Ringrazio il collega che ha voluto condividere questa esperienza, che ritengo molto didattica sia per i dati presentati che per quelli omessi. Procediamo con un approfondimento strutturato dei temi più rilevanti.
Origine dell’ipercapnia nello stato di male asmatico
Aumento di resistenza ed iperinflazione.
La crisi asmatica è originata un drammatico, acuto aumento della resistenza delle vie aeree (R). La relazione tra flusso ($\dot{V}$) e resistenza è
$$ \dot{V} = \cfrac{\Delta P}{R} $$
in cui ΔP è una differenza di pressione. Pensando all’espirazione, se la resistenza è elevata, il flusso espiratorio può essere mantenuto solo a prezzo di una elevata differenza tra la pressione alveolare ($P_{alv}$) e la pressione all’apertura delle vie aeree, che è la PEEP nei soggetti ventilati (figura 1).
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| Figura 1 |
La pressione alveolare è la somma di 3 pressioni: la PEEP, l’autoPEEP e la pressione elastica, che è generata dal volume inspirato (V) ed è uguale al rapporto tra volume e compliance dell’apparato respiratorio ($C_{rs}$):
$$ P_{alv} = PEEP + autoPEEP + \cfrac{V}{C_{rs}} $$
La differenza di pressione tra alveoli e apertura delle vie aeree, cioè il “motore” del flusso, è quindi
$$ \Delta P = P_{alv} – PEEP = autoPEEP + \cfrac{V}{C_{rs}} $$
Questo significa che l’aumento dell’autoPEEP è un evento necessario per preservare il flusso espiratorio in presenza di resistenza elevata (per semplicità non analizziamo ora le dinamiche della flow limitation). L’iperinflazione polmonare è quindi la conseguenza inevitabile dell’aumento di resistenza e rende possibile l’espirazione completa del volume corrente.
In clinica, la misura più semplice di iperinflazione a fine espirazione è la PEEP totale ($PEEP_{tot}$), cioè la pressione che misuriamo durante un’occlusione delle vie aeree a fine espirazione.
Iperinflazione e spazio morto.
All’iperinflazione alveolare consegue un aumento dello spazio morto ($V_D$), che identifica quella parte del volume corrente ($V_T$) che non partecipa allo scambio gassoso.
Lo spazio morto ha due componenti, quella anatomica e quella alveolare, la cui somma è definita spazio morto fisiologico.
Lo spazio morto anatomico rappresenta la parte di volume corrente che si ferma nelle vie aeree senza strutture alveolari (cioè dal naso ai bronchioli terminali), dove non può esserci scambio gassoso. Solitamente lo spazio morto anatomico è dell'ordine di circa 2.2 ml/kg di peso predetto (cioè circa 150 ml in un soggetto di 70 kg).
Lo spazio morto alveolare invece identifica quella quota di volume corrente che arriva in alveoli senza perfusione o con una perfusione ridotta rispetto al volume alveolare. La perfusione può essere ridotta rispetto al volume alveolare sia se si riduce il flusso nei capillari che circondano l'alveolo, sia se aumenta il volume dell'alveolo senza un proporzionale incremento del flusso capillare.
Nell'asma grave lo spazio morto alveolare è aumentato da entrambi questi meccanismi (figura 2, i capillari in sezione sono rappresentati dai pallini rossi).
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| Figura 2 |
L’iperinflazione alveolare comprime i capillari alveolari, nei quali il flusso si riduce o addirittura può arrestarsi se la pressione alveolare diventa superiore di quella del capillare polmonare.
Per visualizzare idealmente lo spazio morto alveolare, immaginiamo un “raggio d’azione” dei capillari polmonari, cioè la distanza dal capillare polmonare entro la quale il gas alveolare è sufficientemente vicino al capillare da poter consentire l’equilibrio delle pressioni parziali tra gas capillari ed alveolari. Un capillare più piccolo (con meno flusso) avrà un “raggio d’azione” più limitato, e la parte di gas alveolare lontana dal capillare non riuscirà a partecipare allo scambio gassoso. Molto semplicisticamente possiamo raffigurare questa condizione in questo modo:
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| Figura 3 |
in cui le frecce bidirezionali rappresentano l’ipotetico “raggio d’azione” dei capillari. Nelle condizioni di iperinflazione alveolare e riduzione del flusso capillare è ben difficile che i gas nella zona centrale dell’alveolo possano entrare in equilibrio con le pressioni dei gas nel sangue.
Spazio morto e $PaCO_2$.
Analizziamo l'equazione della ventilazione alveolare, assumendo che vi sia un equilibrio tra la pressione parziale alveolare di $CO_2$ ($P_ACO_2$) e la pressione parziale arteriosa di $CO_2$ ($PaCO_2$).
