Biomarkers of oxidative stress in acute respiratory distress syndrome in exhaled breath measured online by mass spectrometry

Introducció: En el context de la síndrome del destret respiratori agut (SDRA), neutròfils activats emigren dels capil·lars pulmonars cap a l'alvèol i a l'espai intersticial, on alliberen radicals lliures d'oxigen anomenats espècies reactives de l'oxigen (ROS) que juguen un paper molt important en la patogènesis del SDRA. La secreció de ROS i d'altres mediadors proinflamatoris culminen en la lesió de la membrana alveolo-capil·lar, causant increment de la permeabilitat i edema pulmonar. Quan ROS interaccionen amb els lípids de les membranes de les cèl·lules pulmonars, té lloc un procés anomenat peroxidació lipídica, que dóna lloc, en última instància, a la generació de components orgànics volàtils (VOCs) com pentà, malondialdehid, propionaldehid i acetona. Donat que aquests components són volàtils i s'originen primerament en el pulmó, s'esperaria que fossin trobats en l'aire exhalat abans que en la sang. Objectius: L'objectiu principal fou determinar si els prèviament esmentats productes de peroxidació lipídica poden ser mesurats on-line en l'aire expirat dels pacients amb SDRA i si la seva concentració és més alta en comparació amb el grup control, sense lesió pulmonar aguda. Els objectius secundaris foren determinar: i) la resposta inflamatòria sistèmica a través de la proteïna C-reactiva, interleuquina-6 i procalcitonina en sang; ii) si hi ha associació lineal entre les concentracions dels diferents VOCs i entre els VOCs i els marcadors d'inflamació sistèmics, així com també entre VOCs i severitat de la lesió pulmonar expressada per l'escala LIS (Lung Injury Score) i PaO2/FiO2. Disseny: Anàlisi transversal dels VOCs i dels marcadors d'inflamació sistèmics dins d'un estudi observacional prospectiu descriptiu de paràmetres clínics portat a terme en el període 2009-2011. Context: Unitat de Cures Intensives medicoquirúrgica en un hospital universitari amb 20 llits. Pacients: Es van incloure de manera prospectiva pacients amb SDRA (dins de les primeres 48h del diagnòstic) (n=16) i pacients ventilats mecànicament sense lesió pulmonar aguda i sense infiltrats alveolars en la radiografia de tòrax (n=14), durant qualsevol moment del seu ingrés. Els pacients amb SDRA van ser ventilats segons les recomanacions de la ARDS-Network. Es van enregistrar paràmetres demogràfics, fisiològics, clínics, radiològics i bioquímics. Es van utilitzar les escales SAPS II (Simplified Acute Physiological Score) i el LIS per avaluar la severitat de la malaltia en el moment de la mesura de l'aire exhalat . L'aplicació d'assistència pulmonar extracorpòria (oxigenació per membrana extracorpòria (ECMO) o l'assistència pulmonar extracorpòria sense bomba (iLA)) va ser considerada en pacients amb SDRA que no van respondre al tractament estàndard optimitzat. Intervenció: La baixa concentració de VOCs en l'aire expirat requereix un mètode supersensible per detectar-los. Amb aquesta finalitat es va utilitzar l'espectrometria de masses reacció ió/molècula (IMR-MS). Aquesta tècnica permet la mesura no invasiva i en temps real de la mostra. Mostres d'aire alveolar obtingudes mitjançant l'accionador del llindar de CO2 van ser analitzades connectant els pacients al IMR-MS, a través d'una peça en T situada entre el tub endotraqueal i el connector en Y del respirador. Mostres de l'aire inspirat van ser obtingudes a través d'una peça en T col·locada directament en el circuit del respirador. Paràmetres biològics i bioquímics van ser analitzats en el moment de la mesura de l'aire exhalat. Resultats principals: No es van trobar diferències en relació a l'edat, sexe, índex de massa corpòria o comorbiditats entre els dos grups. Com era d'esperar, les puntuacions en les escales de SAPS II i LIS foren més altes en el grup amb SDRA. En el grup de pacients amb SDRA, 8 (50%) dels pacients van tenir en el moment de la mesura una severa SDRA, definida com a PaO2/FiO2 100 mmHg i 8 (50%) pacients van precisar ECMO. La causa més freqüent de SDRA fou pneumònia amb xoc sèptic (94%). Les concentracions de pentà, malondialdehid, propionaldehid i acetona foren significativament més altes en l'aire expirat dels pacients amb SDRA; igualment, els valors de proteïna C-reactiva, interleuquina-6 i procalcitonina en sang foren més alts que en el grup control. Tres significants models de regressió lineal foren trobats entre les concentracions de VOCs i entre malondialdehid-pentà i PaO2/FiO2. Conclusions: Les concentracions dels productes de peroxidació lipídica més altes en l'aire alveolar dels pacients amb SDRA podrien reflectir la quantitat de dany originat per l'estrés oxidatiu en la SDRA. Cal destacar l'associació lineal entre malondialdehid-pentà i PaO2/FiO2, que suggereix que augments en la concentració de malondialdehid-pentà podrien ser indicadors de progressió de la malaltia. Així doncs, aquests biomarcadors podrien ser útils per la detecció precoç de la SDRA, la monitorització de la seva progressió i l'optimització del tractament. IMR-MS és una nova tècnica no invasiva on-line