Acute respiratory distress syndrome(급성 호흡곤란 증후군)에서 driving pressure와 survival의 관계

Driving Pressure and Survival in the Acute Respiratory Distress Syndrome

 

BACKGROUND

Acure respiratory distress syndrome(ARDS, 급성 호흡곤란 증후군) 환자에서 낮은 end-inspiratory(plateau) airway pressures, 낮은 tidal volumes(VT), 높은 positive end-expiratory pressures(PEEP)은 생존율을 향상시키는 mechanical ventilation strategy이지만, 각 component의 상대적인 중요성은 확실하지 않다. Respiratory-system compliance는 functional lung size 즉, ARDS 중의 남아있는 functional lung의 aerated volume과 강하게 관련이 있다. 따라서 본 연구에서는 VT가 건강한 사람의 predicted lung size가 아니라, functional lung size와 intrinsic normalization 된 driving pressure (ΔP = VT/(CRS)가 active 하게 호흡하지 못하는 환자에서 VT나 PEEP보다 더 생존율과 강하게 관련이 있는 index라고 가정하고 연구를 진행하였다.

 

METHODS

이전에 보고된 9건의 무작위 연구를 이용해서 3562명의 ARDS 환자에 대한 개별적인 데이터를 melilevel mediation analysis를 이용하여 분석하였다. 본 연구에서는 ΔP를 survial과 관련 있는 독립적인 인자로 보고, lung disease의 중등도에 대한 confounding을 최소화하면서 randomized ventilator setting에서 ΔP의 변화의 단독 효과를 확인하였다.

 

RESULTS​

여러 ventilation vaiables 중에서, ΔP가 survival과 가장 관련이 높았다. ΔP(approximately 7 cm of water)의 1-SD 증가는 사망률의 증가와 연관이 있었으며(relative risk, 1.41; 95% confidence interval [CI], 1.31 to 1.51; P <0.001), "protective" plateau pressure와 VT를 시행받는 환자에서도 같은 결과를 보였다(relative risk, 1.36; 95% CI, 1.17 to 1.58; P <0.001).
Randomization 후의 PEEP이나 VT의 individual change는 생존율과 독립적인 연관이 없었으며, 오직 ΔP가 감소된 상황에서만 생존율과 관련이 있었다(mediation effects of ΔP, P = 0.004 and P = 0.001, respectively).

 

CONCLUSIONS​

본 연구 결과 ΔP가 가장 높은 stratified risk를 가진 ventilator variable이었으며, ventilator setting에서 ΔP의 감소로 생존율을 높일 수 있었다.

 

 

TEXT

낮은 end-inspiratory(plateau) airway pressures, 낮은 tidal volumes(VT), 높은 positive end-expiratory pressures(PEEP) 등의 lung protective strategy는 ARDS 환자의 생존율을 향상한다고 알려져 있지만, 각각의 component들의 manipulation에 대해서는 여러 연구들에서 상반된 결과를 보이고 있다.

 

임상에서는 종종 한 component의 optimization이 다른 component에 negative effect로 작용하기도 하므로(가령 PEEP의 증가가 plateau pressure의 증가로 이어지는 등) 전체적인 결과를 알기가 어렵다.

Grasso S et al. Effects of high versus low positive end- expiratory pressures in acute respiratory distress syndrome. Am J Respir Crit Care Med 2005; 171: 1002-8.

Ventilator induced lung injury를 최소화하기 위해, 대부분의 연구에서는 predicted body weight를 이용해서 VT를 계산하고, 이 VT를 lung size에 normalization(정규화)하였다. 하지만 ARDS 환자에서 ventilation이 가능한 lung의 비율이 현저하게 감소하며, 이는 낮은 respiratory-system compliance(CRS)로 나타난다. 따라서 본 연구에서는 VT를 CRS에 normalization 하고 이 ratio를 lung의 "functional" size를 나타내는 index로 활용한다면 보다 ARDS의 환자를 더 잘 예측한다고 가정하였다.
이 ratio를 driving pressure (ΔP = VT/CRS)라 하며, inspiratory effort가 없는 환자에서 plate pressure - PEEP로 계산할 수 있다.

 

Ventilatory effor가 있는 환자 즉, pressure support ventilation을 시행받고 있거나 respiratory rate이 ventilator setting보다 높은 환자는 이 연구에서 제외하였다.

 

Barotrauma:

무작위 배정 후 28일 이내에 발생한 chest tube 삽입이 필요한 pneumothorax

 

 

Figure 1은 증가된 plateau pressure가 ΔP 증가나 PEEP 증가에서 나타날 수 있지만, 서로 다른 결과를 나타낸다는 것을 보여준다(resampling A vs. B): Mortality는 오직 plateua pressure가 높은 환자에서 ΔP가 높을 때 증가하였다. 높은 PEEP의 protective effect 또한 ΔP가 감소할 때 나타났다(resampling B vs. C). 게다가 plateau pressure가 일정할 때에는 VT가 CRS에 normalization 될 때(즉, ΔP) 생존의 강한 예측인자로서 작용하지만, predicted body weight에 normalization 될 때는 그렇지 않았다.

