Multiorgánové selhání v sepsi

Sepse je spojena s velkou morbiditou a mortalitou v intenzívní péči. Je také nejčastější příčinou syndromu multiorgánového selhání. I když máme k dispozici možnosti terapeutické podpory většiny orgánů, nejsme u cca třetiny pacientů úspěšní. V přehledu popisujeme hlavní patofyziologické mechanismy od úrovně centrálního nervového systému až k úrovni molekulárněgenetické.

Souhrn

I když máme díky extenzívnímu výzkumu k dispozici množství poznatků, je zatím nemožné rozhodnout, zda postižení orgánů je jen nežádoucím efektem systémového procesu, nebo spíše celkovou adaptační reakcí organismu s cílem snížení bazálního metabolismu ve smyslu hibernace. Podkladem je mitochondriální dysfunkce, která je nyní považována již za nepopíratelný fakt v rozvoji orgánové dysfunkce spojené se sepsí, avšak hypotéza tzv. mitochondriálního shut-down zatím zůstává nepotvrzená. Po přehledu nejdůležitějších mechanismů a jejich kritickém zhodnocení se v poslední části věnujeme možnostem terapeutického ovlivnění se zaměřením na manipulace v oblasti dodávky kyslíku a ventilační podporu.

Summary

Maláska, J., Kratochvíl, M. Multiple organ failure in sepsis

Sepsis in Intensive Care Unit is related with considerable morbidity and mortality. It is also the most common cause of syndrome of multiple organ failure (MOF). Despite of extensive organ support, our therapeutic efforts are not successful in approximately one third of patients. In this review we describe many pathophysiological mechanisms from central nervous system to molecular level. Taken together, due to an extensive research, we have actually large body of evidence in the field of MOF. Nevertheless, the question whether the organ involvement is only an undesirable effect of the systemic inflammation or the whole adaptive reaction of the organism with intention of basal metabolism reduction, like hibernation, remains to be resolved. Underlying mechanism is mitochondrial dysfunction, which is considered to be a proven feature of sepsis related organ dysfunction. However, mitochondrial shut down hypothesis still remains a matter of exciting discussion. After an overview of the most important mechanisms and their critical reappraisal in the last part of our review we discuss the therapeutical potential of organ support predominantly with the scope of oxygen delivery manipulation strategy and ventilatory support.

Pacienti, u kterých se vyvine selhání dvou a více orgánových systémů, plní kritéria pro diagnózu tzv. syndromu multiorgánového selhání (multiple organ failure, MOF). Jeho příčinou může být na prvním místě sepse, dále je možné se s ním setkat například u pacientů s těžkým traumatem, pankreatitidou, šokovými stavy různé etiologie, s popáleninami, po tzv. ischemicko-reperfúzním poranění (ischemia/reperfusion injury – I/R injury) a dalších.(1) Sepse je hlavní příčinou morbidity a mortality pacientů hospitalizovaných na intenzívní péči a je hlavní příčinou multiorgánového selhání. Každý rok je ve Spojených státech amerických zaznamenáno 750 000 případů těžké sepse a následně 210 000 úmrtí.(2) V Evropě se podle SOAP studie (Sepsis Occurrence in Acutely Ill Patients) vyskytne sepse u cca 35 % pacientů v průběhu jejich pobytu na intenzívní péči s mortalitou cca 27 %.(3) U pacientů s MOF se objevují klinické a laboratorní známky selhání více orgánů, i když primární inzult sám o sobě k přímému poškození jednotlivých orgánů nevedl.

Tradičně bylo na vznik tohoto syndromu pohlíženo jako na důsledek vyplavení cirkulujících inflamatorních mediátorů, které vedou k oběhovým změnám prezentovaným jako hypotenze s následnou globální a tkáňovou hypoxií, vedoucí k poškození buněk orgánů. Při selhání orgánů na podkladě ischémie se dá předpokládat buněčná nekróza nebo apoptóza, jejichž příkladem je nekróza kardiomyocytů např. při akutním infarktu myokardu. Při mikroskopických vyšetření orgánů pacientů, kteří zemřeli na sepsi, však bylo pozoruhodně zjištěno, že tyto tkáně mají téměř normální mikroskopický nález s minimálními či žádnými známkami apoptózy nebo nekrózy.(4) Zároveň u přeživších pacientů dochází časem k úplné obnově funkce i orgánů s omezenou schopností regenerace. Jaké jsou tedy mechanismy zodpovědné za vznik a rozvoj MOF? Proč u některých pacientů i přes maximální podporu a náhradu orgánových funkcí dochází k progresi selhání s následnou smrtí a na druhé straně cca dvě třetiny pacientů s MOF z příčiny sepse přežijí, a to v drtivé většině bez další nutnosti dlouhodobé terapie či podpory?

Patofyziologie

Systémové změny

Role hypoxie

Posouzení, do jaké míry hraje roli v patofyziologii MOF snížená dostupnost kyslíku ve tkáních u pacientů v septickém šoku, není jednoduché. Jednotlivé buňky obecně mohou do určité míry a určitý čas překonat sníženou dostupnost kyslíku, nicméně při těžké anebo při prolongované hypoxii dochází k aktivaci mechanismů, které mají za cíl udržet buněčnou integritu. První reakcí je inhibice proteosyntézy a dalších významných procesů náročných na spotřebu ATP (iontové kanály).(5) Dále dochází ke snížení funkcí mitochondrií (viz samostatný oddíl, tzv. mitochondriální shut-down, Obr. 1). Obecným jevem je snížení spotřeby ATP. Skupina buněk a organismů, které mohou za stavu hypoxie přežívat i měsíce, se nazývá oxykonformní. Jelikož za normálních podmínek je u člověka a určitých zvířat již vysoká spotřeba ATP, těžký stav hypoxie u nich vede k metabolickému (energetickému) selhání a k buněčné smrti – skupina tzv. oxyregulátorů.

