Advanced

Microdialysis and Intensive Care. Clinical and experimental studies.

Ederoth, Per LU (2003)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Med mikrodialys kan man mäta koncentrationen av olika biologiska substanser och läkemedel i extracellulärvätskan (ECF) i ett organ, eller till och med i delar av ett organ. På så vis mäter man mycket lokalt och kan jämföra detta med samma ämnes koncentration i blodet, eller i andra organ. Mikrodialysmetoden bygger på att en kateter med ett biokompatibelt permeabelt membran i spetsen införes i ett organ. Katetern genomspolas kontinuerligt med en lösning som efterliknar ECF så mycket som möjligt. Via passiv diffusion passerar ämnen som finns i högre koncentration i extracellulärvätskan genom mikrodialysmembranet in till dialysvätskan (dialysatet), och vice versa. Koncentrationen av ett ämne i... (More)
Popular Abstract in Swedish

Med mikrodialys kan man mäta koncentrationen av olika biologiska substanser och läkemedel i extracellulärvätskan (ECF) i ett organ, eller till och med i delar av ett organ. På så vis mäter man mycket lokalt och kan jämföra detta med samma ämnes koncentration i blodet, eller i andra organ. Mikrodialysmetoden bygger på att en kateter med ett biokompatibelt permeabelt membran i spetsen införes i ett organ. Katetern genomspolas kontinuerligt med en lösning som efterliknar ECF så mycket som möjligt. Via passiv diffusion passerar ämnen som finns i högre koncentration i extracellulärvätskan genom mikrodialysmembranet in till dialysvätskan (dialysatet), och vice versa. Koncentrationen av ett ämne i dialysatet, efter passage av mikrodialysmembranet, är endast i undantagsfall samma som i extracellulärvätskan. Med begreppet relativt recovery menar man den fraktion av den sanna koncentrationen i ECF som man uppnår i dialysatet. Relativt recovery bestäms huvudsakligen av flödeshastigheten hos dialysvätskan och mikrodialysmembranets längd, men påverkas även av tillståndet i vävnaden runt mikrodialysmembranet. Är storleken på recovery ej känt kan man inte uttala sig om absolutkoncentrationer i vävnaden.



Intensivvården kännetecknas av sjukdomar med livshotande svikt i ett organ eller organsystem. För att följa det medicinska tillståndet, och även läkemedelskoncentrationer, hos intensivvårdspatienter tas i de allra flesta fall blodprover. Utifrån analysen av dessa blodprover bildar vi oss sedan en uppfattning om patientens tillstånd och beslutar därefter om vilka medicinska åtgärder som skall vidtagas. Ett blodprov representerar ett medelvärde, och om det är taget som centralt blandat venprov eller ett artärblodprov, ett helkroppsmedelvärde för det undersökta ämnet. En situation kan då mycket väl inträffa att ett ämne, ex laktat, produceras i en viss mängd i ett organ och i flera gånger större mängd i ett annat organ. Det uppmätta värdet i blodet blir då ett medelvärde av de två organens produktion. Dvs. ett värde som inte finns i något organ i hela kroppen. Omvänt, kan laktat produceras i stor mängd i ett litet organ men när denna mängd späs ut i kroppens hela blodvolym förblir den oupptäckt med vanlig blodprovstagning.



När man tillför ett läkemedel till kroppen är det koncentrationen av fritt, obundet läkemedel som oftast bestämmer graden av läkemedelseffekt. Denna vävnadskoncentration samt betingelserna för transport av läkemedel från blodbanan till vävnaden har man oftast liten kännedom om vid de olika sjukdomstillstånd som behandlas inom intensivvården.



Syftet med studierna i denna avhandling var att använda mikrodialystekniken för att mäta koncentrationerna av glukos, laktat, pyruvat och glycerol (speglar delar av energimetabolismen) lokalt i olika organ eller regioner av organ, och jämföra detta med andra organ och med blodprover, vid tillstånd som är typiska för intensivvården (delarbete I - III). Vidare användes tekniken för att studera hur morfin transporteras till och från skadad respektive oskadad hjärnvävnad hos gris och människa (delarbete IV och V).



