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Revival der extrakorporalen Lungenersatzverfahren

Extrakorporale Lungenunterstützungsverfahren ersetzen teilweise oder vollständig die Gasaustauschfunktion der Lunge. Der Gasaustausch erfolgt durch einen extrakorporalen Kreislauf über eine in den Blutkreislauf eingeschaltete Membran. Bereits 1972 wurde dieses Verfahren an einem Unfallopfer mit „acute respiratory distress syndrome“ (ARDS) prolongiert auf einer Intensivstation angewandt und beschrieben. Seither hat die Methode einerseits eine Reihe technologischer Verbesserungen erfahren während auf der anderen Seite die Indikation strenger und differenzierter gestellt wird. Vor allem durch die Entwicklung moderner Beatmungstherapien und anderer supportiver Verfahren zur Verbesserung des Gasaustauschs bei schwerem Lungenversagen hat sich

  • die Anzahl Anwendungen reduziert,
  • der Erfolg der Verfahren verbessert und
  • die Nebenwirkungsrate gesenkt.

Unterschieden werden die Methoden nach

  • der Art des Gasaustauschs (CO2-Elimination vs. Oxygenierung plus CO2-Elimination),
  • der Art des Kreislaufs (pumpengetriebene vs. pumpenlose Systeme) oder
  • nach den Zugangswegen (venovenöse vs. arteriovenöse Systeme).

Extrakorporale Membranoxygenierung

Der Gasaustausch erfolgt bei der extrakorporalen Membranoxygenierung (ECMO) über eine Membran, die in den Blutkreislauf geschaltet ist und deren blutumlaufene Fasern von Gas (reiner Sauerstoff oder Sauerstoff-Druckluft-Gemisch) durchströmt werden. Der Gasaustausch erfolgt nach dem Gegenstromprinzip durch Diffusion entlang eines Konzentrationsgradienten. Die Oxygenierung hängt im Wesentlichen von der Menge des Blutflusses, die CO2-Elimination von der Höhe des Gasflusses durch die Membran ab. Um einen möglichst hohen Blutfluss zu erreichen, ist die Kanülierung großer Gefäße mittels großlumiger Kanülen notwendig (17–26 French).

Der Blutfluss im extrakorporalen Kreislauf wird durch eine Pumpe gewährleistet (heute meist magnetische Kreiselpumpen). Bei der venovenöser Kanülierung wird lediglich die Lungenfunktion ersetzt, bei venoarterieller Kanülierung auch die Pumpfunktion des Herzens entsprechend der klassischen Herz-Lungen-Maschine. Meist wird das Blut über die V. femoralis entnommen. Die Rückführung erfolgt ebenfalls über die V. femoralis kontralateral oder die V. jugularis interna oder V. subclavia in den rechten Vorhof. Bei arterieller Rückführung wird entweder die A. femoralis kanüliert und das Blut durchströmt retrograd die Aorta Richtung Herz oder es wird die rechte A. subclavia bzw. bei herzchirurgischen Patienten zentral die Aortenwurzel kanüliert, was einen antegraden Fluss ermöglicht.

Hauptproblem der ECMO sind die hohen Komplikationsraten.

Es können Verletzungen und Blutungen durch die Anlage der großen Kanülen entstehen, des Weiteren bei arterieller Kanülierung Ischämien und Embolien distal der Punktionsstelle. Durch die nötige Antikoagulation trotz heparinbeschichteter Systeme kommt es zu Blutungskomplikationen, deren gefürchtetste die Hirnblutung ist. Diese kann bei bis zu 19 % der Patienten auftreten (häufiger bei venoarterieller Kanülierung, Hauptrisikofaktor Thrombopenie < 50.000/µl). Mechanische Probleme durch Kanülen oder Oxygenatordysfunktionen sind ebenfalls nicht selten. Darüber hinaus besteht die ständige Gefahr der Infektion und einer Aktivierung von Enzymsystemen an den künstlichen Oberflächen (Entzündungskaskaden, Gerinnungssystem) sowie der mechanischen Hämolyse an den Pumpenköpfen.

