Analyse der sublingualen Mikrozirkulation: The Next Generation

Ein Gastbeitrag von Dr. Alexandros Rovas und Prof. Dr. Philipp Kümpers, Münster

Sublinguale Mikroskopie in der Notaufnahme – Science oder Fiction?

In diesem Gastbeitrag aus Münster geht es um brandaktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der angewandten Intravitalmikroskopie…und um Star Trek. Wie das zusammenpasst könnte Ihr hier nachlesen…

Die Mikrozirkulation, unendliche Weiten…

Als am 7. September 1990 die erste Folge von Star Trek: The Next Generation im ZDF ausgestrahlt wurde war ich, ein 12-jähriger ohne iPhone dafür mit Vokuhila, natürlich megamäßig beeindruckt. Die Crew war cooler und vor allem die Enterprise-D war viel moderner als die etwas in die Jahre gekommenen Vorgänger aus den 1970ern. Neulich bin ich beim abendlichen Surfen durch Zufall über eine der legendären Folgen mit dem Zeitreisenden „Q“ gestolpert – und ich musste mir leidlich eingestehen, dass man der Serie ihr Alter von fast 30 Jahren mittlerweile doch etwas ansieht.

Mit der Messung der sublingualen Mikrozirkulation bei (Intensiv-) Patienten ist das ganz ähnlich. Die erste Kameratechnik, die eine Visualisierung der sublingualen Mikrozirkulation ermöglichte, das sog. Orthogonal Polarization Spectral (OPS) Imaging, wurde 1999 erstmals in Nature publiziert (Nat Med. 1999 Oct; 5(10):1209-12). Vereinfacht gesagt wurde dabei die Bewegung von Erythrozyten durch stroboskopisches Licht visualisiert und per Videorecorder aufgezeichnet. Das Ganze funktioniert an den Zungengrundgefäßen sehr gut, weil die Mikrogefäße der Schleimhaut hier relativ oberflächlich liegen und in der Mundhöhle keine äußeren Lichteinflüsse stören.

Es dauerte dann nochmal 8 Jahre, bis im Jahr 2007 unter der Federführung von Daniel De Bakker (Brüssel) und Can Ince (Amsterdam) erstmals eine round table bezüglich der Durchführung und vor allem zur standardisierten Befunderhebung der sublingualen Mikrozirkulation stattfand. Die anwesenden Experten beschlossen, dass die Bewertung der Mikrozirkulation a) einen Index für die Gefäßdichte (capillary density), b) eine Bewertung der Kapillarperfusion (capillary perfusion) und c) einen Heterogenitätsindex (heterogeneity index) beinhalten sollte (Crit Care 2007: R101).

Den beiden Vorreitern De Backer und Ince – sozusagen Captain Kirk und Mr. Spock der Mikrozirkulations-forschung – ist es zu verdanken, dass wir in den letzten 15 Jahren sehr viel über die Pathophysiologie der Mikrozirkulationsstörung bei Intensiv- und Sepsispatienten gelernt haben.

Trotz ständiger Verbesserungen der Kameratechnik – über Sidestream Dark Field (SDF) bis hin zur noch etwas höher auflösenden Incident Dark Field (IDF) Mikroskopie – kristallisierte sich während dieser Zeit jedoch mehr und mehr heraus, dass die seinerzeit postulierten Parameter nur relativ schwere Störungen der Mikrozirkulation anzeigen können – sprich: die Sensitivität der Methode war und ist nicht besonders gut. Das ist wohl auch der Grund, warum sich die Literatur zu dem Thema überwiegend mit Patienten im septischen Schock beschäftigt. Also solche Patienten mit mutmaßlich extremer Auslenkung der oben genannten Parameter.

Um diese geringe Sensitivität zu verbessern wurde in den letzten Jahren insbesondere an der Automatisierung der quantitativen Analyse gearbeitet. Man hatte erkannt, dass die orientierende (und vor allem teilweise subjektive) Abschätzung der Mikrozirkulationsparameter „über den Daumen“ (eng. Eyeballing) nicht sehr reliabel war. Es wurden also Software-Lösungen erarbeitet, die die Quantifizierung verbessern sollte. Aufgrund der Komplexität der notwendigen Bilderkennung und -Verarbeitung waren die Ergebnisse dieser Bemühungen zuerst sehr überschaubar. Der direkte Vergleich zwischen solch einer Automated Vascular Analysis (AVA) software (Version 3.2) einerseits und der händischen Auswertung von Video-Loops (sog. offline analysis) andererseits, ging für die Software eher schlecht aus (J Clin Monit Comput. 2017 Aug;31(4):669-676; Intensive Care Med Exp. 2016 Dec;4(1):37.).