Obr. 1 – Hypotéza tzv. mitochondriálního shut-down V předpokládaném průběhu sepse během vývoje multiorgánového selhání (MOF) by mělo docházet ke snižování funkce mitochondrií, tzv. shut-down mitochondrií. Pokud pacient přežije a dochází k reparaci orgánových funkcí, hypotéza předpokládá, že podkladem je biosyntéza nových mitochondrií.(39)

Původní převažující pohled na multiorgánovou dysfunkci, jako důsledek nedostatečné systémové dodávky kyslíku (DO2) do tkání při septickém šoku, musel být nutně modifikován a byly hledány nové pohledy na jeho patofyziologii. Na začátku devadesátých let Kreymann zjistil, že pacienti s nekomplikovanou sepsí mají cca o 30 % zvýšenou systémovou spotřebu kyslíku VO2) oproti normálnímu bazálnímu metabolismu; naproti tomu pacienti v těžké sepsi a v septickém šoku mají VO2 signifikantně sníženou!(6) Stejný trend lze tedy předpokládat v časovém průběhu onemocnění u konkrétního pacienta, tj. při progresi nekomplikované sepse přes těžkou sepsi až ke stavu MOF. Všechny tyto poznatky, zároveň s překvapivým zjištěním normální až zvýšené svalové tkáňové tenze kyslíku v těžké sepsi, jež se normalizuje v regenerační fázi sepse, poukazují spíše na poruchu v buněčném využití kyslíku než na jeho nedostatečnou dodávku.(7) Jelikož více než 90 % kyslíku je spotřebováváno procesem oxidativní fosforylace v mitochondriích, jsme přirozeně vedeni k názoru, že v patofyziologii septického MOF hraje důležitou roli právě porucha funkce mitochondrií.

Změny na úrovni orgánů

Endokrinní systém

V okamžiku, kdy je organismus vystaven nebezpečným situacím nebo škodlivým stimulům, dochází v těle k aktivaci stereotypní, hluboce zakonzervované a koordinované odpovědi, která je od 30. let minulého století pojmenována Hansem Selyem jako syndrom obecné adaptace (General Adaptation Syndrome) nebo jako stresová odpověď.(8) Jde o tzv. „poplašnou“ odpověď, jejímž cílem je obnovení homeostázy a zvýšení naděje na přežití. Je regulována zejména dvěma významnými systémy – sympatoadrenálním a neuroendokrinní osou hypotalamus-hypofýzanadledviny (hypothalamic-pituitary-adrenal axis – HPA axis). Klíčovou úlohu hraje kortikotropin uvolňující hormon (corticotropinreleasing hormone – CRH), který stimuluje produkci adrenokortikotropního hormonu (adrenocorticotropic hormone – ACTH). Působením ACTH na kůru nadledvin dochází ke zvýšení produkce glukokortikoidů – kortizolu.(9) U pacientů v sepsi je stresová odpověď zprostředkovaná HPA osou ještě komplexnější a není tak uniformní.

Zejména hladina kortizolu v plazmě může být nízká, normální nebo naopak vysoká, ale přesto může být neadekvátní k zajištění metabolických potřeb organismu a ke kontrole pro-inflamatorní odpovědi. Tato situace (kterou je možné diagnostikovat pomocí stimulačního testu) je definovaná jako tzv. relativní insuficience nadledvin (relative adrenal insufficiency – RAI) nebo insuficience kortikoidů spojená s kritickým stavem (critical ilness-related corticosteroid insufficiency – CIRCI).(10) V pozdní fázi naopak dochází k disociaci hladin ACTH a kortizolu, což ukazuje na velmi složitou regulaci HPA osy, do které jsou jistě zapojeny alternativní cesty, nejen klasická regulace pomocí ACTH.(11) Relativní insuficience nadledvin v sepsi je podle provedených observačních studií pro tyto pacienty nevýhodná, zejména stran zvýšení mortality. (12) Na základě těchto údajů byly provedeny intervenční studie s použitím substituce kortikoidy; ukazují ale obecně nejednoznačné a protichůdné výsledky.(13, 14)

Role centrální nervové soustavy

Při výzkumu nových možností ovlivnění inflamatorní odpovědi v sepsi bylo nalezeno přímé významné spojení mezi nervovou soustavou a imunitním systémem. Jedná se zejména o signály, které přicházejí z centrální nervové soustavy (CNS) skrze nervus vagus. Po přijetí a zpracování signálů v CNS je aktivována vagová cesta a tím dochází k významnému potlačení inflamatorní odpovědi a v experimentu i ke snížení mortality zvířat. Tato důležitá, tzv. cholinergní anti-inflamatorní cesta je eferentní částí tzv. inflamatorního reflexu, který je dále tvořen aferentními senzorickými vlákny nervus vagus přinášejícími do prodloužené míchy, konkrétně do nucleus tractus solitarius, informace z periférie o intenzitě zánětlivého procesu.(15) Cholinergní anti-inflamatorní cesta je konkrétně tvořena eferentními vlákny nervus vagus, která následně uvolňují neurotransmiter acetylcholin. Ukazuje se, že pouze ?7 podjednotka nikotinových receptorů, na které se váže acetylcholin, je zodpovědná za přímou inhibici produkce prozánětlivých cytokinů v makrofázích, jako jsou například TNF (tumor necrosis factor), IL-1 (interleukin 1), IL-6 a další.(16) Zajímavostí je fakt, že signály, které se týkají pouze imunitního systému, jsou přenášeny vagovým nervem zcela jiným způsobem, než kterým jsou ovlivňovány vegetativní funkce organismu. Jsou totiž úplně jinak frekvenčně modulované a jejich voltáž je velmi malá. Zatím nebylo zmíněno, že nezbytnou součástí a efektorem inflamatorního reflexu je slezina.(17) Existuje zde funkční spojení mezi centrálním nervovým systémem a buňkami imunitního systému ve slezině. Na základě dat, která jsou nyní k dispozici, je možné potvrdit spojení nervus vagus a sleziny v eferentní části reflexu pomocí nervus splenicus.