Technische Neuerungen haben systemassoziierte Komplikationen deutlich reduziert. Dazu gehören neue Materialen für Oxygenatoren (Polymethylpenten), bei denen es im Gegensatz zu den veralteten Polypropylen-Oxygenatoren nicht mehr zu einer Eiweißleckage kommt und die wesentlich länger haltbar sind (Wochen anstatt Tage). Die geringere Frequenz der Oxygenatorwechsel führt zu weniger Blutverlust und verringert die Infektionsgefahr. Komplett heparinbeschichtete Systeme führen zu einer signifikant geringeren Aktivierung von Enzymsytemen inklusive der Blutgerinnung. Magnetisch suspendierte und miniaturisierte Zentrifugalpumpen ermöglichen den diagonalen Blutfluss und rücken die altbekannte Hämolyseproblematik in den Hintergrund. Moderne Konsolen ermöglichen ein umfassendes Monitoring und somit die frühzeitige Erkennung von Problemen.

Die Indikation für die ECMO ist das schwere, akut lebensbedrohliche hypoxische Lungenversagen trotz Ausschöpfung konservativer supportiver Therapieverfahren wie

  • adäquate Beatmung [Rekrutierung, positiver endexspiratorischer Druck (PEEP)],
  • Lagerung (Bauchlage) oder
  • inhalative Vasodilatanzien [Stickstoffmonoxid (NO), Prostaglandine].

Die klassischen sog. Fast-entry-Kriterien zum Beginn einer ECMO sowie die Kriterien, die auf eine ECMO-Indikation hindeuten, sind in Tab. 1 genannt.

Verfahren der Wahl für Patienten mit Lungenversagen ist die venovenöse ECMO. Die venoarterielle Kanülierung sollte Patienten mit kardialem Pumpversagen vorbehalten bleiben.

Die praktische Durchführung der ECMO-Therapie beginnt mit der Implantation der Kanülen. Venös wird in der Regel perkutan kanüliert, arteriell besser chirurgisch, da gleichzeitig auch eine dünne antegrade Kanüle für die Beinperfusion gelegt werden kann. Das Schlauchsystem wird mit Kristalloiden oder einem Gemisch aus Blutprodukten gefüllt und nass mit den Kanülen verbunden. Entsprechend der Blutgase werden Blut- und Gasfluss angepasst. Auf ein Ansaugen der Kanülen ist zu achten. Hier hilft oft rasche Volumenzufuhr. Bei arterieller Kanülierung ist das betroffene Bein im Hinblick auf Ischämiezeichen zu überwachen. Neben klinischen und Laborparametern kann hier eine an den Zehen angebrachte Pulsoxymetrie hilfreich sein. Eine Heparinisierung und die Gabe eines Thrombozytenaggregationshemmers sind trotz heparinbeschichteter Schlauchsysteme nötig, um Thrombenbildung und extrakorporale Gerinnungsaktivierung zu verhindern.

Zur Einstellung der Beatmung unter ECMO gibt es unterschiedliche Empfehlungen, die von minimaler Ventilation („resting lungs“) mit extrem niedrigen Frequenzen, Tidalvolumina und PEEP-Werten bis zu Open-lung-Strategien mit entsprechend hohen PEEP-Werten, jedoch immer möglichst niedrigen Tidalvolumina und Plateau- bzw. Spitzendrücken und niedrigen Frequenzen reichen. Die Entwöhnung vom extrakorporalen Kreislauf erfolgt nach schrittweiser Reduktion des Blutflusses nach einem erfolgreichen Gasauslassversuch. Gleichzeitig sollten die Blutgase unter einem wenig invasiven Beatmungsregime zufriedenstellend sein.

Der Blutfluss sollte nicht unter 0,5–1 l/min abgesenkt werden (Thrombengefahr). Die Entfernung der Kanülen kann je nach Größe und Lage perkutan oder aber chirurgisch erfolgen.

Je nach Patientengut und Indikation reicht die Mortalität von ECMO-pflichtigen erwachsenen Patienten von 90 % in den 1970er Jahren über etwa 50 % im weltweit größten Register bis zu unter 40 % in den aktuellen Arbeiten der vergangenen 2 Jahre.

Patienten mit Lungenversagen und venovenöser Kanülierung haben grundsätzlich eine bessere Prognose als Patienten mit Herzversagen und venoarterieller ECMO.

