Terapia ad alto flusso e umidificazione: Riepilogo dei meccanismi di funzionamento, tecnologia e ricerca Thomas Miller, Ph.D Director, Clinical Research and Education Vapotherm, Inc. Research Assistant Professor of Pediatrics Jefferson Medical College
2 Terapia ad alto flusso e umidificazione: Riepilogo dei meccanismi di funzionamento, tecnologia e ricerca Introduzione Vapotherm, Inc. è un azienda leader nel mercato dei sistemi di umidificazione ad alto flusso con controllo termico per la terapia respiratoria. Attualmente questi dispositivi medici sono indicati per aggiungere umidità calda ai gas respiratori per i pazienti lattanti, pediatrici e adulti in strutture ospedaliere, di trattamento subacuto o a domicilio. I dispositivi Vapotherm sono approvati per l erogazione di gas respiratori mediante cannula nasale a velocità di flusso fino a 8 lpm per i lattanti e fino a 40 lpm per gli adulti, fornendo una terapia nota come terapia ad alto flusso (HFT). Cannule nasali Vapotherm Terapia ad alto flusso (HFT) L HFT è definita come velocità di flusso che supera la velocità del flusso inspiratorio del paziente a un volume variabile al minuto. Storicamente la terapia ad alto flusso è stata utilizzata con maschere facciali, dove gli alti flussi eliminano lo spazio morto della maschera per facilitare alte frazioni inspiratorie di ossigeno. La terapia mediante maschera, pur essendo efficace nell erogazione dell ossigeno, presenta dei limiti, tra cui la difficoltà di mangiare/bere, comunicare, come pure il senso di claustrofobia, che riducono significativamente la compliance del paziente. La cannula nasale standard ha rappresentato il punto di partenza per una miglior compliance e comodità per il paziente. Le cannule forniscono ossigeno supplementare, sono comode per terapie di lunga durata e consentono ai pazienti di mangiare e di parlare senza dover interrompere la terapia. Tuttavia i flussi più elevati (oltre 2 lpm nei neonati o 6 lpm negli adulti), necessari per soddisfare le richieste inspiratorie senza penetrazione dell aria ambiente, non sono possibili con la terapia convenzionale mediante cannula nasale. Questo limite della terapia convenzionale mediante cannula dipende dal disagio e dall irritazione dovuti all erogazione di gas secchi e freddi nei passaggi nasali. 12 La tecnologia Vapotherm ha trasformato la terapia convenzionale mediante cannula grazie al condizionamento ottimale dei gas respiratori. L esclusiva tecnologia di riscaldamento e umidificazione consente di erogare i gas respiratori a velocità di flusso elevate mantenendo la temperatura corporea e un umidità fino al 99,9%. 3 Fisiologia respiratoria e ventilazione alveolare Per comprendere i meccanismi alla base dell HFT, è utile esaminare alcuni fondamenti della fisiologia respiratoria. In normali condizioni respiratorie circa il 30% del volume corrente inspirato rappresenta lo spazio morto anatomico. All inizio dell inspirazione questo spazio morto è riempito dai gas di fine espirazione che rimangono dalla precedente espirazione. Benché il volume dello spazio morto anatomico sia essenziale per 1) il riscaldamento e l umidificazione dei gas inspiratori e per 2) il trasporto dei gas al torace e la loro dispersione nelle regioni polmonari, influisce sull efficienza respiratoria. Negli individui sani le concentrazioni di ossigeno alveolare sono inferiori a quelle dell aria ambiente circostante e le concentrazioni di biossido di carbonio alveolare invece sono Naso e cavità nasali Seno frontale Conca nasale Seno sfenoide Conca nasale mediana Narice interna La struttura della cavità nasale consente di massimizzare la superficie per il condizionamento dei gas inspirati Conca nasale inferiore Narice esterna Nasofaringe
