Blauw bloed

DIAGNOSTISCHE UITDAGINGEN RONDOM METHEMOGLOBINE

  • 14 min.
  • Wetenschap

Inleiding

Naar aanleiding van een recente casus hebben wij ons verdiept in het mechanisme en de diagnostische uitdagingen van methemoglobinemie. Methemoglobinemie veroorzaakt een daling van het zuurstoftransporterend vermogen van de erytrocyten. Klinisch kan methemoglobinemie zich onder meer uiten in cyanose en, afhankelijk van de gebruikte meetmethode, een daling van de saturatie. Als er, zoals in de beschreven casus, ook nog interfererende pigmenten in het spel zijn, wordt de puzzel ingewikkeld.
Met dit artikel willen wij bijdragen aan de kennis over, en het bewustzijn van de diagnostische uitdagingen bij methemoglobinemie. Het artikel begint met de beschrijving van de casus, waarna we ingaan op de biochemische achtergrond en oorzaken van methemoglobinemie. Daarna lichten wij de verschillende definities van de zuurstofsaturatie in relatie tot methemoglobine toe, om af te sluiten met de interferenties van klinisch toegepaste kleurstoffen op de saturatiemetingen.

Casus

Onlangs werden wij verzocht om genetisch onderzoek in te zetten naar congenitale methemoglobinemie. Een 30-jarige vrouw had een laparoscopische lymfadenectomie van de kleine bekken ondergaan in verband met een adenocarcinoom van de cervix. Tijdens de ingreep was ze asgrauw geworden en had de puls-oximeter een daling van de saturatie tot 80% aangegeven. Er waren geen hemodynamische veranderingen opgetreden. De saturatie verbeterde niet na het toedienen van extra zuurstof. Een veneuze bloedgasanalyse op een CO-oximeter liet een normale zuurstofspanning (pO2) zien. Op basis van deze gegevens ging de anesthesioloog uit van methemoglobinemie en behandelde de patiënt met 60 mg methyleenblauw. Hierop herstelde ze gestaag en werd ze zonder neurologische klachten wakker, maar hield ze een afwijkende kleur. Om de oorzaak van de vermeende methemoglobinemie te achterhalen, vroeg de anesthesioloog genetisch onderzoek naar congenitale methemoglobinemie aan. Navraag leerde dat de bloedgasanalyzer (ABL90, Radiometer) foutcodes had gerapporteerd voor de uitslagen van methemoglobine (MetHb), carboxyhemoglobine (COHb), oxyhemoglobine (O2Hb), deoxyhemoglobine (HHb) en totaal hemoglobine (tHb). Dit deed ons vermoeden dat er sprake zou kunnen zijn van een interfererende stof. Desgevraagd gaf de anesthesioloog aan dat de patiënte enkele minuten voor de desaturatie patentblauw toegediend had gekregen in het kader van de lymfadenectomie. Wij hebben een alternatieve MetHb-bepaling ingezet met een methode waarbij de erytrocyten van tevoren worden gewassen. Het MetHb was in dit gewassen monster niet verhoogd en ook CO-oximetrische bepalingen in dit monster waren niet afwijkend. Onze conclusie was dat er sprake is geweest van interferentie door patentblauw en niet van methemoglobinemie.

Wat is methemoglobine?