CO2-Eliminationsverfahren

Ziel dieser Verfahren ist die Elimination von Kohlendioxid (CO2), um damit bei Patienten im hypoxischen Lungenversagen die Beatmungsinvasivität (Tidalvolumina und damit Beatmungsdrücke sowie Atemfrequenz) reduzieren zu können. Die inspiratorischen Plateaudrücke korrelieren linear mit der Mortalität, d. h. je niedriger diese Drücke gehalten werden können, desto geringer ist – theoretisch – die Ausprägung des respiratorassoziierten Lungenschadens. Weitere Indikationen dieser Verfahren sind die Formen des hyperkapnischen Lungenversagens, um damit einerseits ebenfalls die Beatmungsinvasivität reduzieren zu können, andererseits, um die Intubation und maschinelle Beatmung vermeiden zu können oder die Entwöhnung vom Respirator zu erleichtern.

Ein niedriger Blutfluss ist für eine signifikante CO2-Elimination ausreichend

Da CO2 wesentlich besser als Sauerstoff diffundiert, ist bereits ein niedriger Blutfluss für eine signifikante CO2-Elimination ausreichend. Bereits mit 300–400 ml/min kann eine relevante Menge CO2 eliminiert werden. Ab etwa 1 l/min Blutfluss ist das Maximum der CO2-Elimination erreicht, d. h. diese hängt nur noch vom Gasfluss ab. Je mehr Gas durch die Hohlfasern der Gasaustauschmembran fließt, desto schneller wird CO2 abtransportiert und der Konzentrationsgradient zur Blutseite damit hoch gehalten.

Extrakorporale CO2-Elimination

Das Verfahren des „extracorporeal CO2-removal“ (ECCO2-R) wurde bereits anfangs der 1980er Jahre von der Gruppe um Luciano Gattinoni beschrieben. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine pumpengetriebene venovenöse ECMO, die mit niedrigem Blutfluss betrieben wird. Das hauptsächliche Ziel ist es, CO2 zu eliminieren, um damit eine Reduktion der Beatmungsinvasivität zu erreichen. Die Oxygenierung erfolgt bei diesem Verfahren zum Großteil über die Lunge.

Je nach Blutfluss und Respiratoreinstellung sind die Grenzen zur klassischen venovenösen ECMO fließend.

Kritisch muss angemerkt werden, dass der Nachweis einer Reduktion der Mortalität durch ultraprotektive Beatmung in Kombination mit extrakorporaler CO2-Elimination bislang fehlt. Zwar konnte eine Verringerung von Entzündungsmediatoren in der Lunge durch Reduktion der Beatmungsdrücke unter CO2-Elimination mittels DeCAP-System gezeigt werden. Eine vorzeitig abgebrochene Studie, die ultraprotektive Beatmung plus ILA vs. konventionelle protektive Beatmung nach ARDS-Network untersuchte, zeigte jedoch keinen Überlebensvorteil.

Interventional lung assist

Das pumpenfreie Verfahren der „interventional lung assist“ (ILA) basiert auf der arteriovenösen Druckdifferenz durch Kanülierung der A. femoralis und V. femoralis mit 13- bis maximal 17-F-Kanülen. Durch die arteriovenöse Blutdruckdifferenz wird ein passiver Shunt mit einer Blutflussrate von maximal etwa 1,2–1,5 l/min erzeugt. In den arteriovenösen Blutstrom ist der ILA-Membranventilator eingeschaltet, der mit einem kontinuierlichen Sauerstofffluss von 4–10 l/min durchströmt wird. Dies führt zu einer hocheffizienten CO2-Elimination, jedoch nur zu einer geringgradigen Beeinflussung der Oxygenierung über den Membranventilator. Um eine gute Funktionsweise zu erhalten, ist ein ausreichender arterieller Mitteldruck (MAP) von > 60 mmHg zu gewährleisten.

Das Konzept der ILA beruht auf der Teilung von Oxygenierung (hauptsächlich Lunge) und CO2-Elimination (ILA), sodass die Beatmung mit niedrigen Tidalvolumina und niedriger Frequenz und hohem PEEP (lungenprotektive Beatmung) erfolgen kann, während die dadurch entstehende CO2-Reduktion durch das extrakorporale Verfahren kompensiert wird.

Das Ausmaß der CO2-Elimination wird über den Gasfluss (O2) durch die Membran gesteuert. Der Blutfluss hängt von der arteriovenösen Druckdifferenz ab.

Die Methode ist im Vergleich zur pumpengetriebenen ECMO weniger invasiv.

