Autonomic and vascular indices during sepsis resuscitation in a 5-days swine experiment

Acute inflammation and sepsis are known to induce changes in vascular properties, and, at the same time, the autonomic nervous system (ANS) control mechanisms are found profoundly impaired. Current clinical guidelines are mainly concerned to resuscitate septic patients mainly with fluids, antibiotics, and vasopressors (VP); however, a hyperdynamic state and secondary comorbidities are commonly observed in the resuscitated patients. The overall aim of this work is to characterize the arterial tree and the cardiovascular response in a long-term swine experiment of polymicrobial sepsis. Twenty pigs were randomized to fecal peritonitis (SS n = 10)/sham (SH n = 10). The animals were followed for 72 hours after sepsis development, and they underwent to the same resuscitation standards used in clinics. The standard hemodynamic variables like arterial blood pressure (ABP), heart rate (HR), cardiac output (CO), stroke volume (SV) were measured and several vascular indices were included in this study: the Windkessel time constant tau, the carotid artery compliance (cAC), the systemic vascular resistance (SVR), the effective arterial elastance (Ea) and the maximum arterial upstroke; ANS cardiovascular control was evaluated via spectral analysis of diastolic arterial blood pressure (DAP), and the estimation of the cardiac baroreflex sensitivity (BRS) index. Although successful in reaching the target mean arterial pressure (MAP) ≥ 65mmHg, resuscitation was not effective in restoring a physiological hemodynamic condition in SS group. We observed a persistent tachycardia associated to higher values of CO and lower values of SV, which did not return to baseline values, reduced values of tau, SVR, cAC, and increased afterload (Ea) from sepsis development till the end of the experiment. Sepsis also induced a significant drop in the BRS index, which was not restored to baseline. Our work, in accordance with previous studies, support the idea that the therapy should be also tailored to the state of the cardiovascular system of the patient. A modulation of VP therapy should be investigated, in order to balance different drugs which could induce different response in large vessels (compliance), heart (contractility) or particularly in small vessels (SVR).

L’infiammazione acuta e la sepsi inducono cambiamenti nelle proprietà vascolari e allo stesso tempo alterano profondamente i meccanismi di controllo del sistema nervoso autonomo (SNA). Le attuali linee guida hanno come obiettivo primario la rianimazione dei pazienti settici, principalmente tramite fluidi, antibiotici e vasopressori (VP). Tuttavia, nei pazienti rianimati, si osservano spesso uno stato iperdinamico e comorbidità secondarie. L’obiettivo di questo lavoro è la caratterizzazione dell’albero arterioso e della risposta cardiovascolare in un modello animale di sepsi polimicrobica con una finestra di osservazione a lungo termine. Venti maiali sono stati randomizzati in peritonite fecale (SS n = 10)/controllo (SH n = 10). Gli animali sono stati monitorati per 72 ore dopo lo sviluppo della sepsi e sono stati sottoposti alle procedure cliniche standard di rianimazione. In questo studio sono state misurate le variabili emodinamiche standard, come la pressione arteriosa (ABP), la frequenza cardiaca (HR), la gittata cardiaca (CO), il volume sistolico o gittata sistolica (SV); sono stati inoltre considerati degli indici vascolari: la constante di tempo tau del modello Windkessel, la complianza arteriosa carotidea (cAC), la resistenza vascolare sistemica (SVR), l’elastanza arteriosa effettiva (Ea) e il massimo upstroke arterioso. La regolazione autonomica del sistema cardiovascolare è stata valutata tramite l’analisi spettrale della pressione arteriosa diastolica (DAP) e la stima del guadagno del baroriflesso cardiaco (BRS). Il protocollo di rianimazione, sebbene abbia riportato la pressione arteriosa media (MAP) ai valori target ≥ 65 mmHg, non ha ripristinato una condizione emodinamica fisiologica nel gruppo degli animali in sepsi. Dallo sviluppo della sepsi fino alla fine dell’esperimento, abbiamo osservato una tachicardia persistente associata ad alti valori di CO e bassi valori di SV che non sono tornati ai livelli iniziali, oltre che una riduzione di tau, SVR, cAC e un aumento del post-carico (Ea). La sepsi ha anche indotto una riduzione significativa nell’indice BRS, che non è tornato ai livelli precedenti all’induzione della sepsi. I risultati del presente lavoro confermano gli studi precedenti e supportano l’idea di adattare la terapia anche in funzione dello stato del sistema cardiovascolare del paziente. Infine, si spera che in futuro possa essere approfondita la modulazione dei VP, al fine di bilanciare gli effetti dei vari farmaci che potrebbero indurre risposte diverse nei grandi vasi in termini di complianza, sul cuore in termini di contrattilità o nei piccoli vasi in termini di SVR.