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TECNICHE DI PROTEZIONE CEREBRALE

La necessità di proteggere gli organi più sensibili agli insulti ischemici durante un intervento di cardiochirurgia, ha portato fin dai primi tempi ad adottare una serie di strategie come l’ipotermia sistemica e successivamente la creazione di apparecchiature che sostituissero la funzione del cuore e dei polmoni culminate con lo sviluppo delle macchine cuore polmoni per la circolazione extracorporea.
Garantire la protezione di organi e tessuti diventa quindi un requisito fondamentale per il buon esito dell’intervento, tuttavia la complessità di alcune patologie, in particolare quelle a carico dell’aorta, rendono l’intervento in termini tecnici, profondamente complesso al punto da richiedere in alcuni casi l’arresto vero e proprio della circolazione ematica per consentire al cardiochirurgo l’espletamento dell’atto chirurgico.
Numerosi sono stati gli studi e le sperimentazioni effettuate per mettere a punto una tecnica di protezione cerebrale ideale che raccogliesse sostanzialmente alcuni requisiti fondamentali come la facilità d’esecuzione, un’efficace protezione e tempi d’ischemia sicuri. Ognuna di queste si è distinta in termini di complessità ed efficacia a partire dall’ipotermia profonda in arresto di circolo fino alle tecniche di per fusione cerebrale selettiva anterograda o retrograda effettuate in arresto di circolo. In quest’ultimo caso le metodiche sulla perfusione cerebrale si sono sviluppate tenendo conto di un importante ed affascinante meccanismo fisiologico presente nel cervello, conosciuto come il meccanismo di autoregolazione.

FLUSSO CEREBRALE ED AUTOREGOLAZIONE
Il tessuto cerebrale a differenza di altri, muscolare, dei tessuti costituenti l’apparato renale o epatico, risulta essere il più vulnerabile agli insulti ischemici. Per tale motivo per consentire un costante apporto di ossigeno, glucosio ed una continua rimozione dei cataboliti, il flusso ematico deve essere regolarmente mantenuto.
Benché il glucosio costituisca il substrato primario per la generazione di energia, nel cervello non esistono zone di storaggio risulta quindi ancor più evidente come sia fondamentale per il metabolismo di quest’organo mantenere costante il flusso ematico.
In termini pratici è stato valutato che per soddisfare il fabbisogno metabolico sono necessari ogni minuto circa 60g di glucosio e circa 3-4 ml di ossigeno per 100g di tessuto cerebrale.
La glicolisi aerobia produce per ogni molecola di glucosio due molecole di ATP ma in una condizione di ischemia, ossia di sproporzione fra la richiesta e l’apporto, la glicolisi anaerobia nel cervello provoca un importante aumento dei lattati e contestualmente una diminuzione del pH intracellulare dagli effetti potenzialmente fatali per i neuroni.
Il circolo cerebrale è in grado quindi di adattarsi ad ogni variazione del metabolismo cerebrale e nello stesso tempo di prevenire o limitare tutti quei fattori che ne possano compromettere il regolare funzionamento. Così nei casi di un rapido crollo della pressione arteriosa, il circolo cerebrale metterà in atto una serie di strategie per garantire un adeguato flusso ematico, altresì di fronte ad un eccessivo aumento della pressione intracranica (ad esempio per la formazione di un edema cerebrale) un simile meccanismo limiterà l’afflusso di sangue.
Il normale flusso cerebrale (CBF) è di circa 45/50 ml/min per 100g di materia, di cui circa 20 ml/min/100g nella materia bianca e 70 ml/min/100g nella materia grigia.
Principali fattori in grado di alterare il flusso ematico cerebrale (CBF):

> pO2
> pCO2
> ipertensione
> diabete
> ipotermia
> flusso non pulsatile prolungato
> ipotensione da emorragia
> anestetici: farmaci simpaticolitici
> pH stat menagement

PRESSIONE DI PERFUSIONE CEREBRALE (CPP)

I principali costituenti all’interno della scatola cranica sono il cervello circa l’80% del volume occupato, il sangue (12%) e il liquido cerebrospinale (CFS) (8%). Il cranio può essere quindi considerato come una sorta di scatola rigida riempita di fluido. Se il volume all’interno di questa scatola cresce, la pressione aumenterà contestualmente fintantoché i fluidi non potranno usufruire di una “via di fuga”. Se la massa cerebrale aumenta di volume, il sangue o il fluido cerebrospinale dovranno quindi cercare delle corsie preferenziali come illustrato nello schema:

La pressione di perfusione cerebrale è definità come la differenza tra la pressione arteriosa media (MAP) e la pressione intracranica (ICP):

CPP = MAP – ICP

In condizioni normali la pressione di perfusione cerebrale è di circa 80 mmHg, mentre il range di autoregolazione oscilla tra i 50-130 mmHg (in ipotermia il range è mantenuto fino a 30 mmHg). Una strategia per valutare un adeguato livello di perfusione, consiste nel monitoraggio della saturazione venosa nel bulbo giugulare che si trova alla base del cranio. Il range normale è tra il 65-75%. Se il flusso ematico diminuisce al di sotto della soglia critica si verifica una caduta della saturazione venosa come risultato del meccanismo di compensazione in base al quale il cervello di fronte ad un diminuito apporto consuma in proporzione molto più ossigeno.