que permet la detecció de productes de peroxidació lipídica en l'aire exhalat a la capçalera del malalt i sense risc pel pacient. Els nostres resultats són un pas important en la monitorització contínua de l'estat clínic dinàmic en pacients en estat crític.Background: In the setting of acute respiratory distress syndrome (ARDS), activated neutrophils migrate from pulmonary capillaries into the alveolar and interstitial spaces, where they release oxygen free radicals called reactive oxygen species (ROS). ROS play a major role in the pathogenesis of ARDS. The secretion of ROS and other proinflammatory mediators leads to damage to alveolar-capillary membrane, causing increased permeability and pulmonary edema. When ROS interact with lipids from pulmonary cell membranes, a process termed lipid peroxidation takes place, ultimately resulting in the generation of volatile organic compounds (VOCs) such as pentane, malondialdehyde, propionaldehyde, and acetone. Since these compounds are volatile and originate primarily in the lung, they would be expected to be found in exhaled breath earlier than in the blood. Objectives: The primary endpoint was to determine whether the above-mentioned lipid peroxidation products can be measured online in expiratory air of patients with ARDS and whether their concentrations are higher than in a control group without acute lung injury. Secondary endpoints were to determine i) the systemic inflammatory response measured by C-reactive protein, interleukin-6, and procalcitonin in blood; ii) whether there is a linear association between the concentrations of different VOCs and between VOCs and systemic inflammatory markers, as well as between VOCs and lung injury severity expressed by the Lung Injury Score (LIS) and PaO2/FiO2 ratio. Design: A cross-sectional analysis of VOCs and systemic inflammatory markers within a prospective observational descriptive study of clinical parameters conducted from 2009 to 2011. Setting: A 20-bed medical-surgical intensive care unit in a university hospital. Patients: We prospectively enrolled patients with ARDS (within the first 48h of diagnosis) (n=16) and mechanically ventilated patients without acute lung injury and without alveolar infiltrates on chest radiograph (n=14) anytime after admission. ARDS patients were ventilated according to ARDS-Network guidelines. We recorded demographic, physiologic, clinical, radiographic, and biochemical parameters. The severity of the disease at the time of exhaled breath measurement was assessed using the Simplified Acute Physiological Score (SAPS II) and LIS. Extracorporeal lung assist therapy (extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) or pumpless interventional lung assist (iLA)) was considered for ARDS patients who did not response to optimal standard treatment. Intervention: The very low concentration of VOCs in exhaled breath requires a supersensitive method to detect them. To this end, we used ion-molecule reaction mass spectrometry (IMR-MS). This technique enables noninvasive real-time observation of sampling. Controlled alveolar air samples obtained using CO2 threshold triggering were analyzed by connecting patients to the IMR-MS via a T-piece inserted between the endotracheal tube and the Y-connector of the respirator. Inspiratory air samples were obtained via a T-piece placed directly in the respiratory circuit. Biochemical and biological parameters in blood were analyzed at the time of the mass spectrometry measurement. Main results: No significant differences in age, sex, body mass index, or comorbidities proportion were found between the two groups. As expected, LIS and SAPS II scores were higher in the ARDS group. In the ARDS group, 8 (50%) patients had severe ARDS defined as PaO2/FiO2 ratio 100 mmHg at the time of measurement, and 8 (50%) patients underwent ECMO. The most frequent cause of the development of ARDS was pneumonia with septic shock (94%). ARDS patients had significantly higher concentrations of pentane, malondialdehyde, propionaldehyde, and acetone in expiratory air, as well as significantly higher values for C-reactive protein, procalcitonin, and interleukin-6 in blood than the control group. Three significant linear regression models were found between the concentrations of VOCs and between malondialdehyde-pentane and PaO2/FiO2 ratio. Conclusions: The higher concentrations of lipid peroxidation products in alveolar gas samples in ARDS patients may reflect the amount of oxidative stress damage in ARDS. Importantly, the linear association between malondialdehyde-pentane and PaO2/FiO2 ratio suggests that an increase in malondialdehyde-pentane concentrations might be able to detect disease progression. These biomarkers might be useful for detecting ARDS early, monitoring disease progression, and optimizing treatment. IMR-MS is a novel online noninvasive approach that enables real-time detection of lipid peroxidation products in exhaled breath at the bedside without risk to the patient. Our results are an important step in the continuous monitoring of the dynamic clinical status in critically ill patients