Methemoglobine (MetHb) is de geoxideerde vorm van hemoglobine (Hb). Hb is essentieel voor de oxygenatie van weefsels. Het bevat een heemgroep, met een centraal divalent ijzerion (Fe2+). Dit ijzerion kan een elektron delen met zuurstof, waardoor een reversibele binding tussen hemoglobine en zuurstof ontstaat (oxyhemoglobine - O2Hb). Als O2Hb het zuurstofmolecuul afstaat aan het weefsel, komt het elektron weer beschikbaar voor zuurstofbinding.
In de erytrocyten is er continu sprake van enige oxidatie van Fe2+-heem naar Fe3+-heem. Deze geoxideerde vorm van Hb wordt MetHb genoemd. MetHb kan geen zuurstof opnemen en afgeven aan de weefsels. De vorming van Fe3+-heem leidt tot een allosterische verandering in het hemoglobinemolecuul, waardoor de overige Fe2+-heemgroepen een hogere affiniteit voor zuurstof krijgen. Hierdoor verschuift de zuurstofdissociatiecurve naar links, wat de hypoxie in de weefsels versterkt (1). Normaliter zijn er voldoende compensatoire systemen om de vorming van MetHb te beperken. Als deze systemen falen neemt de MetHb-concentratie toe en ontstaat methemoglobinemie.
De symptomen van methemoglobinemie staan samengevat in Tabel 1. Clinici moeten onder andere aan methemoglobinemie denken bij een desaturatie met een normale zuurstofspanning (pO2), die niet verbetert na toediening van extra zuurstof. In de differentiaaldiagnose staat sulfhemoglobinemie. Bij sulfhemoglobinemie bindt een zwavelgroep covalent aan geoxideerd hemoglobine. In tegenstelling tot MetHb is de oxidatie bij SulfHb irreversibel. Zwavelgroepen afkomstig van gastro-intestinale micro-organismen of endogeen glutathion kunnen bijdragen aan de vorming van SulfHb. De belangrijkste veroorzaker is het gebruik van zwavelhoudende medicatie.

Tabel 1. Symptomen van methemoglobulinemie bij oplopende methemoglobinefractie.7
Tabel 1. Symptomen van methemoglobulinemie bij oplopende methemoglobinefractie.7

 

Oorzaken van methemoglobinemie

Klinisch relevante methemoglobinemie is relatief zeldzaam. De verworven vormen worden vaker gezien dan de congenitale vormen.

Cytochroom-b5-reductasedeficiëntie

Deficiëntie van cytochroom-b5-reductase, een belangrijk erytrocytair anti-oxidantsysteem, is een van de congenitale oorzaken van (chronische) methemoglobinemie. Erytrocyten bevatten veel zuurstof en staan daardoor extra bloot aan oxidatieve processen. Ze hebben geen kern en mitochondriën en kunnen daardoor geen anti-oxidatieve enzymen en cofactoren aanmaken. Ter bescherming hebben de erytrocyten verschillende enzymsystemen, waarvan het tweestaps enzymsysteem cytochroom-b5 /cytochroom-b5-reductase het belangrijkste is. Andere anti-oxidatieve enzymsystemen zoals ascorbaat en glutathion dragen onder normale omstandigheden slechts in beperkte mate bij aan de bescherming tegen oxidatieve stress (2). Er is continu enige MetHb-productie, maar het cytochroom- b 5-reductasecomplex reduceert Fe3+ snel tot Fe2+ . Het enzymcomplex draagt elektronen van NADH over op MetHb. Het NADH is afkomstig uit de glycolyse (zie Figuur 1).

Figuur 1. Schematische weergave van de redoxreacties die plaatsvinden rondom methemoglobine, waarbij cytochroom-b5-reductase de endogene reductiereactie weergeeft en NADPH-MetHb-reductase de exogene methyleenblauw-gemedieerde route.
Figuur 1. Schematische weergave van de redoxreacties die plaatsvinden rondom methemoglobine, waarbij cytochroom-b5-reductase de endogene reductiereactie weergeeft en NADPH-MetHb-reductase de exogene methyleenblauw-gemedieerde route.

Bij een homozygote congenitale cytochroom-b5-reductasedeficiëntie ontstaat er sterke methemoglobinemie met cyanose op de kinderleeftijd; bij dragers kan oxidatieve stress methemoglobinemie uitlokken.
Cytochroom-b5-reductasedeficiëntie kent twee types: bij type I is de enzymdeficiëntie beperkt tot de erytrocyten en is chronische methemoglobinemie het enige klinische kenmerk. Bij type II zijn ook andere weefsels aangedaan en hebben patiënten naast cyanose vaak microcefalie en mentale retardatie. Deze patiënten sterven doorgaans op de kinderleeftijd.

