Metabolic disorders of chronically critically ill patients caused by consequences of traumatic brain injury

• Marina V. Petrova
• Ivan V. Sergeev
• Aleksandr E. Shestopalov
• Oleg B. Lukyanets

Abstract

The problem of chronic critical illness therapy is relevant all over the world. Revealing the metabolic function in patients in chronic critical condition is an important link in the development of adequate treatment and rehabilitation tactics.

The aim - identification of metabolic features in chronic critical patients after brain injury in the first 3 days from the moment of admission to the rehabilitation center.

Material and methods. Single-center observational study included a group of 25 patients with chronic critical illness, aged 38.7±14.0 years with body mass index 20.8±4.3 kg/m² (min 14.5; max 29.7), who were on independent breathing through a tracheostomy tube, and who have pronounced neurological disorders in the form of depression of minimally conscious state, FOUR scale from 12 to 16 points, as well as bedsores 1-2 stage and polysegmental pneumonia. The patients underwent indirect calorimetry and analysis of biochemical parameters of protein, carbohydrate, fat and mineral metabolism, as well as the level of nitrogen excretion with urine.

Results and discussion. The data obtained indicate that chronic critical ill patients with the consequences of traumatic brain injury had pronounced metabolic disorders, mainly of a protein component. Total protein level decreased up to 61.0±9.4 g/l (min 39.1; max 83.1), albumin up to 30.2±6.0g/l (min 17.4; max37.8), prealbumin up to 0.13± 0.06 g/l (min 0.04; max 0.23) and transferrin up to 147.7±37.7 mg/dl (min 84.0; max 209.0). The patients’ requirement in protein was 106.4±38.5 g/day (min 57.1; max 160.5) or 1.55±0.46 g/kg/day (min 0.75; max 2.22). The level of resting energy expenditure measured by indirect calorimetry was 1549.1±421.8 kcal/day (min 673.0; max 2430.0) or in terms of body weight 24.8±7.6 kcal/kg/day (min 12.4; max 45.8).

Conclusion. The data obtained indicate a continuing catabolic phase in patients more than 30 days after the primary injury, which led to their chronic critical condition.

Keywords:chronic critical illness, indirect calorimetry, brain injury, rehabilitation, chronic disorders of consciousness

Терапия пациентов реанимационного профиля при ограниченных ресурсах является одной из насущных проблем здравоохранения. Увеличивается количество пациентов не только в остром критическом, но и в хроническом критическом состоянии. Следует отметить, что из числа пациентов в хроническом критическом состоянии значительное количество будет находиться в данном состоянии всю оставшуюся жизнь. Термин "хронический критический пациент" был предложен K. Girard, T.A. Raffin в 1985 г. [1]. С этого момента проводили корректировки определения, дальнейшие исследования, но сама ключевая особенность этих пациентов осталась прежней - это больные, которые смогли пережить первоначальный эпизод критического состояния, но остались зависимы от интенсивной терапии и внешнего ухода. Пациенты в хроническом критическом состоянии часто требуют протезирования не только одной функции, а целой системы органов на фоне выраженных коморбидных заболеваний. Имеющееся у данной группы пациентов как первичное, так и вторичное поражение центральной нервной системы приводит к угнетению сознания, чаще всего до вегетативного или минимального.

Широкое распространение целевой противошоковой терапии, улучшения протезирования органных функций привело к значимому снижению госпитальной летальности в хирургических отделениях реанимации и интенсивной терапии [2]. В связи с этим появляется большое количество пациентов с персистирующими, но поддающимися коррекции полиорганными нарушениями, требующими значительных материальных и трудовых затрат и последующего пребывания в учреждениях, способных обеспечить дальнейшую реабилитацию таких пациентов [3, 4].

Патофизиология хронического критического состояния остается не до конца изученной. Постоянный воспалительный процесс, иммуносупрессия и катаболический синдром являются основополагающими факторами возникновения и течения хронического критического состояния [5, 6].