I delarbete I jämfördes metabolismen i underhudsfettet på buken och på axeln mellan patienter som genomgått stora operationer i buken eller buken-bröstkorgen. En grupp patienter fick postoperativ smärtlindring via en kvarliggande kateter införd i det epidurala rummet i bröstryggraden (thorakal epiduralbedövning) och den andra gruppen via intravenöst morfin. Epiduralgruppen (EDK) erhöll kontinuerligt en blandning av morfin och lokalbedövningsmedel (bupivacain) via en pump i epiduralkatetern och morfingruppen (MO) fick kontinuerlig tillförsel av morfin intravenöst, med möjlighet att ge sig själv en extrados vid behov. Koncentrationen av glukos, laktat och glycerol i underhudsfettet på buken och på armen, dvs. inom och utanför epiduralbedövningens utbredningsområde, följdes med mikrodialys under tre postoperativa dygn. Resultatet visar en ökad produktion av glycerol på armen i EDK-gruppen den tredje postoperativa dagen. Det fanns ingen skillnad i glycerolhalterna på buken mellan grupperna. Detta tolkas som en ökad nedbrytning av fett (lipolys) i underhusfettet på axeln i EDK-gruppen. Då axeln ligger utanför epiduralbedövningens utbredningsområde, och en minskad aktivitet i det sympatiska nervsystemet är påvisad inom det bedövade området, spekulerar vi att en kompensatorisk ökning av aktiviteten i det sympatiska nervsystemet på axeln kan vara orsak till den ökade glycerolkoncentrationen. Det förelåg ingen skillnad i koncentrationerna av glukos eller laktat mellan grupperna.



I delarbete II undersöktes om glukoskoncentrationen i underhudsfettet på buken, mätt med mikrodialys, överensstämmer med glukoskoncentrationen i arteriellt blod hos patienter på intensivvårdsavdelning. 62 patienter på Neurokirurgens intensivvårdsavdelning (NIVA) med allvarlig skallskada studerades. Korrelationen mellan glukoskoncentrationen i plasma och i underhudsfettet på buken är ej så god som hos friska försökspersoner. Speciellt de första 6 postoperativa timmarna visar en dålig korrelation, med betydligt lägre glukosnivåer i underhudsfettet än i blodet. Detta antas bero på en initial stressreaktion och möjligen också på minskat blodflöde lokalt i fettet. Detta fynd kan ha ett kliniskt värde då det är visat att höga blodsockernivåer leder till ökad dödlighet hos patienter med skallskador och även hos kirurgiska patienter, vårdade inom intensivvården. Trots en tillfredsställande blodsockernivå kan skallskadade patienter således ha låga, eller mycket låga vävnadskoncentrationer av glukos.



I delarbete III studerades en lokaliserad, aseptisk inflammation med frågeställningen hur den påverkar energimetabolismen i samma organ och om den ger påverkan på energimetabolismen också i andra organ. Akut hemoragisk bukspottkörtelinflammation (pankreatit) inducerades på sövda råttor. Energimetabolismen studerades med mikrodialys i bukspottkörteln, levern och i tunntarmen under tre timmar efter induktion av pankreatiten och jämfördes med värden från en kontrollgrupp utan pankreatit. Resultaten visar en omedelbar och kraftig störning i energimetabolismen i pankreas med höga glukos- och laktat-nivåer. Tarmen är opåverkad under den första timmen men sedan startar en kraftig laktatproduktion samtidigt som tecken till lokal syrgasbrist uppkommer (ökning av laktat/pyruvat-kvoten). Levern är opåverkad under hela försöket men i blodet ökar laktatkoncentrationen hela tiden till som mest 230 % av utgångsvärdet. Pankreatit kan via cytokinfrisättning utlösa ett livshotande shocktillstånd som på engelska kallas "Systemic Inflammatory Response Syndrome" och förkortas SIRS. Detta tillstånd har en hög dödlighet och anses kunna underhållas av en skadad tarm genom att bakterier då kan vandra från tarmen direkt in i blodbanan. Resultaten i delarbete III indikerar att tunntarmen redan en timme efter pankreatitens start börjar visa tecken till skadad energimetabolism.