Hemoglobine-M-ziekte

Hemoglobine-M-ziekte is een andere zeldzaam voorkomende vorm van methemoglobinemie. Hemoglobine-M-ziekten (onder andere HbM-Boston, HbM-Saskatoon en HbM-Hyde-Park) ontstaan door (punt)mutaties in de hemoglobineketens.
Bij volwassenen bestaat Hb voornamelijk uit twee α- en twee ß-ketens, met een heemgroep in elke keten. Heem is een complexe verbinding van een protoporfyrine-IX-molecuul met het centrale divalente ijzerion dat zuurstof kan binden. De vier ketens geven Hb zijn quaternaire structuur, die essentieel is voor optimale opname en afgifte van zuurstof. Een enkele aminozuurverandering kan grote gevolgen hebben voor de structuur en functie van hemoglobine. Het bekendste voorbeeld is sikkelcelziekte. De heemgroep wordt op zijn plaats gehouden door imidazolgroepen van histidine-residuen in de α- en β-ketens. Deze binding is essentieel, omdat het ijzerion zo voldoende bewegingsvrijheid houdt om zuurstof te binden en weer los te laten (zie Figuur 2) (3).  Is een van deze histidines vervangen door een ander aminozuur – in vrijwel alle gevallen een tyrosineresidu – dan verliest het ijzerion zijn bewegingsvrijheid (4). Hierdoor verschuift het redoxpotentiaal en wordt het ijzerion sneller geoxideerd. Daarbij is het Hb ook resistent tegen reductie tot Fe2+ en ontstaat een chronische refractaire methemoglobinemie. Afhankelijk van de mutatie is zowel links- als rechtsverschuiving van de zuurstofdissociatiecurve mogelijk.

Figuur 2. Schematische weergave van heem B. De stikstofatomen van de vier pyrolgroepen binden een ijzergroep in het midden van de heemgroep. De imidazolgroepen van de distale en proximale histidines houden de heemgroep op zijn plaats, waarbij het ijzeratoom de vrijheid behoudt om zuurstof te binden.
Figuur 2. Schematische weergave van heem B. De stikstofatomen van de vier pyrolgroepen binden een ijzergroep in het midden van de heemgroep. De imidazolgroepen van de distale en proximale histidines houden de heemgroep op zijn plaats, waarbij het ijzeratoom de vrijheid behoudt om zuurstof te binden.

De aberratie gaat gepaard met afwijkingen in het laboratoriumonderzoek. Bij CO-oximetrie verschuiven de absorptiespectra zodanig dat de spectra te veel afwijken van de interne controlespectra en het bloedgasapparaat geen resultaten rapporteert. Afhankelijk van de mutatie kunnen er afwijkingen worden gevonden bij Hb-elektroforese.
De aandoening erft autosomaal dominant over. Homozygotie komt niet voor en is dus vermoedelijk niet met het leven verenigbaar. Hemoglobine-M-dragers hebben een chronische cyanose en kunnen een geringe hemolyse en een geringe anemie hebben (5,6).

Verworven methemoglobinemie en G6PD-deficiëntie

Methemoglobinemie is meestal verworven en kan onder meer worden veroorzaakt door medicamenten (dapson), anilinegerelateerde kleurstoffen (sterk oxidatieve synthetische kleurstoffen), nitraten, nitrieten en lokale anesthetica (met name benzocaïne en lidocaïne). Deze stoffen veroorzaken methemoglobinemie door hun directe of indirecte oxidatieve karakter, of door interferentie met de beschermende mechanismen. Dapson, dat gegeven wordt bij de behandeling van dermatitis herpetiformis of Pneumocystis-pneumonie, is waarschijnlijk de meest voorkomende oorzaak van verworven methemoglobinemie (7).
Het risico op methemoglobinemie bij dapson is verhoogd bij patiënten met een glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD)-deficiëntie. Er spelen twee mechanismen: G6PD levert het NADPH dat nodig is voor de reductie van MetHb en G6PD is essentieel voor de reductie van het antioxidant glutathion. Bij een G6PD-deficiëntie zijn beide mechanismen verminderd effectief. Dapsongebruik bij G6PD-deficiëntie leidt tot overmatige productie van vrije radicalen. Een vermoedelijk mechanisme is dat het cytochroom P450-systeem dapson omzet in een sterk oxidatief hydroxylamine. Deze radicalen oxideren het HHb tot MetHb, beschadigen de erytrocyten en kunnen tot ernstige hemolyse leiden (2). Om deze reden moet G6PD deficiëntie worden uitgesloten voor de start van dapsontherapie.