3 superiori. Questa differenza tra gas ambientali e alveolari è una funzione della ventilazione alveolare e anche del contenuto di gas nel sangue. La ventilazione alveolare differisce dalla più comune ventilazione minuta, perché è una funzione dello spazio morto. Ventilazione minuta = volume corrente x velocità respiratoria Ventilazione alveolare = (volume corrente - spazio morto) x velocità respiratoria In base alla relazione tra i parametri ventilatori, una riduzione del volume dello spazio morto determina la richiesta di una minor ventilazione minuta per raggiungere un adeguata ventilazione alveolare. Pertanto, il volume dello spazio morto influisce direttamente sul volume corrente e/o sulle richieste di velocità respiratoria e quindi anche sullo sforzo respiratorio, anche negli individui sani. A questo riguardo l HFT mediante cannula può aumentare l efficienza respiratoria, eliminando lo spazio morto a livello nasofaringeo e supportando il lavoro respiratorio. Ma è essenziale che prima venga raggiunto il condizionamento ideale dei gas. Importanza del riscaldamento e dell umidificazione dei gas La mucosa dello spazio nasofaringeo consente di riscaldare e umidificare i gas respiratori prima dell entrata nel tratto respiratorio inferiore.4 Anatomicamente questo è reso possibile dall ampia superficie di interazione con i gas inspiratori. Conseguentemente i tessuti nasofaringei si possono sovraccaricare, se vengono sottoposti a un flusso di ventilazione minuta superiore al normale di gas a temperatura e con un punto di saturazione di vapore acqueo inferiori a quelli corporei (ovvero inferiore all umidità relativa del 100%). Questa condizione di sovraccarico provoca disfunzione, essiccamento e danni significativi alla mucosa nasale 5-8, che verosimilmente contribuiscono anche alla sepsi stafilococcica.9. Anche a bassi flussi la terapia convenzionale mediante cannula nasale è scomoda e numerosi pazienti si lamentano soprattutto per la secchezza del naso e della bocca.10 Sistema respiratorio Tratto respiratorio superiore Nasofaringe Faringe Laringe Tratto respiratorio inferiore Trachea Bronchi primari Bronchioli Polmoni L HFT mediante cannula può aumentare l efficienza respiratoria eliminando lo spazio morto a livello nasofaringeo e supportando il lavoro respiratorio. Ma è essenziale che prima venga raggiunto il condizionamento ideale dei gas.
4 Terapia ad alto flusso e umidificazione: Riepilogo dei meccanismi di funzionamento, tecnologia e ricerca Vista trasversale della cartuccia per il trasferimento del vapore Vapotherm, Inc. Acqua calda Gas respiratori Acqua calda Flusso Gas respiratori Incrocio di tubi Ritorno Vista trasversale del tubo di erogazione riscaldato a triplo lume Vapotherm, Inc. Idealmente i gas inspiratori dovrebbero essere riscaldati alla temperatura corporea (37ºC) e umidificati a un umidità relativa del 100%. 11,12 Inoltre l umidificazione con vapore rispetto all acqua aerosolizzata ha meno probabilità di causare lesioni alle vie aeree e ai polmoni per la perdita del calore latente e il deposito di goccioline d acqua. 12 La tecnologia della membrana Vapotherm facilita il passaggio dell acqua nei gas respiratori sotto forma gassosa (vapore) e, come dimostrato in un test di funzionalità da Waugh e Granger, fornisce gas respiratori alla temperatura corporea e con un umidità relativa del 99,9% nell intervallo di flusso stabilito (fino a 40 lpm). 3 La tecnologia alla base di un condizionamento ottimale dei gas respiratori I dispositivi Vapotherm incorporano un sistema di cartuccia per il trasferimento del vapore brevettato che consente di diffondere il vapore acqueo nel flusso dei gas respiratori, riscaldandoli alla temperatura richiesta (in genere 37 C). Questo sistema è significativamente diverso dai sistemi di umidificazione convenzionali con piastra riscaldata. I dispositivi Vapotherm utilizzano anche un tubo di erogazione rivestito a triplo lume e cannule nasali esclusive, ottimizzate per mantenere la temperatura e ridurre al minimo la condensa. Queste due ultime caratteristiche proteggono lo stato dei gas respiratori in modo che si diffondano al paziente alla stessa temperatura e stato di umidificazione raggiunto nella cartuccia con membrana. In uno studio randomizzato a disegno incrociato, Woodhead e colleghi hanno valutato l impatto dell HFT Vapotherm rispetto a quella convenzionale sulla mucosa nasale di lattanti pretermine dopo estubazione. 