Endotel

I když endotel patří k opomíjeným a podceňovaným systémům zejména v klinické praxi, je jeho role v modulaci inflamatorní odpovědi v sepsi klíčová. A to nejen kvůli tomu, že je doslova ubikvitární v lidském organismu a při celkové váze cca 1 kg se pokrytí endotelem odhaduje na 4000–7000 m2. Důležité pro osvětlení role endotelu v sepsi je, že pokrývá povrch cév, od srdce až k nejmenším kapilárám, a tvoří nejen mechanickou bariéru, ale také dynamické komunikační a transportní rozhraní mezi krví a jednotlivými buňkami v tkáních. Klíčová je zejména jeho role v regulaci hemostázy.(18) V sepsi dochází k aktivaci endotelu, které se projevuje nejčastěji jako kombinace snížené bariérové funkce, zvýšení adhezivity pro leukocyty a změny povrchu endotelu, který se stává výrazně prokoagulačním (Obr. 2).

Obr. 2 – Schéma koagulace v sepsi Baktérie nebo jednotlivé součásti jejich buněčné stěny aktivují v krvi zánětlivou kaskádu s produkcí cytokinů. Zároveň dochází i k aktivaci endotelu a jeho dysfunkci. Ta je podmíněna apoptózou endoteliálních buněk. Probíhá rozvolnění mezibuněčných spojení s výsledným zvýšením endoteliální permeability. Aktivace endotelu má za následek uvolnění mikropartikulí obsahujících tkáňový faktor (TF), který spolu s expresí TF na buňkách, např. endoteliích a monocytech, vede k výrazné aktivaci koagulační cesty zejména cestou faktoru VIIa. Uvolnění von Willebrandova faktoru (vWF) vede ke zvýšené adhezi a agregaci trombocytů. Je snížena produkce glykosaminoglykanů a proteinů, účastnících se antikoagulace (TFPI, AT, EPCR a TM), které jsou též uvolňovány z povrchu endotelií. Fibrinolýza je zásadním způsobem oslabena, zejména zvýšením hladin PAI-1 (plasminogen-activator inhibitor 1), který je nejvýraznějším inhibitorem tPA a uPA (tissue plasminogen activator and urokinase-type plasminogen activator). Provázání inflamace a koagulace je dominatně přes receptory PAR (Protease-activated receptor). Trombin, faktor Xa a TF-VIIa štěpí, a tím aktivují APR-1 a PAR 2, zatímco aktivovaný protein C (APC) zejména PAR-1 za spoluúčasti endoteliálního receptoru PC (EPCR). Aktivací APR dochází k výraznému ovlivnění zánětu cestou faktorů, které se za normálních okolností účastní koagulace.(40)

Průvodní známkou sepse je také apoptóza endotelií anebo – pokud síla inflamatorního inzultu nepřekročí určitý práh – dojde jen k uvolnění jednotlivých buněk. Každopádně se tak tvoří tzv. odhalená místa, která nejsou chráněna, a krev tak přímo komunikuje s extracelulární matrix a subendoteliálními buňkami, které na svém povrchu exprimují tkáňový faktor (tissue faktor, TF). Výsledkem je aktivace koagulace a agregace trombocytů. Uvolněné endotelie tak zvyšují koncentraci tzv. cirkulujících endotelových buněk, které jsou přítomny i za fyziologických podmínek, ovšem v malém množství. Sepse je spojená s produkcí velkého množství cytokinů, chemokinů a jiných mediátorů a endotelové buňky k tomuto přispívají velkou měrou. Endotel je tedy jedním z center v regulaci a komunikaci mezi různými kompartmenty (intravaskulární x extravaskulární) a mezi různými buňkami. Na straně luminální komunikuje se všemi hlavními liniemi krevních buněk, na straně subentodelové s pericyty, parenchymovými buňkami a zejména s myocyty hladké svaloviny cév. Existují jasné známky toho, že v sepsi je tato komunikace výrazně narušena.

Koagulační abnormality

Základní nastavení koagulačního systému v těžké sepsi je výrazně prokoagulační.(19) Je to způsobeno zejména expresí tkáňového faktoru, který následně aktivuje četné cesty v koagulační kaskádě. Za normálních okolností je tkáňový faktor konstitutivně exprimován zejména extravaskulárně a při poškození cévní stěny teprve dochází k aktivaci koagulačních faktorů skrze navázaní na TF. Při těžké sepsi dochází k expresi TF i na buňkách, které jsou lokalizovány intravaskulárně. Týká se to zejména monocyendoteliálních buněk. Tato exprese je důsledkem aktivace TLR receptorů (toll-like receptors), které rozpoznávají jednotlivé komponenty buněčné stěny patogenů. TF reaguje s faktorem VIIa a následně je aktivován faktor X buď přímo, nebo nepřímo přes faktor IX. Aktivovaný faktor X konvertuje protrombin na trombin, který finálně štěpí fibrinogen na fibrin. Recentně se navíc ukazuje, že tkáňový faktor může mít intravaskulárně ještě jiný původ. Poslední poznatky ukazují na přítomnost mikropartikulí v krvi složených z TF a tzv. PSGL-1 (P-selectin glycoprotein ligand-1). Tyto mikropartikule jsou fragmenty aktivovaných či apoptotických buněk a jejich zdrojem mohou být například monocyty, trombocyty a endotelové buňky.