Hjärnan är jämfört med andra organ "isolerad" från blodbanan via kapillärer med låg permeabilitet och med membranpumpar som aktivt transporterar en mängd ämnen från hjärnvävnaden till blodet. Dessa egenskaper hos kapillärerna i hjärnan utgör den så kallade blod-hjärn barriären (BBB). Syftet med BBB är troligen bl. a att reglera hjärnans volym och att hålla extracellulärvätskans sammansättning inom fysiologiska gränser. Detta medför att läkemedel, speciellt de vattenslösliga, kan ha svårt att passera BBB och komma in till hjärnvävnaden, där de förväntas ha sin effekt. Med mikrodialys kan man mäta koncentrationerna av obundet läkemedel (den del som anses ha farmakologisk effekt) i extracellulärvätskan i hjärnvävnaden. I delarbete IV och V har morfintransporten över blod-hjärn barriären studerats för att undersöka om farmakokinetiken (hur ett läkemedel transporteras i kroppen) för morfin är olika i frisk och skadad hjärnvävnad. Frågeställningen har också varit om farmakokinetiken i sig, kan användas för att följa graden av skada på BBB. I dessa studier har vi även bestämt relativt recovery för morfin för att kunna kalkylera absolutkoncentrationerna av obundet morfin i hjärnan.



I delarbete IV studerades 6 grisar med tre mikrodialyskatetrar vardera i hjärnan och en intravenöst placerad. Morfin gavs som en intravenös infusion under tio minuter och koncentrationen av morfin följdes i hjärna och blod under 3 - 5 timmar. Därefter inducerades en hjärnhinneinflammation (meningit) genom injektion av lipopolysackarid i cisterna magna. Efter ca tre timmar, då meningiten etablerat sig, upprepades morfinförsöket. Resultatet visar en ökad penetration av morfin in i hjärnan vid meningit men med oförändrad halveringstid i hjärnan jämfört med kontrollförsöket. Vidare fann vi en regional skillnad i hjärnans farmakokinetik samt att relativt recovery minskar vid meningit jämfört med kontrollsituationen.



Patienter med allvarlig skallskada erhåller rutinmässigt 1 - 3 mikrodialyskatetrar i hjärnvävnaden. Dessa placeras i hjärnan under operation då man utrymmer död hjärnvävnad och blödningar. 1 - 2 katetrar placeras i den randzon som omger den döda hjärnvävnaden och består av skadade, men fortfarande livsdugliga hjärnceller (penumbrazonen). Dessa kateterpositioner i hjärnan kallas "sämre" hjärnvävnad. I den motsatta hjärnhalvan placeras ytterligare en mikrodialyskateter i hjärnvävnad som ser oskadad ut på CT-röntgen. Denna kateterposition kallas "bättre" hjärnvävnad. Patienter som ej har en fokal hjärnskada som kräver kirurgisk evakuering men som ändå är medvetslösa på grund av generell hjärnsvullnad erhåller en mikrodialyskateter i hjärnan genom ett borrhål i skallen. Detta utföres på operationsavdelningen i samband med att en tryckmätare placeras i hjärnan. Mikrodialyskatetern hos dessa patienter kallas "bättre". Man kan ej utesluta att den "bättre" hjärnvävnaden också är skadad. Patienterna erhåller på intensivvårdsavdelningen (NIVA) även en mikrodialyskateter i underhudsfettet på buken. Därefter följer man energimetabolismen genom att mäta halterna av glukos, laktat, pyruvat och glycerol i de "bättre" och "sämre" hjärnregioner och kan på så sätt följa tillståndet i de olika delarna av hjärnan.



I delarbete V användes de redan befintliga intracerebrala mikrodialyskatetrarna för att studera farmakokinetiken för morfin i hjärnan på människa. Patienterna erhöll 10 mg morfin intravenöst under tio minuter. Därefter följdes morfinkoncentrationerna i de olika vävnaderna under 3 timmar. "Bättre" hjärnvävnad jämfördes med perifera vävnader (plasma och underhudsfett på buken) och med "sämre" hjärnvävnad (penumbrazonen). Metabolismen avseende glukos, laktat, pyruvat och glycerol bekräftade att den "sämre" hjärnvävnaden verkligen var mer skadad än den "bättre".



