Longschade door beademing

Klinische praktijk
F.B. Plötz
A.J. van Vught
Citeer dit artikel als
Ned Tijdschr Geneeskd. 1999;143:133-6
Abstract
Download PDF

Samenvatting

- Beademing, zowel bij kinderen als bij volwassenen, gaat nog steeds gepaard met het ontstaan van longschade, zowel op korte als op lange termijn.

- Vooral het beademen met hoge teugvolumes en lage positieve eindexpiratoire drukken (PEEP) draagt in belangrijke mate bij aan het ontstaan van longschade.

- Aanbevolen preventieve maatregelen bestaan uit het beperken van de inspiratoire piekdrukken, het voorkómen van grote teugvolumes en het toedienen van een hoge PEEP om alveolaire collaps te voorkomen.

- Recentelijk is vastgesteld dat beademing via rek van longweefsel een ontstekingsreactie geeft in de longen. Dit wordt ‘biotrauma’ genoemd. De mate van ontstekingsactiviteit hangt af van de beademingsvoorwaarden en -methoden. De ontstekingsreactie behoeft zich niet te beperken tot de longen, maar kan via de verspreiding van ontstekingsmediatoren in de systeemcirculatie ook een multipelorgaanfalen induceren.

- Het onderzoek in de komende jaren zal erop gericht moeten zijn de door beademing geïnduceerde ontstekingsreactie te modificeren, waardoor longschade en wellicht ook systemische schade kunnen worden voorkomen.

Al vrij snel nadat beademing klinisch werd toegepast, werd duidelijk dat dit, zowel bij kinderen als volwassenen, ook longschade kan veroorzaken. De eerste publicaties verschenen ongeveer 30 jaar geleden.12 Sindsdien wordt er een wisselende incidentie opgegeven, die afhankelijk is van de definitie van longschade en die varieert met de onderliggende aandoening en de opgelegde beademingsvoorwaarden.3 4 Longschade kan tot complicaties leiden op korte termijn, tijdens de beademing zelf, maar ook op lange termijn, na ontslag uit het ziekenhuis (tabel).5

In dit artikel gaan wij nader in op de mechanische factoren die bijdragen aan het ontstaan van longschade tijdens beademing, de huidige maatregelen die genomen kunnen worden om deze schade te verminderen of te voorkomen, en tenslotte op de nieuwe inzichten in het ontstaan van longschade vanuit cellulair en moleculair oogpunt. De invloed van beademing op de longontwikkeling, vooral actueel bij beademing van pasgeborenen en jonge zuigelingen, bij wie de longontwikkeling nog een hoog tempo heeft, blijft in dit artikel buiten beschouwing.

oorzaken

Bij beademing wordt een volume beademingsgas, het teugvolume of ‘tidal volume’, in de longen geblazen. Hierdoor treedt rek op van luchtwegen en longen en stijgt de druk. Tijdens de uitademing gaat het beademingsgas door de elastische krachten van thoraxwand en longen weer naar buiten. Sommige alveoli vallen bij een bepaald volume of een bepaalde druk samen. Om deze eindexpiratoire collaps te voorkomen moet de eindexpiratoire druk hierboven worden gehouden. Gecollabeerde alveoli hebben een hogere druk nodig om ze te openen dan om ze open te houden.

Experimentele onderzoeken hebben inzicht gegeven in de mechanische factoren die bijdragen aan het ontstaan van longschade tijdens beademing.56 Klinisch onderzoek waarin de resultaten van deze experimenten worden bevestigd, ontbreekt echter nog.6 Desondanks is het algemeen geaccepteerd dat beademing bij patiënten op eenzelfde wijze longschade kan veroorzaken of verergeren. De belangrijkste mechanische factoren die longschade tijdens beademing kunnen veroorzaken, zijn samengevat in de figuur.