V těžké sepsi je nerovnováha posunuta na stranu výrazné prokoagulace také inhibicí přirozených antikoagulačních mechanismů. Týká se to zejména tří významných představitelů antikoagulačních cest: TFPI (Tissue Factor Pathway Inhibitor), antitrombinu a proteinu C. Během těžké sepse jsou hladiny antitrombinu výrazně snížené, a to z důvodu snížené syntézy jako proteinu akutní fáze, zvýšené degradace a nejvýznamněji kvůli výrazné konzumpci při aktivaci koagulace. Snížení aktivovaného proteinu C je v sepsi zejména důsledkem zvýšené konzumpce proteinu C a S a snížené aktivace proteinu C při internalizaci trombomodulinu, který je exprimován na povrchu endotelií (Obr. 2).

V současné době jsou již známy mechanismy, kterými je oboustranně provázána inflamace a koagulace. Prozánětlivé cytokiny, jako jsou například TNF, interleukin 1 a 6, mohou aktivovat koagulační systém. Naopak koagulační faktory, které jsou de facto proteázy, mohou aktivovat zánětlivý proces. Hlavním spojujícím prvkem mezi shora diskutovanými procesy jsou tzv. PAR receptory (protease-activated cell receptors). Jejich receptorová funkce je ojedinělá, slouží zároveň jako receptor i jako ligand. Rozštěpení receptoru pomocí proteáz, např. trombin, faktor VIIa a aktivovaný protein C, vede k odhalení jednoho konce receptoru (neo-amino terminus), který sám aktivuje vlastní receptor a spouští transmembránovou signalizaci. Skupina PAR receptorů se skládá ze čtyř členů, a to PAR-1 až PAR-4. Tyto receptory jsou lokalizované na povrchu endotelu, monocytů, fibroblastů, trombocytů a buněk hladké svaloviny. Aktivace PAR receptorů má za následek zejména zvýšení proinflamatorní odpovědi v sepsi.

Koagulace je aktivována téměř u všech pacientů se sepsí. Je také známo, že pacienti, kteří mají sepsí provázenou diseminovanou intravaskulární koagulací (DIC), mají horší prognózu. Dále je pozorováno, že sepsí indukovaná DIC má za následek zhoršení MOF. Vzato dohromady, modulace koagulace v sepsi by teoreticky měla mít vliv na přirozený průběh sepse u konkrétního pacienta. Logicky jsou již delší dobu zkoušeny různé strategie k ovlivnění koagulace v sepsi.

Změny na buněčné úrovni

Pozdní mediátory sepse

V iniciální fázi sepse je klíčovým mediátorem nitrobuněčné signalizace zejména transkripční faktor NF-?B (nuclear factor-?B). Za normálních podmínek je zadržován v cytoplazmě v komplexu s inhibičním proteinem I-?B (inhibitory-?B). Aktivací makrofágů endotoxinem (LPS-lipopolysacharid) dochází k fosforylaci I-?B a jeho degradaci cestou proteasomu. Následně je uvolněný NF-?B translokován do jádra, kde se váže na místa v promotorech velkého množství proinflamatorních genů. V pozdních fázích sepse dochází k aktivaci tzv. pozdních mediátorů sepse, zejména se jedná o HMBG-1 (high-mobility group protein 1) a MIF (migration inhibitory factor). Jejich aktivní sekrece či pasivní uvolňování díky destrukci buněk v průběhu sepse vede k udržování inflamatorní odpovědi organismu. Předpokládá se, že tyto tzv. pozdní mediátory sepse jsou jedněmi z hlavních faktorů, které jsou zodpovědné za progresi a udržování inflamatorní odpovědi ve fázi MOF.(20, 21)

Oxidativní stres

Oxidativním stresem se nazývá nerovnováha mezi nadměrnou tvorbou volných radikálů a antioxidační kapacitou organismu. Oxidativní stres, způsobený zvýšenou produkcí volných radikálů s překročením antioxidační kapacity, byl identifikován jako jeden z faktorů vývoje a propagace tkáňového poškození u kriticky nemocných s MOF. Hlavními zdroji kyslíkových radikálů (reactive oxygen species – ROS) in vivo jsou enzymy xantinoxidáza, myeloperoxidáza, NADPH-oxidáza a komplexy mitochondriálního respiračního řetězce.(22) Hlavními antioxidanty organismu jsou enzymy superoxid dismutáza (SOD), kataláza a glutation peroxidáza, vitamíny (C, E, betakaroten) a glutation.

