Současné směry výzkumu meziorgánového metabolismu František Duška Klinika anesteziologie a resuscitace 3. LF UK a Ústav biochemie 3. LF UK Prezenztace volně dostupná na

Program Metody výzkumu meziorgánového metabolismu ▫klasické ▫stabilní izotopy Meziorgánový metabolismus energeticky významných substrátů, aplikace v klinice, současné kontroverze ▫glukóza a inzulín ▫aminokyseliny

Plazmatické hladiny Plazmatické hladiny: ▫obvykle špatně reflektují zásoby v organismu (Gln) ▫neříkají NIC o rychlosti meziorgánové výměny (turnover) Plazmatic ká hladina Syntéza Utilizace

Metabolické bilance Počítá množství látky retinované v organismu ▫neříká nic o tom, co se s ním stane Bilance Příjem Výdej

Nepřímá kalorimetrie Sledování příjmu substrátu (O2 ) a výdeje produktů (CO2, N-katabolitů) Umožňuje výpočet: ▫energetického výdeje ▫ČISTÉ oxidace energetických substrátů (je-li dosaženo ustáleného stavu)

Přívod vzorku plynu z inspiračního ramene okruhu Přívod vydechovaného plynu K pacientovi Od pacienta

Princip nepřímé kalorimetrie Tvorba ATP+tepla probíhá v návaznosti na dýchací řetězec, který spotřebovává O 2 Weir, 1949: EE(kcal/24h)=V o2 (l/24h)*4,856 ▫spotřeba kyslíku závisí na typu oxidované živiny (4,66-5,05 kcal/ l O 2 ) 1g glukózy + 0,747 l O 2 = 0,747 l CO 2 + 0,6 g H 2 O3,7 kcal 1g proteinu + 1,031 l O 2 = 0,859 l CO 2 + 0,4 g H 2 O + 0,16 g N4,7 kcal 1g TAG + 2,023 l O 2 = 1,436 l CO 2 + 1,07 g H 2 O9,5 kcal 5,054,66

Princip nepřímé kalorimetrie II. K přesnému zjištění EE je nutno znát trojpoměr oxidovaných živin Měříme navíc výdej CO 2 a odpady N močí ▫z těchto hodnot již lze EE zjistit přesně ▫RQ= CO 2 /O 2 1g glukózy + 0,747 l O 2 = 0,747 l CO 2 + 0,6 g H 2 ORQ=1,0 1g proteinu + 1,031 l O 2 = 0,859 l CO 2 + 0,4 g H 2 O +0,16 g NRQ=0,83 1g TAG + 2,023 l O 2 = 1,436 l CO 2 + 1,07 g H 2 ORQ=0,71

Princip nepřímé kalorimetrie III.

Princip nepřímé kalorimetrie Výstupy Trojpoměr oxidovaných živinEnergetický výdej Kalkulace Množsví oxid. proteinů O 2 NP, CO2 NP Vstupy Spotřeba O 2, výdej CO2Odpady N močí

Výpočet EE z O 2, CO 2 a odpadů N Vzorce navržené různými autory se liší, odchylka je minimální ▫Consolazio, 1963 ▫Elia & Livesey, 1990 ▫Mansel & Macdonald, 1990 etc. Kalorimetr kalkulaci provádí sám

Nepřímá kalorimetrie v praxi Vzestup klidového EE proti předchozím dnům ▫SIRS/sepse Pokles klidového EE proti přechozím dnům ▫sepse, CARS ▫smrt mozku (pokles EE o 25%)

Nepřímá kalorimetrie v praxi U pacientů ve stabilizovaném stavu ▫poskytuje klinicky relevantní data o EE, a tím nám umožní vyhnout se NEGATIVNÍ KUMULATIVNÍ ENERGETICKÉ BILANCI i OVERFEEDINGU Vzestup RQ >1,0 ▫anaerobní metabolismus? ▫přetížení glukózou (de novo lipogeneze)? Pokles RQ <0,7 ▫nevídáme: nejč. technická chyba ▫čistá glukoneogeneze, hrazení kyslíkového dluhu

Úskalí nepřímé kalorimetrie Základní podmínky: ▫adekvátní kalibrace  FiO2 v bombě musí odpovídat inspir. FiO2 ▫rovnováha mezi respirací a ventilací  nestabilní ABR  pozor na úniky z okruhu, bublající hrudní drény! ▫ adekvátní stanovení odpadů N močí  met. acidóza = až 50% N vyloučeného jako amoniak!