Behandeling van methemoglobinemie

Omdat de medicamenteuze therapie kan interfereren met de saturatiemetingen, beschrijven wij kort de behandeling van verworven methemoglobinemie. De behandeling zal primair gericht zijn op het elimineren van de uitlokkende factor, waarna reductie van MetHb plaatsvindt met een halfwaardetijd van ongeveer 55 minuten. Bij een milde methemoglobinemie volstaat het observeren van de patiënt en het toedienen van zuurstof. Bij ernstige methemoglobinemie (>20% indien symptomatisch, >30% indien asymptomatisch) is de behandeling er op gericht het MetHb sneller te reduceren door het toedienen van methyleenblauw (6). Dit is paradoxaal, want methyleenblauw is zelf sterk oxidatief en hoge concentraties leiden juist tot methemoglobinemie. NADPH-MetHb-reductase reduceert methyleenblauw tot leukomethyleenblauw, dat vervolgens MethHb reduceert tot HHb. De hexose-monofosfaat-shunt levert via G6PD het benodigde NADPH. In geval van een co-existerende G6PD-deficiëntie is er te weinig reducerend vermogen en kan methyleenblauw leiden tot versterkte vorming van methemoglobine en hemolyse. NADP-MetHb-reductase speelt overigens alleen een rol bij reductie van MetHb in de aanwezigheid van methyleenblauw en aanverwante oxidanten en niet bij de normale endogene reductie. Een deficiëntie van dit enzym leidt dan ook niet tot methemoglobinemie.(2)

Laboratoriumbepaling van zuurstofstatus en methemoglobine  

Ernstige methemoglobinemie leidt tot cyanose en saturatiedaling. Omdat significante methemoglobinemie de meting van de saturatie kan beïnvloeden, is het bij methemoglobinemie van belang om te kiezen voor de juiste vorm van monitoring. Daarom lichten wij het principe van de saturatiemeting bij de arteriële bloedgasanalyse, de CO-oximetrie en de puls-oximetrie hieronder kort toe en geven we aan in hoeverre MetHb de meting beïnvloedt.
Tietz Textbook of Clinical Chemistry beschrijft de algemene definitie van de zuurstofsaturatie als volgt (3):

Formule: definitie van de zuurstofsaturatie

In de formule is de cO2Hb de fractie functioneel hemoglobine dat verzadigd is met zuurstof en cHHB de concentratie hemoglobine dat geen zuurstof heeft gebonden (deoxyhemoglobine). Deze algemene definitie houdt geen rekening met de aanwezigheid van dyshemoglobines – hemoglobineverbindingen die geen zuurstof kunnen binden, zoals MetHb, SulfHb en koolstofmonoxide (COHb).
De zuurstofsaturatie kan op verschillende manieren bepaald worden. Bij gezonde personen zullen de verschillende saturatiebepalingen goed overeenkomen, maar in aanwezigheid van dyshemoglobines gaan ze uit de pas lopen en de vraag is of de clinici zich hier altijd voldoende van bewust zijn (3,6). Tabel 2 geeft het principe van de verschillende saturatiemeters weer en geeft aan of de methode interferentie ondervindt door MetHb.

Tabel 2. Overzicht verschillende methoden voor saturatiemeting.
Tabel 2. Overzicht verschillende methoden voor saturatiemeting.

De verschillende meetprincipes worden hieronder verder uitgewerkt.

Arteriële bloedgasanalyse

Een arteriële bloedgasanalyzer zonder CO-oximetriemodule kan de zuurstofsaturatie niet direct meten, maar berekent deze aan de hand van de hoeveelheid opgelost zuurstof in het bloed (pO2) - uitgaande van normale affiniteit van Hb voor zuurstof. Bij methemoglobinemie heeft hemoglobine een verminderd zuurstoftransporterend vermogen. Omdat de hoeveelheid opgelost zuurstof (pO2) bij een methemoglobinemie in principe normaal is, zal de bloedgasanalyse een fout-normale saturatie (sO2) rapporteren bij een cyanotische patiënt met een methemoglobinemie.