V sepsi byla prokázána zvýšená tvorba volných radikálů aktivací leukocytární NADPH-oxidázy proinflamatorními cytokiny. Zároveň vysoká koncentrace oxidu dusnatého (NO) v sepsi inhibuje respirační řetězec a navozuje vysoký redukční potenciál s únikem elektronů a redukcí molekulárního kyslíku v superoxidový radikál.(23) Superoxid je pak zdrojem tvorby dalších ROS-hydroxylového radikálu (OH-) a peroxidu vodíku (H2O2). V součinnosti s vysokou koncentrací NO vede superoxid k tvorbě dusíkových radikálů (reactive nitrogen species – RNS), hlavně peroxynitritu. Snížená antioxidační kapacita organismu s poklesem koncentrace tokoferolu, retinolu a karotenoidů potencuje oxidativní stres v sepsi.(24) Oxidativní stres způsobuje buněčnou dysfunkci několika způsoby. Působí cytotoxicky a mutagenně, biologické vlastnosti nukleotidů, působí strukturální poškození DNA a dimerizací NAD+ způsobuje depleci jeho zásob. Volné radikály způsobují dysfunkci enzymatických systémů oxidací tiolových skupin, kovalentní vazbou na proteiny nebo nitrosylací. Oxidativní stres taky iniciuje vnitřní neboli mitochondriální cestu aktivace apoptózy (viz dále).

V organismu mají volné radikály také mnoho fyziologických regulačních funkcí. Volné radikály jsou zároveň významným posttranslačním modifikátorem TLR kaskády, čímž významně regulují sekreci proinflamatorních molekul. Organismy s defektem genů kódujících proteiny regulující hladiny antioxidantů mají zvýšenou expresi proinflamatorních cytokinů.(25) V poslední době se ukazuje, že regulační účinky ROS jsou široké a pleiotropní a mají jak proinflamatorní účinky, tak způsobují zvýšenou produkci antiinflamatorních molekul, jako jsou interleukin 10 (IL-10) a solubilní TNF receptory.(26) Oxid dusnatý Oxid dusnatý (NO) je vysoce difuzibilní lipofilní plyn s ultrakrátkým poločasem cca 6–10 sekund. Zájem o NO v souvislosti se sepsí a septickým šokem vznikl v 80. letech minulého století zjištěním jeho vazodilatačních vlastností a jeho identifikací jako dříve predikovaný endoteliální relaxační faktor (endothelium-derived relaxing factor, EDRF).

NO je vytvářen ve tkáních z L-argininu enzymatickou rodinou NO-syntáz (NOS). Doposud byly identifikovány tři typy NOS, označené podle pořadí, ve kterém byly identifikovány, nebo podle tkáně, ve které převažují: NOS-1 neboli neuronální NOS (nNOS), NOS-2, inducibilní NOS (iNOS), a NOS-3 neboli endoteliální NOS (eNOS). V poslední době byla potvrzena existence mitochondriální izoformy NOS (mtNOS). V patogenezi sepse má NO podle současných poznatků významnou a pleiotropní funkci. Patofyziologicky je možné působení NO rozdělit do 3 skupin. Hemodynamické účinky spočívají v jeho aktivaci guanylátcyklázy, vedoucí prostřednictvím cyklického guanozinmonofosfátu (cGMP) ke snížení nitrobuněčné koncentrace Ca v buňkách hladké svaloviny cév, a tím k hyporeaktivitě systémové vaskulatury vůči účinkům katecholaminů.(27) Zvýšená exprese iNOS v kardiomyocytech v sepsi ukazuje na úlohu NO při rozvoji myokardiální dysfunkce v sepsi.(28) Metabolické účinky NO jsou zprostředkovány především účinkem na respirační řetězec mitochondrií. NO již ve fyziologické koncentraci revera Xa zibilně kompetitivně inhibuje komplex IV (cytochrom C oxidázu).

Zastavením toku elektronů respiračním řetězcem zvyšuje jeho redukční potenciál, a tím schopnost redukce molekulárního kyslíku na superoxidový anion. Reakcí superoxidu s NO vzniká peroxynitrit, který ireverzibilně inhibuje komplexy I a III. NO má tedy schopnost navodit mitochondriální dysfunkci a buněčnou hypoxii i za podmínek dostatečné tenze kyslíku ve tkáni. Tím přispívá ke vzniku a potenciaci orgánové dysfunkce v sepsi.(29) Třetí důležitou rolí NO v patogenezi septické multiorgánové dysfunkce je indukce apoptózy.

Apoptóza

Apoptóza je programovaná, geneticky kontrolovaná smrt buňky, spočívající v lýze cytoskeletu specifickými protézami, chromatinové kondenzaci a nukleární fragmentaci. Je iniciována specifickými enzymy, takzvanými kaspázami. K aktivaci kaspáz dochází jednou ze dvou specifických cest. První, tzv. vnější cesta, spočívá ve vazbě cytokinů z rodiny TNF (obsahující tzv. dech-domain, „doménu smrti“) na apoptotický „receptor smrti“ (death receptor), člena rodiny TNF-receptorů. Tím se iniciuje formace multiproteinového signálního komplexu – DISC (death-inducing signaling complex), který spouští katalytickou aktivitu kaspázy 8.

Druhá, tzv. mitochondriální nebo vnitřní cesta (intrinsická) apoptózy je v sepsi iniciována například oxidativním stresem nebo poškozením DNA. Oxidací glutationu a jiných sulfhydrylových skupin dochází k otevření proteinových membránových pórů MPTP (mitochondrial permeability transition pore), zprostředkujících přechodnou permeabilitu mitochondriální membrány, skrze které se uvolňuje do cytoplazmy cytochrom c a/nebo jiný signální protein. Ty dále tvoří komplexy s faktorem Apaf-1 (apoptotickou proteázou aktivující faktor – apoptosis protease activating factor), které polymerizují v oligomer, známý jako apoptosom, který prostřednictvím kaspázy 9 aktivuje intrinsickou cestu apoptózy.(30) Aktivované kaspázy 8 a 9 pak mobilizují další členy kaspázové rodiny, které štěpí proteiny a aktivují DNázy.(31). Prolongovaná expozice NO v sepsi může navodit apoptózu několika mechanismy. NO zvyšuje expresi receptoru smrti, down-reguluje inhibitory apoptózy, up-reguluje expresi proapoptotických proteinů. Zároveň potenciací oxidativního stresu a tvorbou RNS přispívá k iniciaci mitochondriální cesty aktivace apoptózy.(32)