Le metodiche di perfusione cerebrale retrograda e anterograda possono dar luogo ad una particolare condizione il cui risultato finale è alterazione del meccanismo di autoregolazione. Ciò si verifica per l'eccessivo apporto di sangue, in surplus con le reali necessità metaboliche del cervello provocando il fenomeno della "perfusione di lusso" (luxury perfusion). L'ipotermia indotta durante gli interventi in arresto di circolo può essere tra le cause che alterano funzionamento dell'autoregolazione determinando fenomeni di vasodilatazione del circolo cerebrale. E' in questa fase che si crea la sproporzione tra i flussi, impostati nella pompa per la perfusione selettiva e le reali necessità metaboliche. Il cervello a causa dell' iper-perfusione è quindi esposto ad un alto rischio di formazione di micro e macro emboli nonchè di edemi interstiziali. La perfusione di lusso è quindi un evento potenzialmente ingiurioso e non raro soprattutto verso quella popolazione di pazienti anziani in cui i meccanismi dell'autoregolazione risentono fortemente dell'ipotermia e del flusso non pulsatile.

METODICHE

IPOTERMIA PROFONDA CON ARRESTO CIRCOLATORIO
Si tratta di una delle prime tecniche messe a punto per la protezione cerebrale.
Partendo dal presupposto che la velocità di una reazione chimica è strettamente proporzionale alla temperatura in cui essa si svolge, risultava evidente che riducendo drasticamente la temperatura sistemica, tutte le razioni biochimiche che comportano consumo di ossigeno in particolar modo quelle a livello del tessuto cerebrale sarebbero parallelamente diminuite. E’stato infatti dimostrato da alcuni studi che l’ipotermia induce un rallentamento del metabolismo e di conseguenza una diminuzione del consumo di ossigeno di circa il 5% per ogni grado di temperatura.
Tale metodica prevede di portare il paziente a circa 18°C di temperatura rettale. In questo modo il tempo di arresto sicuro è di circa quarantacinque minuti.
I vantaggi di questa tecnica risultano nella semplicità di esecuzione senza l’impiego di mezzi ausiliari, tuttavia l’ipotermia profonda ha un forte impatto sul paziente provocando significative complicanze in particolar modo sul fronte della coagulazione, aggravate anche dai lunghi tempi di circolazione extracorporea imposti dal raffreddamento e successivamente dal riscaldamento sistemico. In alcuni casi però la patologia a carico dell’aorta era così complessa che quaranta minuti di arresto potevano non essere sufficienti affinché avesse compimento l’atto chirurgico.

Perfusione cerebrale retrograda:

per ovviare a questo inconveniente Ueda introdusse la tecnica della perfusione cerebrale retrograda attraverso la vena cava superiore. In questo modo si dilatavano notevolmente i tempi di arresto e contemporaneamente si era in grado di mantenere un raffreddamento omogeneo del cervello. La validità della perfusione cerebrale retrograda si estrinsecava attraverso una serie di dati oggettivi:

- possibilità di perfondere il cervello durante l’arresto di circolo
- apporto costante di ossigeno e substrati nutritivi
- rimozione di cataboliti e di possibili emboli o microtrombi

Da un punto di vista strettamente tecnico tale metodica si distingueva rispetto le altre per semplicità di esecuzione. Qualche dubbio sulla reale efficacia della perfusione cerebrale retrograda era stato sollevato in seguito da alcune constatazioni riguardo la presenza a livello del circolo cerebrale di valvole venose e shunt artero-venosi come possibili ostacoli ad una perfusione omogenea. Inoltre le complicanze legate all’ipotermia profonda, con l’utilizzo di questa tecnica non erano affatto evitate.
Non a caso recenti studi hanno dimostrato che la perfusione cerebrale retrograda risulti estremamente efficace per la sua azione di “spazzinaggio” del circolo cerebrale verso possibili microtrombi o microemboli e rimozione di cataboliti acidi.

