Vergleich der Lungenphysiologie und invasiven Beatmung von Patienten mit COVID-19- und Influenzainfektion

Abstract

Abstract Background In 2019 a new virus emerged in Wuhan (China). This virus called SARS-CoV-2 lead to pandemic outbreaks all over the world with a high number of patients with critical respiratory disease. This new disease termed COVID-19 may show mild symptoms like an ordinary cold or flu in some, while others develop severe symptoms like pneumonia or even an acute respiratory distress syndrome with high mortality. This acute respiratory lung injury might emerge with a marginally different lung physiology compared with other causes of acute lung injury. Early into the disease, the compliance of the respiratory system seems to be only slightly decreased, and the specific lung weight is considered low. Despite these findings, the COVID 19 patients’ clinical course leads to severe hypoxic respiratory failure and a high respiratory drive, aggravating into bilateral infiltrates, later resembling ARDS of different origin. Our goal is to compare COVID-19 ARDS with an Influenza- associated ARDS and to analyze the findings in respiratory therapy and lung mechanics. Methods We collected 25 patients with laboratory confirmed COVID-19 infection and ARDS between March 2020 and March 2021 and compared ventilation parameters and physiologic parameters with a historical cohort of 25 patients with ARDS caused by influenza A/B. All patients were mechanically ventilated. We were looking for differences in lung mechanics and mechanical ventilation settings between these two cohorts. Additionally, we analyzed main findings between ECMO- and non ECMO subgroups within these two cohorts. Results At the first day of ventilation there were only slight differences in lung mechanics and mechanical ventilation settings between these two cohorts. However, we could show that the respiratory rate and the respiratory minute ventilation was higher in COVID-19 patients [(COVID: 20/min (15,5 – 21,3) vs. Influenza: 14/min (12,5 – 17,5), p = 0,011); (10,7 (7,2 – 12,2) vs. 6,0 (2,5 – 10,1), p = 0,013)]. The ventilatory ratio was higher in COVID-19 patients (8.90 (7.08 – 10.57) vs. 6.45 (1,85 – 8,57), p = 0,042), suggesting less effective ventilation. The cohorts were equal in driving pressure and positive end-expiratory pressure (PEEP). The compliance of the respiratory system in COVID-19 patients deteriorated significantly over time (-23.87 ml/mbar ± 32.94 ml/mbar, p = 0.037 after 16 days). We compare two subgroups ECMO vs non ECMO). Especially the COVID-19 ECMO subgroup started with moderate compliance and deteriorated over time, finally dropping under that of influenza patients. (d1: 52.00 ± 45.73 ml vs. 42.14 ± 6.26 ml, p = 0.62; → d16: 20.67 ± 13.55 ml vs.42.60 ± 20.33 ml, p = 0.008). 9 Vergleich der Lungenphysiologie und invasiven Beatmung von Patienten mit COVID-19- und Influenzainfektion This phenomenon did not appear in Influenza patients. The overall mortality was 40% in COVID-19 and 48% in influenza patients (p = 0,31). Discussion We discovered only marginal differences between COVID-19 ARDS and Influenza-associated ARDS in terms of ventilation parameters after intubation. The mechanical ventilation frequency was higher in COVID-19 patients to achieve similar CO2 clearance. The higher ventilatory ratio in COVID-19 suggested a less effective ventilation. We found preserved lung mechanics despite severe respiratory failure in COVID-19 patients, thus this cannot explain the respiratory failure. Considerations go back to the endothelitis theory in SARS-CoV-2 infections with impaired alveolar gas exchange of the small pulmonary vessels and suggesting other causes of hypoxemic failure, e.g. functional right-to-left shunting, V/Q- Mismatch or diffusion limitation. Although deemed protective in regard to ventilator-induced lung injury (VILI), ultra-protective ventilation strategies (< 4 ml/kg PBW) during vvECMO might accelerate derecruitment and accumulation of inflammatory edema, abandoning previously aerated lu