Porucha mikrocirkulace

Mezi základní charakteristiky těžké sepse a septického šoku patří tkáňová hypoperfúze a buněčná hypoxie (Singh and Evans, 2006). Je vysvětlována poruchou mikrocirkulace spolu s redistribucí tkáňové perfúze, což jsou další důležité mechanismy rozvoje orgánové dysfunkce a prediktory mortality (Sakr, Dubois et al., 2004). Dysfunkcí mikrocirkulace je také vysvětlována porucha extrakce kyslíku (O2) v sepsi, tj. neschopnost zvýšit spotřebu O2 (VO2) při dostatečné dodávce. Normální až zvýšená tkáňová tenze O2 (ptO2) v sepsi však ukazuje, že porucha mikrocirkulace nemusí být až tak klíčová v rozvoji MOF (Sair, Etherington et al., 2001). Navíc snížené množství ATP svědčí spíše pro poruchu buněčného využití O2 než pro jeho nedostatečnou dodávku, přinejmenším v pokročilém stadiu sepse (Brealey, Brand et al., 2002; Fredriksson, Hammarqvist et al., 2006).

Mitochondriální dysfunkce

Důvod snížené systémové extrakce kyslíku v pokročilé sepsi byl proto hledán v získaném defektu oxidativní fosforylace, který byl nazván tzv. cytopatickou hypoxií (Fink, 2002). Výzkum zabývající se buněčnou spotřebou kyslíku a funkcí mitochondrií v sepsi aktuálně zahrnuje velké množství poznatků a porucha funkce mitochondrií je dnes již spolehlivě prokázaným faktem. Aktivity komplexů I, II a IV byly signifikantně nízké v animálních modelech sepse, přičemž snížení korelovalo s mohutností iniciálního inzultu a tíží sepse (Gellerich, Trumbeckaite et al., 1999). Také aktivita cytochromoxidázy, která je v roli konečné oxidázy v oxidačním řetězci přímo zodpovědná za spotřebu O2, byla opakovaně detekována nízká (Gellerich, Trumbeckaite et al., 1999; Chen, Hsu et al., 2003). Podobná zjištění nabízí klinický výzkum u pacientů v těžké sepsi. Snížená koncentrace ATP, fosfokreatinu a snížená aktivita komplexu I v kosterním svalu septických pacientů korelovaly se zvýšenou mortalitou (Brealey, Brand et al., 2002; Fredriksson, Hammarqvist et al., 2006).

Otázka úlohy mitochondriální dysfunkce však není zdaleka dořešena. Jako v každé oblasti i zde existují názory argumentující proti její patofyziologické úloze v rozvoji septického MOF. První klíčovou otázkou je samotný klinický obraz sepse. Horečka, proteinový katabolismus, negativní dusíková bilance, hyperglykémie a inzulínová rezistence svědčí spíše pro hypermetabolismus než pro metabolickou down-regulaci. Odpověď na tuto kontroverzi lze hledat ve zvýšené expresi tzv. rozpojovacích proteinů (UCP, uncoupling protein), jejichž termogenní efekt je známý. Zároveň hypermetabolický stav je typický pro časné stadium sepse. Později, ve stadiu orgánové dysfunkce, je potvrzená redukce spotřeby kyslíku. Existují zatím tedy jen parciální data svědčící pro poruchu enzymů respiračního řetězce, snížení kyslíkové extrakce tkáněmi a pro poruchu energetického metabolismu různých buněčných populací v sepsi.

Teorie tzv. mitochondriálního shut-down navrhuje pohlížet na bioenergetické selhání buňky, tj. na mitochondriální dysfunkci, jako na primární obranný mechanismus per se, který je reakcí organismu na komplexní změny v sepsi s cílem snížení bazálního metabolismu ve smyslu hibernace, a tím umožnění organismu vyrovnat se s primárním septickým inzultem a jeho následky (viz Obr. 1). Zatím je však nemožné rozhodnout, zda postižení orgánů není jen nežádoucí efekt tohoto systémového procesu a hypotéza tzv. mitochondriálního shut-down zůstává zatím nepotvrzená. Je však jednou z velkých výzev v této oblasti výzkumu a patofyziologický význam primární inhibice mitochondriální funkce v rozvoji MOF bude ještě nutné prověřit v korelaci s časovým průběhem sepse a jejími typickými projevy, jako jsou porucha makrocirkulace, mikrocirkulace, dodávky kyslíku do tkání, oxidativní stres a další.

Terapeutické možnosti

S progresí sepse dochází postupně k selhávání funkce jednotlivých orgánů, vyjádřenému v extrémních případech jako MOF. S postupným selháváním každého dalšího orgánu se signifikantně zvyšuje mortalita a morbidita pacientů a prognóza se rapidně zhoršuje. K hodnocení dynamiky a závažnosti orgánového postižení byla vytvořena řada skórovacích systémů, z nichž uvádíme nejčastěji užívané SOFA skóre (sequential organ failure assessment score).(33) V současné době nemá moderní intenzívní péče k dispozici žádnou specifickou a zároveň efektivní terapii k léčbě MOF. Proto jsou včasná diagnostika i včasná a adekvátní terapie, zásadním nástrojem v prevenci rozvoje orgánového selhávání, jelikož v okamžiku rozvoje MOF můžeme maximálně používat orgánovou podporu a doufat, že fyziologické rezervy a přirozený průběh onemocnění u pacienta povedou vyléčení. Z patofyziologie sepse a provedených klinických studií zejména vyplývá, že v léčbě sepse má kruciální roli časový faktor: Time is everything!