13 Trenta lattanti hanno ricevuto o l HFT Vapotherm o quella convenzionale per 24 ore e poi sono stati trattati con l altra terapia (convenzionale o Vapotherm) per altre 24 ore. Utilizzando un sistema di valutazione in cieco che variava da 2 a 10 e considerava l irritazione nasale, l edema, l ispessimento della mucosa e l emorragia nasale, i lattanti trattati con Vapotherm hanno mostrato una miglior tolleranza rispetto all umidificazione convenzionale (2,7 ± 1,2 vs 7,8 ± 1,7; p < 0,001). L impatto dell HFT sulla respirazione La tecnologia Vapotherm rende realizzabili flussi elevati tramite la cannula nasale, perché consente di erogare i gas respiratori al paziente esattamente alla temperatura e alla saturazione corporea. A questo riguardo l HFT è efficace grazie a numerosi meccanismi fisiologici che migliorano l efficienza della respirazione, indipendentemente da qualsiasi condizione specifica della malattia. Ventilazione della CO 2 Fornendo flussi che superano la domanda del paziente, l HFT determina una liberazione dello spazio morto nasofaringeo. Come per qualsiasi riduzione dello spazio morto anatomico o fisiologico, questa terapia contribuisce a determinare migliori frazioni di gas alveolari sia per quanto riguarda il biossido di carbonio sia l ossigeno. 14 Pertanto, mentre la terapia mediante cannula nasale a basso flusso è pensata solo per facilitare l ossigenazione, l HFT influisce anche sull eliminazione della CO 2. L eliminazione dello spazio morto nella cavità nasofaringea aiuta ad aumentare la ventilazione alveolare. Ossigenazione efficiente L HFT mediante cannula nasale lavora secondo gli stessi principi dell HFT mediante maschera facciale per raggiungere elevate frazioni di ossigeno inspirato eliminando la penetrazione dell aria ambiente durante l inspirazione. Tuttavia riducendo lo spazio morto anatomico grazie all uso del nasofaringe come un deposito di gas, l HFT mediante cannula nasale è in grado di migliorare le frazioni di ossigeno alveolare rispetto alla terapia mediante maschera basata sull equazione della ventilazione alveolare. I pazienti,quindi, spesso possono mantenere una miglior ossigenazione o richiedere una minor FiO 2 rispetto alle terapie con maschera o cannula convenzionali. Il lavoro della respirazione La natura elastica della mucosa nasale che facilita le caratteristiche fisiologiche dei gas, determina anche una resistenza significativa negli sforzi inspiratori rispetto a quelli espiratori. 15 L HFT fornisce un flusso sufficiente a
5 eguagliare o superare il flusso inspiratorio del paziente, pertanto molto probabilmente riduce al minimo la resistenza inspiratoria associata al nasofaringe. Questa modifica della resistenza si traduce in una modifica nel lavoro resistivo della respirazione. Inoltre il riscaldamento e l umidificazione adeguati delle vie aree respiratorie grazie all erogazione di gas caldi e umidi, sono associati a una miglior conduttanza e a una miglior compliance polmonare rispetto a quanto accade con i gas secchi e più freddi. 16.Inoltre Fontanari e colleghi hanno mostrato che i recettori nella mucosa nasale rispondono ai gas freddi e secchi inducendo una risposta protettiva broncocostrittiva sia in soggetti sani 17 sia in soggetti asmatici. 