Lokális és szisztémás hipoxia - gyakorlati kórtani és monitorozási alapismeretek Boros Mihály
SZTE ÁOK Sebészeti Műtéttani Intézet
„A szabadság teszi lehetővé, hogy kényelmes körülmények között azzal foglalkozzam, amit szeretek: magyarázatot találni arra, ami megfigyelhető; választ adni különféle problémákra; vagy éppen bölcsen elfogadni, hogy néhány kérdésre nem lehet elfogadható magyarázatot adni. Ha ezt a tevékenységet másokkal is megosztjuk, akkor azt oktatásnak hívják.” Antal Deutsch, közgazdász professzor, Kanada, McGill Egyetem
Oxigén Felfedezése • 1774-ben (egymástól függetlenül) Joseph Priestley (1733 1803) és Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) • Gázállapot (és elnevezés): Antoine Laurent Lavoisier (17431794) Minden élő anyag alapvető alkotója - szabad vagy kötött formában - 21 térfogat % (23.15 súly %) a légkörben, 60 % az emberi testben Előállítás: frakcionált desztillálás • Kritikus nyomás alatt: gázállapot, felette folyadék (halványkék, fokhagymaszagú). Tárolása “termosz” tartályokban, vagy magasnyomású 20-30 kg gáztartályban (4 m3 cilinder) a kritikus nyomás alatt.
Gázok - alapok • Keverékben a gáznyomás = a keveréket alkotó gázok egymástól független parciális nyomásának összege (Dalton törvény). • Tengerszinten a légkör: PATM = 760 Hgmm = PN2 + PO2 + PCO2 + PH2O
Gázok - alapok Az O2 gáznyomás mértékegysége: Hgmm / Torr A tengerszint feletti (760 Hgmm-es) légköri nyomáson és 0% relatív páratartalom mellett az O2 parciális nyomása 159 Torr [(760) x (20.95/100)]. Medicina: a keverékben lévő O2 és levegő aránya: FiO2 = Fraction of Inspired Oxygen
Légköri nyomás
Tengerszint
Gázok - alapok Levegő = O2 + CO2 + N2 + vízpára (keverék) Belélegezve felmelegedik, relatív páratartalma 100%-os lesz, az oxigén nyomása 149 Torr-ra csökken.
Száraz belégzett levegő
1.
2.
Párásított bronchialis levegő
3.
Alveolaris levegő
A kb. 40 Hgmm PCO2 tovább csökkenti nyomását 105 Torr-ra.
4. Tüdő kapillárisok
Az alveolo-kapilláris membránon keresztül 100-104 Torr O2 nyomása „nehezedik” a kapilláris vérre.
Kevert vénás vér
Szisztémás artériás vér
Páratartalom Abszolút – A vízmennyiség tömege / liter gáz (mg/L)
Relatív – RH: az abszolút humiditás aránya a maximális kapacitáshoz képest (%) – Normális testhőn (37 oC), a maximális vízszállító kapacitás 44 mg/L. Példa: 33 mg/L abszolút páratartalom testhőmérsékleten 75% RH-t jelent.
Részecskék szerepe – Vízcseppek levegőben szuszpendálva – Nebuliser – Nagy részecskeméret = bakteriális transzport Molekuláris – Vízgőz lebegése a gázban – 0.01 µ méret: nincs bakteriális fertőzés
Oxigénterápia Oxigén = gyógyszer = orvosi utasításra adható ! Egyszerű arcmaszk: oxigén keveredik levegővel; a bejutó % függ a maszk nyílásán kijutó kilélegzett levegőtől. Fedett a száj és az orr (40-60% O2) Orrszonda: műanyag, az orrnyílásokba illeszkedik. Kényelmesebb, de 2-3x kevesebb oxigént szállít (22-44% O2) Visszalégzés nélküli (részleges vagy teljes) reservoir arcmaszkok: Részleges: 70-90% O2 (1/3 CO2 konzerválás – légzési stimuláció) Teljes: 90% feletti O2 bevitel Aneszteziológia maszkok
Gázcsere történelem: http://www.chemonet.hu/
Robert Boyle (1627–1691) A lélegzésről 1660 (In: New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air, and its Effects (Made, for the Most Part, in a New Pneumatical Engine) ”Hogy valamelyest kielégítsük kíváncsiságunkat a légzést illetően, amelyhez az állatokat a természet tüdővel látta el, vettünk egy pacsirtát (nem tudván akkor más élő madarat szerezni, amely kicsiségénél fogva elfért volna a tartályban). Bár az ember, akit elküldtünk, hogy szerezzen madarakat a kísérleteinkhez, meglőtte a pacsirta szárnyát, az állat igen élénk volt, és a tartályba téve többször is magasra ugrott. Az edényt gyorsan, de óvatosan lezártuk, a szivattyút szorgosan forgattuk, s noha a madár elég élénknek tűnt, nagyobb mennyiségû levegõ kiszívása után jól láthatóan lankadni kezdett és betegség jelei mutatkoztak rajta….”