Časná a cílená terapie

Je zaměřena na eliminaci původce sepse a má 2 složky: antimikrobiální terapii a odstranění zdroje sepse. Algoritmus léčby sepse má být zahájen co nejdříve. Postup zahrnuje souběžné diagnostické kroky, směřující k nalezení origa sepse s jeho následným ošetřením, a kroky terapeutické, zejména iniciální hemodynamickou stabilizaci a podání širokospektrých antibiotik, která mají pokrývat předpokládaného původce. Léčba antibiotiky má být zahájena pokud možno v průběhu 1. hodiny od rozpoznání těžké sepse. Pro větší proniknutí do tématu je možné odkázat zájemce na poslední publikovaná doporučení pro léčbu těžké sepse, která jsou podporovaná mezinárodními společnostmi intenzívní medicíny.(34) Velice inspirativní a zajímavá pro léčbu sepse je problematika zvyšování dodávky kyslíku (DO2) v kritických stavech (Shoemaker, Appel et al., 1988; Hayes, Timmins et al., 1994; Gattinoni, Brazzi et al., 1995).

Studiem těchto prací vyplynulo, že ze zvýšení DO2 neprofitovali pacienti, u kterých byla intervence časována do pozdní fáze sepse, již ve stadiu orgánové dysfunkce, kdy podle nového konceptu vznikla dysfunkce mitochondrií s asociovanou poruchou využití kyslíku. Skutečně, z post hoc analýzy podskupiny pacientů ve studii Hayesové, kteří byli schopni odpovědět na supranormální DO2 zvýšením VO2, vyplynulo, že tito pacienti skutečně profitují ze zvyšování DO2 (Hayes, Timmins et al., 1997). Zde se nabízí vysvětlení, že u těchto pacientů zatím nevznikla ireverzibilní mitochondriální dysfunkce. Zabezpečení optimální DO2 zabránilo jejímu vzniku, jak vyplývá z její patofyziologie, a zlepšilo výsledek léčby za podmínek VO2 závislé na DO2. Význam časového faktoru v rozvoji multiorgánové dysfunkce v sepsi byl potvrzen přelomovou studií Riverse et al. Signifikantní snížení mortality u pacientů léčených podle protokolu zaměřeného na optimalizaci DO2 v časné (< 6 h) fázi sepse svědčí o klíčové roli agresivní časné terapie pacientů v septickém šoku (Rivers, Nguyen et al., 2001).

Zároveň se však ukazuje extrémní variabilita průběhu sepse u jednotlivců a naše neschopnost jejího přesného časování a identifikace. Normální hodnota DO2 zároveň neznamená také optimální hodnotu – pacienti se supranormálním CI (cardiac index) se nadále mohou nacházet v situaci závislosti VO2 na DO2 a mohou ze zvyšování DO2 profitovat. Důležitou úlohou do budoucna je proto zjistit klinicky relevantní ukazatele mitochondriální dysfunkce a schopnosti využití kyslíku a časování intervencí na jejich podkladě. U pacientů nacházejících se již ve stadiu, kdy buňky nejsou schopny dostupného kyslíku využít, může být naopak zvyšování DO2, a tím ptO2, škodlivé a povede k zvýšené tvorbě ROS a RNS a k prohloubení oxidativního stresu a orgánové dysfunkce. Časování léčby je proto prostředek, který je schopen pravděpodobně nejvíce ovlivnit její úspěšnost. Orgánová podpora Pokud i přes maximální a správně načasovaný management v akutní fázi sepse dojde k vývoji MOF, zůstává další terapie v současné době pouze podpůrná. Máme však k dispozici různé možnosti orgánové podpory.

Co se týče naší schopnosti kauzálně ovlivnit nebo modulovat patofyziologické procesy v rámci orgánového selhávání, není pro použití v denní klinické praxi k dispozici žádná terapeutická metoda. Pravděpodobně kromě podání aktivovaného proteinu C – drotrecoginu alfa. Orgánová podpora bude dále probírána systematicky a schematicky jak článku, tak v tomto monotematickém čísle. Vzhledem k tomu, že konkrétní orgánová podpora a systematický management pacientů v těžké sepsi se prolíná tímto číslem časopisu Postgraduální medicína, zbývá nám jenom zmínit ventilační podporu u pacientů s respiračním selháním a sepsí. Obecně pro hlubší uvedení do celé problematiky MOF však odkazujeme pozorné čtenáře na velmi kvalitní a recentní review českých autorů(35) či monografie z anglosaského písemnictví, např.(36)

Orgánová podpora respiračního systému

Postižení respiračního systému ve formě ALI (acute lung injury) či závažnější formy, tj. ARDS – syndrom akutní dechové tísně (acute respiratory distress syndrome) – je častým a závažným problémem, se kterým se setkáváme v rámci intenzívní péče o pacienty s těžkou sepsí. Jedná se o specifickou formu plicního postižení, které se manifestuje difúzním alveolárním poškozením, vedoucím ke snížení funkčnosti plic v oblasti výměny plynů a bariérové funkce. Základní součástí léčebného protokolu je včasně a správně zvolená strategie ventilační podpory a další terapeutické postupy vedoucí k optimalizaci kyslíkového transportu, adekvátní nutriční podpora a léčba infekce.