Einleitung Die neu aufgetretene Infektion mit SARS-CoV-2, auch COVID-19 genannt, hat nach ihrem erstmaligen Auftreten in Wuhan in China 2019 zu vielen Toten und Krankenhauseinweisungen auf der ganzen Welt geführt. Die Infektionen verursachen neben häufigen grippalen Symptomen in der maximalen Ausprägung ein akutes Lungenversagen (ARDS) mit hoher Mortalität. Es ist noch ungeklärt, ob sich die Physiologie des mit COVID-19- assoziierten Lungenversagens von Lungenversagen anderer Ursachen unterscheidet. Gerade anfangs scheint die Compliance der Lunge weniger stark kompromittiert zu sein, das spezifische Lungengewicht wird als niedrig beschrieben. Während das „klassische ARDS“ typischerweise mit geringerer Lungencompliance und ausgeprägtem entzündlichen Ödem einhergeht. Gleichzeitig zeigen die Patienten mit COVID-19 ARDS (CARDS) eine starke Oxygenierungsstörung und einen sehr hohen Atemantrieb. In der vorliegenden retrospektiven Studie untersuchten wir, ob sich diese Unterschiede auch in der invasiven Beatmung von Patienten mit CARDS und ARDS anderer Ursache nachweisen lassen. Methoden Wir haben zwischen März 2020 und März 2021 25 Patienten mit COVID-19-induziertem ARDS (CARDS) mit 25 Patienten einer historischen Vergleichsgruppe mit Influenza-assoziiertem ARDS aus den Jahren 2010 bis 2020 verglichen. Alle Patienten waren invasiv druckkontrolliert beatmet, im Verlauf dann teilweise unter augmentierter Spontanatmung. Zunächst wurden einfache, am Intensivbett erhebbare lungenphysiologische Größen und Beatmungsparameter in beiden Gruppen gesammelt. Anschließend wurden Subgruppen gebildet, je nachdem, ob die Patienten im Verlauf eine extrakorporale Membranoxygenierung benötigten oder nicht. Ergebnisse Im direkten Vergleich der Beatmungsparameter und der Lungenphysiologie des CARDS mit dem Influenza- induziertem ARDS zeigen sich in der horizontalen Betrachtung am 1. Tag der Beatmung überwiegend keine nennenswerten Abweichungen, jedoch waren signifikante Unterschiede in der Beatmungsfrequenz (COVID: 20/min (15,5 – 21,3) vs. Influenza: 14/min (12,5 – 17,5), p = 0,011) und konsekutivem Atemminutenvolumen (10,7 (7,2 – 12,2) vs. 6,0 (2,5 – 10,1), p = 0,013) zu Beginn der invasiven Beatmung nachweisbar. Auch zeigte sich eine höhere Ventilatory Ratio in der COVID-19- Gruppe gegenüber der Kontrollgruppe (8.90 (7.08 – 10.57) vs. 6.45 (1,85 – 8,57), p = 0,042) kurz nach Intubation. Dagegen waren positiver end- exspiratorischer Druck (PEEP), Plateaudruck und driving pressure (Δp) identisch. Die Compliance des respiratorischen Systems war im Vergleich tendenziell, jedoch nicht Vergleich der Lungenphysiologie und invasiven Beatmung von Patienten mit COVID-19- und Influenzainfektion 7 signifikant unterschiedlich (40.7 [31.8 – 46.7] vs. 31.4 [13.7 – 42.8] ml/cmH2O), jedoch war der Verlust der Compliance über die Zeit (16 Tage) in der COVID-19 Kohorte deutlich höher (-23.87 ml/mbar ± 32.94 ml/mbar, p = 0.037) als in der Kontrollgruppe nach 7 Tagen (28.32 ± 21.98 vs. 34.85 ± 29.59, +6.53 ± 8.89 ml/cmH2O). Bei einer Subgruppenanalyse zeigte sich, dass ausschließlich die Compliance der ECMO-Subgruppe der COVID-19 Patienten im Gegensatz zur Subgruppe ohne ECMO abgefallen war (d1: 52.00 ± 45.73 ml vs. 42.14 ± 6.26 ml, p = 0.62; → d16: 20.67 ± 13.55 ml vs.42.60 ± 20.33 ml, p = 0.008). Diese Abnahme war bei den Influenza-Patienten generell so nicht zu beobachten. Die Gesamtsterblichkeit war nicht signifikant unterschiedlich (Covid-19: 40% vs. Influenza: 48%, p = 0,31). Diskussion Unterschiede zwischen einem COVID-19-ARDS und dem „klassischen ARDS“ durch Influenza zeigten sich nur sehr marginal in der frühen Phase des ARDS. Die Beatmungsfrequenz bei COVID-19 Patienten war deutlich höher, um eine adäquate Kohlenstoffdioxidelimination zu gewährleisten. Die Ventilation war nicht so effizient wie bei den Influenza-Patienten. Dies konnten wir anhand der erhöhten Ventilatory Ratio zeigen. Trotz der anfangs erhaltenen Compliance bei COVID-19-Patienten zeigte diese Gruppe schwere Oxygenierungsstörungen ebenso ein schweres ARDS nach Berlin- Kriterien (paO2/FiO2 < 100mmHg unter PEEP von ≥ 5 mbar). Die Schwere der COVID-19-induzierten akuten Lungenschädigung scheint daher nicht ausreichend mit der Lungenmechanik erklärbar zu sein, möglicherweise jedoch durch eine SARS-COV-2- induzierte endotheliale Entzündungsreaktion mit konsekutiv deutlich erhöhtem V/Q- Mismatch und gestörter hypoxischer Vasokonstriktion. Der Verlust der Compliance der COVID-19 Patienten könnte mit der ultraprotektiven Beatmung (< 4 ml / kg KG) unter ECMO-Therapie zusammenhängen. Durch Verlust der pneumatischen Schienung, mit Atemwegsdrücken deutlich unterhalb des Airway opening pressure (AOP), könnte das inflammatorische Ödem deutlich exazerbieren und es so zu einem zunehmenden Derecruitment des Alveolarraums kommen. Es stellt sich also die Frage, ob die ultraprotektive Beatmung, so wie sie bislang in der Therapie des ARDS an vvECMO proklamiert wurde, wirklich protektiv wirkt oder stattdessen einem weiteren Verlust ventilierbaren Lungengewebes Vorschub leistet.