Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.


Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Emergency medicine" 1 (80) 2017

Back to issue

Blood carboxyhemoglobin monitoring for evaluation of severity of traumatic shock and reperfusion injuries (analytical review with results of our own observations)

Authors: Курсов С.В., Белецкий А.В., Лизогуб К.И., Лизогуб Н.В.
Харьковская медицинская академия последипломного образования, г. Харьков, Украина
ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов имени профессора М.И. Ситенко НАМН Украины», г. Харьков, Украина

Categories: Medicine of emergency

Sections: Specialist manual

print version


Summary

Монооксид вуглецю — природний метаболіт організму. В організмі СО утворюється в процесі роботи ферменту гемоксигенази 1 та 2 із зруйнованого гемоглобіну. Цей процес зумовлює утворення деякої кількості карбоксигемоглобіну у здорових осіб, навіть якщо СО не надходить до організму ззовні в процесі дихання. СО виконує функції сигнальної молекули, модулюючи стан тонусу серцево-судинної системи, пригнічує та сприяє зворотному розвитку порушень, що викликані запальною відповіддю, та може відігравати важливу роль як потенційний терапевтичний агент. З іншого боку, СО при взаємодії з гемоглобіном утворює карбоксигемоглобін та витісняє кисень із зв’язки з гемоглобіном, що веде до неспроможності доставки кисню тканинам. Окрім цього, СО також зв’язується із міоглобіном та мітохондріальною цитохромоксидазою. Тривала присутність у крові значної кількості СО викликає серйозні ушкодження міокарда та центральної нервової системи. Отже, надмірна ендогенна продукція СО та надмірне утворення карбоксигемоглобіну можуть відігравати значну роль у тканинному пошкодженні та формуванні поліорганної дисфункції. Окрім гему, що звільнюється при руйнуванні гемоглобіну, джерелом продукції ендогенного СО та, у свою чергу, карбоксигемоглобіну можуть бути компоненти зруйнованих клітинних мембран та мітохондріальні ферменти, що містять гем. Клітинні ушкодження, що мають місце в умовах травматичного шоку, наслідки ішемії/реперфузії, геморагічне просочення тканин, гемотрансфузії та інтенсивне утворення агресивних вільних радикалів ведуть до зазначених подій. На сьогодні більшість дослідників розглядає продукцію СО та карбоксигемоглобіну при критичних станах як компенсаторний механізм, що забезпечує цитопротекцію та зростання виживаності хворих. Ми вивчили результати досліджень, що стосуються оцінки інтенсивності продукції СО, вмісту в крові карбоксигемоглобіну та вмісту СО в повітрі, що видихається, у пацієнтів в критичних станах та порівняли ці результати із даними власних спостережень. В іноземних джерелах наведено концентрації карбоксигемоглобіну в крові, що в більшості випадків не перевищували 4 %. У нашому дослідженні вивчались пацієнти із політравмою та крововтратою на ранньому госпітальному етапі. Оцінювалися показники центральної гемодинаміки, а також сатурація капілярної крові киснем, перфузійний індекс та вміст у крові карбоксигемоглобіну за допомогою технології компанії «Masimo». Усі постраждалі надходили до клініки з нормальним вмістом карбоксигемоглобіну в крові. Патологічне зростання концентрації карбоксигемоглобіну спостерігалося в процесі реперфузії. Швидка рідинна ресусцитація, застосування гіпертонічних розчинів та адреналіну сприяли зростанню артеріального тиску, перфузійного індексу та концентрації карбоксигемоглобіну. Наступне за реперфузією зростання концентрації в крові карбоксигемоглобіну було тим більшим, чим більш тяжким був перебіг шоку. Реінфузія крові також сприяла збільшенню концентрації карбоксигемоглобіну в крові. Високі показники концентрації карбоксигемоглобіну в крові постраждалих із травматичним шоком у період реперфузії закономірно викликають питання про його роль у формуванні мітохондріальної дисфункції при травматичній хворобі.