Inspiratoire piekdruk (‘peak inspiratory pressure’)

Dit is de maximale druk die tijdens inspiratie in de longen en de luchtwegen wordt bereikt. Strikt genomen moet onderscheid gemaakt worden tussen de maximale druk die aan het eind van de inspiratie in de alveoli wordt bereikt en de maximale druk die gemeten wordt in het beademingstoestel. Deze laatste is immers hoger vanwege de drijfkracht die nodig is om het volume beademingsgas via slangensysteem, tube en luchtwegen richting alveoli te stuwen. Inmiddels is vanuit meerdere experimentele onderzoeken uit het begin van de jaren tachtig duidelijk geworden dat beademing met hoge inspiratoire piekdrukken gepaard gaat met het ontstaan van longschade, ook ‘barotrauma’ genoemd.7 8 Hoge inspiratoire piekdrukken beschadigen epitheel en endotheel, waardoor de permeabiliteit toeneemt. Vervolgens ontstaat lekkage van vocht en eiwitten; deze kunnen het surfactans inactiveren. Dit proces wordt al na enkele minuten beademen waargenomen. Het resulteert in een afname van de compliantie en de gasuitwisseling, waardoor de beademingsbehoefte toeneemt en er een vicieus proces kan ontstaan dat eindigt met een volledig gedestrueerde long.

Beademingsvolume (teugvolume of ‘tidal volume’)

In de tweede helft van de jaren tachtig verplaatste het onderzoek zich van de inspiratoire piekdrukken naar de betekenis van het teugvolume. Het blijkt dat beademen met grote teugvolumes aanzienlijk meer bijdraagt aan het ontstaan van longschade (ook wel ‘volutrauma’ genoemd) dan hoge inspiratoire piekdrukken. Dreyfuss et al. hebben in een rattenmodel aangetoond dat hoge drukken in de luchtwegen en longen op zichzelf slechts geringe longschade veroorzaakten als het teugvolume maar laag bleef.9 Dit in tegenstelling tot het beademen met een groot teugvolume, ongeacht of er gebruikgemaakt werd van hoge dan wel lage inspiratoire piekdrukken. Meerdere onderzoeken hebben inmiddels aangetoond dat hoge inspiratoire drukken geen grote longschade veroorzaken, mits de hoge druk niet gepaard gaat met een groot alveolair volume of met een grote rek van de kleinere luchtwegen.10-12 Waarschijnlijk zijn de resultaten begin jaren tachtig vertroebeld door het feit dat hoge inspiratoire piekdrukken gelijktijdig gepaard gingen met het toedienen van een groot teugvolume.

Positieve eindexpiratoire druk (‘positive end-expiratory pressure’ (PEEP))

Aanvankelijk werd gedacht dat een hoge PEEP aanzienlijk bijdroeg aan het ontstaan van longschade. In oudere onderzoeken gingen deze hogere PEEP-waarden echter ook gepaard met hogere inspiratoire piekdrukken.3 Tegenwoordig heerst de opvatting dat PEEP juist kan bijdragen aan het voorkomen van longschade als tegelijk de hogere inspiratoire piekdruk wordt vermeden.9 13 PEEP voorkomt dat tijdens de expiratie de alveoli samenvallen. Vooral het openen van samengevallen alveoli gaat gepaard met het optreden van grote rek- en trekkrachten op het weefsel rond deze alveoli (‘shear stress’).14

preventie van longschade

Er heeft in de afgelopen jaren een sterke verbetering plaatsgevonden in het ontwerp en het algoritme van beademingsmachines. Hierdoor zijn de beademingstechnieken verfijnd en uitgebreid en beschikt elke moderne ventilator over meerdere beveiligingsmechanismen. Daarnaast is er bij de patiënten bij wie de gasuitwisseling ernstig gestoord is een aantal aanbevelingen om longschade door beademing te verminderen.15-19 Inspiratoire piekdrukken worden beperkt tot 30 à 40 cmH2O.15 Geadviseerd wordt om het teugvolume niet boven 5-7 ml/kg/lichaamsgewicht te laten komen.17 Aan de hoogte van de PEEP-waarde worden geen stringente beperkingen meer gesteld. Er wordt naar gestreefd om de PEEP dermate hoog te houden dat alveolaire collaps wordt voorkomen.16 Indien bij hoge PEEP-waarden en een gelimiteerde inspiratoire piekdruk onvoldoende CO2-uitwas of oxygenatie bereikt wordt, wordt respectievelijk ‘permissive hypercapnia’ of ‘permissive hypoxemia’ toegepast. Bij ‘permissive hypercapnia’ worden hogere arteriële PCO2-waarden geaccepteerd, mits de pH > 7,20 blijft, bij ‘permissive hypoxemia’ een PO2 tot 6,7 kPa, overeenkomend met een percutane saturatie van omstreeks 88, mits er geen anemie bestaat en er geen lactaatacidemie of metabole acidose ontstaat. Door ‘permissive hypercapnia’ en ‘permissive hypoxemia’ toe te passen, kan men veelal volstaan met mildere beademingsvoorwaarden, waardoor minder longschade ontstaat. Daarnaast wordt longschade ten gevolge van de toxische effecten van zuurstof geminimaliseerd.