Целью исследования стало выявление особенностей метаболизма у пациентов, находящихся в хроническом критическом состоянии после повреждения головного мозга как основы для дальнейшей разработки программ нутритивной поддержки.

Материал и методы

В одноцентровое обсервационное исследование были включены 25 пациентов, поступивших в отделения анестезиологии и реанимации № 1, 2 и 3 (все реанимации неврологического профиля) ФГБНУ ФНКЦ РР c 2016 по 2019 г., в хроническом критическом состоянии после тяжелых повреждений головного мозга вследствие черепно-мозговой травмы. Исследование было одобрено этическим комитетом ФНКЦ РР, протокол № 5/20/7.

Распределение по половому признаку: 20 (80%) мужчин и 5 (20%) женщин. Возраст - от 18 до 66 лет, средний возраст - 38,7±14,0 года. Локализация повреждения: повреждение в области полушария головного мозга у 13 (52%) пациентов, комбинированное повреждение (стволовые структуры и полушария головного мозга) - у 12 (48%) пациентов.

Антропометрические данные: индекс массы тела -20,8±4,3 кг/м² (min 14,5; max 29,7), толщина жировой складки на животе составила 17,1±7,2 мм (min 3,0; max 30,0). Обхват предплечья составил 20,7±3,1 см (min 15,0; max 25,0), а Me обхвата плеча - 26 см (24; 27) (min 18,0; max 28,0).

Уровень сознания на момент исследования - минимальное сознание, по шкале FOUR (Full Outline of Unresponsiveness) Me 13 (12; 16) баллов.

Питание пациентов: все пациенты получали энтеральное зондовое питание через назогастральный зонд/гастрому стандартной изокалорийной смесью (1 ккал/мл и 4 г белка в 100 мл смеси) объемом от 1500 до 2000 мл/сут.

Критерии включения

- Нахождение в хроническом критическом состоянии вследствие тяжелого повреждения головного мозга - пребывание в отделении реанимации >21 сут, потребность в искусственной вентиляции легких >96 ч в течение 21 сут, нарушение сознания - минимальное сознание, длительная иммобилизация >30 сут.

- Самостоятельное дыхание через трахеостомическую трубку.

- Нозокомиальная пневмония.

- Наличие пролежневых дефектов I-II степени.

- Длительность от момента повреждения >30 сут [7, 8].

Критерии исключения

- Потребность в вазопрессорной или инотропной поддержке.

- Потребность в медикаментозной седации.

- Печеночная или почечная недостаточность, в том числе необходимость в проведении заместительной почечной терапии.

- Диарейный синдром или нарушение пассажа содержимого по желудочно-кишечному тракту.

- Индекс оксигенации артериальной крови <250.

- Сахарный диабет.

Методы исследования

Оценку состояния пациента проводили по следующей программе:

1. Антропометрические измерения.

2. Определение уровня лактата крови.

3. Измерение показателей белкового обмена в сыворотке крови: уровня общего белка, альбумина, транс-феррина, преальбумина.

4. Измерение показателей углеводного обмена - уровень глюкозы в крови.

5. Определение показателей жирового обмена - концентрации холестерина, триглицеридов.

6. Расчет энергозатрат покоя методом непрямой калориметрии.

7. Измерение потери азота с мочой и расчет потери белка.

Биохимические показатели в сыворотке крови измеряли с помощью биохимического анализатора "AU480" (Beckman Coulter, США), показатели общего анализа крови - на автоматическом анализаторе "Unicel DxH 800" (Beckman Coulter, США). Анализ кислотно-основного состояния артериальной крови осуществляли на газовом анализаторе крови "Gem Рremier 3500" (Instrumentation Laboratory, США). Энергетические затраты покоя оценивали методом непрямой калориметрии на системе анализа газообмена "Medgraphics Ultima CPX" (MGC Diagnostics Corporation, США). Показатели суточного анализа мочи определяли на анализаторе "AU480" (Beckman Coulter, США).