Монооксид углерода (СО) — естественный метаболит организма. В организме СО продуцируется в процессе работы фермента гемоксигеназы 1 и 2 из разрушенного гемоглобина. Этот процесс обусловливает образование некоторого количества карбоксигемоглобина у здоровых людей, даже если СО не поступает в организм извне в процессе дыхания. СО выполняет функции сигнальной молекулы, модулируя состояние тонуса сердечно-сосудистой системы, угнетает и способствует обратному развитию изменений, вызванных воспалительным ответом, и может играть важную роль в качестве потенциального терапевтического агента. С другой стороны, СО при взаимодействии с гемоглобином образует карбоксигемоглобин и вытесняет кислород из связи с гемоглобином, что приводит к неэффективности доставки кислорода к тканям. Помимо этого, СО также связывается с миоглобином и митохондриальной цитохромоксидазой. Продолжительное присутствие в крови СО вызывает серьезные повреждения миокарда и центральной нервной системы. Таким образом, избыточная эндогенная продукция СО и избыточное образование карбоксигемоглобина могут играть значительную роль в тканевом повреждении и формировании полиорганной дисфункции. Помимо гема, высвобождающегося при разрушении гемоглобина, источником продукции эндогенного СО и, в свою очередь, карбоксигемоглобина могут быть компоненты разрушенных клеточных мембран и гемсодержащие митохондриальные ферменты. Клеточные повреждения, имеющие место в условиях травматического шока, последствия ишемии/реперфузии, геморрагическое пропитывание тканей, гемотрансфузии и интенсивное образование агрессивных свободных радикалов приводят к указанным событиям. В настоящее время большинство исследователей рассматривают эндогенную продукцию СО и карбоксигемоглобина при критических состояниях в качестве компенсаторного механизма, обеспечивающего цитопротекцию и повышение выживаемости пациентов. Мы изучили результаты исследований, касающиеся оценки интенсивности продукции СО, содержания в крови карбоксигемоглобина и содержания СО в выдыхаемом воздухе у пациентов, находящихся в критических состояниях, и сравнили эти результаты с данными наших наблюдений. В иностранных источниках представлены концентрации карбоксигемоглобина в крови, в большинстве случаев не превышающие 4 %. В нашем исследовании обследовались пациенты с политравмой и кровопотерей на раннем госпитальном этапе. Оценивались показатели центральной гемодинамики, а также сатурация капиллярной крови кислородом, перфузионный индекс и содержание в крови карбоксигемоглобина с помощью технологии компании «Masimo». Все пострадавшие поступали в клинику с нормальным содержанием карбоксигемоглобина в крови. Патологическое возрастание концентрации карбоксигемоглобина наблюдалось в процессе реперфузии. Быстрая жидкостная ресусцитация, применение гипертонических растворов и адреналина способствовало росту артериального давления, перфузионного индекса и концентрации карбоксигемоглобина. Последовавшее за реперфузией повышение концентрации карбоксигемоглобина было тем значительнее, чем тяжелее протекал шок. Реинфузия крови также способствовала нарастанию концентрации в крови карбоксигемоглобина. Высокие показатели концентрации карбоксигемоглобина в крови пострадавших в период реперфузии закономерно вызывают вопрос о его роли в формировании митохондриальной дисфункции при травматической болезни.

