Experimental strategies in the treatment of acute renal failure in sepsis - Samenvatting en conclusie

UvA-DARE (Digital Academic Repository)

Experimental strategies in the treatment of acute renal failure in sepsis

Johannes, T.

Publication date 2011

Link to publication

Citation for published version (APA):

Johannes, T. (2011). Experimental strategies in the treatment of acute renal failure in sepsis.

General rights

It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Disclaimer/Complaints regulations

If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.

S

I

De ontwikkeling van acuut nierfalen (acute renal failure, ARF) in sepsis komt vaak voor en heeft een prevalentie tot zo’n 40%. Echter, de pathogenese is nog steeds niet volledig duidelijk. Tot op heden zijn er geen specifieke protectieve maatregelen dan wel behandelingsmodaliteiten voorhanden. De behandeling van intensive care patiënten met ernstige AKI (acute kidney injury, acute nierschade) mondt daardoor vaak uit in ondersteunende maatregelen zoals dure nierfunctievervangende therapie. Renale weefselhypoxie is een mogelijke factor in de ontwikkeling van AKI. De meeste gangbare conservatieve therapeutische interventies richten zich op het vergroten van de perfusie van de nier en het handhaven van de nierfunctie. Een voorbeeld hiervan is volume expansieve therapie. Echter, interventies die de geforceerd de nierfunctie proberen te verbeteren zouden potentieel toename van de hypoxie door verhoging van de zuurstofconsumptie kunnen veroorzaken. Het is daardoor mogelijk dat deze klinische interventies uiteindelijk bijdragen aan de ontwikkeling van AKI in plaats van het voorkomen ervan. Vanwege deze paradox is het van wezenlijk klinisch belang meer inzicht te krijgen in de pathofysiologie van ARF en om specifieke behandelingsopties te vinden die gericht zijn op het verbeteren van ARF en het voorkomen van AKI.

T

In dit proefschrift zijn we uitgegaan van de veronderstelling dat hypoxie en microcirculatoire dysfunctie een rol spelen in de pathogenese van septisch nierfalen. De hypothese was derhalve dat strategieën gericht op het voorkomen van hypoxie en microcirculatoire dysfunctie resulteren in het behoud van nierfunctie. Om deze hypothese te toetsen hebben we een rattenmodel ontwikkeld van endotoxine-geïnduceerde ARF met de tekenen van ernstige hemodynamische veranderingen zoals die gezien worden in de klinische praktijk. “Early goal-directed therapy” met behulp van vloeistof- resuscitatie is de standaard therapie voor de behandeling van sepsis. Resuscitatie d.m.v. infusietherapie was daarom de primaire therapeutische behandeling in al onze studies. De experimentele behandelingsstrategieën werden getest bovenop de standaard vloeistofresuscitatie. Alle door ons geteste farmaca worden klinisch gebruikt en hebben een directe werking op de renale vasculaire tonus en/of beïnvloeden secundair de microvasculaire doorbloeding. Naast evaluatie van de nierfunctie d.m.v. meting van de kreatinine klaring hebben we een methode toegepast om nauwgezet de renale oxygenatie te bestuderen. Gebruik makend van de methode van zuurstof-afhankelijke uitdoving van fosforescentie zijn we in staat geweest om simultaan corticale en buitenste medullaire microvasculaire PO2 (µPO2) te meten in combinatie met de PO2 in de vena

renalis. Door meting van microvasculaire PO2 histogrammen in de cortex en buitenste medulla zijn

we in staat geweest om de heterogeniteit in intrarenale oxygenatie te bestuderen.