Auch wenn die computergestützte Analyse der Erythrozytenbewegung mittlerweile von einigen Programmen akkurat und vor allem nahezu vollautomatisch beherrscht wird, sind diese größtenteils noch experimentell und dementsprechend (noch) nicht kommerziell erhältlich. Zudem fehlt es an klinischen Publikationen, da diese neuen Analyse-Tools oft nur am Tiermodell validiert wurden. Aufgrund all dieser Limitationen hat sich die Analyse der sublingualen Mikrozirkulation in der Klinik bislang nicht breitflächig etablieren können.

Glycocheck™ – The Next Generation

Persönliches Computerlogbuch des Captains, Sternzeit 47634.44: Unser neuestes Paper „Identification of Novel Sublingual Parameters to Analyze and Diagnose Microvascular Dysfunction in Sepsis – The NOSTRADAMUS Study”wurde soeben zur Publikation bei Critical Care angenommen (Crit Care. 2021 Mar 19;25(1):112). Federführender Editor war kein geringerer als…Prof. Daniel De Backer 😉!

Zum Inhalt: Wir hatten schon vor einiger Zeit das Glycocheck™ System der Firma Microvascular Health Solutions erstanden, um die endotheliale Glykokalyx, ein überaus protektiver Schutzschild auf der inneren Oberfläche von Blutgefäßen (ich verkneife mir hier eine weitere Anspielung auf Star Trek) bei Notfall- und Intensivpatienten messen zu können (mehr zur Glykokalyx findet Ihr hier). Das Glykocheck™ System besteht aus einer modernen SDF-Kamera und einem schicken Laptop – ist also deutlich weniger futuristisch und vor allem (momentan noch) unhandlicher als ein Tricorder. Dennoch gelingt es der clever programmierten Software die Dicke der endothelialen Glykokalyx über die Fließeigenschaften der Erythrozyten zu berechnen. Vereinfacht gesagt misst die Software wie stark die Erythrozyten während der Vorwärtsbewegung durch die Mikrogefäße von einer idealen „Fahrrinne“ zur Seite hin abweichen. Je stärker die Abweichung nach außen, hin zur Gefäßwand sind, desto größer wird die sogenannte perfused boundary region (PBR) (vereinfacht hohe PBR = „dünne“ Glykokalyx (Abbildung 1B).

Abbildung 1: Bildaufnahme unter Verwendung des GlycoCheck™ Systems. Unten: Ungültige Gefäßsegmente werden gelb markiert und automatisch verworfen, während alle gültigen Gefäßsegmente (grüne Linien) analysiert werden. PBR: perfundierter Randbereich, RBC: rote Blutkörperchen, RBCW: Breite der roten Blutkörperchen-„Säule“.

Wir haben dieses Prinzip ausführlich in verschiedenen Experimenten überprüft und sind zu dem Schluss gekommen, dass man so tatsächlich die Glykokalyx in vivo bestimmen kann (Thromb Haemost. 2019 Nov;119(11):1827-1838; Crit Care. 2019 Jul 24;23(1):260). So eine Messung dauert nur ca. 2 bis 5 Minuten und die berechneten PBR-Werte liegen bereits nach weiteren 5 Minuten vor. Das System führt verschiedene Quality Checks durch, so dass nur hochqualitative Recordings analysiert werden (Abbildung 1 C, D). Das Ganze läuft so stabil und vor allem vollautomatisch, dass auch z.B. Krankenpfleger*innen und Rettungsassistenten*innen die Messungen problemlos im Rahmen der Patientenaufnahme durchführen können (Scand J Trauma Resusc Emerg Med. 2018 Feb 14;26(1):16).

„Mr. Data, Sie haben die Brücke“

Im Rahmen einer engen Forschungskooperation mit dem Glykokalyx-Papst und Erfinder der Glycocheck™ Software, Prof. Hans Vink (Maastricht), haben wir herausgefunden, dass in den Rohdaten der PBR-Messung ein noch viel größeres Potential schlummert als bislang geahnt. Hans, unzweifelhaft unser Mr. Data, hatte die ursprüngliche Software so aufgebaut, dass alle erkannten Gefäße aufgrund der oben erwähnten Ery-Fahrrinne einem konkreten Gefäßdurchmesser zwischen 4 und 25 µm zugeordnet werden können. Der Workflow dieser Messungen sieht folgendermaßen aus (Abbildung 2):

Abbildung 2: Flussdiagramm, das den Prozess der Videoerfassung und Datenanalyse zeigt. D = Gefäßdurchmesser, in µm

Für die NOSTRADAMUS Studie haben wir insgesamt 17 gesunde Probanden und 34 Sepsis-Patienten mit dem Glycocheck™ System analysiert. Unsere Sepsis-Kohorte hatte einen medianen (IQR) SOFA-Score von 10 (8-13) und war also mittelschwer erkrankt. Die mediane Zeit des Sepsisbeginns betrug 2 Tage (1-4) und 6 (18%) Patienten hatten zum Zeitpunkt des Studieneinschlusses einen septischen Schock (Sepsis-3-Definition).

