Microvascular perfusion and tissue oxygenation during critical illness

Cardiac output, haemoglobin levels and arterial oxygen levels (SaO2 and PaO2) are generally considered as the main determinants of systemic O2 delivery. However, during critical illness tissue hypoxia may persist despite normalization of systemic haemodynamics and oxygenation, due to an impairment in microvascular perfusion. During systemic inflammation such as sepsis, endothelial damage and microcirculatory dysfunction may occur due to oxidative stress and inflammatory mediators, leading to hypoperfusion and organ failure. It is thus important to monitor the microcirculation and its response to interventions. In the studies included in this thesis, two non-invasive techniques were applied to evaluate microvascular perfusion and tissue oxygenation: sublingual sidestream dark field (SDF) videomicroscopy and near infrared spectroscopy (NIRS) on the skeletal muscle (thenar eminence) with a vascular occlusion test. This thesis confirms the prognostic value of the microcirculation during critical states. Alterations in tissue O2 extraction capacity during an ischemic challenge and a reduced microvascular reactivity during reperfusion were able to predict mortality in a heterogeneous population of 89 critically ill patients. Using SDF videomicroscopy, we found significant alterations in the sublingual microvascular glycocalyx in critically ill patients as compared to healthy volunteers, which were more pronounced in presence of sepsis. Microvascular monitoring may be a useful tool to guide therapy. In septic patients, the transfusion of leukodepleted red blood cells (RBCs) seemed to produce a more favourable effect on microvascular convective flow in comparison to non-leukodepleted RBCs. The transfusion of old RBCs (storage >15 days) was associated with an increase in plasma free haemoglobin, possibly leading to a reduction in microvascular density due to a nitric oxide-scavenger activity. Since tissue perfusion and oxygenation mainly depend on microvascular function, it is important to consider the microvascular effects of commonly applied interventions, such as O2 therapy. A meta-analysis of observational studies showed that exposure to arterial hyperoxia was associated with higher mortality in several subsets of critically ill patients. In a prospective observational study on 40 patients, hyperoxia induced an early reduction in microvascular density, suggesting a vasoconstrictive response, which however normalized upon returning to baseline levels of inspired O2. A 2-hour exposure to hyperoxia caused a rise in O2 free radicals, inducing an increased glutathione production: this mechanism may have been able to stimulate erythropoietin production, according to the “normobaric oxygen paradox”. Finally, this thesis highlighted the technical challenges of sublingual SDF monitoring and underlined the importance of microcirculatory image quality for a reliable evaluation of the microcirculation.

Gittata cardiaca, livelli di emoglobina e di ossigeno nel sangue arterioso (SaO2 e PaO2) sono generalmente considerati come i principali determinanti della disponibilità di O2 sistemica. Tuttavia, negli stati critici l’ipossia tissutale può persistere nonostante la normalizzazione dei parametri emodinamici e dell’ossigenazione sistemica, a causa di una compromissione della perfusione microcircolatoria. Negli stati di infiammazione sistemica come la sepsi, lo stress ossidativo e i mediatori infiammatori possono portare a danno endoteliale e disfunzione microvascolare, che possono essere a loro volta responsabili di ipoperfusione e insufficienza d’organo. E’ quindi importante monitorizzare il microcircolo e la sua risposta alle terapie. Negli studi inclusi in questa tesi sono state utilizzate due tecniche non invasive che permettono di valutare la perfusione microcircolatoria e l’ossigenazione tissutale: la tecnica di video-microscopia sublinguale Sidestream Dark Field (SDF) e la Near Infrared Spectroscopy (NIRS) a livello del muscolo scheletrico (eminenza tenar) con test di occlusione vascolare. Questa tesi conferma il valore prognostico del microcircolo nei pazienti critici. Un’alterata capacità del tessuto di estrarre O2 in corso di ischemia e una riduzione della reattività microvascolare nella fase di riperfusione si sono rivelate in grado di predire la mortalità in una popolazione eterogenea di 89 pazienti ricoverati in Terapia Intensiva. Utilizzando la tecnica SDF, abbiamo trovato significative alterazioni del glicocalice endoteliale a livello del microcircolo sublinguale nei pazienti critici in confronto a volontari sani, e tali alterazioni sono apparse più pronunciate in presenza di sepsi. Il monitoraggio del microcircolo può rappresentare un’utile guida terapeutica. In pazienti settici la trasfusione di emazie leucodeplete ha prodotto un effetto più favorevole sul flusso convettivo a livello microcircolatorio rispetto alle emazie non leucodeplete. La trasfusione di emazie vecchie (tempo di conservazione >15 giorni) si è associata ad un aumento dell’emoglobina libera plasmatica, la quale può aver condotto ad una riduzione della densità microvascolare per la sua attività di scavenger nei confronti dell’ossido nitrico. Dal momento che la perfusione e l’ossigenazione tissutali dipendono principalmente dalla funzione microcircolatoria, è importante tenere in considerazione gli effetti che le terapie comunemente applicate (ad es. l’ossigenoterapia) possono avere sul microcircolo. Una meta-analisi di studi osservazionali ha mostrato un’associazione tra l’esposizione ad iperossia e una più alta mortalità in diverse categorie di pazienti critici. In uno studio prospettico osservazionale su 40 pazienti, l’iperossia ha prodotto una precoce riduzione della densità microvascolare (indice di vasocostrizione), seguita tuttavia da normalizzazione al ritorno ai livelli inspiratori di ossigeno basali. Un’esposizione di 2 ore all’iperossia ha causato un aumento dei radicali liberi, inducendo un aumento della produzione di glutatione: questo meccanismo può essere stato in grado di stimolare la produzione di eritropoietina, secondo la teoria del “normobaric oxygen paradox”. Infine, questa tesi ha messo in luce le difficoltà tecniche relative al monitoraggio del microcircolo sublinguale tramite tecnica SDF e ha sottolineato l’importanza della qualità delle immagini raccolte al fine di ottenere una valutazione del microcircolo attendibile.