Потерю азота определяли методом сбора суточной мочи и измерения в ней уровня азота. Учитывая немочевинные потери азота с мочой, посредством выделения с калом и через кожу, к полученным потерям азота с суточной мочой добавляли 4 г [9].

Статистический анализ полученных данных осуществляли с помощью программного пакета Statistica 12.5 (Tibco Software, США). С целью оценки нормальности распределения использовали критерий Шапиро-Уилкса. Для данных с нормальным распределением указаны среднее и стандартное квадратичное отклонение, для данных, распределенных не по закону нормального распределения, указаны медиана (Me), 25 и 75% перцентили, а также минимальное и максимальное значение. Корреляционные связи определяли с использованием критерия Пирсона для нормально распределенных данных и критерия Спирмена для данных, распределенных не по закону нормального распределения.

Результаты и обсуждение

По данным непрямой калориметрии, у пациентов в хроническом критическом состоянии после тяжелых повреждений головного мозга были получены следующие значения энергообмена: уровень энергозатрат покоя (REE - resting energy expenditure) составил 1549±422 ккал/сут (min 673; max 2430), в пересчете на массу тела пациентов - 24,8±7,6 ккал/кг в сутки (min 12,4; max 45,8); лишь у 6 (24,0%) пациентов энергозатраты были выше рекомендуемых ESPEN (European Society for Clinical Nutrition and Metabolism) значений в 30 ккал/кг в сутки [10].

Среднее потребление кислорода (VO₂) составило 216,2±57,4 мл/мин, а выделение углекислого газа (VCO₂) - 186,8±54,7 мл/мин (min 78,0; max 283,0), Me респираторного коэффициента (RQ) - 0,83 [0,79; 0,88] (min 0,72; max 1,18).

В крови пациентов отмечен высокий уровень С-реактивного белка [48,3±30,5 мг/л (min 7,7; max 99,0)] вследствие имеющихся пролежневых дефектов и пневмонии, при этом уровень тромбоцитов [Ме 310 [215; 456] тыс. (min 143; max 942)] и уровень лейкоцитов [8,4± 2,5 (min 3,2; max 12,0) тыс.] свидетельствовали о текущем воспалительном процессе, но невыраженного характера и об отсутствии сепсиса.

Белковый обмен у пациентов был нарушен, наблюдалась гипопротеинемия - содержание общего белка, альбумина, преальбумина и трансферрина оказалось ниже нормальных значений, что свидетельствует о белковой недостаточности у данной группы пациентов (табл. 1). При этом пациенты в хроническом критическом состоянии нуждались в значительном количестве белка: потребность в белке составила 106,4±38,5 г/сут (min 57,1; max 160,5), в перерасчете на массу тела - 1,55±0,46 г/кг в сутки (min 0,75; max 2,22). Вследствие повышенной потребности в белке были выявлены нарушения азотистого баланса, а именно его сдвиг в отрицательную сторону. Азотистый баланс составил -5,25±10,05 г/сут (min -19,68; max 17,91), что свидетельствует о необходимости сфокусироваться на коррекции белкового обмена, оптимизации методов уменьшения потерь белка, использовании гипернитрогенных смесей для энтерального питания; при невозможности коррекции азотистого баланса энтеральными методами необходимо решить вопрос о проведении парентерального питания, однако следует учитывать его возможные осложнения - водноэлектролитные нарушения, инфекционные осложнения, дыхательную недостаточность.

Таблица 1. Биохимические показатели белкового обмена у пациентов в хроническом критическом состоянии после черепно-мозговой травмы

Table 1. Biochemical parameters of protein metabolism in chronic critical patients after a traumatic brain injury

Показатели жирового обмена и концентрация глюкозы в плазме находились в пределах референтных значений (табл. 2).