Gázcsere - alapok PaCO2 – a széndioxid parciális nyomása az artériás vérben PaO2 – az O2 parciális nyomása az artériás vérben. Oxigénszállítás formái Oldott O2 (a teljes O2 tartalom ~ 2-3%-a) Hemoglobin - O2 (a teljes O2 tartalom ~ 97-98%-a) Teljes O2 tartalom (CaO2) = oldott O2 + kötött O2 Vérgáz elektródák PO2 = Clark elektróda = O2-vel kémiai kapcsolatba lépő anyagok oxido-redukciója alatt képződő töltések mérése pH = Üvegelektróda PCO2 = Severinghaus elektróda
Hipoxaemia Definíció: az artériás vér csökkent (abnormálisan alacsony) O2 tartalma (SpO2 < 90% vagy PaO2 < 60 mmHg – ld. később) – Következményesen csökkenő sejt O2 tartalom – Anaerob anyagcsere – a sejtek energiatermelő lehetősége csökken
Leggyakoribb ellátási helyszínek Kórház Sürgősségi osztály, belgyógyászati ambulanciák Gyermekgyógyászat Sebészeti / kardiológiai ICU Tüdőgyógyászat / rehabilitáció Bronchoscopiás osztályok Egyéb Geriátria, sürgősségi betegszállítás, hospice, házi ápolás
Hipoxaemia etiológia • Elégtelen külső légzés – Csökkenő O2 kínálat a tüdő kapillárisokban • Elégtelen O2 szállítás (transzport) - Csökkenő O2 szállítási képesség • Elégtelen belső légzés – Az O2 átadása csökken a kapilláris-sejt kapcsolatnál
Külső légzés Jellegzetességek • Az alveolus és kapilláris között gázcsere: az O2 a nagyobb koncentráció felől az alacsonyabb felé diffundál • Állandóan rendelkezésre kell állni - és folyamatosan át kell jutni a membránokon • Az O2 molekulának kötődnie kell (szaturálni = telíteni kell) a szállítómolekulához (hemoglobin)
Elégtelen külső légzés A felhasználható O2 mennyisége csökken – Füst belégzés – Toxikus gázmérgezés – Magaslati levegő – Szellőzés hiánya Elégtelen légzési mechanika – Fájdalom • Bordatörés • Mellhártya izgalom
Elégtelen külső légzés Traumás sérülések • Nyitott PTX – Az intrathoracalis nyomásváltozás szabályozása megszűnik • Mellkasi, nyaki zúzott sebek – Traumás asphyxia • Feszülő PTX – A megnövekedett intrathoracalis nyomás csökkenti a légzést • Haemothorax – A mellkasi folyadékgyülem csökkenti a tüdő tágulási lehetőségét • Instabil mellkas – Az intrathoracalis nyomásváltozás szabályozása megszűnik
Elégtelen külső légzés Egyéb • Felső légúti obstrukció – Epiglottitis – Croup – Légúti oedema-anaphylaxis • Alsó légúti obstrukció – Asztma – Légúti oedema toxikus anyagok belélegzését követően
Hypoventilláció • Izombénulás (paralysis) – Gerincvelői sérülések – Paralytikus gyógyszerek légutak intubációjakor • Gyógyszer túladagolás – Légzésbénító depresszánsok • Agytörzsi sérülések – Légzőközpont bénítók
Elégtelen külső légzés Inadekvát O2 diffúzió – Tüdőoedema • Az alveolo-kapilláris junctio közti folyadék akadályozza a diffúziót
– Pneumonia • A gyulladásos consolidatio csökkenti a légzőmembrán felületet • Csökken a ventilatio-perfusio (V/Q) arány
– COPD • Alveolusokban rekedő levegő • Légzésre alkalmas membrán felület csökken
Tüdő embolus • Légzésre alkalmas membránfelület változatlan, de alul (elégtelenül) perfundált • Légzésre funkcionálisan alkalmas membránfelület csökken
Oxigénszállítás / transzport
