Arterial pulse wave analysis detects a different arterial response to esmolol and ivabradine administration in septic shock pigs

Septic shock can induce profound alterations of arterial properties and blood flow propagation, leading to altered arterial waveform despite successful hemodynamic stabilization. The aim of this thesis is to analyze the arterial waveform through pulse wave analysis techniques to quantify its alterations during a protocol of polymicrobial septic shock and resuscitation with either standard therapy (i.e. fluids and noradrenaline) or the adjunction of negative chronotropic drugs (i.e. esmolol or ivabradine). Fifteen septic shock pigs were divided into three groups: a control group (n=3) receiving standard therapy, the ivabradine-treated group (n=6), and the esmolol-treated group (n=6). Arterial blood pressure (ABP) was recorded in aorta and in the radial artery. Standard and advanced waveform-derived indices were computed on aortic ABP exploiting pulse wave analysis techniques. Moreover, new algorithms were proposed and tested to identify the dicrotic notch and the inflection point on the ABP pulse. Finally, a clustering analysis was carried out to test the performance of aortic waveform-derived indices alone to classify the pigs in terms of time points. Overall, the esmolol pigs were characterized by an arterial waveform at the end of the experiment more similar to baseline compared to the other groups, despite similar mean hemodynamic values obtained according to international resuscitation guidelines. This may suggest a partial recover of arterial properties and a more physiologic cardiovascular status in these pigs, which may be due to the anti-inflammatory action of esmolol. The information derived from the arterial waveform alone adds important insights into the cardiovascular status of the septic subject, allowing for a better assessment than average values alone. We may envision a future integration of these indices into standard bedside monitoring protocols to test their effectiveness in improving therapy delivery and patients outcome.

Lo shock settico può indurre un importante deterioramento delle proprietà vascolari e un’alterata propagazione del flusso sanguigno lungo l’albero arterioso, che tipicamente portano ad un'alterazione della forma d'onda della pressione arteriosa nonostante un’efficace stabilizzazione emodinamica a valle del protocollo di rianimazione. L’obiettivo di questa tesi si focalizza sull’analisi della forma d'onda della pressione arteriosa per quantificare le alterazioni durante un protocollo di shock settico polimicrobico e rianimazione con terapia standard (i.e. fluidi e noradrenalina) o con l'aggiunta di farmaci cronotropi negativi (i.e. esmololo o ivabradina). Lo shock settico è stato indotto in 15 maiali, che sono stati successivamente divisi in tre gruppi: un gruppo di controllo (n=3) che ha ricevuto la terapia standard, un gruppo trattato con ivabradina (n=6) e un gruppo trattato con esmololo (n=6). La pressione arteriosa è stata acquisita in aorta e nell'arteria radiale. La forma d’onda arteriosa è stata caratterizzata attraverso indici standard e avanzati adottando diverse tecniche di Pulse Wave Analysis proposte in letteratura. Inoltre, sono stati proposti e testati nuovi algoritmi per l’identificazione dell’incisura dicrota e del punto di inflessione sul segnale aortico. Infine, è stata effettuata un'analisi di clustering per verificare la performance degli indici calcolati nel classificare gli animali durante le diverse fasi dell’esperimento. I risultati hanno mostrato che, a fine esperimento, i maiali trattati con esmololo sono caratterizzati da una forma d'onda arteriosa più simile a quella di inizio esperimento rispetto agli altri gruppi, suggerendo un parziale recupero delle proprietà vascolari e uno stato cardiovascolare globale più fisiologico in questi maiali. Questo risultato può essere interpretato alla luce delle recenti evidenze di un'azione antinfiammatoria dell’esmololo, che risulterebbe benefica sia a livello locale vascolare sia a livello globale emodinamico. In conclusione, le informazioni derivate da questi indici della forma d’onda aggiungono importanti informazioni sullo stato cardiovascolare del soggetto settico, e potrebbero migliorare il monitoraggio dello stato del paziente e la risposta alla terapia rispetto agli indici standard, come i valori emodinamici medi, su cui attualmente si basano le linee guida.