Таблица 2. Показатели углеводного и жирового обмена у пациентов в хроническом критическом состоянии после черепно-мозговой травмы

Table 2. Indicators of carbohydrate and fat metabolism in chronic critical patients after traumatic brain injury

При этом уровень лактата артериальной крови имел следующие значения: Ме 1,5 [1,3; 1,7] ммоль/л (min 0,9; max 3,5), вследствие имеющихся воспалительных процессов, приводящих к анаэробному углеводному обмену.

У пациентов отмечалось снижение концентрации железа в сыворотке (табл. 3), при этом анемии на момент исследования не выявлено.

Таблица 3. Показатели минерального и электролитного обмена у пациентов в хроническом критическом состоянии после черепно-мозговой травмы

Table 3. Indicators of mineral and electrolyte metabolism in chronic critical patients after traumatic brain injury

Из отмеченных электролитных нарушений и нарушений минерального обмена концентрация магния находилась близко к нижней границе нормы, при этом гипокалиемии у пациентов не отмечалось. Вероятно, это связано с применением диуретических препаратов и других лекарственных средств, вызывающих увеличение экскреции магния с мочой [11]. Медиана кальция находилась на уровне нижней границы нормы, при этом концентрация фосфора находилась в пределах нормальных значений (см. табл. 3).

Корреляционный анализ позволил выявить наличие взаимозависимости между следующими показателями (приведены показатели с наиболее сильной корреляционной связью, r от 0,7 до 1,0):

1. Между количеством баллов по шкале FOUR и уровнем преальбумина (r=0,81); вероятно, данная связь обусловлена тем, что у пациентов с большим уровнем сознания менее выражены нарушения белкового обмена вследствие не такого выраженного нарушения центральной регуляции белкового обмена.

2. Уровни преальбумина и гемоглобина (r=0,80), трансферрина и гемоглобина (r=0,75), альбумина и трансферрина (r=0,85), а также преальбумина и трансферрина (r=0,82) сильно коррелировали между собой вследствие взаимосвязи данных показателей как составных компонентов метаболических процессов белкового обмена.

References

1. Girard K., Raffin T.A. The chronically critically ill: to save or let die? Respir Care. 1985; 30 (5): 339–47. PMID: 10315661.

2. Efron P.A., Mohr A.M., Bihorac A., et al. Persistent inflammation, immunosuppression, and catabolism and the development of chronic critical illness after surgery. Surgery. 2018; 164 (2): 178–84. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surg.2018.04.011

3. Stortz J.A., Mira J.C., Raymond S.L., Loftus T.J., Ozrazgat-Baslanti T., Wang Z., et al. Benchmarking clinical outcomes and the immunocatabolic phenotype of chronic critical illness after sepsis in surgical intensive care unit patients. J Trauma Acute Care Surg. 2018; 84 (2): 342–9. DOI: https://doi.org/10.1097/TA.0000000000001758

4. Guirgis F.W., Brakenridge S., Sutchu S., Khadpe J.D., Robinson T., Westenbarger R., et al. The long-term burden of severe sepsis and septic shock: Sepsis recidivism and organ dysfunction. J Trauma Acute Care Surg. 2016; 81 (3): 525–32. DOI: https://doi.org/10.1097/TA.0000000000001135 PMID: 27398984.

5. Singer P. Preserving the quality of life: nutrition in the ICU. Crit Care. 2019; 23 (Suppl 1): 139. DOI: https://doi.org/10.1186/s13054-019-2415-8

6. Mira J.C., Gentile L.F., Mathias B.J., et al. Sepsis pathophysiology, chronic critical illness, and persistent inflammation-immunosuppression and catabolism syndrome. Crit Care Med. 2017; 45 (2): 253–62. DOI: https://doi.org/10.1097/CCM.0000000000002074

7. Kahn J.M., Le T., Angus D.C., Cox C.E., Hough C.L., White D.B., et al.; Study Group Investigators. The epidemiology of chronic critical illness in the United States. Crit Care Med. 2015; 43 (2): 282–7. DOI: https://doi.org/10.1097/CCM.0000000000000710 PMID: 25377018.