Jellegzetességek Az artériás O2-tartalom döntő hányada a hemoglobin molekulákat telíti. A szállítás feltétele: - a szállító kapacitás: sejtszám + hemoglobin molekula - kielégítő keringés (makrokeringés) egészen a sejtekig (mikrokeringés)
Elégtelen oxigén transzport • Anaemia – Csökkent sejtszám csökkenő kapacitás – Elégtelen mennyiségű hemoglobin, elégtelen oxigén szaturáció • Mérgezések – CO kötés hatékonyabb, csökkenő szaturáció, csökkenő szállítás • Shock – Alacsony perfúziós nyomás, csökkenő kínálat
Belső légzés Jellegzetességek • Gázcsere a vér és a sejtek között • Az oxigénnek le kell szakadni a hemoglobin molekuláról • A kínálat a magas koncentráció felől az alacsonyabb felé irányul
Elégtelen belső légzés • Shock – Nem áll rendelkezésre elegendő O2 molekula: masszív perifériás vazokonstrikció, mikroembolizáció, DIC, etc. • A sejt belső környezete hátráltatja az O2 molekula hatékony átadását és befogadását – Sav-bázis zavar – Normálisnál alacsonyabb hőmérséklet • Mérgezések – CO csökkenti a sejtszintű O2 hozzáférést
Hypoxaemia Jelek és tünetek • Nyugtalanság, mentális status változások agitatio somnolentia • Tachycardia, pulzus változások • Tachypnoe • Csökkenő oximetriás értékek • Cianózis (késői jel)
Oxigén szaturáció
Oxigénnel telített hemoglobin hányad (%) 1.34 ml O2 / 1 g haemoglobin (Hbg) A vér O2 szállító kapacitása egyenesen arányos a Hbg koncentrációval. Élettani SpO2 : 95-98% A sejtekhez eljutó perfúzió zavara feltételezhető ha < 95% SpO2 Súlyos sejtműködési zavar: SpO2 < 90% Fejsérülés esetén 90% alá sohasem süllyedhet a SpO2 !
SpO2 és PaO2 • SpO2 = hemoglobinhoz kötött O2 indikátora
– Klinikai mérési eredménye szorosan összefügg a laboratóriumi körülmények között mért SaO2 értékekkel – SpO2 = a szaturációt nem-invazív oximetria alapján határozták meg
• PaO2 = a plazmában oldott állapotban található O2 indikátora – Monitorozása artériás vérgáz mintában lehetséges – (Ld. ABG = sav-bázis egyensúly, „acid-base balance”)
PaO2 • Élettani PaO2 érték 80 - 100 Hgmm Általánosságban: • 80-100 Hgmm megfelel 95-100% SpO2-nak • 60 Hgmm = 90% SpO2 • 40 Hgmm = 75% SpO2
Szöveti oxigenizáció jelentősége - sebek 500 beteg colorectalis resectioval: - 30% vs 80% FiO2 (intraoperatív és 2 hr post-op) - 11.2% vs 5.2% SSI arány; p = 0.01 Grief, et al. NEMJ 2000;342:161-7
Szöveti oxigenizáció és sebgyógyulás Beteg kockázati tényezők Diabetes Dohányzás Alultápláltság Alkoholizmus Krónikus veseelégtelenség Icterus Obesitas Idős kor
Sebészi tényezők Sutura / idegentest jelenléte A műtét komplexitása Megelőző helyi v. szisztémás gyulladás Profilaktikus antibiotikum Haematoma A seb mechanikai károsítása
Anaesthesiológiai tényezők Hypovolaemia Súlyos anaemia Perioperatív hypothermia Alacsony FiO2 (0.8) Rossz analgesia Regionális anesthesia és analgesia hiánya
Vazokonstrikció Szöveti perfúzió ↓ Kollagén depozíció ↓ Seb összetartási erő ↓
ptiO2 ↓ Sebszétválás Sebgyógyulási zavar
PMN bactericid aktivitás ↓ Sebfertőzés
Szöveti oxigenizáció - sebek • A szöveti oxigén tenzió a posztoperatív sebgyógyulás
különösen fontos meghatározója, a PMN baktericid aktivitás közvetlenül összefügg a PTiO2-val; • A PMN baktérium ölő kapacitás (a fehérvérsejtek O2
felhasználása (consumptio) és O2 szabadgyök képződése) az oxigén nyomással párhuzamosan csökken.