18 Pertanto l erogazione dei gas respiratori alla temperatura e alla saturazione corporee stimola una risposta meccanica respiratoria ideale. Costo energetico del condizionamento dei gas I passaggi nasali richiedono energia per riscaldare l aria inspiratoria dalla temperatura ambiente a quella corporea (37 C) e per vaporizzare l acqua per umidificare l aria a un umidità relativa del 100%. 4,19,20 Mentre molti di questi fattori coinvolti in questo processo non sono chiari o non sono facilmente definibili, riteniamo che si possa affermare che ci sono alcuni costi energetici significativi per il processo di condizionamento dei gas. Questo costo energetico è alleviato, quando viene erogato il gas alla temperatura e alla saturazione corporee. pressione nelle migliori delle ipotesi è lieve. Il dott. Saslow e colleghi al Cooper University Hospital (Camden, NJ) hanno mostrato che le pressioni di distensione generate dall HFT fino a 8 lpm nei lattanti non era maggiore di quella prodotta da 6 cmh 2 O di CPAP e in alcuni casi significativamente inferiore (a 5 lpm; p = 0,03). 25,26 Il dott. Kubicka e colleghi hanno mostrato che su 27 neonati che ricevevano flussi di gas tramite la cannula fino a 5 lpm, la pressione orale non superava mai 5 cmh 2 O. 23 Il dott. Wilkinson e colleghi hanno mostrato che durante l HFT le pressioni erano relativamente lievi nei lattanti e prevedibili quando i flussi erano normalizzati per il peso corporeo. 24 Studi che valutavano la terapia ad alto flusso per lo sviluppo di pressioni respiratorie di distensione con la bocca chiusa, hanno dimostrato che in genere si sviluppano solo pressioni positive lievi. 23,27 I dispositivi Vapotherm non sono dispositivi a pressione respiratoria positiva continua e non sono indicati per erogare pressioni stabilite. La tecnologia è progettata per erogare flussi di gas condizionati in un sistema aperto mediante una semplice cannula nasale. Relazione tra flusso e pressione Più di quindici anni fa il dott. Locke e colleghi hanno dimostrato che, anche a bassi flussi, la pressione positiva delle vie respiratorie può essere generata involontariamente con l uso della cannula nasale con beccucci larghi rispetto alla dimensione delle narici. 21 Infatti le cannule nasali a basso flusso sono state ampiamente utilizzate per la generazione della CPAP nei sistemi NICU usando beccucci nasali relativamente larghi (rispetto alle dimensioni interne delle narici) e mantenendo la bocca chiusa per creare fino a 8 cmh 2 O di pressione faringea. 2 Queste conoscenze storiche hanno destato delle preoccupazioni su quale sarebbe potuta essere la pressione nasofaringea con cannule nasali ad alto flusso. Numerosi studi clinici e di funzionalità ora hanno chiarito che lo sviluppo di pressione nel nasofaringe e nelle vie respiratorie è determinato dalla perdita intorno ai beccucci nasali e alla posizione della bocca. 22-24 A questo proposito, quando viene applicata l HFT Vapotherm, come consigliato con i beccucci nasali non più larghi della metà del diametro delle narici e la bocca libera di aprirsi, la generazione della
6 Terapia ad alto flusso e umidificazione: Riepilogo dei meccanismi di funzionamento, tecnologia e ricerca Bibliografia 1. Finer NN, Bates R, Tomat P. Low flow oxygen delivery via nasal cannula to neonates. Pediatr Pulmonol 1996;21(1):48-51. 2. Sreenan C, Lemke RP, Hudson-Mason A, Osiovich H. High-flow nasal cannulae in the management of apnea of prematurity: a comparison with conventional nasal continuous positive airway pressure. Pediatrics 2001;107(5):1081-1083. 3. Waugh JB, Granger WM. An evaluation of 2 new devices for nasal high-flow gas therapy. Respir Care 2004;49(8):902-906. 4. Negus VE. Humidification of the air passages. Thorax 1952;7(2):148-151. 5. Williams R, Rankin N, Smith T, Galler D, Seakins P. Relationship between the humidity and temperature of inspired gas and the function of the airway mucosa. Crit Care Med 1996;24(11):1920-1929. 6. Kelly MG, McGarvey LP, Heaney LG, Elborn JS. Nasal septal perforation and oxygen cannulae. Hosp Med 2001;62(4):248. 