Biomarker Identification Based on Human Electrohysterography for the Early Detection of Risk in Different Obstetric Scenarios: Preterm Birth, Induction of Labour and Postpartum

Abstract

[ES] Durante la gestación, la mujer experimenta cambios fisiológicos, metabólicos y morfológicos que podrían conllevar importantes riesgos materno-fetales. En primer lugar, el parto prematuro es la principal causa de mortalidad infantil, con una prevalencia del 10% en gestaciones únicas (SG) y del 50% en gestaciones múltiples (MG). Por tanto, la caracterización de la actividad uterina, así como la comparación entre SG y MG, puede ayudar a comprender y manejar mejor esta patología. En segundo lugar, la inducción del parto (IOL) se asocia a un mayor riesgo de mortalidad y morbilidad materna cuando la fase latente del parto se prolonga excesivamente, especialmente en mujeres nulíparas. Sin embargo, la literatura es escasa y no se ha observado claramente la respuesta electrofisiológica uterina al fármaco de IOL. En este sentido, el estudio de biomarcadores basados en la electrohisterografía (EHG) podría ayudar a detectar precozmente el riesgo de fracaso de la IOL y orientar las decisiones clínicas en consecuencia. En tercer lugar, la hemorragia posparto (PPH) constituye una de las principales causas de mortalidad materna en el mundo. Su prevalencia es del 2-6%, y causa la muerte de 75.000 mujeres cada año. La principal causa es la atonía uterina, por lo que la EHG se convierte en la herramienta ideal para valorar el estado del útero e indicar el riesgo de PPH en función de la ausencia o no de actividad. Por ello, el objetivo de la presente tesis doctoral es la identificación de EHG-biomarcadores para la detección precoz de situaciones obstétricas de alto riesgo. Para ello, se generaron las bases de datos de señal EHG y de datos obstétricos para cada escenario en el Hospital Universitario y Politécnico La Fe. La mayor impulsividad y predictibilidad en MG respecto a SG durante el tercer trimestre, así como la correlación significativa entre los EHG-biomarcadores y el peso fetal, sugirió un acoplamiento electromecánico entre la sobredistensión y la actividad mioeléctrica registrada en superficie. En cuanto a la IOL, el grupo de éxito mostró un aumento significativo del número de contracciones y de la excitabilidad celular, junto con una menor complejidad, a partir de 2-3 horas tras la administración del fármaco de IOL. No se observaron cambios significativos con respecto a la actividad basal en el grupo de fracaso. La comparación basada en la paridad reportó una mayor ratio de progresión de la amplitud de la señal en el grupo de parosas. La actividad mioeléctrica en el postparto vaginal resultó ser más frecuente e intensa, además de exhibir una mayor excitabilidad celular que en los partos por cesárea. La capacidad discriminatoria de los biomarcadores de EHG para la detección precoz del riesgo en diversos contextos obstétricos ha hecho avanzar el conocimiento electrofisiológico actual del útero in vivo. La traslación del EHG a la práctica clínica requerirá la automatización del procesamiento de señales, para culminar en la creación de modelos predictivos generalizados y robustos que apoyen la toma de decisiones clínicas, mejoren la planificación y gestión del parto, prevengan complicaciones maternas y fetales y optimicen la asignación de recursos hospitalarios.