Úskalí nepřímé kalorimetrie II Metabolický „steady state“ je předpokladem ▫GNG z AK a následně oxidace glukózy kalorimetrie nerozliší od přímé oxidace AK ▫ketogeneze z MK a oxidace KL = oxidace MK atp. Pozor:  anaerobní metabolismus (RQ >1,0 )  oxidace ketolátek (RQ = 0,89-1,0)  de novo lipogeneze (RQ >1,0) Matematické korekce pro tyto situace existují, ale jsou pro praxi těžko použitelné: Frayn, Am J Phys, 1983; Livesey, Am J Clin Nutr, 1988; Mansell, Am J Phys, 1990

A-V diferenční studie Princip: měření rozdílu koncentrací látky v krvi přitékající a odtékající Nevýhody: ▫přístup do žilní krve odtékající z daného orgánu/kompartmentu (aretriální je všude stejná) ▫nutnost měření průtoku krve orgánem ▫AV zkraty Animální studie („multicathetrized dogs“)

Izotopové studie Relevantní metoda pro popis meziorgánové výměny energetických substrátů Princip: značení energetických substrátů ▫tracer (t): stabilní (nebo radioaktivní) izotopem značená molekula substrátu ▫tracee (T): molekula substrátu Metabolické pochody v organismu nerozliší t a T, in vitro je to však možné

Izotopové studie

Stabilní izotopy Výhody: ▫bezpečnost (nejsou zdrojem ionizujícího zážení) ▫existují i pro N a O (biologicky relevantní prvky) Nevýhody: ▫vysoká cena ▫obtížná a drahá detekce: plynová chromatografie- hmotnostní spektroskopie (GC-MS)

Princip detekce stabilních izotopů GS-MS : převedení do plynného stavu, bombardáž svazkem e- = převedení na kationty Putování magnetickým polem v závislosti na atomové hmotnosti

Výstup měření tT ratio m/z relativní intenzita D C-glukóza, M=181 D-glukóza, M=180

Použití izotopových technik Zjišťování objemu kompartmentu Množství D [mg] v objemu v [ml] Neznámý objem V Vzorek s koncentrací c = D/(v+V) tedy: V=D/C-v

Použití izotopových technik Měření turnover: Ra = rate of appearance, Rd = rate of dissappearance Ra Rd Flux [umol/kg.min] = Ra = Rd = i/Ep i [umol/kg.min]= rychlost infuze traceru Ep = plateau enrichment = tTR

Další vylepšení izotopových technik Vícekompartmentové modelování Studium makromolekul ▫enrichment proteinů ze svalové biopsie značenýcm Leu Kombinace s A-V diferenčními studiemi Kombinace s mikrodialýzou Kombinace s clampovými technikami

Glukóza a těsná glykemická kontrola Aminokyseliny

Kontroverze konceptu euglykémie v těžkých stavech GLUCONTROL NICE-SUGAR VISEP…aj Leuvenské studie 2001, 2006 „The New England Journal of Unreproducible Results?“ 4,5-6,1mM 6-10mM

Jak funguje inzulín u kriticky nemocných? Zvyšuje oxidaci a/nebo neoxidativní metabolismus glukózy v periferii? Suprimuje výdej glukózy játry (glukoneogenezi)?

Kriticky nemocní: Infuze exogenní glukózy není schopna inhibovat glukoneogenezi (= definice stresového hladovění)

Efekt i.v. glukózy na endogenní produkci glukózy u ZDRAVÝCH dobrovolníků EGP (mg.kg.min) * * P < 0.05 * * * Glucose delivery Mg.kg -1.min -1 Wolfe RR et al, Metabolism 1979; 28: 210

Efekt i.v. glukózy na endogenní produkce glukózy (EGP) u kriticky nemocných VariableHealthyICU 1. Fasting Glycemia * Insulin54115* 2. IV glucose Glycemia5.7#9.7*# Insulin89#515*# * P < 0.05 vs healthy # p < 0.05 vs fasting Mmol.kg -1.min -1 Tappy L, Am J Physiol 1995; 268:E630