• Sebészi sebekben az oxigén tenzió általában alacsony. Allen et al. Arch Surg. 1997; 132:991-996
Szöveti oxigenizáció - sebek • A PsqO2 az SSI hatékony előrejelzője (SENIC score-al
összehasonlítva)
• A PsqO2 a jelenleg alkalmazható klinikai eljárásokkal
befolyásolható, így a sebfertőzés megelőzését, kezelését szolgáló eljárások indikátora. Hopf, et al. Arch Surg. Sept 1997;132:997-1004
PsqO2 = parciális szubkután oxigén nyomás
Szubcelluláris hipoxia Az oxido-reduktív stressz és a szabadgyökök képzése
A sejtszintű oxigénforgalom „célja” ADP - ATP konverzió… Elektronok a tápanyagokból Magas energiaszint
Elektron transzport lánc
Alacsony energiaszint Vízképződés
…a mitokondriumokban
A belső mitokondrium membrán elektrontovábbító rendszere
H++ H++ HH H+ H+
Külső
Cyt C e- e-
Q e- e-
e-
Belső
Cyt C e- e-
e- e-
- +H + 2O O2 OH H H++H H O2
+H+ H2OH H+H+-
+ + HH+`+`HNAD
ADP
O2
.OH NADH
Krebs Ciklus
.. OO- MnSOD H2O2
Fe2+
ATP
GPx Cat
H2O + O2
Háttér: Mandavilli et al, Mutation Research 509 (2002) 127–151
Az átmeneti ”biológiai gázhiány” általános következménye Oxido - reduktív stressz
acetylCoA
Krebs ciklus
NADH ↑
AT P
OXPHOS
”Reduktív” stressz Oxigén Ferriti n Szabad Fe2+
Oxigén
Krebs ciklus
NAD H
OXPHOS
ATP
Szabad Fe2+
ROS ”Oxidatív stressz”
Br J Nutr 85, 2001 FASEB J 17(9), 2003
Az átmeneti oxigénhiány következményei Keringési (makrohaemodinamikai) zavar
Szöveti véráramlás
Hipoperfúzió
Perifériás érellenállás
Vazokonstrikció
Kaszaki J et al. Transplant Proc. 38, 2006 Eszlári E et al. Acta Physiol Hung 95, 2008 Czóbel M et al. Nitric Oxide 31, 2009
Az átmeneti oxigénhiány következményei Mikrokeringési zavar – no reflow
Vékonybél villusok transzplantáció előtt (IVM)
és 60 perccel reperfúzió után
Wolfárd A et al. Transplantation 68, 1999 Wolfárd A et al. Transplantation 73, 2002 Wolfárd A et al. Eur Surg Res 39, 2007
Az átmeneti oxigénhiány következményei Mikrokeringési áramlási heterogenitás, variabilitás, oszcilláció
Szabó A et al. Shock 21, 2004 Vajda K et al. Eur Surg Res 36, 2004 Vajda K et al. Microcirculation 11, 2004
Az átmeneti oxigénhiány következményei Funkcionális zavarok - permeabilitás (epithel, endothel) változások
Vékonybél villusok, kontroll (CLSEM, FITC-dextran, 150 kDa, iv.)
A reperfúzió 20. percében Szabó A et al. Shock 7, 1997 Szabó A et al. Microsurgery 26, 2006 Szabó A et al. Life Sci 78, 2006
Az átmeneti oxigénhiány következményei Immunválasz, sejt-aktivációk
Hízósejt (MMC) degranuláció, villus csúcsok (ABS festés) Inflamm Res 48, 1999 Shock 3, 1995 Clin Sci (Lond) 103, 2002
Az átmeneti oxigénhiány következményei Sejt - sejt interakciók
arteriola submucosa gyűjtő-venula
gördülő leukocyták
PMN - endothel adhézió (IVM) Boros M et al. Gastroenterology 114, 1998 Massberg S et al. Shock 9, 1998 Varga R et al. Crit Care Med 36, 2008
Az átmeneti oxigénhiány következményei Mediátorok képződése, felszabadulása
Kaszkád mechanizmusok (C5a)
Endotheliális mediátorok
Citokinek, hisztamin, ROS, RNS
Vazokonstriktív faktorok - pl. endothelin-1
Anti-adhezív faktorok - pl. nitrogén monoxid
Kaszaki J et al. Circ Shock 1989 Boros M et al. Eur Surg Res 21, 1989 Kaszaki J et al. Shock 2, 1994 Érces D et al. Crit Care Med 41, 2013 Vass A et al. Eur Surg Res 51, 2013
Összefoglalás Az átmeneti oxigénhiány lehetséges következményei Oxido-reduktív stressz Gázok, gáz-mediátorok
-ROS -RNS
Sejthalál fenotípusok
-NO, CO, H2S -CO2 -CH4
Perfúzió, érátmérő - Mikrokeringési zavar -Áramlási heterogenitás - No reflow