Komplikationen wie Blutungen, Kanülenprobleme oder Hämolyse sind bei diesem Verfahren selten, da dünnere Spezialkanülen verwendet werden und keine Vollheparinisierung vonnöten ist. Das Legen und Entfernen der Kanülen gelingt in der Regel perkutan ohne chirurgischen Eingriff. Der Gefahr einer Ischämie im arteriell-kanülierten Bein kann durch Befolgen eines genauen Algorithmus vorgebeugt werden. Dessen wesentliches Element ist die Wahl einer Kanüle, deren Dicke maximal zwei Drittel des im Ultraschall vermessenen Durchmessers der A. femoralis beträgt. Indikationen für das Verfahren sind in Tab. 2 genannt.

ILA-VV-Activve und PALP

Bei iLA®activve und „pump assisted lung protection“ (PALP®) handelt es sich um aktuell entwickelte pumpengetriebene venovenöse Varianten von Niedrigfluss-CO2-Eliminationsverfahren, also im Prinzip Mini-ECMOs. In der Zielsetzung sind sie mit dem ECCO2-R–Verfahren vergleichbar. Abhängig von der Kanülengröße werden Blutflüsse von 1,5 bis 4,5 l/min erreicht. Je höher der Blutfluss, desto größer wird neben der CO2-Elimination auch die Oxygenierungsleistung. Neben diesem Zusatzeffekt erscheint auch die rein venöse Kanülierung von Vorteil. Es sind auch Doppellumenkanülen auf dem Markt.

Dieses System ist auch bei wachen, mobilen Patienten anwendbar

Das System ist auch für wache, mobile Patienten gedacht, wie z. B. im Rahmen der Überbrückung zur Lungentransplantation oder in der schwierigen Entwöhnung bei hyperkapnischen Lungenerkrankungen (z. B. COPD). Alle Nachteile pumpengetriebener Systeme (z. B. Hämolyse, Gerinnungsaktivierung, Thromboembolien etc.) müssen allerdings damit in Kauf genommen werden.

DeCAP-System

Bei diesem System handelt es sich um eine Hämofiltrationsmaschine, in deren Kreislauf eine Gasaustauschmembran eingeschaltet ist. Dementsprechend sind die erreichbaren Blutflüsse und damit die CO2-Elimination geringer als bei anderen Systemen. Der paCO2 wird jedoch effektiv um einen Bereich von 15–25 % vom Ausgangswert gesenkt.

Das System wurde klinisch als Überbrückung zur Lungentransplantation und bei ARDS-Patienten mit dem Ziel einer Reduktion der Beatmungsinvasivität erfolgreich evaluiert.

Neue Indikationen und Daten

Mit der breiteren Anwendung der extrakorporalen Gasaustauschverfahren und dem steigenden Angebot durch die Industrie scheinen die Diskussionen um neue Anwendungsgebiete aufzublühen.

Geringere Komplikationsraten, kompaktere Systeme und geringere Invasivität der Gefäßzugänge lassen in ausgewählten Fällen die Anwendung am wachen und teilmobilen Patienten zu. Daraus resultiert die Frage, ob eine respiratorische Insuffizienz zwangsläufig zur maschinellen Beatmung führen muss oder ob die A-priori-Anwendung eines extrakorporalen Verfahrens diese bei erhaltener Spontanatmung vermeiden kann. Im Rahmen der Überbrückung zur Lungentransplantation wurden Fallserien berichtet, die unter Vermeidung der Intubation an der ECMO zur Transplantation gebracht wurden. Verglichen mit retrospektiv gematchten Kontrollpatienten konnte ein besseres Outcome gezeigt werden.

Eine aktuell publizierte Arbeit untersucht die Rolle eines CO2-Eliminationsverfahrens (ILA) bei Patienten mit akuter Hyperkapnie (überwiegend COPD-Patienten) und Versagen der nicht invasiven Beatmung. Mittels ILA konnte bei 90 % dieser Patienten die Intubation vermieden werden. Verglichen mit einer historischen Gruppe gematchter Patienten, die nach Versagen der nicht invasiven Beatmung intubiert worden waren, konnte allerdings kein Überlebensvorteil nachgewiesen werden.

Diese Daten und Erfahrungsberichte zeigen, dass der Einsatz extrakorporaler Gasaustauschverfahren am spontan atmenden und wachen Patienten möglich ist und erfolgreich durchgeführt werden kann. Zur Auswahl der Patienten und möglichen Vorteilen bezüglich des Outcomes liegen allerdings kaum schlüssige Daten vor.