Vliv eneterálního přívodu glukózy na celkový Ra glukózy a EGP u kriticky nemocných  mol.kg.min # # # Schwarz JM et al, Am. J. Clin. Nutr 2000; 72: 940

Glykemická kontrola Exogenní přívod inzulinu spolu s EN/PN tak, aby byla udržena euglykémie ▫ princip reverzního clampu Exogenně přiváděný inzulín buď ▫suprimuje endogenní produkci glukózy ▫nebo zvyšuje oxidaci glukózy ▫nebo zvyšuje neoxidativní metabolismus glukózy

Metody 6 pacientů hod po polytraumatu (ISS=22- 34) a 6 srovnatelných kontrol Měření whole-body glucose disposal a EGP pomocí 6,6- 2 H 2 -glukózy Thorell et al., JCEM, 2004

Výsledky

Závěry: IIT u kriticky nemocných Inzulín suprimuje endogenní produkci glukózy ▫Hladiny ve větvi TPN+I byly 996 mIU/l! Přes vysoké inzulinemie nedochází ke stimulaci spotřeby glukózy v periferii

Současná doporučení (2008) stran glykemické kontroly První 3 dny IIT pouze k prahu glykosurie či max. intermediární cíl 8mM Déle než 3 dny: na pracovištích se zkušenostmi s IIT cílem euglykémie, s výjimkou ▫diabetiků (týká se T2DM i T1DM) ▫pacientů s postižením CNS (kraniotraumata, infekce) ▫pacientů v septickém šoku? Zdroje: Panelové diskuse SCCM, Orlando FL, 2007, Metabolické sekce ESICM, Lisabon 2008, A. Malhotra, editorial v NEJM 2006, + guidelines odb. společností)

Současné ožehavé otázky Zhoršuje případná hypoglykémie mortalitu/morbiditu? Jaká je u kriticky nemocných citlivost proteinového metabolismu k inzulínu? ▫postižená inzulinorezistencí jako ostatní dráhy? ▫nebo má relativně dobře zachovalou senzitivitu k inzulínu v analogii s T2DM?

Interorgánový metabolismus aminokyselin Jaké orgány vychytávají aminokyseliny, pokud je zvýšena proteolýza? Jak a jak rychle stimuluje výživa anabolismus proteinů? Existuje nutriční formule s optimálním aminokyselinovým složením pro onemocnění určitého orgánu (např. střeva?) Jak sepse modifikuje meziorgánové tokly aminokyselin? atd.

Metody Na laboratorním zvířeti Humánní studie ▫invazivní ▫neinvazivní

Metody Vzorky z karotidy, porty, vv. hepaticae, dolní duté ž. a renálních žil Měření průtoku: 14C-PAH Hallemeesch et al, Lab Anim 2001

Př.: studium proteolýzy Proteolýza Ea= tTR v art. krvi Etiss = tTR ve tkáni (biopsie, mikrodialýza) Ca = koncentrace Tracee v art. krvi

Př.: studium proteosyntézy Kombinace infúze [1- 13 C] leucinu a biopsie Ep = tTR v art. krvi Etiss=tTR ve tkáni Proteosyntéza [%/h] = (Etiss/Ep)/čas

Příklad: Meziorgánový tok aminokyselin u modelu sepse 14 multikanylovaných selat 20-25kg infúze endotoxinu nebo placeba 0-24 hod kontinuální infúze 3 H značeného Phe, Val a glukózy měření průtoku pomocí PAH Bruins et al., Clin Sci 2003

Výsledky: Bruins et al., Clin Sci 2003

Výsledky: Bruins et al., Clin Sci 2003 Kontroly Sepse

Závěr Bližší porozumění patofyziologii metabolismu těžkých stavů generuje hypotézy, které mohou být následně testovány podle zásad EBM

Současná doporučení stran suplementace glutaminu Parenterální (alanyl)glutamin: všichni, kteří jsou indikováni k parenterální výživě ▫americká kriteria zahájení PN! Enterální formule obohacené glutaminem: popáleniny nebo polytraumata Fink et al. Textbook of Critical Care, 2007