Carbon monoxide (CO) is the native product of organism metabolism. In biology, carbon monoxide is naturally produced by the action of heme oxygenase 1 and 2 on the heme from hemoglobin breakdown. This process produces a certain amount of carboxyhemoglobin in healthy persons, even if they do not breathe any carbon monoxide. CO functions as an endogenous signaling molecule modulates functions of the cardiovascular system, suppresses, reverses, and repairs the damage caused by inflammatory responses and may play the role of potential therapeutic agent. On the other hand, CO combines with hemoglobin to produce carboxyhemoglobin, which occupies the space in hemoglobin that normally carries oxygen, but it is ineffective for delivering oxygen to bodily tissues. Furthermore, CO also binds to other molecules, such as myoglobin and mitochondrial cytochrome oxidase. Exposures to carbon monoxide may cause significant damage to the heart and central nervous system. Thus, excessive endogenous CO production and excessive carboxyhemoglobin generation may play a significant role in tissue damage and multiorgan dysfunction formation. Apart from hemoglobin breakdown, heme compounds of cell membrane and mitochondrial enzymes may become the source of endogenous CO and carboxyhemoglobin production. Cell damage in traumatic shock and ischemia/reperfusion circumstances, tissue blood loss, blood transfusions and intensive reactive oxygen species generation can lead to foregoing events. Currently, many investigators consider an endogenous CO and carboxyhemoglobin production in critical states as a compensatory mechanism that promotes cytoprotection and contributes to patients’ survivability. We have studied the results of these investigations by means of the evaluation of CO production activity and the estimation of carboxyhemoglobin content in patient blood and СO in expiratory air. We have compared these results with the outcomes of our observation. Carboxyhemoglobin blood concentration no more than 4 % was presented in the majority of foreign investigations in patients in critical states. In our study, there have been examined patients with polytrauma with the symptoms of a wound shock at an early hospital stage. The indices of central hemodynamics and the saturation of capillary blood with oxygen, the perfusion index value have been determined according to the Masimo company techniques. All the patients were delivered to emergency department with normal carboxyhemoglobin blood concentration. Pathological carboxyhemoglobin was detected after reperfusion emergence. Fast fluid resuscitation, hypertonic solution use, epinephrine administration were associated with increase of the blood pressure, perfusion index (PI) and carboxyhemoglobin blood concentration. PI value is equal to 0.6–1.5 % in compensatory shock (I–II state severity) and associated with elevation of carboxyhemoglobin blood concentration in level 4–10 %. PI value is equal to 0.1–0.5 % in decompensatory shock (III–IV state severity) and associated with elevation of carboxyhemoglobin blood concentration in level 12–20 %. In the most severe cases, carboxyhemoglobin blood concentration increased up to 26 %. Blood reinfusion was associated with the increase of blood carboxyhemoglobin up to 10–14 %. So, endogenous CO production and carboxyhemoglobin generation in trauma with shock is strongly associated with shock state severity. The most active CO production in shock occurred in reinfusion period after capillary blood flow increased. The carboxyhemoglobin blood concentration in traumatic shock may be very increased. CO level and carboxyhemoglobin blood content in shock and reperfusion can play a significant role in hypoxia and mitochondrial dysfunction formation.


Keywords

монооксид вуглецю; карбоксигемоглобін; ішемія/реперфузія; травматичний шок; мітохондріальна дисфункція; огляд

монооксид углерода; карбоксигемоглобин; ишемия/реперфузия; травматический шок; митохондриальная дисфункция; обзор

carbon monoxide; carboxyhemoglobin; ischemia/reperfusion; traumatic shock; mitochondrial dysfunction; review


