Mózgowe sprzężenie przepływu i metabolizmu podczas operacji dorosłych

Mózg jest wysoce metabolicznie aktywnym narządem, który otrzymuje około 15% pojemności minutowej serca przy normalnym mózgowym przepływie krwi (CBF) wynoszącym około 50 ml/100 g/min. W normalnych warunkach CBF jest ściśle powiązany z lokalnym metabolizmem mózgowym. Zwiększenie mózgowej aktywności metabolicznej jednego obszaru mózgu spowoduje odpowiedni wzrost przepływu krwi do tego obszaru mózgu. I odwrotnie, zmniejszenie aktywności metabolicznej mózgu prowadzi do zmniejszenia przepływu krwi. To ściśle kontrolowane zjawisko fizjologiczne jest znane jako sprzężenie przepływ-metabolizm.

Uważa się, że sprzężenie przepływu i metabolizmu jest fizjologicznym mechanizmem ochronnym z wyprzedzeniem, w którym aktywność neuronów bezpośrednio zwiększa CBF, dopasowując się w ten sposób do zwiększonego zaopatrzenia w energię. W przypadku hipoperfuzji mózgowej (tj. zmniejszenie CBF), naczynia mózgowe byłyby rozszerzone w ramach kompensacji, a lokalna frakcja ekstrakcji tlenu (OEF) byłaby zwiększona. Jeśli hipoperfuzja mózgowa utrzymuje się i jest poniżej wartości progowej, aktywność komórek mózgowych zostanie stłumiona, co spowoduje zmniejszenie tempa metabolizmu mózgowego (CMR) i mózgowego metabolicznego zapotrzebowania na tlen (CMRO2). Ten mechanizm sprzężenia przepływu i metabolizmu jest dobrze zbadany za pomocą skanu PET zarówno u zdrowych ochotników, jak iu pacjentów ze stanami patologicznymi. Co ważne, ta fizjologiczna właściwość metabolizmu przepływowego w odpowiedzi na niedokrwienie mózgu może być wykorzystana jako wcześniejszy wskaźnik niedokrwienia mózgu podczas operacji. Innymi słowy, monitorowanie wskazujące na nagły spadek CMRO2 lub wzrost OEF może służyć jako wczesny marker niedokrwienia mózgu. Jednak ze względu na ograniczenia techniczne wykrywanie przy łóżku pacjenta tak subtelnych zmian fizjologicznych jest trudne, zwłaszcza w warunkach śródoperacyjnych. Ponadto wiele czynników fizjologicznych, patologicznych i farmakologicznych może wpływać na tę zależność sprzężenia przepływ-metabolizm, a tym samym wpływać na interpretację zmian CMRO2/OEF jako wskaźnika niedokrwienia mózgu. Konieczne są dodatkowe badania w celu ustalenia, w jaki sposób środki znieczulające mogą zakłócić interpretację.

Różne środki znieczulające mogą zmieniać sprzężenie przepływ-metabolizm na różne sposoby. Mózgowe tempo metabolizmu jest determinowane przez szereg czynników, w tym stan czynnościowy układu nerwowego, leki znieczulające i temperaturę ciała. Wpływ poszczególnych leków znieczulających na CMR został dobrze zbadany. Krótko mówiąc, większość leków znieczulających hamuje CMR w sposób zależny od dawki, z wyjątkiem ketaminy i podtlenku azotu (N2O). Tłumienie znieczulenia CMR jest spowodowane głównie zmniejszeniem aktywności elektrofizjologicznej. Wcześniejsze badania wykazały, że kilka środków znieczulających, w tym barbiturany, izofluran, sewofluran, desfluran, propofol i etomidat, może zwiększać stężenie w osoczu i powodować postępującą supresję aktywności EEG i jednoczesną redukcję CMR.

Aby jeszcze bardziej skomplikować problem, podczas operacji anestezjolog musi utrzymywać odpowiednie ciśnienie perfuzji mózgowej, aby zapewnić wystarczającą CBF do zaspokojenia potrzeb metabolicznych. Indukcja znieczulenia ogólnego często wiąże się z obniżeniem średniego ciśnienia tętniczego krwi (MAP) i mózgowego ciśnienia perfuzyjnego, co można przypisać zmniejszeniu pojemności minutowej serca (CO) i systemowego oporu naczyniowego (SVR). Wiele stanów śródoperacyjnych, takich jak utrata krwi i pozycja chirurgiczna, może dodatkowo pogorszyć ciśnienie krwi pacjenta, a tym samym CBF. Fenylefryna i efedryna są powszechnie podawane podczas zabiegów neurochirurgicznych w celu przeciwdziałania depresji sercowo-naczyniowej i leczenia niedociśnienia związanego ze znieczuleniem. Badania spektroskopii w bliskiej podczerwieni (NIRS) u znieczulonych pacjentów sugerują, że fenylefryna zmniejsza regionalne nasycenie tlenem mózgu (StO2) w porównaniu z efedryną, pomimo znacznego wzrostu MAP. Wyniki tych badań są sprzeczne i mają różne ograniczenia.