Puls-oximetrie

Bij puls-oximetrie wordt de arteriële zuurstofsaturatie (saO2) gemeten door transcutaan de ratio van de pulsatiele lichtabsorptie bij 660 nm en 940 nm te bepalen. Zuurstofrijk arterieel bloed bevat vooral O2Hb. O2Hb absorbeert meer infrarood licht (940 nm) en minder rood licht (660 nm). Zuurstofarm veneus bloed bevat meer HHb, dat juist meer rood licht absorbeert. Om deze reden is zuurstofrijk bloed roder voor het oog dan zuurstofarm bloed (8). Daarnaast pulseert arterieel bloed en pulseert veneus bloed niet. De puls-oximeter maakt hier gebruik van: door de ratio in absorptie van rood en infrarood licht in de tijd te bepalen kan worden gecorrigeerd voor de hogere HHb-concentratie in veneus (statisch) bloed en wordt enkel de saturatie in arterieel (pulsatiel) bloed gerapporteerd.
In de puls-oximeter is de saturatie gedefinieerd als de ratio tussen het HbO2 en de som van het HbO2 met het HHb, de enige twee parameters die de klassieke puls-oximeter kan meten. Per definitie laat de puls-oximeter de dyshemoglobines buiten beschouwing. Zo kan bij dodelijke COHb-concentraties de saturatie op de puls-oximeter nog normaal zijn. Het spectrum van het HHb en MetHb overlappen deels, wat verklaart dat de saO2 bij MetHb-concentraties van 30-35% daalt tot zo’n 85%. Bij nog hogere MetHb-concentraties daalt de saO2 niet verder (6). Enkele jaren terug is overigens een puls/CO-oximeter gelanceerd die niet met twee, maar met zeven golflengtes meet en daardoor MetHb en COHb zou kunnen onderscheiden (Masimo Rainbow SET Radical 7 puls CO-oximeter) (4).

CO-oximetrie

CO-oximetrie houdt wel rekening met de aanwezigheid van dyshemoglobines en laat dan ook een redelijk lineaire afname van de fractionele zuurstofsaturatie (FO2Hb) zien bij toenemende concentraties dyshemoglobines. De FO2Hb is de hoeveelheid O2Hb in relatie tot de totale hoeveelheid Hb en wordt als volgt berekend:

Formule: FO2Hb is de hoeveelheid O2Hb in relatie tot de totale hoeveelheid Hb

waarbij ctHb de totale hoeveelheid hemoglobine is:

Formule: ctHb de totale hoeveelheid hemoglobine

Om deze fracties te kunnen meten maakt de bloedgasanalyzer eerst een hemolysaat. Vervolgens bepaalt de bloedgasanalyzer de concentraties van de verschillende hemoglobinefracties door absorptie bij meerdere golflengtes te meten. Het aantal golflengtes is afhankelijk van het model (de bloedgasmeter van Radiometer meet de absorptie bij 128 golflengtes) (3,6). Het verschil tussen de saturatie gemeten met puls-oximetrie en CO-oximetrie wordt ook wel saturatie-gap genoemd en is sterk indicatief voor de aanwezigheid van een dyshemoglobine zoals MetHb of COHb.

Spectrofotometrische bepaling van MetHb in aanwezigheid van methyleenblauw

Hiervoor is uitgelegd dat bij methemoglobinemie alleen de CO-oximetrie een betrouwbaar resultaat van de saturatie geeft. Bij de behandeling van methemoglobinemie met methyleenblauw (zie Behandeling van methemoglobinemie) interfereert deze blauwe kleurstof echter met de spectrofotometrische bepaling van de verschillende Hb-varianten. Methyleenblauw heeft een absorptiepiek bij 668 nm, dichtbij de absorptiepiek van rood licht van HHb, waardoor methyleenblauw HHb nabootst en op de puls-oximeter een foutief verlaagde SaO2 rapporteert (8). Om MetHb in aanwezigheid van methyleenblauw toch te kunnen aantonen zijn er additionele, maar wel arbeidsintensieve methoden beschikbaar (9).