B

Er zijn aanwijzingen dat weefselhypoxie en microcirculatoire dysfunctie bijdragen aan de ontwikkeling van septisch ARF. Het aantal studies dat gekeken heeft naar weefseloxygenatie en nierfunctie in verschillende septische diermodellen is echter beperkt. Zoals hierboven opgemerkt is resuscitatie met infuusvloeistoffen een vroege therapeutische strategie in de behandeling van septische shock, gericht op herstel van de zuurstof toevoer naar vitale organen. In hoofdstuk 1

hebben we de hypothese getest dat de renale µPO2 en zuurstofconsumptie (VO2,ren) zijn

verslechterd bij endotoxemie; dat dit gepaard gaat met verminderde nierfunctie; dat vloeistofresuscitatie met colloïdale of kristalloïde vloeistoffen de µPO2, VO2,ren en nierfunctie herstelt;

en dat colloïdale vloeistoffen in dit opzicht beter zijn dan kristalloïde vloeistoffen. In ons model was endotoxemie geassocieerd met een reductie in renale doorbloeding en anurie terwijl de renale µPO2

en VO2,ren relatief onveranderd bleven. Vloeistofresuscitatie herstelde de renale doorbloeding, het

renale zuurstofaanbod en de nierfunctie naar baseline waarden en was geassocieerd met een distributie van zuurstof die afhing van de resuscitatievloeistof. In tegenstelling tot HES130/0.4, veroorzaakten HES200/0.5 en Ringer's lactaat een toename in renale zuurstofconsumptie. Voor de eerste keer hebben we het bestaan van renale zuurstofredistributie tijdens vloeistofresuscitatie aangetoond, maar uit deze resultaten hebben we geconcludeerd dat het verlies van nierfunctie tijdens endotoxemie niet verklaard kon worden door een tekort aan zuurstof. HES130/0.4 had geen invloed op de VO2,ren en herstelde de nierfunctie met de geringste toename in renale arbeid.

Naar aanleiding van de vinding dat geen uitgebreide weefselhypoxie en afname van microcirculatoire PO2 werd gezien tijdens endotoxemie hebben we een tweede studie uitgevoerd. In

hoofdstuk 2 hebben we de hypothese getoetst dat heterogeniteit in de verhouding van

zuurstofaanbod en zuurstofvraag op microcirculatoir niveau tijdens endotoxemie verborgen blijft als alleen de gemiddelde PO2 waarde wordt gemeten. Zoals eerder aangetoond bleef de gemiddelde

PO2 vrijwel onveranderd tijdens endotoxemie. Alleen d.m.v. analyse van de distributie van renale

zuurstofspanning waren we in staat om het ontstaan van hypoxische microcirculatoire gebieden aan te tonen in de renale cortex van de rat. Deze vinding heeft geleid tot een tweede serie experimenten waarbij de renale bloedflow mechanisch werd gereduceerd tot het niveau zoals die tijdens endotoxemie werd waargenomen. Deze tweede serie experimenten moest antwoord geven op de vraag of de hypoxische microcirculatoire gebieden in de cortex specifiek waren voor endotoxemie en niet alleen een niet-specifiek fenomeen waren t.g.v. reductie van de bloedflow. De significante linksverschuiving in het corticale PO2 histogram in de richting van hypoxie, zoals geobserveerd

tijdens endotoxemie, werd niet gezien in dieren waarbij een mechanische reductie van de bloedflow werd bewerkstelligd. In een derde groep dieren bestudeerden we de effecten van vloeistof-resuscitatie op de reversibiliteit van de microcirculatoire hypoxische gebieden. In deze dieren verdwenen de corticale microcirculatoire hypoxische gebieden na resuscitatie en herstelde de nierfunctie zich tot 50% van de baselinewaarde. Concluderend was endotoxemie geassocieerd met het ontstaan van corticale microcirculatoire hypoxische gebieden die niet werden gedetecteerd door gemiddelde PO2 metingen, hetgeen de hypothese van onze studie bewijst. Deze observaties

suggereren een rol voor hypoxie in de pathogenese van endotoxemie-geïnduceerde ARF.

Na het aantonen van het ontstaan van microcirculatoire hypoxische gebieden tijdens endotoxemie zijn we op zoek gegaan naar therapeutische strategieën gericht op het tegengaan van microvasculaire hypoxie en behoud van nierfunctie. Stikstofoxide (NO) is een belangrijk molecuul waarvan bekend is dat het de renale microvasculaire tonus beïnvloed. Hierdoor speelt NO een rol in de regulatie van het renale zuurstofaanbod. Onder septische condities is de belangrijkste bron van NO de productie door iNOS, een enzym waarvan de werking kan worden onderdrukt door de klinisch gebruikte glucocorticosteroid dexamethason (DEX). In hoofdstuk 3 van dit proefschrift hebben we de hypothese getoetst dat inhibitie van iNOS d.m.v. lage dosis DEX leidt tot verbetering van een verminderde intrarenale oxygenatie en nierfunctie. Twee uur na de ontwikkeling van endotoxemische shock kreeg een groep ratten een bolus lage dosering DEX (0.1 mg/kg) toegediend