8. Vanzant E.L., Lopez C.M., Ozrazgat-Baslanti T., Ungaro R., Davis R., Cuenca A.G., et al. Persistent inflammation, immunosuppression, and catabolism syndrome after severe blunt trauma. J Trauma Acute Care Surg. 2014; 76 (1): 21–9.

9. Mackenzie T.A., Clark N.G., Bistrian B.R., Flatt J.P., Hallowell E.M., Blackburn G.L. A simple method for estimating nitrogen balance in hospitalized patients: a review and supporting data for a previously proposed technique. J Am Coll Nutr. 1985; 4 (5): 575–81. DOI: https://doi.org/10.1080/07315724.1985.10720100 PMID: 3932497.

10. Burgos R., Bretón I., Cereda E., Desport J.C., Dziewas R., Genton L., et al. ESPEN guideline clinical nutrition in neurology. Clin Nutr. 2018; 37 (1): 354–96. DOI: https://doi.org/10.1016/j.clnu.2017.09.003

11. Van Laecke S. Hypomagnesemia and hypermagnesemia. Acta Clin Belg. 2019; 74 (1): 41–7. DOI: https://doi.org/10.1080/17843286.2018.1516173

12. Stewart M.L., Biddle M., Thomas T. Evaluation of current feeding practices in the critically ill: a retrospective chart review. Intensive Crit Care Nurs. 2017; 38: 24–30. DOI: https://doi.org/10.1016/j.iccn.2016.05.004

13. Chapple L.S., Deane A.M., Heyland D.K., Lange K., Kranz A.J., Williams L.T., et al. Energy and protein deficits throughout hospitalization in patients admitted with a traumatic brain injury. Clin Nutr. 2016; 35 (6): 1315–22. DOI: https://doi.org/10.1016/j.clnu.2016.02.009

14. Huang C.M., Lowes M.A., Cserti C., Alavi A. Hemoglobin levels and serum C-reactive protein in patients with moderate to severe hidradenitis suppurativa. J Cutan Med Surg. 2019; 23 (5): 501–6. DOI: https://doi.org/10.1177/1203475419858963

15. Heidari B., Fazli M.R., Misaeid M.A., Heidari P., Hakimi N., Zeraati A.A. A linear relationship between serum high-sensitive C-reactive protein and hemoglobin in hemodialysis patients. Clin Exp Nephrol. 2015; 19 (4): 725–31. DOI: https://doi.org/10.1007/s10157-014-1048-0

16. Zuccato C., Cattaneo E. Brain-derived neurotrophic factor in neurodegenerative diseases. Nat Rev Neurol. 2009; 5 (6): 311–22. DOI: https://doi.org/10.1038/nrneurol.2009.54

17. Cheng B., Mattson M.P. NGF and bFGF protect rat hippocampal and human cortical neurons against hypoglycemic damage by stabilizing calcium homeostasis. Neuron. 1991; 7 (6): 1031–41. DOI: https://doi.org/10.1016/0896-6273(91)90347-3

18. Chua A.C., Graham R.M., Trinder D., Olynyk J.K. The regulation of cellular iron metabolism. Crit Rev Clin Lab Sci. 2007; 44 (5–6): 413–59. DOI: https://doi.org/10.1080/10408360701428257

19. Herridge M.S., Chu L.M., Matte A., Tomlinson G., Chan L., Thomas C., et al.; RECOVER Program Investigators (Phase 1: towards RECOVER); Canadian Critical Care Trials Group. The RECOVER Program: Disability Risk Groups and 1-Year Outcome after 7 or More Days of Mechanical Ventilation. Am J Respir Crit Care Med. 2016; 194 (7): 831–44. DOI: https://doi.org/10.1164/rccm.201512-2343OC PMID: 26974173.

