Afbakening tussen pathofysiologische fenotypes van hypoxisch ischemisch hersenletsel na hartstilstand (DIFFUSION)

Doel: methoden ontwikkelen om onderscheid te maken tussen patiënten met hypoxisch ischemisch hersenletsel die diffusie versus perfusieafhankelijkheid vertonen. Ten tweede, om de onderliggende mechanismen te onderzoeken die verantwoordelijk zijn voor diffusiebeperking van zuurstofafgifte.

Hypothesen:

1. Patiënten met PD zullen een toename in O2EF vertonen wanneer CBF wordt verlaagd tijdens hypocapnische ventilatie, terwijl patiënten met DL een minimale verandering in O2EF zullen vertonen, wat wijst op de aanwezigheid van een verstoord diffusief O2-transport.
2. Serumhersenbiomarkers zullen groter zijn met DL versus PD, wat duidt op BBB-permeabiliteit, gliale en axonale schade.
3. De lactaat / pyruvaat-ratio zal verhoogd zijn bij patiënten met DL vs. PD, wat wijst op mitochondriale disfunctie.
4. De klinische neurologische uitkomst zal slechter zijn bij patiënten met DL in vergelijking met PD.
5. Bij DL-patiënten zal er een verminderd aandeel macrofagen en bijbehorende circulerende immuuncellen zijn in de jugular venous bulb vs. de arteriële circulatie.

Rechtvaardiging:

Dit onderzoeksproject heeft als doel prospectief onderscheid te maken tussen pathofysiologische fenotypes van hypoxisch ischemisch hersenletsel (HIBI), de onderliggende mechanismen af ​​te bakenen en de bijbehorende klinische uitkomsten te bepalen. In Canada krijgen jaarlijks ongeveer 40.000 mensen een hartstilstand. HIBI, het resulterende cerebrale letsel na een hartstilstand, is de overheersende determinant van een ongunstig resultaat na een hartstilstand, waarbij slechts 5-15% van de patiënten gunstige neurologische resultaten ervaart. De rest van de HIBI-overlevenden kan aanzienlijke neuropsychiatrische gevolgen ervaren en met aanzienlijke gezondheidszorgkosten (~ $ 160.000 per patiënt per jaar). Gezien deze sombere resultaten zijn er aanzienlijke kansen om de resultaten te verbeteren.

HIBI-pathofysiologie wordt gekenmerkt door een primair ischemisch letsel tijdens circulatiestilstand en een secundair letsel na terugkeer van de spontane circulatie (ROSC). Dit secundaire letsel komt voor een groot deel voort uit onvoldoende cerebrale zuurstoftoevoer na de reanimatie (CDO2). CDO2 is afhankelijk van de cerebrale bloedstroom (CBF), die evenredig is met de cerebrale perfusiedruk (CPP) [gemiddelde arteriële druk (MAP) - intracraniale druk (ICP)]. Aangezien de overgrote meerderheid van de HIBI-pathofysiologie wordt gekenmerkt door laag-normale ICP, is MAP de primaire fysiologische determinant van algehele CDO2 in de intensive care-omgeving.

Observationele studies hebben hypotensie (verminderde MAP en CBF) in verband gebracht met een ongunstig neurologisch resultaat. Gerandomiseerde controleproeven met uniforme MAP-augmentatie hebben echter geen klinische of biologische werkzaamheid aangetoond. Deze discrepantie tussen het gepercipieerde belang van het optimaliseren van MAP in de post-reanimatieperiode en het gebrek aan klinische werkzaamheid suggereert dat er mogelijk hiaten bestaan ​​in het begrip van de pathofysiologie van HIBI. De simplistische benadering van uniforme MAP-augmentatie gaat ervan uit dat zodra zuurstof is afgeleverd aan het cerebrale capillaire bed, normale zuurstofdiffusie plaatsvindt door de bloed-hersenbarrière (BBB) ​​en normaal cellulair zuurstofgebruik culmineert in neuronaëroob metabolisme. Cerebrale metabolische homeostase is gebaseerd op de integratie van convectieve zuurstofafgifte, diffusie over de BBB en normaal cellulair gebruik door mitochondriën. Met andere woorden, terwijl het verhogen van CBF en CDO2 meer zuurstof aan de hersenen levert, richt deze strategie zich slechts op één component van de zuurstofcascade en negeert de vitale rol van zuurstofdiffusie en -gebruik. Onlangs heeft onze onderzoeksgroep aangetoond dat HIBI-patiënten ondanks invasieve neuromonitoring geleide doelgerichte behandeling een aanzienlijke last van hersenhypoxie bleven ervaren. In een post-hoc analyse hebben we een uniek pathofysiologisch fenotype aangetoond in een subgroep van HIBI-patiënten die diffusiebeperking (DL) van zuurstofafgifte vertoonden. In dit geval werd, ondanks het optimaliseren van convectieve CDO2 naar het cerebrale capillaire bed, diffusie van zuurstof in het parenchymale weefsel geremd bij patiënten. De precieze pathofysiologische mechanismen die ten grondslag liggen aan deze bevinding bij HIBI zijn onbekend. Omgekeerd toonde dit onderzoek van de peilwacht ook aan dat de andere subgroep van HIBI-patiënten een intacte zuurstofdiffusie in het parenchym vertoonde die afhankelijk was van systemische perfusie. Deze twee verschillende pathofysiologische fenotypes van HIBI (diffusiebeperking [DL] en perfusieafhankelijkheid [PD]) hebben belangrijke implicaties voor de zorg na reanimatie, maar er blijven belangrijke onderzoeksvragen bestaan. Met name bevestiging van deze fenotypes prospectief, het afbakenen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan DL en het onderzoeken van de klinische uitkomsten tussen DL en PD zijn van groot belang.