Sejt-sejt kapcsolatok -Adhézió (PMN – endothel) - Disszociáció (epithel, endothel, permeabilitás, oedema)
- Apoptosis, necrosis - Autofágia -Mitokondrium diszfunkció
Redox egyensúlyzavar által okozott, aspecifikus, antigén-független gyulladásos reakció
Sejtmembrán változások - Mintázatfelismerő receptorok - Transzkripciós aktivitás - Ioncsatornák
Vazoaktív mediátorok
Kaszkád mechanizmusok
- Endothel sejt (ET-1) - Hízósejt (hisztamin) - Lipid mediátorok
- Komplement, véralvadás -- Citokinek, stressz-hormonok - Gyulladásos enzimek
A hipoxia - helyi keringési zavar monitorozása Indirekt - főképp a teljes testre vonatkozó oxigén transzport/felvétel megítélése: - A betegek klinikai vizsgálata - Az alveolusokig jutó belégzett gáz O2 koncentráció meghatározása - Az artériás vér O2 koncentrációjának meghatározása - A szövetekig eljutó oxigén (DO2) meghatározása - Oxigén felvétel meghatározása - Laktát meghatározása, regionális PCO2 és pH mérése
Az oxigén szállítása és felhasználása …számos formula alkalmazható • Artériás oxigén tartalom = CaO2 Vol% • Vénás oxigén tartalom = CvO2 Vol% • A-V oxigén különbség • Oxigén szállítás ml/min • Oxigén extrakció (az oxigénkínálat metabolikus komponense) % • Oxigén felhasználás – ml/perc – ml/kg
Oxigénszállítás • Milyen összetevők határozzák meg az O2 szállítást (D)? – Hgb – Perctérfogat (CO) – SaO2 • DO2 (ml/min/m2) = CI (L/min/m2) x CaO2 (ml/L) = CI (L/min/m2) x (1.34 x Hb (g/L) x SaO2 + 0.0031 x PaO2 (kPa)
CaO2= Artériás oxigéntartalom (Vol%) = Hb x 1.34 x (SaO2/100) + (PaO2 x 0.0031)
Oxigénszállítás CaO2 = Artériás oxigéntartalom (Vol%) = Hb x 1.34 x (SaO2 / 100) + (PaO2 x 0.0031) CvO2 = Vénás oxigéntartalom Vol% = Hb x 1.34 x (SvO2 / 100) + (PvO2 x 0.0031) CaO2 - CvO2 = arterio-venózus oxigén gradiens (Vol%) = 5 Vol%
Oxigénszállítási zavar Csökkenő szöveti ATP • Megváltozó Na+-K+ ATPase aktivitás – Sejtduzzadás / diszfunkció • Ca++ influx – Foszfolipázok, proteázok, ATPase aktiválás • Csökkenő antioxidáns védelelm – Csökkenő glutation
Oxigénszállítási zavara • Gyulladásos sejtes “priming” • ATP metabolizmus – ADP >> AMP >> hipoxanthin • Reperfúzió: – Reaktív oxigén és nitrogéngyökök – Hipoxanthin + O2 >> xanthin + H2O2
Oxigén és hipoxia, mérés és monitorozás Oxigén dinamika • Oxigénszállítás = DO2 • Oxigén fogyasztás (felhasználás; consumptio) = VO2 • Oxigén adósság = időegység alatti, kumulatív oxigén felvételi hiány (consumptio deficit) • Oxigén felvételi hányad (extrakciós arány)
Oxigén dinamika kórtana • Normális DO2: 520-570 ml/min/m2 • Kritikus DO2: az aerob >> anaerob anyagcsere • fordulópont = tejsav (laktát) • emelkedett P(szöveti)CO2 • Oxigén adósság alakul ki - ATP csökken, kiürül mitochondrium működészavar
Oxigénfogyasztás A Fick egyenletből származtatható (emlékeztető: az artériás és vénás vér oxigéntartalmának különbsége és a véráramlás közötti összefüggés: VO2 (ml/min) = (CaO2-CvO2) x CO Ha a Hgb, CO és az A/V szaturáció ismert, a VO2 kiszámítható anélkül, hogy a PO2 értéket ismernénk (oldott O2 = általában a teljes O2 tartalom < 0.3 Vol%-a): VO2 (ml/min) = Hb x 1.34 x [(SaO2-SvO2)/100] x CO Az alap-oxigénfogyasztást számos tényező befolyásolja és megváltoztathatja.
Az oxigénfogyasztás megítélése Kizárólag a Fick egyenletet használva pontos. Ha a betegek pl: - a műtőben fekszenek - intubálva, - izomrelaxánsok használatakor - mesterséges légzéssel - hipotermia (7% csökkenés / 1oC) esetén az élettani (250 ml/min Vol%) helyzethez képest mintegy 30%kal kevesebb a metabolikus igény; így kb. 170 ml/min elfogadható.
