Shock Syndrome (Hypoperfusion Syndrome) Molnár Miklós Semmelweis University Institute of Pathophysiology 2001

Samuel Gross, 1872 Shock- a rude unhinging of the machinery of life. First LeDran (1773) used this term (Fr. choc) to describe the clinical characteristics of patients after severe gunshot trauma.

Definition The term shock is used to describe complex pathophysiologic syndrome(s) arising from any multitude of causes. Shock usually results from a critical impairment of blood flow to vital organs and tissues and/or the ability of those tissues to utilize essential nutrients. The common denominator in all forms of shock is microcirculatory insufficiency

Common Cause of Shock 1. Hypovolemic shock Hemorrhage Fluid loss Gastrointestinal (e.g. vomiting, diarrhea) Urinary (e.g. hyperglycemia, diabetes insipidus, diuretic therapy, postobstructive diuresis) Skin (e.g. burn) Internal sequestration (e.g. ascites)

Common Cause of Shock 2. Cardiogenic shock Myocardial failure Left ventricular (e.g. ischemia, infarction, cardiomyopathy) Right ventricular (e.g. infarction, pulmonary hypertension, cor pulmonale) Arrhythmiák Valvular regurgitation or stenosis Ventricular septal rupture or free-wall rupture Obstructive lesions myxoma, pulmonary embolus, pricardial tamponade

Common Cause of Shock 3. Distributive shock Septic shock Neurogenic shock (e.g. severe central nervous system depression, spinal cord injury) Anaphylaxis Adrenal cortical failure

Pathophysiology of Shock Tissue hypoxia Activation of protective mechanisms Negative feed back mechanisms Failure of the protective mechanisms Positive feed back mechanisms Over activation of the immune system Multiple Organ Failure

Major Hemodynamic Determinants of Tissue Perfusion Systemic arterial pressure Arterial Pressure=Cardiac Output x Total Vascular Resistance Organ vascular resistance Nutritional microcirculatory patency

Major Hemodynamic Determinants of Tissue Perfusion Systemic arterial pressure Total vascular resistance Total arteriolar resistance, vascular muscle tone tissue metabolites neurohumoral factors toxins Blood viscosity

Cardiac output Heart rate (brady- and tachyarrhythmias) Stroke volume preload (cardiac filling pressure and volume) total circulating blood volume distribution of blood volume atrial contraction diastolic filling time (heart rate) Inotropic state total functioning ventricular muscle mass intrinsic (myocardial) control mechanism extrinsic (noncardial) neurocirculatory control mechanisms myocardial perfusion myocardial oxygen demand physiologic/pharmacologic depressant humoral agents Afterload Aortic diastolic pressure Ventricular size

Organ vascular resistance Occlusive vascular disease Local arteriolar and venular resistance Neurogenic factors Humoral factors Local autoregulation Nutritional microcirculatory patency Precapillary sphincter tone Postcapillary venular tone Intracapillary aggregation of blood components Capillary endothelial integrity

other circulating myocardial Preload Contractile state Afterload Stroke volume Total circulating blood volume Distribution of blood volume body position intrapericardial pressure intrathorachal pressure venous tone Atrial Cotraction AFTERLOAD CONTRACTILE STATE PRELOAD Aortic root diastolic pressure systemic vascular resistance arterial viscoelasticity aortic root blood volume Impedance Ventricular size Functioning ventricular muscle mass absolute mass oxygenisation Intrinsic/extrinsic neurohumoral mechanisms sympathetic nervous system sympathoadrenal axis circulating catecholamines parasympathetic nervous system Depressants hypoxia acidosis alkalosis drugs other circulating myocardial depressant factors

Output or Vasodilatation Pathophysiology of shock Stage I. Stage II. Stage III. Cellular membrane Injury Microcirculatory Failure Endothelial Damage Decreased perfusion Major End-Organ Dysfunction Low Cardiac Output or Vasodilatation Pathogenesis Compensated hypotension Decompensated hypotension Cellular Death ? Potentially reversibile shock Irreverzibile shock

Compensatory Mechanisms (negative feedback mechanisms) Baroreceptor reflexes Chemoreceptor reflexes Cerebral ischemia Reabsorption of tissue fluids Endogenous vasoconstrictors Renal conservation of water

Microcirculation and Transcapillary Exchange Constriction of arteries and arterioles Constriction of venues and venules Capillary permeability and oncotic pressure  edema

Exchange of Filtration-Reabsorption Hemoconcentratio Decrease of the Blood Volume Stop of the Axial flow rotation of red blood cells blood sludging Increased postcapillary resistance Increased filtration

Effect of Long Lasting Hypoperfusion of Tissues Accumulation of metabolites lactic acid, vasodilators Decreased Peripheral resistance cerebral ischemia, cardiac ischemia - failure Positive feedback mechanisms

Decompensatory mechanisms (positive feedback mechanisms) Cardiac failure Acidosis Central nervous system depression Alteration of blood clotting Reticuloendothelial system