„Faszinierend!“

Zuerst haben wir also die Gefäßdichte, die Geschwindigkeit der Erythrozyten (VRBC) und die PBR in den verschiedenen Durchmesserklassen von 4-25 µ genauer angeschaut. Der zentrale Befund dabei war, dass die Gefäßdichte der Sepsis-Patienten ausschließlich in den Durchmesserklassen 5, 6 und 7 µm reduziert war (-63 %, -42 % und -28 % im Vergleich zu den Kontrollen), während die übrigen Durchmesserklassen von 8 bis 25 µm sich rein gar nicht zwischen den Gruppen unterschieden. Dieser wichtige Unterschied wäre uns aber komplett entgangen, wenn wir die Gefäßdichte „so wie bisher“ in einer gepoolten Analyse (Bereich 4-25 µm) untersucht hätten (12,3 vs. 12,8 mm/mm2, p = 0,34). Um unsere Ergebnisse auf Plausibilität zu prüfen, korrelierten wir die Gefäßdichte mit klinischen Variablen, wie Interleukin-6 (IL-6), Procalcitonin (PCT), Laktat und SOFA-Score. Auch hier fanden wir robuste inverse Korrelationen im Bereich von 4 bis 7 µm Durchmesser, während diese in größeren Gefäßen fehlten oder sogar teilweise umgekehrt waren.

Zum besseren Verständnis: die bisherigen Mikrozirkulationsstudien der letzten 15 Jahre haben die Gefäßdichte und andere Parameter fast immer pauschal für alle Gefäße <20 µm, also gepoolt, untersucht (und das ja wie gesagt auch oft nur per Eyeballing). Mit dem Wissen aus NOSTRADAMUS ist es daher nicht weiter verwunderlich, dass uns die feinen Unterschiede zwischen verschiedenen Schockformen etc. bislang komplett entgangen sind. Wir haben schlichtweg nicht spezifisch und genau genug auf die ganz kleinen Gefäße geschaut – die echten Kapillaren.

Kapillar-Rekrutierung in der Sepsis (Version für Vulkanier)

Aufgrund dieser wichtigen Erkenntnis haben wir anschließend damit herumexperimentiert die Erythrozyten-Geschwindigkeit (VRBC) großer (> 10 µm) und kleiner Gefäße (≤ 7 µm) miteinander in Beziehung zu setzen. Wer sich für die entsprechenden Formeln und Details interessiert muss tatsächlich ins Paper schauen. Für alle anderen hier nur die Kurzfassung:

Gesunde Individuen (zumindest unter Ruhebedingungen) zeigen eine relativ konstante mediane kapilläre VRBC, und zwar unabhängig von der zugehörigen VRBC in den zuführenden Gefäßen (feeding vessels). Auch wenn die zugrundeliegenden (Auto-) Regulationsmechanismen noch unvollständig verstanden sind, scheint die Einhaltung eines engen VRBC–Bereichs plausibel, um ein optimales Angebot-Nachfrage-Verhältnis in den Kapillaren zu gewährleisten. In der Sepsis funktioniert das aber nicht mehr so gut, so dass die kapilläre VRBC 1:1 der VRBC in den feeding vessels entspricht. Dieser Befund zeigt, dass die Anzahl der durchbluteten Kapillaren bei Sepsis-Patienten fixiert ist und unempfindlich gegenüber lokalen Variationen des metabolischen Bedarfs im Gewebe zu sein scheint.

Kapillar-Rekrutierung in der Sepsis (Version für Klingonen)

Das kann man, grob vereinfacht, mit dem Kassenbereich eines Supermarktes vergleichen. Die Kassenmitarbeiter reagieren durch kurzfristige Öffnung/Schließung von Kassen (Rekrutierung) dynamisch auf den Andrang der Kunden (VRBC in feed vessels). Im gesunden Supermarkt funktioniert das sehr gut, da kurzfristig genug Kassenmitarbeiter (=Kapillaren) verfügbar sind. Im septischen Supermarkt sind nur wenige Kassenmitarbeiter verfügbar und müssen den Andrang zu Stoßzeiten durch deutlich schnelleres Abkassieren bewältigen (=unphysiologisch hohe VRBC). Eine vereinfachte Version des pathophysiologischen Konzepts der in unserer Studie beobachteten Kapillar(de-)rekrutierung ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Cartoon zur Darstellung des pathophysiologischen Konzepts der kapillaren (De-)Rekrutierung unter gesunden Bedingungen (a, b) und während der Sepsis (c,d).

