cardiopulmonale bypass ondergingen. Hun onderzoeksopzet leek sterk op die van ons in die zin dat ze een optische zuurstofsonde in de punt van een urinekatheter plaatsten. Het verschil in ons ontwerp is dat we ook een doorstroomkamer hebben gecreëerd met daarin een zuurstofsensor.

We hopen dat de laatste nauw zal correleren met die in de punt van de urinekatheter, maar een minder ingrijpende benadering zal zijn voor het monitoren van urinezuurstof. In onze studie zijn we van plan om twee glasvezel-zuurstofspanningssondes in een standaard urinekatheter te plaatsen. De eerste sonde wordt in de urinekatheter geplaatst en op de punt van de katheter geschroefd (hoewel nog steeds in de katheter en niet in het lichaam) om de zuurstofspanning van de blaasurine te meten. De tweede is een doorstroomkamer met daarin een glasvezelzuurstofsensor en urinestroomsnelheidssensor. Deze doorstroomkamer wordt tussen de urinekatheter en de verzamelslang geplaatst (zie figuur 1, bijgevoegd onder "overige documenten"). Een eenrichtingsklep in de doorstroomkamer laat urine door, maar voorkomt terugstromen van urine of lucht.

De hypothese is dat een minder invasieve flow-through-kamer-oxymeter vergelijkbare metingen zal leveren als de meer proximaal geplaatste vezel aan het uiteinde van de urinekatheter, dat beide een betrouwbare meting van urine-oxygenatie zullen geven en dat deze metingen postoperatieve acute nierbeschadiging bij hartchirurgische patiënten.