 

 

Figure 2는 combined population에서 ΔP가 점진적으로 증가할수록 사망 위험이 높아지는 것을 보여준다. VT가 아닌 ΔP의 증가는 또한 drainage를 필요로 하는 pneumothorax의 발생과 관련이 있었다.

 

본 연구에서는 VT 감소나 PEEP의 증가는 오직 ΔP의 감소가 있었을 때 확인되었으며, 다른 ventilation variable은 이와 같은 mediting effect를 보여주지 못했다.

 

VT와 survivla 혹은 VT와 barotrauma와 의 강한 상관관계는 오직 VT를 individual CRS values에 scaling 하였을 때 확인되었는데, 이러한 scaling은 강한 생리학적 근거가 있다.

 

ARDS 환자에서 CRS는 functional lung size와 직접적으로 연관​되며(tital ventilation에 참여 가능한 aerated lung volume), 이 aerated lung은 preserved area에서는 "stiff"하지 않지만, 작으면서도 거의 정상의 compliance(compliance per unit of lung volume)를 갖는다.

 

본 연구의 mediation analysis의 논리적인 근거는 ΔP는 cyclic lung strain의 surrogate이라는 점이다

Protti A et al. Lung stress and strain during mechanical ventilation: any difference between stat- ics and dynamics? Crit Care Med 2013; 41: 1046-55.

 

 

ΔP는 ventilated, preserved lung unit에 작용하는 cyclic parenchymal deformation의 총량​이므로, cylcic stran은 VT보다 더 lung injury를 잘 예측한다고 할 수 있겠다.

 

본 연구에서는 ARDS에서의 functional lung size는 predicted body weight보다 CRS가 더 잘 나타낸다고 하였다.
이와 같은 가정 하에서, 특히 CRS가 환자들 간에 다양한 상황에서는 cyclic strain, ventilator-induced lung injury, survival은 VT보다는 ΔP와 더 상관관계가 있다고 할 수 있다.

 

많은 연구들에서는 cell과 tissue damage는 stretch의 maximal level보다는 cyclic stretch의 amplitude와 밀접하게 관련이 있다고 보고하였다. 이는 lung tissue가 손상 없이 sustaiined stretching이 가능함을 말해준다.

Tschumperlin DJ, et al. Deformation-induced injury of alveo- lar epithelial cells: effect of frequency, duration, and amplitude. Am J Respir Crit Care Med 2000; 162: 357-62.

 

Acute Respiratory Distress Syndrome Network (ARDSNet) trial에서는 낮은 VTvalue가 곧 ARDS의 mortality를 낮춰준다고 하였다.

The Acute Respiratory Distress Syn- drome Network. Ventilation with lower tidal volumes as compared with tradition- al tidal volumes for acute lung injury and the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 2000; 342: 1301-8.

 

하지만 본 연구에서는 Acute Respiratory Distress Syndrome Network (ARDSNet) trial의 결론이 결국 lung-protective bundle plateau-pressure limitation, respiratory-rate modification, hypercapnia)의 다른 component에 따라 달라질 수 있음을 보여준다고 할 수 있겠다. 예를 들어, ΔP(the dependent variable during volume control)의 큰 변화가 없는 상황에서만 낮은 VT value가 survival의 향상으로 이어질 것이다.

 

본 연구 결과는 또한 높은 PEEP을 적용한 그간의 연구 결과들이 왜 항상 survival benefit을 보여주지 못했는가를 설명해 준다; 증가된 PEEP이 lung mechanic의 변화로 이어짐으로써 동일한 VT가 낮은 ΔP와 함께 전달될 때, PEEP의 증가는 protective effect가 있을 것이다. 이 가정은 PEEP의 이점은 주로 더 많은 lung recruitability를 가진 환자에서 보이며, PEEP이 overdistension을 유발할 때에는 오히려 해로울 수 있다는 최근의 생리학 연구결과들과도 일치한다.

Grasso S et al. Effects of high versus low positive end- expiratory pressures in acute respiratory distress syndrome. Am J Respir Crit Care Med 2005; 171: 1002-8.

 

Zero-PEEP의 잘 알려진 해로운 효과는 progressive atelectasis, decreased lung compliance, 그리고 결국은 ΔP의 증가로 이어진다.

Seah AS et al. Quantifying the roles of tidal volume and PEEP in the pathogene- sis of ventilator-induced lung injury. Ann Biomed Eng 2011; 39: 1505-16.

 

Reference

Marcelo B.P. Amato et al. Driving Pressure and Survival in the Acute Respiratory Distress Syndrome. N Engl J Med 2015;372:747-55.

 

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