Resultatet visar att kvoten mellan koncentrationerna av obundet morfin i hjärnan och plasma (AUC-ratiot) var lägre än 1 (ett) (0,68 i den "bättre" hjärnvävnaden/plasma). Ett AUC-ratio mellan hjärna och plasma mindre än 1 (ett) tolkas som att morfin aktivt transporteras ut från hjärnan tillbaka till blodet. Detta orsakas av transportproteiner i BBB, ex P-glycoprotein. I underhudsfettet var AUC-ratiot 1, vilket talar för att passiv diffusion är det enda transportsättet för morfin över blodkärlsväggarna i fettvävnad. Vidare fann vi en längre halveringstid och Tmax (tiden till maximal koncentration är uppnådd) i "bättre" hjärnvävnad jämfört med underhudsfett och plasma. Det fanns ingen skillnad i farmakokinetiken mellan den "bättre" och "sämre" hjärnvävnaden. Relativt recovery var lägre i skadad hjärnvävnad jämfört med oskadad. Detta anses bero på större skada i den "sämre" hjärnvävnaden. Det är möjligt, men ej säkert, att en utslagen aktiv transport av morfin kan orsaka ett lägre recovery i "sämre" hjärnvävnad.



I några fall fann vi ett AUC-ratio hjärna/plasma på 1, tydande på en ökad permeabilitet för morfin i BBB. Detta fann vi i "sämre" delar av hjärnan (2 av 5 patienter) och i de två patienter med generell hjärnsvullnad, som ej opererats och hade endast en intracerebral mikrodialyskateter (som kallas "bättre"). Dessa två sista patienter hade också ett mycket lågt recovery, vilket kan tolkas som ett tecken på skadad hjärnvävnad. Inga katetrar i "bättre" hjärnvävnad visade ett AUC-ratio på 1 hos de opererade patienterna. Detta fynd, tillsammans med resultaten i studie IV gör att vi ställer hypotesen att ett AUC-ratio hjärna/plasma på 1 för obundet morfin hos människa är ett tecken på skadad hjärnvävnad.



Sammanfattningsvis visar dessa studier på människa och djur att mikrodialys är en metod som är väl lämpad för att bedriva studier inom intensivvården. Vidare ger kopplingen mellan farmakokinetik och metabolismen, en unik möjlighet att få ökad kunskap om hur vävnader reagerar för allvarlig sjukdom och hur vi då skall administrera och dosera läkemedel för bästa effekt. (Less)
Abstract
Microdialysis was used to monitor local concentrations of energy metabolites in different organs, and to study the pharmacokinetics of morphine over the blood-brain barrier in intact and injured brain tissue in conditions treated in the Intensive Care Unit.



After major abdominal or thoracoabdominal surgery, postoperative thoracic epidural analgesia resulted in higher glycerol concentrations in the deltoid subcutaneous adipose tissue, implying increased lipolysis, on the third postoperative day as compared to intravenous infusion of morphine, possibly due to a locally increased sympathetic tone.



In patients with severe traumatic brain lesions, the correlation between the glucose concentrations in blood... (More)
Microdialysis was used to monitor local concentrations of energy metabolites in different organs, and to study the pharmacokinetics of morphine over the blood-brain barrier in intact and injured brain tissue in conditions treated in the Intensive Care Unit.



After major abdominal or thoracoabdominal surgery, postoperative thoracic epidural analgesia resulted in higher glycerol concentrations in the deltoid subcutaneous adipose tissue, implying increased lipolysis, on the third postoperative day as compared to intravenous infusion of morphine, possibly due to a locally increased sympathetic tone.



In patients with severe traumatic brain lesions, the correlation between the glucose concentrations in blood and abdominal subcutaneous adipose tissue was poor during the first 6 hours of intensive care, with lower levels in the tissue than in blood.



Experimental pancreatitis in the rat immediately increased the interstitial concentrations of glucose and lactate in the pancreas. In the small intestine, a remote organ, a significant increase of lactate and the lactate/pyruvate ratio started already one hour after induction of pancreatitis.



Experimental meningitis in the piglet increases the exposure of the brain to unbound morphine. The terminal half-life for unbound morphine in the brain was similar during meningitis and the control period.