Basierend auf diesem Befund konnten wir für die beiden Gruppen einen völlig neunen Parameter berechnen: die Kapillar-Rekrutierung (RC). Diese liegt per Definition zwischen 0 und 100%. In unserer Studie betrug die RC der Gesunden etwa 80%, während Sepsis-Patienten bei nur 10% lagen.

To boldly go where no man has gone before…

Wir hatten schon früher gezeigt, dass die Schädigung der Glykokalyx und die Beeinträchtigung der Mikrozirkulation weder zusammenfallen noch bei jedem Sepsis-Patienten im gleichen Verhältnis auftreten (Crit Care. 2019 Jul 24;23(1):260). Um dieser Entkopplung Rechnung zu tragen haben wir im Paper die verschiedenen Variablen zu einem Microvascular Health Score (MVHS™) zusammengefasst. Da bei Sepsis die Kapillardichte abnimmt und die PBR ansteigt, bildeten wir kurzerhand den Quotienten aus Kapillardichte/PBR (=MVHSstatic) und integrierten in einer fortgeschrittenen Version auch noch die Kapillar-Rekrutierung (=MVHSdynamic). Der MVHS nahm mit zunehmender Sepsis-Schwere deutlich ab und korrelierte relativ gut mit zahlreichen klinischen Variablen wie IL-6, PCT, CRP, Laktat und SOFA Score. Der MVHS bildet also mit offenbar großer Bandbreite das gesamte Spektrum der mikrovaskulären Dysfunktion ab. Die potenziellen Limitationen sind sehr technisch und im Paper genau dargestellt.

Um zu klären, ob die MVHS tatsächlich relevante Ergebnisse bei Sepsis-Patienten vorhersagen kann, haben wir zwei prospektive, longitudinale Observationsstudien in der Notaufnahme (Early Detection of Glycocalyx Damage in Emergency Room Patients – the EDGE Study, Clinicaltrials.gov Identifier: NCT03126032) und auf der Intensivstation (Analysis of Sublingual Glycocalyx Damage at ICU Admission to Predict Risk of Death – the ASGARD Study, Clinicaltrials.gov Identifier: NCT03847493) initiiert. In diesen Studien können serielle Messungen möglicherweise differentielle Veränderungen einzelner Komponenten des MVHS als Reaktion auf die Initialtherapie aufzeigen.

Achtung Spoiler: in der oben erwähnten EDGE Studie haben wir den MVHS bei ca. 200 Notaufnahme-Patienten mit der Verdachtsdiagnose einer bakteriellen Infektion (aber noch ohne Sepsis nach Sepsis-3 Definition) gemessen. Erst Analysen aus letzter Woche zeigen, dass der MVHS eine Progression zur Sepsis (also das Auftreten eines Organversagens) genauer vorhersagen kann als IL-6, CRP, PCT oder qSOFA. Gut vorstellbar, dass der MVHS also den bisherigen Goldstandard (Eyeballing über alle Gefäße < 20 µm) ablöst und eine differenzierte Messung auch bei nur leichtgradig erkrankten Patienten möglich wird.

Der mikrovaskuläre Tricorder

Pille und Dr. Beverly Crusher hätten die Mikrozirkulation ihrer Patienten vermutlich auch auf ihrem Trikorder angezeigt bekommen. So weit sind wir noch nicht, aber die Experten von Glycocheck™ haben unsere Studiendaten bereits aufgegriffen und die NOSTRADAMUS Parameter in die kommende Version ihrer Software integriert. Das sieht dann in etwa so aus (Abbildung 4):

Abbildung 4: Screenshot der aktuellen Glycocheck™ Beta-Version mit Integration der Daten aus NOSTRADAMUS

Auch wenn sich unsere Daten bestätigen und der MVHS vielleicht sogar zu einem neuen Auswertungsstandard in sublingualen Videomikroskopie werden sollte müssen wir realistisch bleiben: das Rätsel um die Mikrozirkulation damit ist noch längst nicht gelöst und in 15 Jahren wird der MVHS vermutlich genauso antiquiert wirken wie die Folgen von The Next Generation heutzutage. Dennoch werden mich die packenden Geschickten um die Crew der Enterprise-D mein Leben lang begleiten. Und umso mehr freue ich mich auf ein Wiedersehen mit Jean-Luc und Data wenn ich in den Osterferien mit meinem Sohn die erste Staffel von Star Trek: Picard schauen werde.

Lebt lang und in Frieden

Hier hier noch einmal das Visual Abstract des Beitrages – sozusagen die Kurzfassung:

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