20. Puthucheary Z.A., Denehy L. Exercise interventions in critical illness survivors: understanding inclusion and stratification criteria. Am J Respir Crit Care Med. 2015; 191 (12): 1464–7. DOI: https://doi.org/10.1164/rccm.201410-1907LE

21. Shevelev O.A., Saidov Sh.Kh., Petrova M.V., Chubarova M.A., Usmanov E.Sh. Craniocerebral Hypothermia as a therapeutic treatment option for thermal balance disturbances in post-comatose patients. Fizicheskaya i reabilitatsionnaya meditsina: meditsinskaya reabilitatsiya [Physical and Rehabilitation Medicine, Medical Rehabilitation]. 2020; 2 (1): 11–9. (in Russian)

22. Usmanov E.Sh., Chubarova M.A., Saidov Sh.Kh. Emerging trends in the use of therapeutic hypothermia as a method for neuroprotection in brain damage (review). Sovremennye tekhnologii v meditsine [Modern Technologies in Medicine]. 2020; 12 (5): 94–105. DOI: https://doi.org/10.17691/stm2020.12.5.11 (in Russian)

23. Shevelev O.A, Petrova M.V., Saidov Sh.Kh., Chubarova M.A., Usmanov E.Sh., Pranil Pradkhan, et al. Correction of cerebral thermal balance disruption in therapy and rehabilitation of patients with cerebral pathology. Fizicheskaya i reabilitatsionnaya meditsina: meditsinskaya reabilitatsiya [Physical and Rehabilitation Medicine, Medical Rehabilitation]. 2019; 1 (4): 56–63. (in Russian)

24. Soliman I.O., Cremer O.L., de Lange D.W., et al. The ability of intensive care unit physicians to estimate long-term prognosis in survivors of critical illness. J Crit Care. 2018; 43: 148–55.

25. Detsky M.E., Harhay M.O., Bayard D.F., Delman A.M., Buehler A.E., Kent S.A., et al. Six-month morbidity and mortality among intensive care unit patients receiving life-sustaining therapy. a prospective cohort study. Ann Am Thorac Soc. 2017; 14 (10): 1562–70. DOI: https://doi.org/10.1513/AnnalsATS.201611-875OC

26. Rose L., Istanboulian L., Allum L., Burry L., Dale C., Hart N., et al. Patient and family centered actionable processes of care and performance measures for persistent and chronic critical illness: a systematic review. Crit Care Explor. 2019; 1 (4): e0005. DOI: https://doi.org/10.1097/CCE.0000000000000005

27. Nanas S., Kritikos K., Angelopoulos E., Siafaka A., Tsikriki S., Poriazi M., et al. Predisposing factors for critical illness polyneuromyopathy in a multidisciplinary intensive care unit. Acta Neurol Scand. 2008; 118 (3): 175–81. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1600-0404.2008.00996.x

28. Weber-Carstens S., Deja M., Koch S., Spranger J., Bubser F., Wernecke K.D., et al. Risk factors in critical illness myopathy during the early course of critical illness: a prospective observational study. Crit Care. 2010; 14 (3): R119. DOI: https://doi.org/10.1186/cc9074

29. de Jonghe B., Lacherade J.C., Sharshar T., Outin H. Intensive care unit-acquired weakness: risk factors and prevention. Crit Care Med. 2009; 37 (10 suppl): S309–15. DOI: https://doi.org/10.1097/CCM.0b013e3181b6e64c

30. Waldhausen E., Mingers B., Lippers P., Keser G. Critical illness polyneuropathy due to parenteral nutrition. Intensive Care Med. 1997; 23 (8): 922–3.

31. Masiero E., Agatea L., Mammucari C., Blaauw B., Loro E., Komatsu M., et al. Autophagy is required to maintain muscle mass. Cell Metab. 2009; 10 (6): 507–15. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cmet.2009.10.008 PMID: 19945408.

32. Derde S., Vanhorebeek I., Güiza F., Derese I., Gunst J., Fahrenkrog B., et al. Early parenteral nutrition evokes a phenotype of autophagy deficiency in liver and skeletal muscle of critically ill rabbits. Endocrinology. 2012; 153 (5): 2267–76. DOI: https://doi.org/10.1210/en.2011-2068

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.