Téměř většina pacientů se sepsí a ARDS vyžaduje mechanickou podporu ventilace, jejímž primárním cílem je dosažení oxygenace k zajištění dostatečné DO2 a snížení VO2. Hlavním cílem ventilační podpory je dosažení výše uvedeného při souběžné snaze o minimalizování tzv. VILI (ventilator induced lung injury). Strategie je založena na limitaci inspiračních plató tlaků – Pplat – v dýchacích cestách do 30 cmH2O (eventuálně 35 cmH2O při předpokládaném snížení mimoplicní compliance, např. intraabdominální hypertenze). Vzhledem k patofyziologii ARDS, kdy dochází ke snížení funkčního parenchymu až do objemu, který je obvyklý u dětí, je doporučeno užití malých dechových objemů cca 6 ml/kg tělesné hmotnosti, eventuálně i menších (tzv. baby lung koncept). V důsledku nízké minutové ventilace se může vyvinout hyperkapnie a respirační acidóza, která však pro pacienty není nebo je jen minimálně škodlivá. Tato ventilační strategie dostala název permisivní hyperkapnie. Důležité je také použít dostatečný PEEP (positive end-expiratory pressure). Tím dochází k recruitmentu atelektatických partií plic a ke zlepšení mechanických vlastností plic. Současně slouží jako prevence atelektraumatu. Nastavení optimální hodnoty PEEP je velice diskutované a zajímavé téma intenzívní medicíny, jehož podrobnosti však rozsahem překračují rámec této kapitoly.

Obr. 3 – Vznik volných radikálů na respiračním řetězci mitochondrií v sepsi Vytěsněním kyslíku oxidem dusnatým z aktivního místa cytochrom oxidázy (komplexu IV) a jeho reverzibilní blokádou se zastavuje tok elektronů respiračním řetězcem, tím vzniká akumulace elektronů na komplexu III. Vysoký redukční potenciál komplexu III z něj pak dělá hlavní donor elektronů pro tvorbu superoxidového radikálu. Superoxid s oxidem dusnatým pak tvoří peroxynitrit (blíže viz část Oxidativní stres). Peroxynitrit pak ireverzibilně inhibuje ostatní komplexy respiračního řetězce jejich nitratací (blíže viz text).

Experimentální terapie

Jak již bylo zmíněno výše, dosud žádná specifická terapie, která by byla založena na výsledcích základního výzkumu, nepřekročila hranici klinického hodnocení a nebyla uvedena do klinické praxe. Je však možné, že extenzívní výzkum, dominantně v oblasti ovlivnění mitochondriální dysfunkce a mitochondriální biogeneze, přinese v blízké době nové možnosti. Výzkum v oblasti ovlivnění cholinergní-antiinflamatorní cesty, který je zaměřen na tzv. neuroimunomodulaci s využitím různých strategií, je další potencionální možností nejen v možné léčbě MOF v sepsi, ale i u různých chronických zánětlivých onemocnění včetně autoimunitních.(37) Další oblastí, na kterou je upřen zájem aplikovaného výzkumu, je oblast oxidativního stresu a inhibice iNOS. Obecně se však tyto výsledky z experimentu a léková zkoušení v humánní medicíně dají shrnout jako nepřesvědčivé. I když například podávání antioxidantů může redukovat oxidativní stres u pacientů v septickém šoku.(38) Neúspěch klinických studií zaměřených na působení antioxidantů a inhik jeho bice iNOS je možné vysvětlit načasováním intervence, která ve většině případů neovlivnila redoxní modulaci a indukci zánětlivé kaskády. Včasná aplikace je proto kritická pro jejich potenciální úspěch v prevenci multiorgánového selhání.

Závěr

Multiorgánová dysfunkce v sepsi je jedním z nejčastějších, ale také nejnáročnějších stavů, se kterými se dnes můžeme na intenzívní péči setkat. Je to způsobeno tím, že moderní péče o pacienty v kritickém stavu je velmi dobře vybavena jak přístrojově a lékově, tak úchvatným množstvím poznatků díky základnímu a klinickému výzkumu. Většina pacientů s rozvinutým MOF by tedy před několika desetiletími vůbec nebyla schopna přežít. Tento syndrom je do určité míry také iatrogenní, a to díky moderní intenzívní péči. V patofyziologii orgánového selhání hraje sjednocující roli porucha funkce mitochondrií. Hlavním přínosem konceptu mitochondriální dysfunkce je její schopnost poskytnout hlubší pohled do patofyziologie orgánové dysfunkce v sepsi. Dá se jím vysvětlit porucha extrakce kyslíku v sepsi a obnova orgánových funkcí ad integrum po zotavení z orgánové dysfunkce. Mitochondriální dysfunkce je proto vzrušujícím a slibným konceptem ve studii patofyziologie septické multiorgánové dysfunkce. Zároveň se také ukazuje jeho hluboká klinická relevance vedoucí intenzivistu k modernímu vnímání péče o pacienta, správnému časování terapeutických intervencí a přihlížení k individuálnímu průběhu onemocnění u konkrétního pacienta.

Práce byla podpořena grantem IGA NR 9894-4.


O autorovi: MUDr. Jan Maláska, Ph. D., MUDr. Milan Kratochvíl
Masarykova univerzita, Lékařská fakulta a Fakultní nemocnice Brno, Klinika anesteziologie, resuscitace a intenzívní medicíny

e-mail: jmalaska@fnbrno.cz

Ohodnoťte tento článek!