L’equazione riassume in maniera concisa ed elegante un concetto fondamentale: la $P_ACO_2$ dipende unicamente dalla produzione di $CO_2$ ($\dot{V}CO_2$) e dalla ventilazione alveolare ($V_A$):
$$ P_ACO_2 = k \cdot \cfrac{\dot{V}CO_2}{V_A} $$
Durante la ventilazione meccanica misuriamo (ed in alcune modalità impostiamo) il volume corrente e la frequenza respiratoria (FR), il cui prodotto è la ventilazione al minuto $V_E$ (più precisamente il volume espirato in 1 minuto):
$$ V_E = V_T \cdot FR $$
La ventilazione alveolare $V_A$ identifica la parte di $V_E$ che partecipa allo scambio gassoso. Per calcolarla si sottrae al $V_E$ quella parte di ventilazione che rimane nello spazio morto fisiologico.
La ventilazione alveolare è uguale a:
$$ VA = (V_T - V_D) \cdot FR $$
Spesso questa equazione è espressa in termini di rapporto $V_D/V_T$ e diventa:
$$ V_A = V_T \cdot ( 1 - V_D/V_T) \cdot FR $$
Di conseguenza l’equazione della $P_ACO_2$ diventa:
$$ P_ACO_2 = k \cdot \cfrac {\dot{V}CO_2} {V_T \cdot ( 1 - V_D/V_T) \cdot FR} $$
A mio parere questa è un'equazione fondamentale per chi fa ventilazione meccanica: non deve essere imparata con uno sforzo di memoria, ma capita profondamente, meditata, amata.
Con questa equazione proviamo ora a calcolare la $P_ACO_2$ inserendovi i dati della fisiologia classica: $\dot{V}CO_2$ 0.2 L/min, $V_T$ 0.5 L, FR 12/min e $V_D/V_T$ 0.3. A 37 °C, k è 863 mmHg (se qualcuno fosse interessato a capire il perché, lo può chiedere in un commento):
$$ PACO2 = 863~mmHg \cdot \cfrac {0.2~ L/min} {0.5~L \cdot ( 1 - 0.3) \cdot 12/min} = 41~mmHg $$
Il risultato è il normale valore di $PaCO_2$, a conferma empirica della validità dell’equazione.
Stato di male asmatico ed ipercapnia.
Durante la ventilazione meccanica controllata, l’aumento dello spazio morto può da solo spiegare l’ipercapnia nello stato di male asmatico. Esiste infatti una proporzionalità diretta tra $V_D/V_T$ e $PaCO_2$, come rappresentato nella figura 4, in cui la $PaCO_2$è stata calcolata per diversi valori di $V_D/V_T$ , mantenendo costanti $\dot{V}CO_2$, $FR$ e $V_T$.
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| Figura 4 |
In particolare, ipotizzando un $V_D/V_T$ di 0.7, come spesso si osserva nelle insufficienze respiratorie gravi (1, 2):
$$ PACO2 = 863~mmHg \cdot \cfrac {0.2~ L/min} {0.5~L \cdot ( 1 - 0.7) \cdot 12/min} = 96~mmHg $$
un valore molto vicino alla $PaCO_2$ della paziente asmatica presentataci dal nostro collega, compatibile quindi con un normale $V_E$ in un soggetto con spazio morto elevato.
Pericoli dell’ipercapnia durante lo stato di male asmatico
L'acidosi respiratoria (con valori simili a quelli visti finora) è ben tollerata (3, 4) nei pazienti con stato asmatico grave. E’ anche importante sottolineare che lo stato di male asmatico con rapida insorgenza si risolve solitamente in tempi brevi (ore o pochi giorni) con una adeguata terapia medica. (5–7)
Pertanto questa ipercapnia, senza effetti clinicamente rilevanti e comunque a rapida risoluzione, non dovrebbe allarmare. Il paziente in breve tempo ridurrà il livello di iperinflazione ed il conseguente spazio morto, ripercorrendo a ritroso la curva della figura 4, con la graduale normalizzazione della $PaCO_2$ a parità di $V_E$. Il caso proposto dal collega conferma questa prospettiva, alla luce della riportata stabilità cardiovascolare e del buon esito finale.
Iperinflazione e ventilazione meccanica
Se un ipotetico soggetto con stato di male asmatico e $V_D/V_T$ 0.7 fosse sottoposto a ventilazione meccanica, mantenendo un tempo inspiratorio di 0.9” ed una PEEP di 5 $cmH_2O$, che risultato otterremmo? quale sarebbe il suo livello di iperinflazione?
