Alteration of wave reflection during sepsis and resuscitation : methods and preliminary results from a 5-day swine experiment

Sepsis is a life-threatening medical condition that occurs when the body's response to an infection triggers a systemic inflammatory response that can lead to organ failure and death. Sepsis severely alters arterial blood pressure (ABP) waveform and cardiovascular function, and previous studies have highlighted how recommended therapy, i.e., fluids and vasopressors, is not able to restore the hemodynamic profile of ABP waveform, although resuscitation was considered successful on the basis of standard parameters; this suggests a persistent alteration of the arterial vasculature and an impaired blood flow propagation and reflection. The aim of this study is to investigate the changes in ABP waveform and wave reflection phenomena during a long-term swine experiment of polymicrobial sepsis and resuscitation. Twenty pigs were randomized to fecal peritonitis (SS n = 10)/sham (SH N = 10). The animals were analysed up to 48 hours after sepsis development, and they underwent to the same resuscitation used in clinics. ABP, and arterial blood flow (ABF) were measured in the left and right carotid artery, respectively. Arterial input impedance (Zin) and the carotid characteristic impedance (Zc) were estimated by using both frequency domain techniques based on Fourier Series decomposition and time domain methods. Pulse wave separation techniques were performed to assess the forward and reflected waves, and indices of waves reflection were computed such as reflection magnitude, reflection index, first harmonic of normalized Zin modulus (computed as the ratio between Zin modulus and Zc), peak, amplitude, and steepness of forward (Pf) and reflected (Pb) pressure waves, carotid pulsatility index, and harmonic distortion. Moreover, ABP wave morphology was evaluated by means of pulse wave analysis techniques, such as augmentation index (AIx), considered another surrogate of waves reflection. Sepsis led to significant alterations in ABP wave morphology and reflection phenomena, highlighted by the significant decrease in AIx, that became negative in almost all animals, and the reduction in the amount of reflections, probably induced by the severe vasodilation typical of sepsis. Zc increased in septic pigs, probably related to the stiffening of the vessel. After therapy administration, AIx was restored to values very similar to sham pigs and baseline; on the contrary, wave reflections indices, e.g., normalized Zin modulus, showed significantly lower values in the septic population, hinting that an altered propagation and reflection of ABP pulse was still present despite the reaching of the overall hemodynamic targets according to guidelines. Despite resuscitation was able to restore the overall morphology of ABP pulse, the computed indices highlighted that wave reflections may be still altered even after 48h of successful hemodynamic resuscitation, suggesting a persistent alteration of the arterial vasculature. We propose that a complex pathological condition like sepsis and septic shock mandates an extensive monitoring including additional important information from commonly measured signals like ABP.

La sepsi è una condizione medica che si verifica quando la risposta del corpo a un'infezione scatena una risposta infiammatoria sistemica che può portare a insufficienza degli organi e morte. La sepsi altera gravemente la forma d'onda della pressione arteriosa e le funzioni cardiovascolari. Studi precedenti hanno evidenziato come la terapia raccomandata, ovvero la somministrazione di fluidi e di vasopressori, non sia in grado di ripristinare il profilo emodinamico della forma d'onda della pressione arteriosa, nonostante la rianimazione sia stata considerata riuscita sulla base dei parametri standard. Ciò suggerisce un'alterazione persistente del sistema vascolare arterioso e una alterazione della propagazione e riflessione del flusso sanguigno. Lo scopo di questo studio è di indagare sui cambiamenti nella forma d'onda della pressione e sui fenomeni di riflessione durante un esperimento a lungo termine su suini affetti da sepsi polimicrobica e successivamente sottoposti al protocollo di rianimazione. Venti suini sono stati randomizzati in peritonite fecale (SS n = 10)/sham (o controllo) (SH n = 10). Gli animali sono stati analizzati fino a 48 ore dopo lo sviluppo della sepsi e sono stati sottoposti agli stessi standard di rianimazione utilizzati in ambito clinico. La pressione arteriosa e il flusso sanguigno arterioso sono stati misurati rispettivamente nell'arteria carotidea sinistra e destra. L'impedenza di input arteriosa (Zin) e l'impedenza caratteristica carotidea (Zc) sono state stimate utilizzando sia tecniche nel dominio delle frequenze basate sulla Serie di Fourier, che metodi nel dominio del tempo. È stata applicata la pulse wave analysis com tecnica di separazione dell'onda per valutare le onde incidente e riflessa. Sono stati calcolati indici di riflessione delle onde, quali la reflection magnitude, reflection index, il modulo normalizzato della prima armonica di Zin (calcolato come il rapporto tra il modulo di Zin e Zc), il picco, l'ampiezza e la pendenza delle onde di pressione incidente e riflessa, l'indice di pulsazione carotidea e la distorsione armonica. Inoltre, la morfologia dell'onda ABP è stata valutata mediante tecniche di pulse wave analysis, come l’augmentation index (AIx), considerato un altro surrogato delle onde di riflessione. La sepsi ha portato a significative alterazioni nella morfologia dell'onda ABP e nei fenomeni di riflessione, evidenziati dalla significativa diminuzione dell’AIx, diventato negativo in quasi tutti gli animali, e dalla riduzione della quantità di riflessioni, probabilmente indotta dalla grave vasodilatazione tipica della sepsi. Zc è aumentato nei suini settici, probabilmente correlato all'irrigidimento del vaso. Dopo l'amministrazione della terapia, il valore di AIx è stato ripristinato a valori molto simili a quelli dei suini di controllo ai valori baseline; al contrario, gli indici delle riflessioni dell'onda, quali ad esempio il modulo di Zin normalizzato, hanno mostrato valori significativamente più bassi nella popolazione settica, suggerendo che una propagazione e una riflessione alterata dell'onda di pressione arteriosa era ancora presente nonostante il raggiungimento degli obiettivi emodinamici complessivi secondo le linee guida del protocollo di rianimazione. Nonostante la rianimazione sia stata in grado di ripristinare la morfologia complessiva dell'onda di pressione arteriosa, gli indici calcolati hanno evidenziato che le riflessioni dell'onda potrebbero essere ancora alterate anche dopo 48 ore di rianimazione emodinamica riuscita, suggerendo un'alterazione persistente della vascolarizzazione arteriosa. In questo studio viene proposto come una condizione patologica complessa come la sepsi e lo shock settico richiedano un monitoraggio estensivo che includa informazioni importanti aggiuntive dai segnali comunemente misurati come la pressione arteriosa.