Zuordnung von Indikation und Verfahren

Eine klare Indikation besteht letztlich nach wie vor nur für die Anwendung von ECMO als Rescue-Verfahren bei schwerstem und lebensbedrohlichem hypoxischen Lungenversagen. Die klassischen Entry-Kriterien sollten allerdings entsprechend Tab. 2 individuell modifiziert werden. Die aktuelle Datenlage weist darauf hin, dass Patienten mit schwerem ARDS nach 12- bis 24-stündiger Optimierung ohne wesentliche Besserung von der ECMO profitieren können. Dementsprechend sollte bei entsprechendem klinischen Verlauf die frühzeitige Verlegung an ein Zentrum mit ECMO-Möglichkeit angedacht werden.

Die Anwendung der CO2-Eliminationsverfahren bewegt sich im wissenschaftlichen Graubereich. Grundsätzlich wären die Formen des hyperkapnischen Lungenversagens oder das Ermöglichen einer (ultra)protektiven Beatmung Indikationen. Es fehlt jedoch nach wie vor der Nachweis, dass die Prognose der Patienten dadurch positiv beeinflusst wird.

Während der Überbrückung zur Lungentransplantation haben sowohl CO2-Eliminationsverfahren als auch ECMO als Unterstützung wie auch als Werkzeug zur Erhaltung der Spontanatmung mittlerweile durchaus einen Stellenwert. Die Auswahl des Verfahrens orientiert sich an der Gasaustauschstörung (Hyperkapnie vs. Hypoxie ± Hyperkapnie). Für die breite Anwendung eines extrakorporalen CO2-Eliminationsverfahrens bei Versagen der nichtinvasiven Beatmung im Rahmen einer akut exazerbierten COPD fehlt derzeit noch die Evidenz. Dementsprechend sollte eine solche Intervention erfahrenen Zentren oder klinischen Studien vorbehalten bleiben.

Extrakorporale CO2-Elimination als Werkzeug zur Reduktion der Beatmungsinvasivität kann als relativ gut etabliertes Verfahren betrachtet werden. Cut-off-Werte für Beatmungsdrücke oder paCO2 als Indikation für die Anwendung eines solchen Verfahrens sind allerdings nicht etabliert. Die Autoren orientieren sich pragmatisch an den inspiratorischen Plateaudrücken (Ziel: ≤ 35 mbar) und der respiratorischen Azidose (pH > 7,25) bei optimiertem PEEP und unter Anwendung supportiver Therapieformen wie z. B. der Bauchlagerung. Sind diese Ziele bei akzeptabler Oxygenierung innerhalb von 12–24 h nicht zu erreichen, qualifiziert sich der Patient für ein CO2-Eliminationsverfahren. Noch einmal sei betont, dass nach wie vor keine Verbesserung der Prognose durch die ultraprotektive Beatmung belegt ist.

Die Rolle der pumpengetriebenen, miniaturisierten Systeme muss erst noch definiert werden. Die Möglichkeit einer All-in-one-Lösung, d. h. einer Konsole, die, abhängig von Kanülengröße, Gasaustauschmembran und Schlauchsystem das gesamte Spektrum von einem wenig invasiven Low-flow-CO2-Eliminationsverfahren bis hin zum vollen ECMO-Support bietet, erscheint auf den ersten Blick verführerisch. Es bleibt abzuwarten, an welcher Position sich diese Systeme in den nächsten Jahren etablieren werden.

Fazit für die Praxis

Technische Neu- und Fortentwicklungen sowie eine breitere Angebotspalette durch die Industrie haben das Anwendungsspektrum extrakorporaler Gasaustauschverfahren deutlich erweitert. Allerdings fehlen zu vielen Verfahren und Indikationen valide Daten. Es handelt sich trotz vereinfachter Anwendung und kompakterer Bauweise um invasive und potenziell mit schweren Komplikationen vergesellschaftete Therapieformen, die nach wie vor erfahrenen Anwendern vorbehalten bleiben sollten. Wissenschaftliche Untersuchungen mit klaren Fragestellungen zu Indikationen, Anwendung und Komplikationen der unterschiedlichen Verfahren sind dringend notwendig und sollten in den nächsten Jahren mehr Klarheit in den Fragen der Differenzialtherapie und Indikationsstellung bringen.

Literatur

Literatur beim Autor.

Interessenkonflikt

Der korrespondierende Autor weist auf folgende Beziehungen hin: Vortragshonorare der Firma Maquet und der Firma Novalung.

Tab-1_Staudinger

Tab-2-Staudinger

 

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