in aanvulling op standaard vloeistofresuscitatie. In deze dieren was drie uur later de renale iNOS mRNA expressie significant onderdrukt. Daarnaast voorkwam dexamethason het ontstaan van corticale microcirculatoire hypoxische gebieden, verbeterde het renale zuurstofaanbod en herstelde de zuurstofconsumptie van de nier significant. Naast een significantie verbetering van de systemische hemodynamiek herstelde DEX de nierfunctie en de tubulaire natrium terugresorptie tot beginwaarden. De conclusie van dit hoofdstuk is dat de behandeling van ratten met lage dosis dexamethason in aanvulling op vloeistofresuscitatie het endotoxine-geïnduceerde nierfalen herstelde en dat dit herstel geassocieerd was met een verbetering van de intrarenale microvasculaire oxygenatie. Lage dosis DEX zou potentieel een rol kunnen spelen als preventieve maatregel tegen het ontstaan van acuut septisch nierfalen.

Een andere klasse van stoffen die de vasculaire tonus moduleren zijn de prostaglandines. In de nier houden prostaglandines de balans tussen vasodilatatie en vasoconstrictie in stand en spelen zo een rol bij homeostase en nierfunctie. Prostacycline (PGI2) moet geacht worden een potentiele

beschermende rol voor de nier te kunnen spelen in septische ARF, vanwege zijn potente vasodilatoire effecten. In hoofdstuk 4 hebben we de hypothese getoetst dat exogeen toegediende prostacycline een endotoxemie-geïnduceerde intrarenale vasoconstrictie tegengaat en zo positieve effecten heeft of de nierfunctie. Continue infusie van de prostacycline analoog iloprost (100 ng/kg/min), gestart 2 uur na start van LPS-infusie in aanvulling op vloeistofresuscitatie, resulteerde in een stabilisatie van hemodynamische parameters. Alle dieren werden anuur tijdens endotoxemie. Alleen bij de dieren die iloprost kregen was de kreatinine klaring aan het einde van het experiment geheel hersteld. Iloprost had geen significant effect op gemiddelde µPO2, maar ging het ontstaan

van corticale microcirculatoire hypoxische gebieden tegen. Na 5 uur was de expressie van iNOS mRNA significant toegenomen in de nieren van alle dieren die LPS kregen toegediend. Alleen in de dieren die iloprost kregen was de iNOS mRNA expressie significant onderdrukt in de binnenste medulla. Concluderend, de prostacycline analoog iloprost herstelde de nierfunctie van endotoxemische ratten terug naar aanvangswaarden. Dit positieve effect van iloprost op de nierfunctie zou mogelijk kunnen worden toegeschreven aan een verbeterde intrarenale oxygenatie.

In het laatste experimentele hoofdstuk van dit proefschrift hebben we gekeken naar de effecten van een substantie waarvan geen directe effecten op vasculaire tonus of renale microcirculatie bekend waren. Het is aangetoond dat Activated Protein C (APC) positieve effecten heeft op het inflammatoire proces en de coagulatie tijdens sepsis. Inflammatie en coagulopathie hebben een negatieve invloed op microcirculatoire functie en hinderen het zuurstoftransport naar het weefsel. De hypothese van onze studie in hoofdstuk 5 was dat behandeling met APC de renale microvasculaire oxygenatie en nierfunctie verbetert in endotoxine-geïnduceerd acuut nierfalen in de rat. Twee uur na toediening van een LPS-bolus kregen ratten in toevoeging op vloeistofresuscitatie een continue infusie van 10 of 100 µg/kg/uur APC. Behandeling met APC 100 voorkwam een verdere achteruitgang van de gemiddelde arteriële bloeddruk en de renale bloedflow. APC, onafhankelijk van concentratie, had geen significant effect of de gemiddelde µPO2, maar voorkwam het ontstaan van