PERFUSIONE CEREBRALE ANTEROGRADA
Il concetto di protezione cerebrale viene ulteriormente raffinato e sviluppato mediante la tecnica della perfusione cerebrale anterograda attraverso i vasi epiaortici. In realtà già nel 1957 De Bakey eseguì la sostituzione di un arco aortico aneurismatico, perfondendo il cervello con una pompa separata, direttamente dall’arteria anonima e arteria carotide comune sinistra e il resto del corpo dalle arterie femorali, in ipotermia moderata.
Ma la complessità della tecnica, associata ad un alto rischio di fenomeni trombo-embolici dovuto alla manipolazione dei vasi epiaortici per consentirne la cannulazione e all’inceretezza di un circolo cerebrale (poligono del Willis) non compromesso, per un certo periodo mitigò gli entusiasmi, considerando anche il grande interesse che stava suscitando sull’altro fronte l’ipotermia profonda in arresto di circolo. Si deve arrivare alla seconda metà degli anni ottanta perché questa tecnica ottenesse nuovamente credibilità, grazie gli studi di Frist il quale propose la perfusione cerebrale e sistemica mediante un’unica pompa la cui linea arteriosa si divideva ad Y terminando con una cannula in arteria anonima (oppure in arteria carotide di sinistra) e in arteria femorale, ad un livello di ipotermia moderata 26-28 °C. In questo modo cannulando un solo vaso si poteva ottenere una buona visibilità del campo operatorio, inoltre grazie al moderato livello di ipotermia le sequele associate alle basse temperature raggiunte con l’arresto totale di circolo erano sensibilmente ridotte.
Ma il punto debole della tecnica sviluppata di Frist, risiedeva nella cannulazione selettiva della sola arteria brachiocefalica. Con tale sistema in primo luogo non era possibile calcolare l’esatto flusso di ogni distretto cerebrale ed inoltre non si poteva avere la certezza dell’assenza di eventuali stenosi carotidee severe o della buona funzionalità del poligono di Willis. La necessità di indagini strumentali preoperatorie rendeva la tecnica praticamente inutilizzabile in urgenza.
Un’ulteriore passo in avanti venne fatto da Bachet, il quale introdusse la doppia cannulazione dei vasi epiaortici (arteria anonima e carotide sinistra) ed il concetto della cerebroplegia fredda (“cold cerebroplegia”). In questo caso oltre ad utilizzare due pompe distinte, una per la perfusione cerebrale e l’altra per quella sistemica, si usavano anche due scambiatori di calore. Quindi raggiunta la temperatura rettale di circa 25°C e clampati i vasi epiaortici, si procedeva alla perfusione anterograda selettiva con la temperatura del sangue che si doveva attestare tra i 6-12°C arrestando contemporaneamente il circolo sistemico.
Nel 1989 un chirurgo giapponese Kazui mise a punto quello che a tutt’oggi risulta essere il miglior compromesso per la protezione cerebrale e la semplicità di gestione:

La perfusione avviene cerebrale e sistemica avviene mediante l'uso di due pompe distinte, con l'impiego di un unico scambiatore di calore. Nel primo caso si procede con l'incannulazione selettiva dei tronchi epiaortici mentre la perfusione sistemica avviene dalla cannula posizionata in arteria femorale. Questa tecnica offre due modalità di conduzione della circolazione extracorporea. E' possibile infatti, raggiunta la temperatura rettale di 25°C, fermare la CEC, perfondere l'anonima e la carotide di sinistra ai seguenti flussi:

10 ml/kg/min

In questo modo viene monitorata l'adeguatezza della perfusione attraverso l'arteria radiale destra mantenendo un livello pressorio di 50-70 mmHg. L'aorta toracica viene clampata per evitare il reflusso di sangue e ha inizio quindi la perfusione sistemica ad alti flussi ad un regime di 40 ml/kg/min.

E' possibile tuttavia abbassare ulteriormente la temperatura rettale a circa 22°C, arrestare il circolo, iniziare la perfusione cerebrale secondo protocollo e riprendere la perfusione sistemica a bassi flussi a 0,5-1 L/min.

La tecnica messa a punto da Kazui è attualmente tra le più impiegate per diversi motivi: relativa facilità di esecuzione, possibilità di non scendere a livelli di ipotermia eccessivi e capacità di mantenimento dell'autoregolazione del flusso cerebrale. Inoltre grazie al progressivo abbattimento dei tempi chirurgici il clampaggio dell'aorta distale è raramente necessario consentendo la sola perfusione del cervello.

Le ricerche più recenti condotte con apparati di monitoraggio notevolmente sofisticati hanno ridimensionato alcune certezze sulla dinamica del metabolismo cerebrale. Michenfelder e co. hanno eseguito uno specifico studio per esprimere la relazione tra la temperatura ed il metabolismo cerebrale per l'O2 (CMRO2). Da ciò è emerso come a 18°C di temperatura (considerata sicura per l'arresto) in molte specie animali rimane un 39% di attività metabolica basale, testimoniata anche dalla presenza di una significativa onda elettroencefalografica. Scendendo ad una temperatura da i 13-8 °C, si assiste invece alla soppressione dell'attività elettrica dell' EEC. E' stato possibile stimare che per il cervello umano durante arresto di circolo totale, il reale tempo sicuro di arresto a 15°C è di circa 30 minuti mentre a 10 °C di 40 min. Oltre questi limiti il rischio di danno da ipossia diventerebbe concreto. La perfusione cerebrale anterograda tuttavia risulta un fondamentale rimedio per la prevenzione del danno da ischemia ma rimane incontrovertibile il fatto che minori sono i tempi di arresto e di perfusione selettiva, minore è l'impatto del paziente alla circolazione extracorporea.