NIRS od dawna jest uznawany za obiecujący neuromonitor ze względu na względną przezroczystość tkanki dla światła w zakresie bliskiej podczerwieni oraz zależność absorpcji światła od utlenienia hemoglobiny, co zapewnia nieinwazyjną metodę pomiaru StO2. Ponadto NIRS jest niezwykle bezpieczny, niedrogi i zapewnia monitorowanie w czasie rzeczywistym. Dostępne są komercyjne systemy, które były wykorzystywane do neuromonitorowania podczas różnych zabiegów chirurgicznych związanych z ryzykiem uszkodzenia mózgu, w tym pomostowania tętnic wieńcowych i endarterektomii tętnicy szyjnej.1,2 Pomimo zalet NIRS, jej dokładność diagnostyczna w wykrywaniu śródoperacyjnego niedokrwienia budzi kontrowersje.3 Niedawny systematyczny przegląd wykazał, że:

„NIRS ma niską czułość i wysoką swoistość w wykrywaniu śródoperacyjnego niedokrwienia… Udział sygnału pozaczaszkowego był bardzo zmienny”. 4

Ten wniosek odzwierciedla dwa główne ograniczenia komercyjnych systemów NIRS. Po pierwsze, związek między StO2 a niedokrwieniem nie jest bezpośredni, ponieważ StO2 zależy nie tylko od CBF, ale także od metabolicznego zapotrzebowania tkanki. Po drugie, absorpcja światła w skórze głowy i czaszce jest głównym źródłem zanieczyszczenia sygnału. W rzeczywistości ponad 80% sygnału NIRS pochodzi z tkanek pozamózgowych, ponieważ odległość od powierzchni skóry do mózgu wynosi od 1,0 do 1,5 cm. W rezultacie zmiany hemodynamiczne w tkankach powierzchownych mogą przyćmić sygnały związane z mózgiem. Ze względu na te dwa ograniczenia nie ustalono specyficznej wartości progowej StO2 umożliwiającej rozpoznanie śródoperacyjnego niedokrwienia.

Nasz zespół opracowuje technologie mające na celu rozwiązanie dwóch głównych ograniczeń komercyjnych systemów NIRS. Jeśli chodzi o zwiększenie czułości na głębokość, opracowaliśmy system czasowo-rozdzielczy (tr)NIRS, który mierzy czas potrzebny fotonom na przemieszczenie się przez tkankę.5 Opierając się na zasadzie, że czas równa się odległości, światło badające skórę głowy i czaszkę jest rejestrowane wcześniej niż światło docierające do mózgu.

Aby zapewnić ciągłe monitorowanie przepływu krwi, połączyliśmy trNIRS z uzupełniającą technologią optyczną znaną jako dyfuzyjna spektroskopia korelacyjna (DCS). Zamiast mierzyć absorpcję światła, DCS mierzy czasowe fluktuacje sygnału spowodowane ruchem rozpraszaczy światła, który w tkance jest zdominowany przez mikronaczyniowy przepływ krwi (tj. perfuzja tkanek).8 Podobnie jak w przypadku NIRS, na DCS mogą wpływać zmiany sygnału w tkance powierzchownej, chociaż ma tę wewnętrzną zaletę, że przepływ krwi jest znacznie wyższy w mózgu w porównaniu z owłosioną skórą głowy (~ 5:1).9 Aby oddzielić dwa wkłady sygnału, nasz system zbiera dane z dwóch odległości źródło-detektor: krótkiej odległości do monitorowania przepływu krwi w skórze głowy i większej odległości z większą czułością na CBF.10 Wcześniej używaliśmy DCS do monitorowania stabilności CBF u wcześniaków podczas pierwszych dniach życia oraz podczas operacji kardiochirurgicznych.11,12 W niedawnym artykule badającym wykorzystanie DCS do monitorowania CBF podczas endarterektomii tętnicy szyjnej odnotowano średnie zmniejszenie perfuzji o 57% przy zaciskaniu13.

Nasz hybrydowy trNIRS/DCS, który jest pokazany, ma możliwość jednoczesnego pomiaru CBF i StO2. Dzięki tej kombinacji metabolizm tlenu w mózgu, określany jako mózgowe tempo metabolizmu zużycia tlenu (CMRO2), można obliczyć, łącząc te dwa pomiary.

W oparciu o tę nowo opracowaną technikę przyłóżkową planujemy ocenić, jak CBF i CMRO2 zmieniają się w znieczuleniu ogólnym i ich reakcje na fenylefrynę i efedrynę podczas niedociśnienia.

