Σύγκριση καρδιο-πνευμονικών μεταβλητών μεταξύ υψίσυχνου αερισμού χαμηλών συχνοτήτων με ή χωρίς ενδοτραχειακή εμφύσηση οξυγόνου και υψίσυχνου αερισμού υψηλών συχνοτήτων σε ασθενείς με βαρύ σύνδρομο αναπνευστικής δυσχέρειας (ARDS)

Abstract

Introduction. Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) is an acute inflammatory state of the pulmonary parenchyma that causes hypoxemia, atelectasis, pulmonary congestion, and reduction in pulmonary compliance. Mechanical ventilation is life-saving, but may traumatize the lungs (eg volutrauma, barotrauma, atelectrauma, and biotrauma). The use of low (i.e. 5-8 mL/kg predicted body weight) tidal volumes, and high positive end-expiratory pressure (PEEP), aims at attenuating ventilator-associated lung injury. However, ARDS mortality still remains high. High frequency oscillation (HFO) is an alternative ventilatory strategy that employs tidal volumes of less than 4 mL/kg predicted body weight administered at frequencies of 3 to 15 Hz. Prior studies have reported improvements in oxygenation, whereas more recent two-center data on severe ARDS suggested a survival benefit from the intermittent, combined use of "low"-frequency (i.e. approximately 4 Hz) HFO with a tracheal tube cuff leak, and tracheal gas insufflation (TGI). Two recently published, multicenter, randomized clinical trials compared "high"-frequency (i.e. 5.5-7.8 Hz) HFO without a cuff leak with low-tidal volume and moderate-PEEP or high-PEEP conventional ventilation and reported either neutral results or an HFO-induced harm in early ARDS. Accordingly, current guidelines do not recommend the routine use of HFO in ARDS. However, a recently published, patient-level meta-analysis of 4 multicenter HFO trials suggested an HFO-related survival benefit in severely hypoxemic ARDS.Negative major trial results on HFO could be partly attributable to right ventricular (RV) overload, dysfunction, and failure caused by the combination of high intrathoracic pressures and hypercapnia. In the present physiological study, we tested the hypothesis that a "low"-frequency HFO strategy using a cuff leak (with or without TGI) and high bias flow might result in improved RV function as compared with a "high"-frequency HFO strategy without cuff leak or TGI. Aim-Method. In this study we compared the HFO protocol used in the OSCILLATE trial, which elicited harmful effects and was prematurely stopped, with a “protective for the right ventricle” HFO strategy, in patients with moderate-to-severe ARDS [PaO2-to-inspiratory O2 fraction ratio (PaO2/FiO2)< 150]. This strategy incorporates cuff leak and tracheal gas insufflations, in order to counteract the deleterious effects on right ventricle physiology and haemodynamic status. Patients underwent hourly courses of HFO 4 Hz, HFO 4 Hz TGI, both with cuff leak, and HFO 7 Hz without cuff leak, in a randomized order. For every ventilation strategy, a transoesophageal cardiac ultrasound was performed to determine the left and right end-diastolic area (RVEDA, LVEDA) and calculate the RVEDA/LVEDA ratio, the right ventricle end-systolic area (RVESA) and the tricuspid annular plane systolic excursion-TAPSE. The RV fractional area change (FAC) was then calculated as (RVEDA – RVESA) / RVEDA. The transgastric imaging data were used to determine the end-diastolic eccentricity index and the end-systolic eccentricity index. Eccentricity indexes were calculated as the quotients of LV diameter D1 and LV diameter D2; D2 was defined as the LV diameter that was perpendicular and bisecting the interventricular septum, and D1 was defined as the diameter that was perpendicular to D2. At the same time, data regarding the respiratory system mechanics and haemodynamic status were recorded. End points included: Primary: RVEDA/LVEDA ratio [>0.6 to 0.9 indicates RV dysfunction; >0.9 indicates RV failure]; Eccentricity index. Secondary: PaO2/FiO2, PaCO2, mean intra-arterial pressure, cardiac index, and respiratory compliance before and after HFO. Results. In total we studied 17 non-consequtive patients. RVEDA/LVEDA was significantly lower during 4-Hz HFO (0.56±0.14) and 4-Hz HFO-TGI (0.52±0.1) compared to7-Hz HFO (0.64±0.15). End-diastolic and end-systolic eccentricity indexes increased during 7-Hz HFO (1.33±0.19) relative to 4-Hz HFO (1.2±0.1), 4-Hz HFO-TGI (1.17±0.11), and post-HFO CV (1,17±0,19). Oxygenation and shunt fraction were significantly improved during the HFO strategies compared to conventional ventilation. PaCO2 was highest and arterial pH lowest during 7-Hz HFO.Quasistatic respiratory compliance (12.0±4.0 vs 13.5±3.6 cmH2O), end-inspiratory plateau pressure (29.9±4.4 vs 27.9±4.4 cmH2O) and driving pressure (12.0±4.0 vs 13.5±3.6 cmH2O) of post-HFO conventional ventilation were significantly improved relative to pre-HFO conventional ventilation.Mean arterial pressure was significantly higher during 4-Hz HFO and HFO-TGI compared to pre-HFO conventional ventilation. Cardiac index was relatively stable throughout the study period, but was higher (by approximately 10% on average) during 4-Hz HFO-TGI relative to 7-Hz HFO.PaCO2 and RV fractional area change were independent predictors of the RVEDA/LVEDA ratio (R2 = 0.25) and the end-systolic eccentricity index (R2 = 0.38). PaCO2 was the sole independent predictor of the end-diastolic eccentricity index (R2 = 0.28).Conclusion. In moderate-to-severe ARDS exhibiting favorable oxygenation response to HFO with mPaw “optimized” according to pre-specified SpO2 and TEE-derived RVEDA/LVEDA criteria, short-term 4-Hz HFO or 4-Hz HFO-TGI with cuff leak resulted in better RV function compared to 7-Hz HFO without cuff leak, and similar or even improved RV function relative to lung protective CV. These results could be partly explained by an effective PaCO2 control during 4-Hz HFO and 4-Hz HFO-TGI.

Εισαγωγή. Το Σύνδρομο της Οξείας Αναπνευστικής Δυσχέρειας (Acute Respiratory Distress Syndrome-ARDS) είναι μια φλεγμονώδης κατάσταση του πνευμονικού παρεγχύματος που προκαλεί υποξαιμία, ατελεκτασία, πνευμονική συμφόρηση και ελάττωση της διατασιμότητας του πνεύμονα. Η εφαρμογή μηχανικού αερισμού είναι σωτήρια για τη ζωή αλλά μπορεί επίσης να προκαλέσει τραυματισμό του πνεύμονα (ογκότραυμα, ατελέκτραυμα, βαρότραυμα, βιότραυμα). Η χρήση χαμηλού αναπνεόμενου όγκου (5-8 mL/kg προβλεπόμενου σωματικού βάρους) και υψηλής τελο-εκπνευστικής πίεσης (positive end-expiratory pressure -PEEP) συμβάλλει στην ελάττωση της πνευμονικής βλάβης. Παρόλα αυτά, η θνητότητα του