Ontsteking en secundair letsel bij DL: de precieze mechanismen van onderliggende secundaire schade en de bijdragen aan diffusiebeperking zijn onduidelijk. Onlangs heeft onze onderzoeksgroep een netto afgifte van interleukine-6 ​​uit het cerebrale parenchym/neurovasculaire apparaat aangetoond bij HIBI-patiënten die hersenhypoxie en diffusiebeperking vertonen. Interleukine-6, een belangrijke pro-inflammatoire cytokine, is verantwoordelijk voor het initiëren van de inflammatoire cascade, leukocytendiapedese, macrofaagactivering en afgifte van aanvullende stroomafwaartse inflammatoire mediatoren. Het hoogtepunt van deze ontregelde immuunrespons wordt geassocieerd met neurondisfunctie, apoptose en celdood. Daarom is het begrijpen van de proportie van immuuncelsubtypen die deelnemen aan deze ontregelde ontstekingscascade in HIBI essentieel voor het ontwikkelen van therapieën die gericht zijn op het moduleren van de ontstekingscascade voor het behoud van kwetsbaar neuronaal weefsel.

Doelstellingen:

Doel 1 (primair resultaat): Bevestiging van de aanwezigheid van DL vs. PD bij HIBI-patiënten door veranderingen in de zuurstofextractiefractie (O2EF) te kwantificeren die optreden als gevolg van een vermindering van CBF met hypocapnische ventilatie.

Doel 2 (secundaire uitkomst): Vergelijken van verschillen in serumhersenbiomarkers bij HIBI-patiënten met DL vs. PD.

Doel 3 (secundaire uitkomst): Vergelijken van het verschil in de lactaat/pyruvaat-ratio bij HIBI-patiënten met DL vs. PD.

Doel 4 (tertiaire uitkomst): Vergelijken van het verschil in de neurologische klinische uitkomst bij HIBI-patiënten met DL vs. PD.

Doel 5 (tertiaire uitkomst): Vergelijken van de verschillen in het aandeel circulerende immuuncellen (macrofagen) en zeldzame subtypen tussen de locaties van de arteriële en jugulaire veneuze bulbus bij DL-patiënten.

Onderzoeksopzet: dit wordt een prospectieve observationele studie. Studieoverzicht: Deze studie zal worden uitgevoerd in het Vancouver General Hospital. Geïnformeerde toestemming zal worden verkregen van de plaatsvervangende beslisser. Op dag 1 begint de neuromonitoring, wordt bloed uit de arteriële en halsslagader afgenomen voor bloedgasanalyse en kwantificering van serumhersenbiomarkers, en worden er elk uur microdialysemetingen uitgevoerd. Arteriële bemonstering wordt gedaan vanaf de arteriële lijn die wordt geplaatst als onderdeel van de gebruikelijke zorg. Jugular bulb sampling wordt gedaan met een jugulaire katheter die speciaal voor dit onderzoek is geplaatst. Verder zullen we zowel de PvO2-PbtO2 gradiënten kwantificeren als een hypocapnische ventilatoire test uitvoeren om de relatie tussen perfusie en O2EF te bepalen. Op dag 2 en 3 wordt de neuromonitoring voortgezet en wordt er opnieuw bloed verzameld voor serumbiomarker en bloedgasanalyse, samen met elk uur microdialyse. Na dag 3 wordt op verzoek van de behandelend arts de neuromonitoring verwijderd. CT- en MRI-beeldvorming die wordt uitgevoerd als onderdeel van de gebruikelijke zorg, zal worden geanalyseerd op ischemische belasting. Klinische resultaten zullen na 6 maanden worden verzameld bij overlevenden.

