Measuring energy expenditure in patients with extracorporeal membrane oxygenation
Purpose: A common pulmonary problem in intensive care is an acute respiratory distress syndrome (ARDS) and in severe cases it could call for extracorporeal lung support (ECLS) to enable adequate oxygenation and carbon dioxide (CO2) elimination. Those critically ill patients can be both hypo- and hypermetabolic. Because of that general recommendations advise to monitor energy expenditure (EE) in intensive care unit (ICU) patients to avoid over- or underfeeding. The measurement by indirect calorimetry (IC) is the gold standard and superior to estimating equations. Due to the oxygen (O2) uptake and CO2 removal by lung and ECLS membrane IC is not realizable for patients with extracorporeal membrane oxygenation (ECMO). We developed a method (Measuring Energy Expenditure in ECLS patients (MEEP)), which allows to determine the EE in patients with ECLS. This creates the opportunity to administer need based nutrition also in ECLS patients, which could improve the clinical outcome in ICU patients.
Methods: Development of the MEEP protocol, which contains a common IC and is expanded by two blood gas analyses that are taken directly before and after the ECLS membrane. The blood gas analysis results allow a calculation to determine the O2 uptake and CO2 elimination by the ECLS membrane. Both results are added for the entire O2 uptake and CO2 elimination and used in the nutritional equation of Weir [1] to compute the EE. Within a pilot study our protocol has been used on 20 patients with ARDS on veno-venous-ECMO (vv-ECMO) treatment. The results were compared to 20 matched ARDS patients without ECLS and the EE calculated with the most prevalent predicting equations for all patients.
Results: We can report that measurements with our new MEEP protocol are clinically achievable. Measured EE values do not significantly differ between the ARDS patients with vv-ECMO (2013 kcal/d [1786/2333]) compared to ARDS patients without ECLS (1857 kcal/d [1602/2085]) (p=0.165). There is also in ECLS patients a high individual difference for all estimating equations between the predicted caloric goal and the measured result of EE. Conclusion: Measuring the EE in ARDS patients with vv-ECMO by our MEEP protocol is safe. Using a vv-ECMO does not result in a significant difference of EE compared to ARDS Patients. We recommend the clinical implementation of consecutive MEEP measurements in ECLS patients to determine the EE, because all evaluated estimating equations were inappropriate to predict the individual energy turnover.
Ref: [1] WEIR JB (1949) New methods for calculating metabolic rate with special reference to protein metabolism. J Physiol 109:1–9.
Bestimmung des Energieumsatzes bei Patienten mit extrakorporaler Membranoxygenierung
Hintergrund: Ein verbreitetes pulmonales Problem in der Intensivmedizin ist das akute Atemnotsyndrom (ARDS), welches in schweren Fällen ein extrakorporales Lungenersatzverfahren (ECLS) erfordert, um eine adäquate Oxygenierung und Kohlenstoffdioxid(CO2)-Elimination zu ermöglichen. Kritisch kranke Patienten können sowohl einen gesteigerten als auch einen verminderten Stoffwechsel haben. Daher empfehlen allgemeine Richtlinien die Überwachung des Energieumsatzes (EE) bei Patienten auf der Intensivstation (ICU) um Über- oder Unterernährung zu vermeiden. Die Messung per indirekter Kalorimetrie (IC) ist der Goldstandard und Abschätzformeln klar überlegen. Allerdings bei Patienten mit extrakorporaler Membranoxygenierung (ECMO) nicht realisierbar, aufgrund der Sauerstoff(O2)-Aufnahme und CO2-Abgabe über die Lunge und die ECLS Membran. Wir haben eine Methode (Measuring Energy Expenditure in ECLS Patients (MEEP)) entwickelt, welche es ermöglicht den EE auch bei Patienten mit ECLS zu bestimmen. Dies schafft die Möglichkeit eine bedarfsgerechte Ernährung auch bei ECLS Patienten zu verabreichen, was das klinische Outcome bei ICU Patienten verbessern kann.
Methodik: Erarbeitung des MEEP Protokoll, welches eine übliche IC enthält und durch zwei Blutgasanalysen ergänzt wird, die direkt vor und hinter der ECLS Membran entnommen werden. Die Blutgasanalyseresultate ermöglichen die Berechnung der O2-Aufnahme und CO2-Abgabe über die ECLS Membran. Beide Resultate werden zur gesamten O2-Aufnahme und gesamten CO2-Abgabe addiert und in der Ernährungsformel nach Weir [1] zur Berechnung des EE genutzt. Im Rahmen einer Pilotstudie kam unser Protokoll bei 20 Patienten mit ARDS an veno-venöser ECMO (vv-ECMO) zum Einsatz. Die Ergebnisse wurden mit 20 gematchten ARDS Patienten ohne ECLS Therapie, sowie den verbreitetsten Abschätzformeln zum Kalorienbedarf verglichen.
Ergebnisse: Wir können berichten, dass Messungen mit unserem neuen MEEP Protokoll klinisch durchführbar sind. Die gemessenen EE Werte zwischen ARDS Patienten mit vv-ECMO (2013 Kcal/d [1786/2333]) unterschieden sich zu den EE Werten der ARDS Patienten ohne ECLS (1857 kcal/d [1602/2085]) nicht signifikant (p=0.165). Es zeigt sich auch bei ECLS Patienten für sämtliche Abschätzformeln eine hohe individuelle Differenz zwischen Messung und Vorhersage des EE. Schlussfolgerung: Die Messung des EE bei ARDS Patienten mit vv-ECMO ist mit unserem MEEP Protokoll sicher möglich. Die Anwendung einer vv-ECMO resultiert nicht in einem signifikanten Unterschied des EE bei ARDS Patienten. Wir empfehlen die klinische Implementierung regelmäßiger MEEP Messungen bei ECLS Patienten zur Bestimmung des EE, da alle untersuchten Abschätzformeln ungeeignet waren den individuellen Energieumsatz vorherzusagen.
Ref: [1] WEIR JB (1949) New methods for calculating metabolic rate with special reference to protein metabolism. J Physiol 109:1–9.