corticale microcirculatoir hypoxische gebieden. Alle dieren die LPS kregen toegediend hadden een significante afname in kreatinineklaring. Alleen in de dieren uit de APC 100 groep was de nierfunctie aan het einde van het experiment significant hersteld. Concluderend, APC 100 leidde tot een significant herstel van nierfunctie in vergelijking tot standaard vloeistofresuscitatie in een rattenmodel van endotoxemie. Dit effect hing samen met een bescherming tegen het ontstaan van corticale microvasculaire hypoxische gebieden. Daarnaast had APC 100 het beste effect op de gemiddelde

arteriële bloeddruk. Deze resultaten suggereren dat APC 100 infusie als adjudant bij standaard vloeistofresuscitatie bruikbaar zou kunnen zijn als strategie ter behoud van renale oxygenatie en nierfunctie in de vroege fase van sepsis.

Conclusie

In dit proefschrift presenteren we de resultaten van verschillende experimentele therapeutische strategieën gericht op behoud van nierfunctie in een rattenmodel van endotoxemie. We hebben een model ontwikkeld dat ernstige hemodynamische veranderingen en, enige uren na ontwikkeling van septische shock, verlies van nierfunctie laat zien. Het doel van onze studies was om enigszins de pathologie zoals die gezien word bij patiënten op de intensive care na te bootsen. Onze resuscitatie strategieën waren daarbij tevens gebaseerd op de hedendaagse klinische standaard waarbij vloeistofresuscitatie ter stabilisatie van hemodynamische parameters de primaire stap was. Alle experimentele behandelingen werden bovenop deze standaard vloeistoftherapie uitgevoerd.

In onze eerste studie waren we in staat om een verlies aan nierfunctie te demonstreren tijdens endotoxemie die reversibel was door vloeistofresuscitatie. Hoewel de gemiddelde µPO2 slechts

weinig was gedaald tijdens endotoxemie konden we het ontstaan van corticale microcirculatoire hypoxische gebieden aantonen door een linksverschuiving in het corticale PO2 histogram. Daarnaast

hebben we een correlatie laten zien tussen verminderde microvasculaire oxygenatie en nierfunctie, wat de these bewijst. Strategieën gericht op voorkomen of herstellen van de microvasculaire hypoxie hebben positieve effecten op de nierfunctie. Echter, het bewijs van een causale relatie tussen renale hypoxie en functionele consequenties ontbreekt nog. Meer onderzoek is nodig om een eventueel direct verband tussen renale weefselhypoxie en nierfunctiestoornissen in de pathogenese van acuut nierfalen bij sepsis aan te tonen.

Klinische implicatie

Voordat pogingen worden ondernomen om onze vindingen te vertalen naar septisch nierfalen bij patiënten is het belangrijk enige nadelen van ons specifieke proefdiermodel in acht te nemen. Hoewel zo goed mogelijk klinische condities werden nagebootst kan geen enkel proefdiermodel direct vertaald worden naar humane pathofysiologie in de kliniek. In kleine knaagdieren gaat endotoxemie vaak gepaard met een hypodynamische status, intrarenale vasoconstrictie en een afname in renale bloedflow. Dit is in tegenstelling tot de hyperdynamische respons die vaker gezien wordt in grote proefdieren en bij mensen. Derhalve moeten de resultaten van dierstudies met enige voorzichtigheid geïnterpreteerd worden voor wat betreft hun klinische relevantie.

Voordat de door ons voorgestelde therapieën ter bescherming van de nieren in mensen wordt getest lijkt het meer opportuun om de reproduceerbaarheid van onze resultaten te onderzoeken in bijvoorbeeld een varkensmodel van sepsis. Indien de uitkomst van zo’n studie ook positieve beschermende effecten zou aantonen dan zou daarmee een grote stap in de richting van een gerandomiseerde klinische trial gedaan zijn. Met name doordat alle door ons geteste farmaca reeds in klinisch gebruik zijn.

Vanwege het grote klinische belang van het vinden van nierfunctie beschermende of nierfunctie verbeterende therapieën zou de uitvoering van zulke klinische studies zeer interessant zijn.