Per rispondere a questa domanda utilizziamo un simulatore di ventilazione meccanica online (https://sim.rtmaven.com/), impostando una resistenza di 50 $cmH_2O~L^{-1}~s$ ed una compliance di 40 $ml/cmH_2O$, valori plausibili in pazienti con ipercapnia grave secondaria a stato di male asmatico. (8)
Ecco il risultato:
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| Figura 5 |
La $PEEP_tot$ è 7 $cmH_2O$ e la pressione di plateau ($P_{plat}$) 19 $cmH_2O$. Probabilmente nella realtà queste pressioni potrebbero essere più elevate, come ci dicono esperienza clinica e letteratura.(9) Il simulatore sembra sottostimare l'effetto della flow limitation, come si può intuire dal profilo della curva di flusso che non ha un caratteristico andamento bicompartimentale,(10) e questo può determinare un minor livello di $PEEP_tot$.
In questa simulazione, l’iperinflazione non è comunque rilevante. E pertanto nemmeno le due principali conseguenze negative dell’iperinflazione, cioè l’impatto emodinamico (riduzione del ritorno venoso), principalmene legato alla sovradistensione a fine espirazione ($PEEP_tot$) ed il rischio di VILI (Ventilator-Induced Lung Injury) da sovradistensione a fine inspirazione, che ha $P_{plat}$ come misura di riferimento.(11)
In questa fase di gestione del paziente asmatico è fondamentale evitare danni da iperinflazione e accettare l’ipercapnia,(12) che sarà più o meno grave in relazione all’entità dello spazio morto. L’ipercapnia è talmente inevitabile che addirittura è stato proposto il termine “ipercapnia obbligatoria” al posto del tradizionale “ipercapnia permissiva”.(13)
Le conseguenze dell’aumento della ventilazione
Analizziamo ora le conseguenze di un aumento della ventilazione alveolare per ridurre la $PaCO_2$, con una strategia di riduzione del volume corrente ed aumento della frequenza respiratoria come è stato fatto nel caso che ha dato lo spunto al post.
La concentrazione di $HCO_3^-$ nella emogasanalisi iniziale presentata dal nostro collega è 24.4 mmol/L, valore che si ottiene risolvendo l’equazione di Henderson-Hasselbalch con pH 7.01 e $PaCO_2$ 100 mmHg (se sei interessato ad un approfondimento, fammelo sapere nei commenti). Possiamo ipotizzare che quando la strategia basso volume/alta frequenza ha portato a un pH di 7.14, tenendo conto delle variazioni acute attese di $HCO_3^-$ in risposta alla riduzione della $PaCO_2$, la $PaCO_2$ fosse 63 mmHg.
Assumendo che non sia variato il $V_D/V_T$, questo è il valore di $P_ACO_2$ che si ottiene con volume corrente 0.35 L e frequenza respiratoria 26/min:
$$ PACO2 = 863~mmHg \cdot \cfrac {0.2~ L/min} {0.35~L \cdot ( 1 - 0.7) \cdot 26/min} = 63~mmHg $$
Utilizziamo il simulatore (con compliance e resistenza invariate) per stimare le pressioni nelle vie aeree con questa impostazione del ventilatore (a parità di tempo inspiratorio):
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| Figura 6 |
La pressione di plateau e la PEEP totale sono aumentate in maniera non trascurabile (e ricordiamo che potrebbero essere sottostimate) a causa del peggioramento dell’iperinflazione dinamica. Una riduzione del tempo inspiratorio a 0.7” le ridurrebbe entrambe di 2 $cmH_2O$, lasciando comunque una situazione peggiore della precedente.
Questa strategia non è quindi quella giusta: nello stato di male asmatico la riduzione della frequenza respiratoria è lo strumento più efficace per ridurre l’iperinflazione dinamica, mentre la riduzione del volume corrente o del tempo inspiratorio hanno un effetto più limitato.(12)
Come gestire lo stato di male asmatico.
Una terapia medica tempestiva è la base del trattamento dello stato di male asmatico: β-2 agonisti a breve durata d’azione (salbutamolo) ed anticolinergici (ipratropio) per via inalatoria associati a corticosteroidi e magnesio per via sistemica.
In attesa della risoluzione della fase acuta della malattia, la ventilazione meccanica deve far guadagnare tempo, evitando un'iperinflazione che possa generare un impatto emodinamico e/o un danno polmonare. Per ottenere questo risultato dobbiamo verificare continuamente il risultato delle impostazioni del ventilatore meccanico. Proseguiamo con le simulazioni a titolo di esempio.