Az oxigén extrakciója Sejt
O2 Artériás beáramlás (Q)
O2 O2 O2 O2
kapilláris
Vénás kiáramlás (Q)
O2 O2 O2
VO2 = Q x Hb x 13.4 x (SaO2 - SvO2) EX O2 = SaO2-SvO2 / SaO2 (Forrás: ICU, P. Marino)
Az oxigén extrakció Max O2 extrakció
VO2 Kritikus DO2
DO2
Élettani körülmények között: VO2 = DO2 x Ex O2 Oxigén extrakciós arány = (SaO2-SvO2 / SaO2) x 100 Az extrakció mértéke szövetről-szövetre változik Normális O2 ER = 20-30% Ha az O2 ER akut körülmények között, hosszabb időn 0.65-0.75, akkor a szervkárosodás és a szöveti oxigenizációs zavar valószínűsége is igen magas.
A hipoperfúziós hipoxia monitorozása „Low-tech” monitorozás: laboratóriumi- biokémiai vizsgálatok Laktát szintek (artériás vagy centrális vénás) Prognosztikai értékű Szenzitív de nem specifikus (a plazma laktátszint emelkedhet pl. szepszisben a szervperfúzió nyilvánvaló zavara nélkül) Bázis deficit (ld. később) Normálérték = a tejsav megfelelő eltávolítása Nem érzékeny / specifikus Egyéb monitorok SvO2, VO2 és DO2 Nem specifikus / nem érzékeny
A hipoperfúziós hipoxia monitorozása „High-tech” monitorok 1.a. Szöveti oxigénnyomás 1.b. Száloptikás arteria pulmonalis katéter a SvO2 változások on-line mérésére
A szöveti oxigéntenzió monitorozása: a Clark elektróda - a bioszenzorok elődje
Szöveti oxigéntenzió Miniatűr, beültethető Clark elektródák az oxigén szöveti parciális nyomásának mérésére (ptiO2), szervekben és testnedvekben - közvetlenül és folyamatosan. A ptiO2 értékek megfelelnek a sejtszintű oxigénkínálatnak és információt szolgáltatnak a szöveti oxigén szállításról és felhasználásról. A jelen: ptiO2 –t és akciós potenciált szimultán mérő mikroszenzor. Thompson et al. Single-neuron activity and tissue oxygenation in the cerebral cortex. Science 299 (5609): 1070-1072, 2003
Szöveti oxigénnyomás mérése Indikáció • Intenzív betegellátás • Idegsebészet (az oxigenizáció abszolút szintje jelzi a neurológiai kimenetet) • Vázizomzat ptiO2 monitorozása (korai és megfelelő előrejelzés: stagnáló keringés, szöveti oxigenizáció zavara vérzés, újraélesztés és shock esetén) • ptiO2 mérése rosszindulatú daganatokban a hipoxiás radio-rezisztencia megállapítására. Limitáló tényezők • A szöveti hőmérséklet befolyása az elektróda áramra • Hibás ptiO2 értékelés szöveti trauma, oedema esetén • Intravaszkuláris elektróda
Oxigén + perfúzió = a szervperfúzió nem-invazív diagnosztikája A megszerzett információ alapján: (1) Nagyobb erek anatómiai megítélése (angiográfia, duplex UH, MRA , CT angiográfia) (2) Véráramlási jellegzetességek (duplex UH) (3) Véráramlás volumene (MRA) (4) Nyálkahártya perfúziója - Endoluminalis laser Doppler flowmérés - Endoluminális pulzus oximetria - Endoszkópia + intravitalis mikroszkóp - Near Infrared Spektroszkópia (NIRS) (5) Az oxigenizáció - ischaemia megítélése a véráramlástól függetlenül (tonometria - pHi)
A regionális perfúzió monitorozása lézer-Doppler áramlásméréssel LDF-mérőfej (lézer fény kibocsátása és a kapillárisokban áramló vérsejtekről való visszaverődés detektálása) Alkalmazás: intracranialis monitorozás, stroke, agykárosodás, tumor angiogenesis, lebenyek, perifériás érbetegségek, diabetes, sebgyógyulás, dermatológia
Endoszkópia és az intravitális fluoreszcens mikroszkóp Fluorokrómok: egy adott hullámhosszú fénnyel megvilágítva fluoreszkálnak => nagyobb hullámhosszú, alacsonyabb energiájú fényt emittálnak A nem fluoreszkáló minták festésére fluoreszcens festék használható. Fényforrás: higanygőz vagy nemesgáz lámpa; legfontosabb gerjesztő tartomány: kék és UV
FLUORESZCENCIA
Abszorpció / Gerjesztés – Emisszió / Kisugárzás E2
E4 E3 E2
Abs Abszorpció
Nem-sugárzó átmenet Sugárzó átmenet
Ex
Eemission = hν 2
E1
E1 E0 A fotonokkal ütköző molekula abszorpciója és emissziója jellegzetes (emissziós spektrum - jellemző a molekulára), független a gerjesztési hullámhossztól = a molekula ujjlenyomata.