ARDS παραμένει υψηλή. Ο αερισμός με υψίσυχνο ταλαντωτή ή υψίσυχνος αερισμός (High Frequency Oscillation-HFO) αποτελεί μια εναλλακτική μέθοδο αερισμού που χρησιμοποιεί αναπνεόμενο όγκου μικρότερο από 4 mL/kg προβλεπόμενου σωματικού βάρους και αναπνευστική συχνότητα από 3 ως 15 Hz. Παλαιότερες μελέτες έδειξαν βελτίωση στην οξυγόνωση, ενώ πιο πρόσφατα, σε μια μελέτη από δύο κέντρα σε ασθενείς με βαρύ ARDS φάνηκε όφελος επιβίωσης με τη διαλείπουσα χρήση «χαμηλής συχνότητας» (δηλ. περί τα 4 Hz) υψίσυχνου αερισμού σε συνδυασμό με διαρροή στον αεροθάλαμο του τραχειοσωλήνα και ενδοτραχειακή εμφύσηση οξυγόνου (tracheal gas insufflations-TGI). Δύο πρόσφατες πολυκεντρικές τυχαιοποιημένες κλινικές δοκιμές συνέκριναν τον υψίσυχνο αερισμό «υψηλής συχνότητας» (5.5-7.8 Hz) χωρίς διαρροή στον αεροθάλαμο με τον συμβατικό αερισμό με χαμηλό αναπνεόμενο όγκο και ενδιάμεση ή υψηλή PEEP, και διαπίστωσαν είτε ουδέτερη είτε ζημιογόνο επίδραση με τον υψίσυχνο αερισμό στο πρώιμο ARDS. Στη βάση αυτή, οι τρέχουσες κατευθυντήριες οδηγίες δεν υποστηρίζουν την κατά ρουτίνα χρήση του υψίσυχνου αερισμού στο ARDS. Ωστόσο, μια πρόσφατη μετα-ανάλυση τεσσάρων πολυκεντρικών μελετών υποδεικνύει όφελος επιβίωσης με τον υψίσυχνο αερισμό στο ARDS με σοβαρή υποξαιμία.Τα αρνητικά αποτελέσματα των μεγάλων αυτών μελετών σε σχέση με τη εφαρμογή του HFO μπορούν τουλάχιστον εν μέρει να αποδοθούν στην υπερφόρτιση, δυσλειτουργία και ανεπάρκεια της Δεξιά Κοιλίας (ΔΚ) που προκύπτει από το συνδυασμό της υψηλής ενδοθωρακικής πίεσης και της υπερκαπνίας. Στην παρούσα μελέτη φυσιολογικών παραμέτρων, προσπαθήσαμε να ελέγξουμε την υπόθεση ότι η στρατηγική υψίσυχνου αερισμού «χαμηλής συχνότητας» με διαρροή του αεροθαλάμου (με ή χωρίς ενδοτραχειακή εμφύσηση αερίου Ο2) και υψηλή ροή φρέσκων αερίων θα οδηγούσε σε προστασία της λειτουργικότητας της ΔΚ σε σύγκριση με την εφαρμογή υψίσυχνου αερισμού «υψηλής συχνότητας» χωρίς διαρροή του αεροθαλάμου ή ενδοτραχειακή εμφύσηση αερίου Ο2.Σκοπός-Μέθοδος. Στη μελέτη συγκρίθηκε το πρωτόκολλο της εφαρμογής HFO όπως εφαρμόσθηκε στη μελέτη OSCILLATE, που κατέδειξε δυσμενή έκβαση και διεκόπη πρόωρα, με ένα «πρωτόκολλο προστατευτικό για τη δεξιά κοιλία», σε ασθενείς με μέτριο προς σοβαρό ARDS (PaO2/FiO2< 150). Το τελευταίο ενσωματώνει την μερική αποπλήρωση του αεροθαλάμου και την ενδοτραχειακή χορήγηση Ο2, ως μέτρα που εξουδετερώνουν τα ανεπιθύμητα αποτελέσματα του HFO στην φυσιολογία της δεξιάς κοιλίας και την αιμοδυναμική ισορροπία. Οι ασθενείς υπεβάλλοντο διαδοχικά σε ωριαία εφαρμογή HFO 4 Hz, HFO 4 Hz TGI, και τα δύο με διαρροή στον αεροθάλαμο, και HFO 7 Hz χωρίς διαρροή στον αεροθάλαμο, με τυχαία σειρά. Σε κάθε τύπο αερισμού υπολογιζόταν με διοισοφάφειο υπερηχοκαρδιογράφημα οι τελοδιαστολικές επιφάνειες της αρ. και δεξιάς κοιλίας, RVEDA, LVEDA ώστε να υπολογιστεί το πηλίκο RVEDA/LVEDA, η τελοσυστολική επιφάνεια της δεξιάς κοιλίας (RVESA) και η συστολική μετατόπιση του τριγλωχινικού δακτυλίου (Tricuspid annular plane systolic excursion-TAPSE). Η κλασματική μεταβολή της επιφάνειας της δεξιάς κοιλίας (fractional area change –FAC) υπολογιζόταν στη συνέχεια μέσω του τύπου (RVEDA – RVESA) / RVEDA. Οι εικόνες από τη διαγαστρική λήψη χρησιμοποιούντο για τον προσδιορισμό του διαστολικού και συστολικού δείκτη εκκεντρικότητας (eccentricity index). Ο δείκτης αυτός προκύπτει ως το πηλίκο των διαμέτρων της αριστερής κοιλίας D2/D1. Η D1 είναι η διάμετρος που τέμνει κάθετα το μεσοκοιλιακό διάφραγμα και το διχοτομεί, και η D2 είναι η κάθετη στην D1 διάμετρος. Ταυτόχρονα κατεγράφοντο δεδομένα σχετικά με τη μηχανική του αναπνευστικού συστήματος και την αιμοδυναμική κατάσταση του ασθενούς. Τα καταληκτικά σημεία ήταν: Πρωτογενή: πηλίκο RVEDA/LVEDA [> 0.6 ως 0.9 ενδεικτικό δυσλειτουργίας δεξιάς κοιλίας, > 0.9 ενδεικτική ανεπάρκειας δεξιάς κοιλίας]∙ Δείκτης εκκεντρικότητας (Eccentricity index). Δευτερογενή: PaO2/FiO2, PaCO2, μέση αρτηριακή πίεση, καρδιακός δείκτης, στατική ενδοτικότητα του αναπνευστικού συστήματος πριν και μετά την εφαρμογή υψίσυχνου αερισμού.Αποτελέσματα. Μελετήθηκαν συνολικά 17 μη διαδοχικοί ασθενείς. Το πηλίκο RVEDA/LVEDA ήταν στατιστικά σημαντικά χαμηλότερο κατά τον αερισμό με 4-Hz HFO (0,56±0,14) και HFO-TGI (0,52±0,1) εν συγκρίσει με το 7-Hz HFO (0,64±0,15). Οι δείκτες εκκεντρικότητας στην τελοδιαστολή και τελοσυστολή ήταν μικρότεροι κατά την εφαρμογή 4-Hz HFO (1,2±0,1) και HFO-TGI (1,17±0,11), καθώς και στο συμβατικό αερισμό μετά τη λήξη των συνεδριών υψίσυχνης ταλάντωσης (1,17±0,19), σε σύγκριση με το HFO στα 7-Hz (1,33±0,19). Η οξυγόνωση και το κλάσμα διαφυγής (shunt fraction) έδειξαν σημαντική βελτίωση κατά την εφαρμογή του HFO εν συγκρίσει με τον συμβατικό αερισμό. Η μερική πίεση του διοξειδίου του άνθρακα (PaCO2) ήταν μέγιστη και το αρτηριακό pH ελάχιστο κατά την εφαρμογή HFO 7-Hz. Η στατική ενδοτικότητα του αναπνευστικού συστήματος (12.0±4.0 vs 13.5±3.6 cmH2O), η τελοεισπνευστική πίεση plateau (29.9±4.4 vs 27.9±4.4 cmH2O) και η οδηγός πίεση (12.0±4.0 vs 13.5±3.6 cmH2O) στον συμβατικό αερισμό μετά τη λήξη της χρήσης του υψίσυχνου ταλαντωτή, ήταν σημαντικά βελτιωμένες σε σύγκριση με το συμβατικό αερισμό προ HFO. Η μέση αρτηριακή πίεση ήταν σημαντικά υψηλότερη κατά την εφαρμογή HFO 4-Hz και HFO-TGI σε σχέση με τον προηγηθέντα συμβατικό αερισμό. Ο Καρδιακός Δείκτης (Cardiac index) παρέμεινε σχετικά σταθερός καθ’ όλη τη διάρκεια της μελέτης, αν και ήταν υψηλότερος (κατά περίπου 10% κατά μέσο όρο) κατά το HFO-TGI στα 4-Hz εν συγκρίσει με το HFO 7-Hz.Η PaCO2 και η κλασματική μεταβολή της επιφάνειας της δεξιάς κοιλίας (RV fractional area change) προέβλεπαν με ανεξάρτητο τρόπο το πηλίκο RVEDA/LVEDA (R2 = 0.25) και τον τελοσυστολικό δείκτη εκκεντρικότητας (R2 = 0.38). Η PaCO2 ήταν η μοναδική παράμετρος που προέβλεπε ανεξάρτητα τον τελοσυστολικό δείκτη εκκεντρικότητας (R2 = 0.28). Συμπέρασμα. Στο μέτριο προς σοβαρό ARDS που παρουσιάζει ικανοποιητική απόκριση στον υψίσυχνο αερισμό ως προς την οξυγόνωση και με βελτιστοποίηση της μέσης πίεσης των αεραγωγών σύμφωνα με το προκαθορισμένο SaO2 και το κριτήριο RVEDA/LVEDA που προκύπτει από διοισοφάγειο υπερηχογραφική μελέτη, η βραχυπρόθεσμη χρήση 4-Hz HFO ή 4-Hz HFO-TGI με διαρροή στον αεροθάλαμο είχε ως αποτέλεσμα καλύτερη λειτουργία της δεξιάς κοιλίας σε σχέση με την εφαρμογή 7-Hz HFO χωρίς διαρροή του αεροθαλάμου, και παρόμοια ή ελαφρώς βελτιωμένη λειτουργία της δεξιάς κοιλίας σε σχέση με τον προστατευτικό συμβατικό αερισμό. Τα αποτελέσματα αυτά μπορούν έστω εν μέρει να εξηγηθούν από τον πιο αποτελεσματικό έλεγχο του PaCO2 με τη χρήση 4-Hz HFO και 4-Hz HFO-TGI.