Cellular Membrane Integrity Cellular Membran Injury Hypoxia Toxins, bacteriums, foreigner particles Activation of Complement System PLA2 arachidonic acid COX1/COX2 LTB4, PGE2, TXA2, PGF1 (primary mediators)

Mediators in Shock Amins (histamine, serotonine) Lipids Eicosanoids, PAF Proteolytic Cascade Kinin-kallikrein Complement system (C3a, C5a) Clotting factors (XIII, vW) Plasminogen - plasmin

Mediators in Shock 2. Cytokines Free Radicals Interleukins IL-1, …. IL-15 … ILn Tumor Necrosis Factor (TNF a,b) Kolónia stimuláló faktorok (GCSF) Growth Factors (FGF, TGF b) Interferons (IF a, b, g) Other polypeptides (fibronectin, chemokines) Free Radicals O2-, NO, lipid-, protein peroxides

Roles of Primary Mediators Activation of endothelial cells mediators (NO, ONOO-) Activation of granulocytes free radicals lysosomal enzymes (myeloperoxidase, elastase) migration further activation new mediator release (IL, TNF, PAF stb.) inflammation

Decreased venous return Decreased Cardiac Output Decreased arterial pressure Decreased systemic blood flow Decreased cardiac nutrition Decreased nutrition of tissues Intravascular clotting Decreased nutrition Of brain Decreased nutrition of vascular system Tissue ischemia Decreased vasomotor activity Increased capillary permeability Release of toxins Vascular dilatation Decreased Blood volume Venous pooling Cardiac depression Decreased venous return

Hypovolaemic Shock Urinary Tract Fluid Losses Hemorrhage Trauma, surgery, aneurysm rupture Hemothorax, hematoma Haemophylia, anticoagulants, thrombolytics Exessive Fluid Loss from GI Tract Vomiting, diarrhea -- especially infants and children Urinary Tract Fluid Losses Diabetes insipidus, diabetes mellitus, salt-wasting disorders, adrenocortical insufficiency, diuretics Fluid Loss from the Skin Excessive burn, skin inflammation (generalized exfoliative dermatitis) Internal Sequestration of Fluid Loss of volume into the interstitial space or body cavities. Chronic liver disease, acute pancreatitis, angioedema.

Effect of Hypovolaemia on Cardiac Output Preload Cardiac Output

Course of Arterial Pressure in Dogs after Different Degrees of Acute Hemorrhage I. 100 80 60 40 20 120 180 240 300 360 VI. V. IV. III. II. Arterial pressure (% of control) Time(min)

Effect of Hemorrhage on Cardiac Output and Arterial Pressure 100 Arterial Pressure Arterial Pressure (% of normal) Cardiac Output and 50 Cardiac Output 20 40 50 % of Total Blood Removed

Compensatoris Mechanisms in Hypovolemic Shock Baroreceptor Reflexes Cerebral Ischemia b1-receptors Increasing heart rate and cardiac output b2-receptors metabolism a-receptors vasoconstrictio (kidney, splanchnic area, muscle, adipose tissue) Renin-Angiotensin-System ADH/Vasopressin

Consequences Almost normal cerebral and cardial circulation (70-90 mmHg) Circulation of other organs decrease -TPR Skin - pale Kidney - decreased diuresis Muscle - weakness

Cardiogenic Shock Impaired Pump Function Myocardial Infarction Asthma cardiale Severe Acidosis Barbiturat intoxication Toxins of Septic Shock Valvular regurgitation or stenosis Septal Rupture Pericardial tamponade Pneumothorax Embolism

Cardigenic shock Cardiac Output Preload

Hyperdinemic shock Septiko-toxic shock Normovolemia Normotension Decreased TPR (generalized vasodilatation) Increased Cardiac Output (2-3 fold) Redness, fever Increased Heart rate

Hyperdinamic shock Accumulation of lactic acid Changes in amino acid metabolism tyrosine - octopamine inhibits the a-receptors Increased production of NO cytokines, endotoxin - iNOS Relative oxygen deficits -- cardiac failure

Distributive shock Cardiac Output Preload

Reperfusion Hypoxia Reperfusion large artery (a femoralis, a mesenterica sup.) Reperfusion liberation of mediators

Reperfusion Injury Severe hypoxia/anoxia Tissue injury (endothel cells etc.) Early reperfusion: No reflow (capillaries); Reflow paradox (postcapillar venules) Late reperfusion Inflammation

Delayed Consequences of Reperfusion Inflammatoric reactions Local Diffuse Compensatoric mechanisms Apoptosis Tendency for regeneration

Delayed Consequences of Reperfusion Hemorrhagic Necrosis Hemorrhage Fluid loss

Causes of Tissue demage Ca2+ influx Enzyme activation (PLA2, XOR, iNOS stb.) Free radicals (XO, XD) Primary mediators Histamine, eicozanoids, NO, peptides, Etc. Cell-cell interaction Endothel layer –PMN mediator release

Septico-toxic shock Hyperemic Stage Bacterial sepsis Inpaired utilization of oxygen Bacterial sepsis Endotoxin, severe burn, necrotic tissue demage