Auto-fluoreszcencia • A legtöbb biológiai minta csak fluorokrómokkal történő jelölés után fluoreszkál: másodlagos fluoreszcencia • A természetben számos molekula pl. kollagén, cellulóz, etc. „magától” fluoreszcens: primer, vagy autofluoreszcencia. • Néha diagnosztikai előnyt jelent: nincs szükség fluorokróm adására. NADH és NADPH erősen fluoreszkál 460 nm-en, NAD és NADP fluoreszcencia 3 nagyságrenddel gyengébb.
Spiral waves of NADH during the glycolysis in cytoplasm extracted of yeast cells. In: Picture Gallery of the University of Magdeburg
Endoszkópos intravitális mikroszkóp Felvevő eszköz
Mikroszkóp
Kamera
Idő-jel generátor
Frame grabber
Kép analizáló computer
Monitor
Jel-erősített (fluoreszcens) videó-mikroszkópos rendszer; a (fluoreszcens) jelet CCD kamera rögzíti
Polarizált fény POLARIZÁLT SUGÁR
POLARIZÁCIÓS FILTER
A természetes fénysugár sok atom spontán, rendezetlen hullámkibocsátásának eredménye, benne egyenlő mértékben találhatók minden irányban rezgő vektorok. A polarizáció csak a függőleges rezgéseket engedi tovább.
Orthogonális polarizációs spektrális képalkotás (OPS technika) Sugárosztó
CCD
Szóródott depolarizált fény Szövet
Orthogonális polarizátor (analizátor)
Polarizátor
Fényforrás
Az intramurális mikrokeringés
A vékonybél “soros” és „párhuzamos” mikrokeringése
4V
LC 5A
Hosszanti izomzat Körkörös izomzat
CC 3V 2V
IA
4A
5A
3A
4V
IV SA SV
2A CV
SUBMUCOSA 2VM MC PC
DA
VILLUS
Képalkotás - IVM
Vékonybél villusok – intravitális OPS technika (x400)
Klinikai tonometria - gyomor / sigma mucosa pH a PiCO2 mérése révén Miért előnyös a PCO2 monitorozása ? 1. A gasztrointesztinális mucosa a véráramlás redisztribúciójának célpontja shock, trauma, szepszis és nagyobb sebészeti beavatkozások alatt. 2. A perfúzió csökkenését követően a vékonybél mucosa elsőként károsodik, reszuszcitáció után az élettani körülmények itt állnak helyre utoljára. 3. A splanchnikus keringésromlás által okozott gasztrointesztinális mucosa károsodás döntő szerepet játszik a szepszis és a többszörös szervkárosodás etiológiájában (MOF).
Indirekt tonometria: az alapok
1. A villusok ellenáramoló (counter- current exchanger) rendszere a csúcs felé haladva csökkenti a pO2-t. Csökkenő perfúzió esetén nem biztosítható a megfelelő szöveti oxigenizáció. 2. A mucosa perfúzió és a regionális anyagcsere közti eltérés a CO2 helyi eltávolítása és képződése közötti zavarral jár. 3. CO2 akkumulálódik a mucosában. Lumenes szerv esetén – pl. gyomor - ez kimutatható a gyomor CO2 ( PgCO2) mérésével
Indirekt tonometria: az alapok
Tonometer
Lumen
Mucosa
Kapillárisok
A PgCO2 minimálisan invazív meghatározása A tonométerek 1. Speciális tonometriás katéter és monitor analizálja a PCO2–t infravörös szenzor technológiával. 2. Só tonometria: több csatornával ellátott katéter, szemipermeábilis szilikon ballonnal a gyomorba vezetett katéter disztális végén. A CO2 szabadon equilibrál a gyomor nyálkahártya, a szerv lumene és a ballon között. 2A. A ballonból vett gázminta analízise minden 30 percben (hagyományos só tonometria); 2B. Levegő-automata tonometria: 10 perc equilibrációs idő, a PgCO2 mérés pontossága jelentősen javul .