Può essere ragionevole iniziare con una frequenza respiratoria di 15/min, un normale volume corrente di 6-8 ml/kg (di peso ideale, non quello reale) e un tempo inspiratorio inferiore ad 1”. Nel tempo inspiratorio preferisco includere una breve pausa di fine inspirazione (circa 0.3”), che consente sia una miglior eliminazione della $CO_2$ a parità di ventilazione (cioè contribuisce a ridurre il $V_D/V_T$),(14–17) sia di monitorare la parte iniziale del plateau di fine inspirazione, le cui variazioni peraltro seguono quelle della PEEP totale.
I 4 elementi da valutare sono la pressione di plateau, la PEEP totale, la driving pressure (cioè la loro differenza) e l’emodinamica. Si può essere soddisfatti se la pressione di plateau è < 25 $cmH_2O$, la PEEP totale < 10-12 $cmH_2O$, la driving pressure < 10-12 $cmH_2O$ e non ci sono ipotensione o segni di bassa portata.
Solo a questo punto guarderei l’emogasanalisi. Se la $PaCO_2$ è elevata e pressione di plateau, PEEP totale, driving pressure ed emodinamica vanno bene, si può valutare l'effetto di un prudente aumento della frequenza respiratoria a parità di volume corrente.
Come avrai notato, le pressioni di picco sono sempre alte: anche questa è l’inevitabile conseguenza di una elevata resistenza delle vie aeree. Per poter ventilare correttamente questi pazienti si devono aumentare i limiti di allarme di pressione del ventilatore. Il contenimento della pressione di plateau è sicuramente più importante della riduzione della pressione di picco.
Proviamo ad applicare questi concetti all’ipotetico paziente su cui stiamo facendo le nostre prove. Il volume corrente è impostato a 400 ml, che corrisponde a 6-8 ml/kg per una donna di media corporatura.
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| Figura 7 |
Tutti gli obiettivi ventilatori che abbiamo delineato sono raggiunti.
Con questa ventilazione ci aspettiamo una elevata $PaCO_2$:
$$ PACO2 = 863~mmHg \cdot \cfrac {0.2~ L/min} {0.4~L \cdot ( 1 - 0.7) \cdot 15/min} = 96~mmHg $$
In questa condizione è ragionevole provare ad aumentare la frequenza respiratoria, ad esempio a 18/min, a parità di volume corrente.
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| Figura 8 |
Gli obiettivi ventilatori rimangono rispettati e la $PaCO_2$ è quindi ridotta in sicurezza:
$$ PACO2 = 863~mmHg \cdot \cfrac {0.2~ L/min} {0.4~L \cdot ( 1 - 0.7) \cdot 18/min} = 80~mmHg $$
E così si deve continuare, adeguando la ventilazione alle variazioni della broncocostrizione, che si manifesterà, a parità di ventilazione, con consensuali variazioni di PEEP totale (ed in parallelo di pressione di plateau e pressione di picco) e $PaCO_2$.
Conclusione.
Riassumiamo i 10 punti principali di questo lungo post sullo stato di male asmatico:
1) la crisi asmatica inizia con l'aumento della resistenza delle vie aeree;
2) l’aumento della resistenza delle vie aeree determina iperinflazione polmonare;
3) l’iperinflazione polmonare può essere la causa di 3 problemi: ipotensione arteriosa/bassa portata, stress polmonare da sovradistensione e aumento dello spazio morto;
4) l’aumento dello spazio morto è la causa dell’ipercapnia;
5) l'aumento della ventilazione per ridurre l'ipercapnia determina un peggioramento dell'iperinflazione polmonare e dei suoi effetti deleteri;
6) la strategia ventilatoria più efficace per minimizzare l'iperinflazione è la riduzione della frequenza respiratoria, mentre il volume corrente può essere mantenuto nel range di normalità. E' opportuno un tempo inspiratorio breve (< 1") che includa una breve pausa di fine inspirazione. Questo deve essere fatto con ventilazione controllata e paziente passivo;
7) l’ipercapnia nello stato di male asmatico è quindi inevitabile, ma ben tollerata e migliora da sola con la risoluzione della broncocostrizione;
8) il trattamento è fondato principalmente sulla terapia medica;
9) solitamente lo stato di male asmatico ha una durata limitata nel tempo. Spesso si risolve rapidamente entro le prime 24-48 ore;
10) quando la broncocostrizione si riduce, i segni di iperinflazione (PEEPtot e Pplat) e spazio morto (ipercapnia) miglioreranno a parità di ventilazione: a questo punto pensa al passaggio alla ventilazione assistita.
Come sempre, grazie per la paziente attenzione ed un sorriso a tutti gli amici di ventilab.
Bibiliografia
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