Anaphyxis Sensitized individual exposed to antigen triggers an IgE-mediated activation of mast cells. Decreased sympatetic inervation of vasculature Drugs (penicillin), food (eggs, white nuts, seafood) Direct smooth muscle relaxation endotoxin endotoxin induced cytokine release

Trauma Direct Tissue Demage Inflammation Hemorrhage Hypovolemic shock multiple Direct Tissue Demage Inflammation Hemorrhage Hypovolemic shock hypoxia Tissue injury Inflammation Infection Inflammation Sepsis

A máj szerepe a sokkban 1. A hepatocytákra hatnak: NO, immunsejtek, hormonok stb. Fokozott aminósav kínálat (alanin, glutamin) Fokozott tejsav-, piroszőlősav kínálat Ammónia-nitrogén -- karbamid szint emelkedik Csökken a fenilalanin és a tirozin felvétele, a leuciné nem változik (leu/tyr, leu/phe)

A máj szerepe a sokkban 2. Hyperglykaemia glukoneogenezis tejsav, piroszőlősav, alanin Kezdetben fontos tápanyag, később azonban a túlműködést és a baktériumok szaporodását segítik elő

A máj szerepe a sokkban 3. Akut fázis fehérjék C-reaktív protein fokozott aminosav kínálat IL-1, IL-6, TNF Kuppfer sejtek (RES) egyéb C-reaktív protein gyulladást serkentése granulocyta migráció fokozása phagocyták kitapadása komplement aktiváció a1-antitripszin antiproteolítikus Cöruloplazmin, a2 -makroglobulin, transzferin szabadgyökfogók, antiproteázok

A máj szerepe a sokkban 4. Alvadási rendszer Komplement rendszer Fibrinolítikus rendszer A fibrinogén szint traumás és szeptikus sokkban a folyamat súlyosságát jelzi.

Az izomszövet reakciója sokkban Hemodinamikai szerep (A testtömeg 30-40%) Anyagcsere termékek A filtráció nő -- vértérfogat csökken Citokinek (TNF, IL-1, IL-6 és GIF) A TNF gátolja a piruvát dehidrogenázt glukóz felvétele nő, csökken a glukóz oxidációja piroszőlősav-, tejsav leadás nő fehérjék fokozott lebontása (leucin) -- ketonsavak piroszőlősav + aminócsoport: alanin A plazma alanin koncentrációja nő

Az endokrin rendszer szerepe sokkban Adrenalin -- vércukorszit emelkedés Kortizol -- fokozott fehérjebontás Inzulin és a glukagon mennyisége nő (a keringésbe kerülő citokinek miatt)

A lipidanyagcsere változásai sokkban Fokozott tejsav, piruvát, alanin, ketonsavak TCA ciklus acetil-KoA Inzulin -- malonil-KoA -- zsírsavszintézis -- lipidek felépülése Izomban: zsírsavégetés, glukóz oxidációja helyett

A tüdő kóros elváltozása sokkban Immunválaszok túlaktiválódása Adult Respiratory Distress Syndroma (ARDS) a MOF részeként 70%-os mortalitás alveoláris folyadékgyülem tromboxán, endotoxinok, az aktiválódott immunsejtek növelik a kapilláris membrán permeábilitását fehérje lép ki -- ozmotikus gradiens csökken alveolus membrán epitel sejtjei károsodnak romlik a gázcsere (diffúziós út nő, légzőfelület csökken, AV söntök megnyílnak) arteriás pO2 csökken -- Légzési elégtelenség

A bél mint sokk szerv Direkt károsodás (perforáció, vérzés) Hypoxia következtében nö a permeabilitás (az epithel sejtek O2 igénye nagy) Bélbaktériumok a vérbe, nyirokba kerülnek -- endotoxin (LPS) Myocardialis Depressing Factor (MDF) a hypoxiás hasnyálmirigyből Keringési redisztribúció, centralizáció Reperfúzió Nagy felület a felszívódásra Terápiás lehetőség: béltartalom eltávolítása, antibiotikum

A zsírszövet szerepe a sokkban Elhízott emberekben a sokk nagyobb arányban fatális Kardiális állapot A keringés centralizációja miatt stop flow Anaerob metabolizmus Sejtpusztulás -- tejsav, proteázok Reperfúziós károsodás: a nagy tömeg miatt sok mediátor és aktív immunsejt szabadul fel. ARDS veszélye nagyobb

A vese kóros elváltozásai sokkban A vese másodlagos sokk szerv, a MOF részeként vazokonstrikció koncentrálóképesség beszűkül vizelet mennyisége csökken (ADH, aldoszteron) tubuláris nekrózis, anuria, uraemia -- dializis

Terápiás tennivalók Korai diagnózis Monitorozás (EKG, AP, PTF, Fr, CVP, vérgáz, pH, percdiurézis) elektrolitok, vércukor, plazmafehérjék, aminósavak, tejsav Primer ok megszüntetése A szervek oxigén ellátásának biztosítása (60-70 Hgmm közel normál pO2 Antibiotikumok Szteroidok