Gyomor tonometria Indikációs területek a gasztrointesztinális mucosa PCO2 monitorozására: • trauma • nagyobb sebészeti beavatkozások, pl. szívsebészet • vérzés, vérzéses shock • kardiogén shock • súlyos heveny légzészavar • súlyos akut pancreatitis • súlyos égés • hosszantartó mesterséges lélegeztetés Alacsony perctérfogat állapotokban (hipovolaemiás, cardiogenic shock) vazokonstrikció alakul ki a mucosában. A gyomor tonometria a gyomor hipoperfúzió korai diagnosztikájára alkalmas (megelőzve a szisztémás változások felléptét).
Gyomor tonometria • A gyomor PCO2 jelentősége: a mucosa PCO2 (PgCO2) a CO2 képződés (metabolizmus) és eltávolítás (perfúzió) közötti egyensúlyra utal. Az emelkedett PCO2 (regionális hipercapnia) a rossz, elégtelen szöveti véráramlás és/vagy a károsodott metabolizmus jele lehet. • PgCO2 normál értékek: a PgCO2 megközelíti az artériás PCO2-t, (PgCO2 = 45 Hgmm (6 kPa). A PgCO2 és az artériás PCO2 vagy az end-tidal CO2. összehasonlítása mindig indokolt.
pHi és PgCO2 • PgCO2 a pHi-val összehasonlítva pontosabb és jobb diagnózist ad (jobb terápiás index). • A DO2crit. esetén anaerob CO2 képződés hozzájárul a fokozott PgCO2-hoz, eközben az artériás pH is csökken és ez tovább csökkenti az intramucosalis pH-t (pHi). Ha csak a pHi-t tekintjük diagnosztikus segítségnek, a terápia már hatástalan lehet, mivel a pHi már nagyon alacsony lesz.
pHi - PgCO2 - PCO2 gap •
PgCO2 a pHi-val összehasonlítva pontosabb és jobb diagnózist ad (jobb terápiás index).
•
A DO2crit. esetén anaerob CO2 képződés hozzájárul a fokozott PgCO2-hoz, eközben az artériás pH is csökken és ez tovább csökkenti az intramucosalis pH-t (pHi). Ha csak a pHi-t tekintjük diagnosztikus segítségnek, a terápia már hatástalan lehet, mivel a pHi már nagyon alacsony lesz.
•
A PgCO2 és az artériás PCO2 különbsége: PCO2 gap – ma ez a „korszerű” (elfogadott).
A regionális szöveti oxigenáció és hemodinamika monitorozása, közel - infravörös spektroszkópia Monitorozás a Beer-Lambert törvény alapján Nem-invazív, folyamatos módszer, a fényelnyelés alapján határozza meg a szöveti oxigén szaturációt Az oxi és dezoxi-Hbg és a citokróm C3 redox status átlagértének meghatározása az artériás, vénás és kapilláris vérre vonatkoztatva.
Közel - infravörös spektroszkópia Háttér 1. A citokróm C oxidáz (aa3) a légzési lánc utolsó citokrómjához kapcsolt a sejt oxigén fogyasztásának kb. 90%-a (az oxidatív foszforilálás). 2. A citokróm aa3 redox állapotát döntően a rendelkezésre álló oxigén határozza meg, a sejt DO2 csökkenése az oxidatív foszforilálás és a citokróm aa3 oxidáció csökkenésével jár. 3. A citokróm aa3 redox állapotának monitorozása a károsodott sejtes oxidatív anyagcsere és szöveti oxigénhiány monitorozását jelenti.
Közel - infravörös spektroszkópia Indikációk Alkalmazható csaknem minden szerv esetén. Fő terület a cerebrális perfúzió és az izom oxigenizáció meghatározása különféle hipoxiás károsodások esetében Limitációk Kvantitatív mérés nem lehetséges (a szórt és elnyelt fény „szennyeződése”).
Oxigén + ECC = Extracorporális Membrán Oxigenizáció / mesterséges oxigén transzport (DO2) és gázcsere
Buborék oxigenátor (R. DeWal és C. W. Lillehei): közvetlen gáz-vér kapcsolat; c3 és c5a complement aktiváció, tüdő és miocardiális oedema. Membrán oxigenátor: nincs direkt gáz-vér interface, az O2 és CO2 transzfer arányt mikropórusok szabályozzák
A membrán oxigenátor (mesterséges tüdő) • Polikarbonát/szilikon spirálkötegek beágyazva – A vér és a gázfázist membrán választja el – Permeabilitás: CO2 > O2 (6:1) – Változtatható felület (újszülött < gyermek < felnőtt) • O2 és CO2 szállítás függ: – A membrán felülettől – A membrán diffúziós jellemzőitől – A gázok diffúziós gradiensétől • O2 szállítás emellett: • A membránon át történő véráramlás • CO2 szállítás emellett : • A membránon át történő gázáramlás
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 ‘Nemzeti Kiválósági Program’