7. Robertson NJ, McCarthy LS, Hamilton PA, Moss AL. Nasal deformities resulting from flow driver continuous positive airway pressure. Arch Dis Child Fetal Neonatal Ed 1996;75(3):F209-212. 8. Loftus BC, Ahn J, Haddad J, Jr. Neonatal nasal deformities secondary to nasal continuous positive airway pressure. Laryngoscope 1994;104(8 Pt 1):1019-1022. 9. Kopelman AE, Holbert D. Use of oxygen cannulas in extremely low birthweight infants is associated with mucosal trauma and bleeding, and possibly with coagulase-negative staphylococcal sepsis. J Perinatol 2003;23(2):94-97. 10. Campbell EJ, Baker MD, Crites-Silver P. Subjective effects of humidification of oxygen for delivery by nasal cannula. A prospective study. Chest 1988;93(2):289-293. 11. Rankin N. What is optimum humidity? Respir Care Clin N Am 1998;4(2):321-328. 12. Williams RB. The effects of excessive humidity. Respir Care Clin N Am 1998;4(2):215-228. 13. Woodhead DD, Lambert DK, Clark JM, Christensen RD. Comparing two methods of delivering high-flow gas therapy by nasal cannula following endotracheal extubation: a prospective, randomized, masked, crossover trial. J Perinatol 2006;26(8):481-485. 14. Dewan NA, Bell CW. Effect of low flow and high flow oxygen delivery on exercise tolerance and sensation of dyspnea. A study comparing the transtracheal catheter and nasal prongs. Chest 1994;105(4):1061-1065. 15. Shepard JW, Jr., Burger CD. Nasal and oral flow-volume loops in normal subjects and patients with obstructive sleep apnea. Am Rev Respir Dis 1990;142(6 Pt 1):1288-1293. 16. Greenspan JS, Wolfson MR, Shaffer TH. Airway responsiveness to low inspired gas temperature in preterm neonates. J Pediatr 1991;118(3):443-445. 17. Fontanari P, Burnet H, Zattara-Hartmann MC, Jammes Y. Changes in airway resistance induced by nasal inhalation of cold dry, dry, or moist air in normal individuals. J Appl Physiol 1996;81(4):1739-1743. 18. Fontanari P, Zattara-Hartmann MC, Burnet H, Jammes Y. Nasal eupnoeic inhalation of cold, dry air increases airway resistance in asthmatic patients. Eur Respir J 1997;10(10):2250-2254. 19. Proctor DF. Physiology of the upper airway. In: Visher MB, Hastings AB, Pappenhiemer JR, Rahn H, editors. Handbook of Physiology-Respiration 1. Baltimore: Williams & Wilkins; 1985. p 309-345. 20. Mlynski G. Physiology and pathophysiology of nasal breathing. In: Behrbohm H, Tardy T, editors. Essentials of Septorhinoplasty: Philosophy-Approaches-Techniques. Stuttgard, NY: Thieme Medical Publishers; 2004. p 75-87. 21. Locke RG, Wolfson MR, Shaffer TH, Rubenstein SD, Greenspan JS. Inadvertent administration of positive end-distending pressure during nasal cannula flow. Pediatrics 1993;91(1):135-138. 22. Kahn DJ, Courtney SE, Steele AM, Habib RH. Unpredictability of Delivered Bubble Nasal Continuous Positive Airway Pressure Role of Bias Flow Magnitude and Nares-Prong Air Leaks. Pediatr Res 2007. 23. Kubicka ZJ, Limauro J, Darnall RA. Heated, humidified high-flow nasal cannula therapy: yet another way to deliver continuous positive airway pressure? Pediatrics 2008;121(1):82-88. 24. Wilkinson DJ, Andersen CC, Smith K, Holberton J. Pharyngeal pressure with high-flow nasal cannulae in premature infants. J Perinatol 2008;28(1):42-47. 25. Saslow JG, Aghai ZH, Nakhla TA, Hart JJ, Lawrysh R, Stahl GE, Pyon KH. Work of breathing using high-flow nasal cannula in preterm infants. J Perinatol 2006;26(8):476-480. 26. Pyon KH, Aghai ZH, Nakhla TA, Stahl GE, Saslow JG. High Flow Nasal Cannula in Preterm Infants: Effects of High Flow Rates on Work of Breathing. PAS 2008;63:3763.3713. 27. Spence KL, Murphy D, Kilian C, McGonigle R, Kilani RA. High-flow nasal cannula as a device to provide continuous positive airway pressure in infants. J Perinatol 2007;27(12):772-775.
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