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Sjostrand T. Endogenous Formation of Carbon Monoxide in Man / T. Sjostrand // Nature. — 1949. — Vol. 164, № 4170. — P. 580.
2. Wu L. Carbon Monoxide: Endogenous Production, Physiological Functions, and Pharmacological Applications / Lingyun Wu, Rui Wang // Pharmacological Reviews. — 2005. — Vol. 57, № 4. — Р. 585-630.
3. Almeida A.S. Carbon Monoxide and Mitochondria — Modulation of Cell Metabolism, Redox Response and Cell Death / A.S. Almeida, C. Figueiredo-Pereira, H.L.A. Vieira // Frontiers in Physiology. Mitochondrial Research [електронний ресурс] 09 February 2015 / Режим доступу: http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fphys.2015.00033/full#B41
4. Heme Oxygenase/Carbon Monoxide Signaling Pathways: Regulation and Functional Significance / S.W. Ryter, L.E. Otterbein, D. Morse [et al.] // Molecular & Cellular Biochemistry. — 2002. — Vol. 234-235, № 1-2. — P. 249-263.
5. Gozzelino R. Mechanisms of Cell Protection by Heme Oxygenase-1 / R. Gozzelino, V. Jeney, M.P. Soares // Annual Review of Pharmacology & Toxicology. — 2010. — Vol. 50. — P. 323-354.
6. Piantadosi C.A. Biological Chemistry of Carbon Mono–xide / C.A. Piantadosi // Antioxidants & Redox Signaling. — 2002. — № 4. — P. 259-270.
7. Armstrong D. Oxidative Stress and Antioxidant Protection. The Science of Free Radical Biology and Disease / D. Armstrong, R.D. Stratton-Hoboken. — New Jersey: Published by John Wiley Blackwell & Sons, Inc. 2016. — 561 p.
8. Ryter S.W. Heme Oxygenase-1/Carbon Monoxide: from Basic Science to Therapeutic Applications / S.W. Ryter // Physio–logical Reviews. — 2006. — Vol. 86. — P. 583-650.
9. Carboxyhemoglobin as a Marker for Sepsis and Stress Severity in Trauma / M. Moncure, C. Brathwaite, R. Marburger [et al.] // Shock. — 1996. — Vol. 5, Suppl. 2. — P. 6. (abstr. 18).
10. Carboxyhemoglobin Elevation in Trauma Victims / M. Moncure, C.E. Brathwaite, E. Samaha [et al.] // Journal of Trauma. — 1999. — Vol. 46, № 3. — P. 424-427.
11. Increased Carbon Monoxide in Exhaled Air of Critically Ill Patients / M. Scharte, H.G. Bone, H. Van-Aken [et al.] // Biochemical and Biophysical Research Communications. — 2000. — Vol. 267, № 1. — P. 423-426.
12. Increased Carbon Monoxide Concentration in Exhaled Air after Surgery and Anesthesia / M. Hayashi, T. Takahashi, H. Morimatsu [et al.] // Anesthesia & Analgesia. — 2004. — Vol. 99, № 2. — P. 444-448.
13. Exhaled Carbon Monoxide Levels Change in Relation to Inspired Oxygen Fraction During General Anesthesia / T. Adachi, K. Hirota, T. Hara [et al.] // Anesthesia & Analgesia. — 2007. — Vol. 105, № 3. — P. 696-699.
14. Cardiopulmonary Bypass Increases Endogenous Carbon Monoxide Production / P. Schober, M. Kalmanowicz, L.A. Schwarte [et al.] // Journal of Cardiothoracic & Vascular Anesthesia. — 2009. — Vol. 23, № 6. — P. 802-806.
15. Owens E.O. Endogenous Carbon Monoxide Production in Disease / E.O. Owens // Clinical Biochemistry. — 2010. — Vol. 43, № 15. — P. 1183-1188.
16. Arterial Carboxyhemoglobin Level and Outcome in Critically Ill Patients / D.D. Melley, S.J. Finney, A. Elia [et al.] // Critical Care Medicine. — 2007. — Vol. 35, № 8. — P. 1882-1887.
17. An Increase in Exhaled CO Concentration in Systemic Inflammation/Sepsis / H. Morimatsu, T. Takashi, T. Matsusaki [et al.] // Journal of Breath Research. — 2010. — Vol. 4, № 4 / IOP Science [електронний ресурс] / Режим доступу: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1752-7155/4/4/047103/meta;jsessionid = EFBA44FEC8B940D56E24AEB84363424C.c5.iopscience.cld.iop.org
18. Carboxyhemoglobin Levels in Medical Intensive Care Patients: a Retrospective, Observational Study / A.S. Fazecas, M. Wewalka, C. Zauner [et al.] // Critical Care. — 2012. — Vol. 16. — Р. 6.
19. Yanagawa Y. Significance of the Carboxyhemoglobin Level for out-of-Hospital Cardiopulmonary Arrest / YouichiYanagawa // Journal of Emergency Trauma & Shock. — 2012. — Vol. 5, № 4. — P. 338-341.
20. Burns J. Carboxyhemoglobin Associated with Hemolysis as a Marker of Impending Oxygenator Failure in VA ECMO / J. Burns, A. Hurtado-Doce, N. Lees // Critical Care Medicine. — 2015. — Vol. 43, Issue 12. — P. 38 (art. 146).
21. Kao L.W. Toxicity Associated with Carbon Monoxide / L.W. Kao, K.A. Nañagas // Clinics in Laboratory Medicine. — 2006. — Vol. 26, № 1. — P. 99-125.

Back to issue