Oxygénation sous ECMO veino-artérielle pour choc cardiogénique

Extracorporeal oxygenation with veno-arterail ECMO for cardiogenic shock

• Auteur / Autrice : Hadrien Winiszewski
• Direction : Gilles Capellier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Médecine, pathologie cardiorespiratoire et vasculaire
• Date : Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sinergies (Besançon)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Kimmoun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Besch, Pierre-Grégoire Guinot, Gaël Piton, Matthieu Schmidt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadia Aissaoui, Charles-Edouard Luyt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Études rétrospectives

Choc cardiogénique

ECMO (médecine)

Hyperoxie

Oxygène dans l'organisme

Mots clés libres

Oxygène

Hyperoxémie

Ecmo

Choc cardiogénique

Oxygen

Hyperoxemia

Ecmo

Cardiogenic shock

Résumé

L’hyperoxémie sévère (PaO2>300 mmHg) est rapportée chez 6 à 20 % des patients sous ECMO veino-artérielle (VA) pour choc cardiogénique (CC). Une attention particulière doit y être portée car des études observationnelles ont décrit une association entre PaO2 radiale droite et mortalité dans ce contexte.Nous avons donc d’abord réalisé une revue de littérature. Sous ECMO VA fémoro-fémorale, il existe un phénomène d’oxygénation différentielle. Le haut du corps est perfusé par le cœur et oxygéné par les poumons. La PaO2 de l’aorte proximale est déterminée par la FIO2, la PEP, mais aussi par le débit d’ECMO et la fraction d’oxygène du gaz frais (FSO2). Le bas du corps est perfusé et oxygéné par l’ECMO, et la pression partielle en oxygène mesurée en postoxygénateur (PPOSTO2) est principalement déterminée par FSO2.Malgré le rôle prépondérant de la FSO2 dans l’hyperoxémie induite par l’ECMO, peu de données sont disponibles sur sa gestion au quotidien. Nous avons donc mené une étude rétrospective sur 139 patients dans 15 réanimations, visant à décrire les pratiques d’oxygénation sous ECMO VA pour CC. La FSO2 médiane entre J1 et J7 d’ECMO était de 70%[57-79]. La PPOSTO2, témoin de l’oxygénation hépato-splanchnique et rénale, n’était mesurée que chez 28% des patients, et seulement dans 4 centres. Deux tiers des valeurs étaient supérieures à 150 mmHg, cible recommandée par l’ELSO. La PaO2 radiale droite moyenne J1-J3, mais aussi la FSO2 moyenne J1-J3 étaient associées à la mortalité en réanimation.Bien que l’hyperoxémie puisse aggraver les lésions de reperfusion, elle pourrait aussi n’être qu’un marqueur de gravité. Plus l’insuffisance cardiaque est sévère, plus la localisation de la mixing zone est proximale dans l’aorte. Elle peut alors se trouver en amont du tronc artériel brachiocéphalique. La PaO2 radiale droite est alors déterminée par la FSO2. Les patients les plus hyperoxémiques pourraient donc être ceux avec l’insuffisance cardiaque la plus sévère, ayant de fait un moins bon pronostic.Pour déterminer si l’hyperoxémie affecte ou non le pronostic, nous avons mené un essai randomisé multicentrique pilote visant à évaluer la faisabilité d’une stratégie d’oxygénation extracorporelle conservatrice (PPOSTO2 100-150 mmHg), et à la comparer à une stratégie libérale (FSO2 100%) en terme de dysfonction d’organes sous ECMO VA pour CC. L’intervention était la titration de la FSO2 sous surveillance biquotidienne de la PPOSTO2. Le critère de jugement principal était la concentration plasmatique en IFABP, un marqueur de lésion de l’intestin grêle, mesurée à J2. Les critères secondaires étaient la faisabilité, les fonctions rénale et hépatique à J0, J2 et J6. Cinquante-cinq patients ont été randomisés (29 bras conservateur, 26 bras libéral). Les paramètres d’oxygénation différaient entre les deux bras : FSO2 61(±7) % Vs 98(±7) %, et PPOSTO2 130(±40) mmHg Vs 420(±50) mmHg, respectivement dans les bras conservateur et libéral. Cependant, dans le bras conservateur, le pourcentage médian de valeurs de PPOSTO2 dans la cible n’était que de 38 % [IQR 20-46], reflétant l’importante variabilité de la PPOSTO2. La concentration plasmatique d’IFABP à J2 ne différait pas entre les deux bras. Il n’y avait pas non plus de différence de créatinine, de recours à la dialyse, de transaminases, et de taux de prothrombine.Nos résultats suggèrent que l’hyperoxémie sous ECMO VA est fréquente et même sous-estimée, la PPOSTO2 n’étant pas systématiquement surveillée. La titration de la FSO2 visant une PPOSTO2 entre 100 et 150 mmHg ne semble pas diminuer les dysfonctions d’organes au cours de la première semaine d’ECMO VA, en comparaison à une stratégie libérale d’oxygénation. Cependant, il est difficile de maintenir la PPOSTO2 dans la cible. Des travaux intégrant la surveillance continue de la saturation en oxygène postoxygénateur seraient utiles avant d’écarter définitivement un bénéfice de la titration de la FSO2 chez les patients sous ECMO VA pour CC.