Significant decreases in relative recovery for nalorphine during meningitis and for morphine in traumatized brain tissue in humans as compared to relatively intact brain tissue was demonstrated.



In the human brain, pharmacokinetic evidence of active efflux of unbound morphine over the blood-brain barrier was found. The terminal half-life for unbound morphine was longer than in plasma and unaffected by brain tissue trauma. The time to maximum concentration for unbound morphine was longer in the uninjured brain tissue as compared to the subcutaneous adipose tissue.



In some patients there was an increased morphine exposure in the extracellular fluid in the human brain. This was not seen in uninjured brain tissue in patients with surgically evacuated focal mass lesions. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Docent Enblad, Per, Institutionen för neurovetenskap, Akademiska sjukhuset, Uppsala.
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Anaesthesiology, traumatic brain injury, glucose, glycerol, lipolysis, epidural, postoperative analgesia, experimental pancreatitis, human, blood-brain barrier, morphine, pharmacokinetics, Microdialysis, intensive care, Anestesiologi, intensivvård
pages
112 pages
publisher
Department of Anaesthesiology and Intensive Care, Lund
defense location
Lecture room F1, University Hospital, Lund
defense date
2003-02-14 10:15
ISBN
91-628-5542-5
language
English
LU publication?
yes
id
7c6b3370-3dbe-4f1d-905c-6a74e204146d (old id 465428)
date added to LUP
2007-09-11 11:32:01
date last changed
2016-09-19 08:45:15
@phdthesis{7c6b3370-3dbe-4f1d-905c-6a74e204146d,
  abstract     = {Microdialysis was used to monitor local concentrations of energy metabolites in different organs, and to study the pharmacokinetics of morphine over the blood-brain barrier in intact and injured brain tissue in conditions treated in the Intensive Care Unit.<br/><br>
<br/><br>
After major abdominal or thoracoabdominal surgery, postoperative thoracic epidural analgesia resulted in higher glycerol concentrations in the deltoid subcutaneous adipose tissue, implying increased lipolysis, on the third postoperative day as compared to intravenous infusion of morphine, possibly due to a locally increased sympathetic tone.<br/><br>
<br/><br>
In patients with severe traumatic brain lesions, the correlation between the glucose concentrations in blood and abdominal subcutaneous adipose tissue was poor during the first 6 hours of intensive care, with lower levels in the tissue than in blood.<br/><br>
<br/><br>
Experimental pancreatitis in the rat immediately increased the interstitial concentrations of glucose and lactate in the pancreas. In the small intestine, a remote organ, a significant increase of lactate and the lactate/pyruvate ratio started already one hour after induction of pancreatitis.<br/><br>
<br/><br>
Experimental meningitis in the piglet increases the exposure of the brain to unbound morphine. The terminal half-life for unbound morphine in the brain was similar during meningitis and the control period.<br/><br>
<br/><br>
Significant decreases in relative recovery for nalorphine during meningitis and for morphine in traumatized brain tissue in humans as compared to relatively intact brain tissue was demonstrated.<br/><br>
<br/><br>
In the human brain, pharmacokinetic evidence of active efflux of unbound morphine over the blood-brain barrier was found. The terminal half-life for unbound morphine was longer than in plasma and unaffected by brain tissue trauma. The time to maximum concentration for unbound morphine was longer in the uninjured brain tissue as compared to the subcutaneous adipose tissue.<br/><br>
<br/><br>
In some patients there was an increased morphine exposure in the extracellular fluid in the human brain. This was not seen in uninjured brain tissue in patients with surgically evacuated focal mass lesions.},
  author       = {Ederoth, Per},
  isbn         = {91-628-5542-5},
  keyword      = {Anaesthesiology,traumatic brain injury,glucose,glycerol,lipolysis,epidural,postoperative analgesia,experimental pancreatitis,human,blood-brain barrier,morphine,pharmacokinetics,Microdialysis,intensive care,Anestesiologi,intensivvård},
  language     = {eng},
  pages        = {112},
  publisher    = {Department of Anaesthesiology and Intensive Care, Lund},
  school       = {Lund University},
  title        = {Microdialysis and Intensive Care. Clinical and experimental studies.},
  year         = {2003},
}