[CA] Durant la gestació, la dona experimenta canvis fisiològics, metabòlics i morfològics que podrien comportar importants riscos matern-fetals. En primer lloc, el part prematur és la principal causa de mortalitat infantil, amb una prevalença del 10% en gestacions úniques (SG) i del 50% en gestacions múltiples (MG). Per tant, la caracterització de l'activitat uterina, així com la comparació entre SG i MG, ajuda a millorar la comprensió i gestió d'esta patologia. En segon lloc, la inducció del part (IOL) s'associa a un major risc de mortalitat i morbiditat materna quan la fase latent del part es prolonga excessivament, especialment en dones nul·lípares. No obstant això, la literatura és escassa i no s'ha observat clarament la resposta electrofisiològica uterina al fàrmac d'IOL. En este sentit, l'estudi de biomarcadors basats en la electrohisterografia (EHG) pot ajudar a detectar precoçment el risc de fracàs de la IOL i orientar les decisions clíniques en conseqüència. En tercer lloc, l'hemorràgia postpart (PPH) constituïx una de les principals causes de mortalitat materna en el món. La seua prevalença és del 2-6%, i causa la mort de 75.000 dones cada any. La principal causa és l'atonia uterina, per la qual cosa l'EHG es convertix en la ferramenta ideal per a valorar l'estat de l'úter i indicar el risc de PPH en funció de l'absència o no d'activitat. Per tant, l'objectiu de la present tesi doctoral és la identificació de biomarcadors d'EHG per a la detecció precoç de situacions d'alt risc obstètric. En este propòsit, s'han generat les bases de dades de senyals d'EHG i informació obstètrica de cada escenari en estudi a l'Hospital Universitari i Politècnic La Fe. La major impulsivitat i predictibilitat en MG respecte a SG durant el tercer trimestre, així com la correlació significativa entre els biomarcadors d'EHG i el pes fetal, va suggerir un acoblament electromecànic entre la sobredistensió i l'activitat mioelèctrica registrada en superfície. Pel que fa a l'IOL, el grup exitós va mostrar un augment significatiu del nombre de contraccions i de l'excitabilitat cel·lular, així com una menor complexitat, a partir de 2-3 hores tras l'administració del fàrmac de IOL. No es van observar canvis significatius respecte a l'activitat basal en el grup de fracàs. La comparació basada en la paritat va reportar una major ràtio de progressió de l'amplitud del senyal en el grup de paroses. L'activitat mioelèctrica en el postpart vaginal va ser més freqüent i intensa, a més d'exhibir una major excitabilitat cel·lular en els parts per cesària. La capacitat discriminatòria dels biomarcadors d'EHG per a la detecció precoç del risc en diversos contextos obstètrics ha fet avançar el coneixement electrofisiològic actual de l'úter in vivo. La translació de l'EHG a la pràctica clínica requerirá l'automatització del processament de senyals, per a culminar en la creació de models predictius generalitzats i robustos que donen suport a la presa de decisions clíniques, milloren la planificació i gestió del part, previnguen complicacions matern-fetals i optimitzen l'assignació de recursos hospitalaris.

[EN] During pregnancy, women undergo physiological, metabolic, and morphological changes that could lead to significant maternal-foetal risks. Firstly, preterm birth is the leading cause of infant mortality, with a prevalence 10% in single (SG) and 50% in multiple gestations (MG). The characterisation of uterine activity, as well as the comparison between SG and MG, may thus help to better understand and manage this pathology. Secondly, induction of labour (IOL) is associated with an increased risk of maternal mortality and morbidity when the latent phase of labour is excessively prolonged, especially in nulliparous women. However, the literature is sparse and the uterine electrophysiological response to the IOL drug has not been clearly observed. In this sense, the study of biomarkers based on electrohysterography (EHG) could help to early detect the risk of IOL failure and guide clinical decisions accordingly. Thirdly, postpartum haemorrhage (PPH) constitutes one of the main causes of maternal mortality in the world. Its prevalence is 2-6%, causing the death of 75,000 women each year. The main cause is uterine atony, so EHG becomes the ideal tool to assess the state of the uterus and indicate the PPH risk based on the absence or not of activity. Therefore, the aim of the present doctoral thesis is the identification of EHG-biomarkers for the early detection of high-risk obstetrical situations. For this purpose, the EHG signal and obstetric databases were generated for each scenario at University and Polytechnic Hospital La Fe. The greater impulsivity and predictability in MG compared to SG during the third trimester, in addition to the significant correlation between EHGbiomarkers and foetal weight, suggested an electromechanical coupling between overdistension and surface recorded myoelectric activity. As for IOL, the successful group showed a significant increase in the number of contractions and cellular excitability, along with reduced complexity, from 2-3 hours after the IOL drug administration. No significant changes from baseline activity were observed in the failed group. Parity-based comparison reported a higher progression ratio of signal amplitude for the parous group. Myoelectric activity in vaginal postpartum was found to be more frequent and intense, in addition to exhibit a greater cellular excitability than in caesarean deliveries. Discriminatory capacity of EHGbiomarkers for early risk detection in various obstetric contexts has advanced current electrophysiological knowledge of the uterus in vivo. The translation of the EHG to clinical practice will entail the signal processing automation, culminating in the creation of generalised and robust predictive models that support clinical decision-making, improve birth planning and management, prevent maternal and foetal complications and optimise the allocation of hospital resources.