Wszyscy uczestnicy badania zostaną zrekrutowani i uzyskają zgodę zgodnie z lokalnymi wytycznymi dotyczącymi etyki. Prowadzący anestezjolodzy i chirurdzy nie zostaną zaślepieni ze względu na charakter interwencji. Jednak pacjenci i oceniający wyniki będą zaślepieni co do interwencji leczniczej. Wszyscy pacjenci otrzymają standardową opiekę anestezjologiczną, a leczenie chirurgiczne i anestezjologiczne pacjentów będzie prowadzone w standardowy sposób i nie zostanie zmienione w tym badaniu. Znieczulenie zostanie wywołane fentanylem 1-2 mcg/kg, propofolem 1,5-3 mg/kg, rokuronium 0,6-0,9 mg/kg. Monitorowane będą automatyczne ciśnienie krwi, elektrokardiografia, pulsoksymetria, kapnografia, temperatura przełyku oraz wdychane i wydychane stężenie tlenu i CO2. Zastosowana zostanie kontrolowana wentylacja z 50% zawartością tlenu w powietrzu, a poziom końcowo-wydechowego CO2 będzie utrzymywany na poziomie 35-40 mmHg. Nasycenie tlenem utrzymuje się powyżej 96%. FiO2 można zwiększyć, jeśli wystąpi desaturacja tętnic. Temperatura ciała będzie utrzymywana powyżej 36℃. Po operacji pacjenci zostaną ekstubowani i przetransportowani do PACU. Głębokość znieczulenia będzie stale monitorowana za pomocą wskaźnika bispektralnego (BSI) lub wskaźnika stanu pacjenta (PSI).

Wszyscy pacjenci będą monitorowani przez urządzenie trNIRS/DCS od indukcji znieczulenia do zakończenia operacji. Czujnik NIRS zostanie umieszczony na czole pacjenta.

Przed indukcją znieczulenia przez 1 minutę będą mierzone przedoperacyjne wyjściowe parametry hemodynamiczne i metaboliczne mózgu, takie jak ScO2, CBF, CMRO2, OEF. Monitorowanie będzie kontynuowane podczas indukcji znieczulenia i intubacji dotchawiczej. Po indukcji znieczulenia zostaną uzyskane parametry hemodynamiczne i metaboliczne mózgu po indukcji.

Po intubacji dotchawiczej z zabezpieczonymi drogami oddechowymi zostaną podane środki podtrzymujące i wazopresyjne zgodnie z przydzieloną grupą. Cztery możliwe przydzielone grupy są następujące:

Grupa 1: Podtrzymujące znieczulenie na bazie propofolu z fenylefryną jako wazopresorem Grupa 2: Podtrzymujące znieczulenie na bazie propofolu z efedryną jako wazopresorem Grupa 3: Podtrzymujące znieczulenie na bazie sewofluranu z fenylefryną jako wazopresorem Grupa 4: Podtrzymujące znieczulenie na bazie sewofluranu z efedryną stosowaną jako środek wazopresyjny

Środki konserwacyjne

• W przypadku grupy otrzymującej propofol pacjent będzie otrzymywał propofol jako środek podtrzymujący podczas operacji. Typowa dawka to 150-200 mg/kg/min.
• W przypadku grupy otrzymującej sewofluran podczas zabiegu pacjent będzie otrzymywać podtrzymujące 1 MAC sewofluranu.
• Zarówno propofol, jak i sewofluran są powszechnie stosowanymi środkami podtrzymującymi, a głębokość znieczulenia będzie utrzymywana na poziomie 30-40 PSI (normalny zakres 25-50) niezależnie od wyboru środków. Anestezjolodzy często stosują oba środki, aw naszej codziennej praktyce wybór środków znieczulających opiera się głównie na osobistych preferencjach, z wyjątkiem pacjentów ze specyficznymi przeciwwskazaniami, takimi jak hipertermia złośliwa lub alergia na leki.

Środki wazopresyjne

• W przypadku grupy otrzymującej fenylefrynę pacjent otrzyma wlew fenylefryny jako główny wybrany środek wazopresyjny.
• W przypadku grupy otrzymującej efedrynę pacjent otrzyma infuzję efedryny jako główny wybrany środek wazopresyjny.
• Wazopresor będzie podawany tylko w celu utrzymania MAP w zakresie 0-20% powyżej linii podstawowej. W ogólnej praktyce anestezjologicznej efedrynę i fenylefrynę można podawać w postaci bolusa lub wlewu. W niniejszej pracy zastosowano schemat infuzyjny ze względu na konieczność utrzymania stałego ciśnienia krwi podczas powtarzanych pomiarów hemodynamiki mózgowej w stanie ustalonym w każdej grupie. U pacjentów z opornym na leczenie niedociśnieniem pomimo wlewu fenylefryny lub efedryny zostaną zastosowane inne leki wazopresyjne lub inotropowe. W przypadku pacjentów, którzy nie otrzymali żadnego leku wazopresyjnego (np. bez niedociśnienia podczas całej operacji) lub otrzymujących wiele rodzajów leków wazopresyjnych, przeanalizujemy ich dane, stosując zarówno podejście zgodne z planem leczenia, jak i zgodnie z protokołem.

Wyniki neurologiczne pacjentów na oddziale opieki po anestezjologii (PACU) będą również zbierane podczas rutynowego badania fizykalnego.