Statistische overwegingen. Steekproefgrootte. Een gepaarde t-toets werd gebruikt om de berekening van de steekproefomvang voor een lineair gemengd model te benaderen. Om DL versus PD te onderscheiden, hebben Menon et al. vond een verschil in de verandering van O2EF van ongeveer 10% tussen patiënten met PD en DL (15% [SD 7] versus 5% [SD 4], p = 0,03) met blootstelling aan hypocapnie. Uitgaande van een verschil in de O2EF van 10% met een standaarddeviatie van het verschil van 9, uitgaande van een alpha 0,05 en gewenste power 0,80, is de steekproefomvang 28 patiënten (G*Power). We zullen 40 patiënten rekruteren om vroege sterfte mogelijk te maken voordat drie monitoringdagen zijn voltooid. Gezien onze eerdere verdelingen van ongeveer 50% van het gehele cohort gedefinieerd als DL en 50% als PD, voorspellen we dat we ten minste 14 patiënten in elke groep zullen hebben. Gezien ons eerdere rekruteringspercentage van 12 patiënten in 12 maanden voor invasieve neuromonitoring in HIBI na hartstilstand in onze instelling, zal deze steekproefomvang binnen drie jaar gemakkelijk haalbaar zijn. Analyseplan: discrete variabelen worden samengevat in frequenties en percentages. Continue variabelen worden samengevat als gemiddelde (SD) of gemiddelde (P10,P90) als de gegevens scheef zijn. We beschouwen een P-waarde <0,05 als statistisch significant.

1. Doel 1: De verschillen in de verandering van de O2EF in beide onderzoeksgroepen tijdens hypocapnieventilatie zullen worden onderzocht om de aanwezigheid van DL versus PD te bevestigen. Deze analyse zal worden uitgevoerd met een tweezijdige t-test van onafhankelijke steekproeven op de verandering in O2EF secundair aan hypocapnie tussen DL- en PD-patiënten. Het vermogen van niet-invasieve bepaling van DL en PD met O2EF zal vergeleken worden met dat van de invasieve PbtO2-PvO2 gradiëntmethode. Deze analyse zal worden uitgevoerd met analyse van de kenmerken van de ontvangeroperator.
2. Doel 2: De verschillen in de concentraties van serumhersenbiomarkers tussen DL- en PD-patiënten zullen worden onderzocht met behulp van tweezijdige t-testen van onafhankelijke monsters.
3. Doel 3: De verschillen in de lactaat/pyruvaat-ratio's van microdialyse tussen DL- en PD-patiënten zullen worden onderzocht met behulp van tweezijdige t-testen van onafhankelijke steekproeven om te beoordelen op mitochondriale disfunctie.
4. Doel 4: De verschillen in de klinische neurologische (BTACT & CPC) en kwaliteit van leven-uitkomsten (EuroQol-5) na 6 maanden tussen DL- en PD-patiënten zullen worden onderzocht met behulp van tweezijdige t-testen van onafhankelijke steekproeven.
5. Doel 5: De verschillen in het aandeel van circulerende immuuncellen (macrofagen) en zeldzame subtypes tussen de arteriële en jugulaire veneuze bulblocaties bij DL-patiënten zullen worden onderzocht met behulp van tweezijdige t-testen van onafhankelijke steekproeven.
6. Verkennende uitkomstanalyses: de verschillen in de ischemische belasting op CT van het hoofd (ASPECTS-score) en op MRI van de hersenen (volume van hyperintensiteit van witte stof en percentage voxels op schijnbare diffusiecoëfficiëntmapping van <650 x 106 mm/s op diffusiegewogen beeldvorming) in beide groepen zullen worden onderzocht met behulp van onafhankelijke steekproeven tweezijdige t-toetsen.

Op geslacht gebaseerde analyse: aangezien het begrip van HIBI-pathofysiologie beperkt blijft, is het onduidelijk of er seksegerelateerde verschillen bestaan. Als gevolg hiervan is het beoordelen van seksegerelateerde verschillen geen primaire uitkomst van het huidige onderzoek, maar zal het een verkennende analyse omvatten die gericht is op toekomstig onderzoek en het genereren van hypothesen. Op onze IC is het percentage patiënten dat is opgenomen voor post-hartstilstand HIBI de afgelopen 3 jaar ongeveer 60% man en 40% vrouw. Er is waarschijnlijk een vergelijkbare verhouding tussen mannen en vrouwen in de huidige studie. Alle gegevens worden gestratificeerd naar geslacht, over alle patiënten en binnen elke patiëntengroep. Binnen elke patiëntengroep (DL vs. PD) zullen verschillen tussen mannen en vrouwen worden beoordeeld met onafhankelijke steekproeven t-testen. Er zal ook een lineaire mixed effects modelanalyse (vaste factoren: patiëntengroep & geslacht; willekeurige factor: proefpersonen) met een interactieterm voor patiëntengroep*geslacht worden uitgevoerd. Hoewel deze gestratificeerde gegevens en hun gerelateerde statistische resultaten waarschijnlijk niet voldoende krachtig zijn om significante effecten te detecteren, zullen ze worden gerapporteerd en gepubliceerd in een gegevenssupplement naast het manuscript. Eventuele significante effecten zullen echter worden opgenomen in het hoofdhandschriftdocument.