Tenslotte kan, om longschade te beperken, op een geheel andere wijze van gasuitwisseling worden overgegaan. Meerdere methoden of combinaties van methoden zijn in ontwikkeling of worden reeds klinisch toegepast, zoals hogefrequentie-oscillatie (HFO),20 extracorporele gasuitwisseling,2122 beademing met behulp van vloeistof (‘liquid ventilation’),23 al dan niet gecombineerd met stikstofmonoxide- of surfactanstoediening. Uitvoerige beschrijving van deze methoden valt buiten het bestek van dit artikel.

nieuw inzicht: biotrauma

De laatste tijd richt het onderzoek zich meer op cellulaire en moleculaire processen die in de longen plaatsvinden tijdens beademing.24 Het lijkt waarschijnlijk dat beademing via een mechanische prikkel, rek van longweefsel, een ontstekingsreactie geeft in de longen. Dit ontstekingsproces wordt sinds kort ‘biotrauma’ genoemd.12

Recent onderzoek heeft zich geconcentreerd op de rol van biotrauma bij het ontstaan van longschade door beademing. Tremblay et al. hebben in een rattenmodel aangetoond dat de beademingsvoorwaarden een direct effect uitoefenen op de mate van ontstekingsactiviteit in de bronchoalveolaire-lavagevloeistof.25 Beademen met een groot teugvolume zonder PEEP resulteerde in een 56-voudige stijging van tumornecrosisfactor(TNF)-? vergeleken met de controlegroep. In een bijna vergelijkbaar onderzoek onderzochten Von Bethmann et al. het effect van beademen met een groot teugvolume op het vrijkomen van mediatoren in de circulatie.26 Dit ging gepaard met een toename van TNF-?- en interleukine(IL)-6-concentraties in de circulatie. Dit onderzoek steunt het vermoeden dat de door beademing geïnduceerde ontstekingsreactie zich niet behoeft te beperken tot de longen, maar ook de systeemcirculatie kan bereiken en daardoor wellicht een multipelorgaanfalen kan induceren.27 28 Tenslotte onderzochten Narimanbekov et al. het effect van recombinant-IL-1-receptorantagonist, die als aërosol werd toegediend in een surfactansdeficiënt konijnenmodel.29 In de groep konijnen die IL-1-receptorantagonist kreeg toegediend, was het aantal leukocyten en de concentraties van albumine en elastase lager in de bronchoalveolaire-lavagevloeistof. Deze bevindingen, die als een afname in ontstekingsactiviteit beschouwd mogen worden, gingen gepaard met geringere histologische afwijkingen van het longweefsel.

Behalve naar de beademingsvoorwaarden is ook gekeken naar de beademingsmethoden. In verschillende dierexperimentele onderzoeken werd conventionele beademing vergeleken met beademing door HFO.30-33 Bij HFO worden de longen met behulp van een relatief hoge continue druk geopend en opengehouden; hierop worden met een frequentie van 5-15 Hz in de luchtwegen trillingen (oscillaties) met een geringe amplitude gesuperponeerd. Met de hogere continue druk wordt beoogd atelectasen op te heffen en zodoende een goede oxygenatie te bewerkstelligen en tegelijk een adequate CO2-uitwas te bereiken met lagere piekdrukken en geringere drukwisselingen. HFO-beademing ging gepaard met een afname van infiltratie en activering van neutrofiele granulocyten,3031 een afname van concentraties ‘platelet-activating factor’, tromboxaan-B2-activiteit32 en TNF-?-concentraties33 in de alveolaire-lavagevloeistof. De lagere ontstekingsactiviteit in de longen bij HFO-beademing hing samen met een betere longcompliantie en gasuitwisseling.30-33