De invloed van intra-operatief gebruik van pigmenten op de saturatiemeting

Niet alleen methyleenblauw, maar alle blauwe pigmenten met een absorptiepiek in de buurt van die van HHb (660 nm) leiden tot foutieve resultaten in de saturatiemeting. Er zijn verschillende blauwe pigmenten die klinisch worden toegepast. Patentblauw en isosulfaan blauw (isomeren van elkaar) worden gebruikt bij het stadiëren en screenen op metastasering van borst- en baarmoederhalskanker. De chirurg gebruikt de blauwe kleurstof om de schildwachtklier te identificeren en vervolgens te verwijderen. Dit is een minimaal-invasieve ingreep die bij borstkankeronderzoek tot sterke vermindering van comorbiditeit heeft geleid ten opzichte van axillaire lymfeklierdissectie, waarbij alle lymfklieren uit de oksel worden verwijderd (10).
Na injectie in het weefsel rond de tumor neemt het lymfestelsel de kleurstof op en concentreert het in de schildwachtklier, die hierdoor beter te herkennen is. Uiteraard gaat de injectie gepaard met lokale blauwverkleuring van de huid, die enkele maanden kan aanhouden, en soms permanent is. De kleurstof komt uiteindelijk ook in de urine en deels in de circulatie terecht, waarbij de patiënt cyanotisch kan ogen. Patentblauw is ook bekend als kleurmiddel voor levensmiddelen (E131), maar is in een aantal landen van de markt gehaald in verband met het risico op anafylactische reacties. Ook bij schildwachtklierbiopsie zijn anafylactische reacties op patentblauw beschreven (10). Anesthesiologen zijn dan ook alert op veranderingen in hemodynamische stabiliteit bij schildwachtklierprocedures.
Zengel et al. hebben in een groep van 27 patiënten die een subareolaire schildwachtklierbiopsie met  isosulfaanblauw-injectie ondergingen, de puls-oximetrisch gemeten saturatie vergeleken met die uit een controlegroep van 27 patiënten (11). De patiënten in de isosulfaanblauw-groep hadden een significante daling van de saturatie ten opzichte van de controlegroep. De gemiddelde desaturatie bedroeg 5-6%, met één uitschieter naar 18%.

Resumerend

De patiënt in deze casus kreeg patentblauw toegediend in het kader van een schilwachtklierbiopsie onder narcose. Tijdens de procedure was er sprake van acute cyanose. De puls-oximeter gaf een acute saturatiedaling aan, die daarmee in overeenstemming was. De anesthesist overwoog aanvankelijk een acute anafylactische reactie, maar die diagnose werd niet ondersteund door andere klinische verschijnselen. Om die reden ging de anesthesist uit van een methemoglobinemie en diende methyleenblauw toe.
Patentblauw is in deze casus waarschijnlijk onbedoeld intravasculair terecht gekomen. Dat is op zich onschuldig, maar geeft een klinisch beeld dat moeilijk te onderscheiden is van acute cyanose. Indien patentblauw intravasculair circuleert, interfereert de kleurstof met de puls- en de CO-oximetrie, zoals ook in deze casus is gebeurd. De combinatie van cyanose met een saturatiedaling die niet reageerde op zuurstof deed de anesthesist vermoeden dat er sprake was van een methemoglobinemie. De vermeende methemoglobinemie is bestreden met methyleenblauw, een kleurstof die op zijn beurt ook interfereert met de puls-oximetrie.
Als blauw bloed voorkomt in combinatie met shock, is acute behandeling van de anafylactische reactie uiteraard geïndiceerd. Dat is ook het geval als blauw bloed het gevolg is van een significante methemoglobinemie. Het bloed kan echter ook blauw verkleuren door het toedienen van een kleurstof, zonder dat hieraan een klinische consequentie hoeft te worden verbonden. Kennis van de eigenschappen van de verschillende diagnostische modaliteiten en de klinische beelden is een voorwaarde om het onderscheid te kunnen maken.