Although primarily used to restore hemodynamic, VA ECMO significantly affects arterial oxygenation, and severe hyperoxemia (PaO2 > 300 mmHg) is frequently reported. It is of concern, as several observational studies have reported an association between right radial PaO2 and poor outcome in cardiogenic shock (CS) supported by VA ECMO.Currently it is recommended to avoid hyperoxemia. However, managing PaO2 during peripheral VA ECMO is complex. We first conducted a literature review. In the case of femoro-femoral VA ECMO, there is a differential oxygenation phenomenon. The upper body is perfused by native cardiac output and oxygenated by the lung. Then, PaO2 of the proximal aorta and its first branch (such as brachiocephalic trunk) is affected by inspired oxygen fraction, positive end expiratory pressure, but also by ECMO blood flow and sweep gas oxygen fraction (FSO2). The lower body is perfused and oxygenated by the ECMO, and postoxygenator oxygen partial pressure (PPOSTO2) is mainly determined by FSO2. Despite the major role of FSO2 in ECMO-induced hyperoxemia, little is known about setting of FSO2 in daily practice.Then, we conducted an observational study of 139 patients in 15 ICU, aiming at describing oxygenation practices during VA ECMO support for CS. Median FSO2 from day 1 to 7 was 70% [57-79]. PPOSTO2 was measured in only 28% of patients in 4 centers, and revealed significant hyperoxemia as two third of values were above 150 mmHg. Interestingly, mean right radial PaO2 day1-3, but also mean FSO2 day1-3 were associated with in-ICU mortality.Although it is plausible that hyperoxemia may be harmful by boosting ischemia-reperfusion injuries, it may also be a marker of cardiac failure severity. The mixing zone location, i.e. the point in the aorta where the native and the extracoporeal circulations meet, varies depending on native cardiac output and ECMO support. In the most severe cardiac failure, the mixing zone is proximal in the aorta, before the brachiocephalic trunk, and right radial PaO2 is mainly determined by FSO2. Then, the most hyperoxemic patients may be those with the most severe cardiac failure, having per se a worse prognosis.To determine whether hyperoxemia affects patient outcome or not, we conducted a pilot randomized trial aiming at evaluating the feasibility of a conservative extracorporeal oxygen target strategy (PPOSTO2 100 to 150 mmHg), and comparing it to a liberal one (FSO2 maintained at 100%) regarding to organ dysfunction in the first week of VA ECMO support. The intervention was FSO2 titration based on PPOSTO2 monitoring, at least twice a day. Patients with CS supported by VA ECMO for less than 6 hours were enrolled. The primary outcome was intestinal fatty acid binding protein (IFABP) concentration on day 2, a specific marker of small bowel damage. Secondary outcomes were feasibility, biomarkers of renal and hepatic function from day 0 to 6 after randomization. Fifty-five patients were randomized (29 in conservative arm, 26 in liberal arm). The two arms were well separated: FSO2 61 (±7) % versus 98 (±7) %, and PPOSTO2 130 (±40) mmHg versus 420 (±50) mmHg, in the conservative and liberal arms, respectively. However, in the conservative arm, the median percentage of PPOSTO2 in the target window was only 38% [IQR 20-46], reflecting an important variability of PPOSTO2. There was no difference in IFABP level on day 2, nor in serum creatinine, need for renal replacement therapy, ASAT and prothrombin time.Our results suggest that ECMO-induced hyperoxemia is frequent and underestimated in daily practice, as PPOSTO2 is not routinely monitored. Titrating FSO2 aiming at mild postoxygenator hyperoxemia does not seem to improve organ dysfunction in the first week of VA ECMO support. However, maintaining PPOSTO2 in the target window is difficult. Future research with continuous monitoring of postoxygenator oxygenation is needed to definitively evaluate the benefit of FSO2 titration in VA ECMO.