Uit de beschreven dierexperimentele onderzoeken is duidelijk geworden dat beademing gepaard gaat met ontstekingsactiviteit die direct afhangt van de beademingsvoorwaarden en -methoden. Het is nog niet duidelijk via welke cellen en via welke mechanismen de ontstekingsactivatie en de daarmee samenhangende longschade plaatsvinden. Wellicht dat onderzoek de komende jaren ons hierin inzicht gaat verschaffen.

conclusie

Longschade door beademing wordt primair door rek en overrek van luchtwegen en longen ten gevolge van de opgelegde beademingsvoorwaarden veroorzaakt. Daarnaast is onlangs vastgesteld dat deze (over)rek door beademing een ontstekingsreactie geeft in de longen. Deze hoeft zich niet te beperken tot de longen, maar de ontstekingsmediatoren kunnen via de systeemcirculatie ook een multipelorgaanfalen induceren. Het voorkómen van de longschade is daarom niet alleen te bewerkstelligen door nog verdere verfijning van de beademingstechniek. Het onderzoek zal in de komende jaren erop gericht moeten zijn de door beademing geïnduceerde ontstekingsreactie te modificeren, waardoor longschade en systemische schade kunnen worden voorkomen. Het spreekt echter voor zich dat bovenal de aandoening die aan de respiratoire insufficiëntie ten grondslag ligt adequaat behandeld moet worden.

Literatuur
  1. Northway jr WH, Rosan RC, Porter DY. Pulmonary diseasefollowing respiratory therapy of hyaline-membrane disease. Bronchopulmonarydysplasia. N Engl J Med 1967;267:357-68.

  2. Barsch J, Birbara C, Eggers GWN, Krumlofsky F, Sanit YW,Smith W, et al. Positive pressure as a cause of respiratory-induced lungdisease abstract. Ann Intern Med 1970;72:810.

  3. Petersen GW, Baier H. Incidence of pulmonary barotrauma ina medical ICU. Crit Care Med 1983;11:67-9.

  4. Schnapp LM, Chin DP, Szaflarski N, Matthay MA. Frequencyand importance of barotrauma in 100 patients with acute lung injury. CritCare Med 1995;23:272-8.

  5. Parker JC, Hernandez LA, Peevy KJ. Mechanisms ofventilator-induced lung injury. Crit Care Med 1993;21:131-43.

  6. Dreyfuss D, Saumon G. Ventilator-induced lung injury:lessons from experimental studies. Am J Respir Crit Care Med1998;157:294-323.

  7. Kolobow T, Moretti MP, Fumagalli R, Mascheroni D, Prato P,Chen V, et al. Severe impairment in lung function induced by high peak airwaypressure during mechanical ventilation. Am Rev Respir Dis1987;135:312-5.

  8. Parker JC, Townsley MI, Rippe B, Taylor AE, Thigpen J.Increased microvascular permeability in dog lungs due to high peak airwaypressures. J Appl Physiol 1984;57:1809-16.

  9. Dreyfuss D, Soler P, Basset G, Saumon G. High inflationpressure pulmonary edema. Respective effects of high airway pressure, hightidal volume, and positive end-expiratory pressure. Am Rev Respir Dis1988;137:1159-64.

  10. Hernandez LA, Peevy KJ, Moise AA, Parker JC. Chest wallrestriction limits high airway pressure-induced lung injury in young rabbits.J Appl Physiol 1989;66:2364-8.

  11. Dreyfuss D, Saumon G. Role of tidal volume, FRC, andend-inspiratory volume in the development of pulmonary edema followingmechanical ventilation. Am Rev Respir Dis 1993;148:1194-203.

  12. Tremblay LN, Slutsky AS. Mechanical ventilation-inducedinjury. In: Vincent JL, editor. Yearbook of intensive care and emergencymedicine. Berlijn: Springer, 1998:457-71.

  13. Argiras EP, Blakeley CR, Dunnill MS, Otremski S, SykesMK. High PEEP decreases hyaline membrane formation in surfactant deficientlungs. Br J Anaesth 1987;59:1278-85.

  14. Mead J, Takishima T, Leith D. Stress distribution inlungs: a model of pulmonary elasticity. J Appl Physiol1970;28:596-608.

  15. Tobin MJ. Mechanical ventilation. N Engl J Med1994;330:1056-61.

  16. Amato MBP, Barbas CSV, Medeiros DM, Magaldi RB, SchettinoGPP, Lorenzi-Filho G, et al. Effect of a protective-ventilation strategy onmortality in the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med1998;338:347-54.

  17. Weg JG, Anzueto A, Balk RA, Wiedemann HP, Pattishall EN,Schork MA, et al. The relation of pneumothorax and other air leaks tomortality in the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med1998;338:341-6.

  18. Stewart TE, Meade MO, Cook DJ, Granton JT, Hodder RV,Lapinsky SE, et al. Evaluation of a ventilation strategy to preventbarotrauma in patients at high risk for acute respiratory distress syndrome.Pressure- and Volume-Limited Ventilation Strategy Group. N Engl J Med1998;338:355-61.

  19. Hudson LD. Protective ventilation for patients with acuterespiratory distress syndrome. N Engl J Med 1998;338:385-7.

  20. Arnold JH, Hanson JH, Toro-Figuero LO, Gutierrez J,Berens RJ, Anglin DL. Prospective, randomized comparison of high-frequencyoscillatory ventilation and conventional mechanical ventilation in pediatricrespiratory failure. Crit Care Med 1994;22:1530-9.

  21. Arensman RM, Adolph VR. Extracorporeal life support inchildren. In: Arensman RM, Devn Cornish J, editors. Extracorporeal lifesupport. Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1993:274-85.

  22. Anderson 3d HL, Delius RE, Sinard JM, McCurry KR, ShanleyCJ, Chapman RA, et al. Early experience with adult extracorporeal membraneoxygenation in the modern era. Ann Thorac Surg 1992;53:553-63.

  23. Hirschl RB, Pranikoff T, Gauger P, Schreiner RJ, DechertR, Bartlett RH. Liquid ventilation in adults, children, and full-termneonates. Lancet 1995;346:1201-2.

  24. Pittet JF, Mackersie RC, Martin TR, Matthay MA.Biological markers of acute lung injury: prognostic and pathogenicsignificance. Am J Respir Crit Care Med 1997;155:1187-205.

  25. Tremblay L, Valenza F, Ribeiro SP, Li J, Slutsky AS.Injurious ventilatory strategies increase cytokines and c-fos m-RNAexpression in an isolated rat lung model. J Clin Invest1997;99:944-52.

  26. Von Bethmann AN, Brasch F, Nusing R, Vogt K, Volk HD,Muller KM, et al. Hyperventilation induces release of cytokines from perfusedmouse lung. Am J Respir Crit Care Med 1998;157:263-72.

  27. Dreyfuss D, Saumon G. From ventilator-induced lung injuryto multiple organ dysfunction? Intensiv Care Med 1998;24:102-4.

  28. Slutsky AS, Tremblay LN. Multiple system organ failure.Is mechanical ventilation a contributing factor? Am J Respir Crit Care Med1998;157(6 Pt 1):1721-5.

  29. Narimanbekov IO, Rozycki HJ. Effect of IL-1 blockade oninflammatory manifestations of acute ventilator-induced lung injury in arabbit model. Exp Lung Res 1995;21:239-54.

  30. Matsuoka T, Kawano T, Miyasaka K. Role of high-frequencyventilation in surfactant-depleted lung injury as measured by granulocytes. JAppl Physiol 1994;76:539-44.

  31. Sugiura M, McCulloch PR, Wren S, Dawson RH, Froese AB.Ventilator pattern influences neutrophil influx and activation inatelectasis-prone rabbit lung. J Appl Physiol 1994;77:1355-65.

  32. Imai Y, Kawano T, Miyasaka K, Takata M, Imai T, OkuyamaK. Inflammatory chemical mediators during conventional ventilation and duringhigh frequency oscillatory ventilation. Am J Respir Crit Care Med 1994;150(6Pt 1):1550-4.

  33. Takata M, Abe J, Tanaka H, Kitano Y, Doi S, Kohsaka T, etal. Intraalveolar expression of tumor necrosis factor-alpha gene duringconventional and high-frequency ventilation. Am J Respir Crit Care Med1997;156:272-9.

Auteursinformatie

Wilhelmina Kinderziekenhuis, afd. Intensive Care Chirurgie en Algemene Pediatrie, Postbus 18.009, 3501 CA Utrecht.

Dr.F.B.Plötz en dr.A.J.van Vught, kinderartsen.

Contact dr.A.J.van Vught

Gerelateerde artikelen

Reacties