Extrakorporale Verfahren zur Unterstützung bei Lungenversagen

Die veno-venöse extrakorporale Membranoxygenierung (vvECMO) wird seit über einem halben Jahrhundert als Lungenersatzverfahren eingesetzt und hat sich seitdem zu einem etablierten Bestandteil der modernen Therapie des akuten Lungenversagens (ARDS) entwickelt. Ihren Ursprung hat die extrakorporalen Membranoxygenierung in der Herzchirurgie, als essenzielle Komponente des von J. Gibbon 1953 erstmals eingesetzten kardio-pulmonalen Bypasses. Der erste ECMO-Einsatz in der Intensivmedizin geht auf J. Donald Hill zurück, der diese 1971 erfolgreich bei einem Polytrauma-Patienten mit schwerstem ARDS einsetzte. Es folgte 1975 der erste erfolgreiche Einsatz bei einem Neugeborenen („Baby Esperanza“) (Bartlett 2017). Der Erfolg aus diesen sowie weiteren Fallberichten führte zur Verbreitung der ECMO in der Intensivmedizin. Sie galt als Hoffnungsträger und Rescue-Therapie für Patienten mit therapierefraktärer Hypoxie oder respiratorischer Azidose. In diesen ersten beschriebenen ARDS-Anwendungen wurde noch ein veno-arterieller Bypass genutzt, der durch einen hohen Blutfluss eine suffiziente Oxygenierung sicherstellen konnte. 1978 setzten Kolobow und Gattinoni die ECMO erstmals zur extrakorporalen CO₂-Elimination ein (Kolobow et al. 1978) Die Intention dahinter war über die CO₂-Elimination die Beatmungsinvasivität (u. a. Beatmungsdrücke und Tidalvolumina) während der ARDS-Therapie reduzieren zu können. Der hierfür benötigte extrakorporale Blutfluss war so niedrig, dass erstmalig auch die Nutzung eines veno-venösen Bypasses möglich wurde. Einen Rückschlag erhielt die ECMO-Therapie durch das enttäuschende Ergebnis der ersten multizentrischen Studie (1978), in der sie mit der konventionellen ARDS-Therapie verglichen wurde. Hierbei betrug die Mortalität in beiden Behandlungsgruppen 90 % (Hill et al. 1978). Das intensivmedizinische Interesse und die Nutzung der ECMO blieben in den folgenden Jahrzehnten daher vor Allem auf die Neonatologie und auf wenige ARDS-Zentren beschränkt. Gleichzeitig führten die Erfolge in der Neonatologie zur stetigen technischen Weiterentwicklung und Optimierung der ECMO-Systeme (Quintel et al. 2020). Hieraus entwickelten sich über die Jahre die modernen und deutlich kleineren ECMO-Systeme. Diese sind durch den Einsatz von Hohlfaser-Oxygenatoren, Systemkomponenten mit verbesserter Biokompatibilität (z. B. Beschichtung) und den Austausch von Roller- gegen Zentrifugalpumpen gekennzeichnet (Rehder et al. 2012). Der erneut fehlende Überlebensvorteil in einer veröffentlichten zweiten randomisierten Studie führte dazu, dass sich die ECMO in der ARDS-Therapie weiterhin nicht durchsetzen konnte (Morris et al. 1994).

Erst mit der H1N1-Pandemie (2009–2010), die weltweit zu einer Vielzahl von schweren ARDS-Verläufen führte, stiegen das Interesse und die Nutzungszahlen der vvECMO wieder an. Erstmalig gelang mit der multizentrischen-randomisierten CESAR („Conventional ventilatory support vs Extracorporeal membrane oxygenation for Severe Adult Respiratory failure“) – Studie der Nachweis eines Überlebensvorteils durch die Behandlung in einem ARDS-Zentrum mit der Möglichkeit der ECMO-Therapie (Peek et al. 2009). Neben den Ergebnissen weiterer Beobachtungsstudien führte insbesondere die CESAR-Studie zur Akzeptanz und Etablierung der vvECMO in der ARDS-Therapie. Dies zeigte auch die Aufnahme der vvECMO als Rescue-Therapie in der 2017 herausgegebenen S3-Leitlinie „Invasive Beatmung und Einsatz extrakorporaler Verfahren bei akuter respiratorischer Insuffizienz“ (Fichtner et al. 2018). Die EOLIA („ECMO to Rescue Lung Injury in Severe ARDS“) -Studie konnte 2018 als zweite hochwertige Studie, eine Mortalitätsreduktion durch die ECMO-Therapie aufzeigen (35 vs. 46 %, p = 0,09). Außerdem wiesen die Ergebnisse der Studie darauf hin, dass bereits der frühzeitige ECMO-Einsatz im schweren ARDS sinnvoll sein kann (Combes et al. 2018). Dieser Überlebensvorteil konnte auch in Studien, die im Rahmen der Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) Pandemie veröffentlicht wurden, reproduziert werden. Insbesondere seit der COVID-19 Pandemie steht die vvECMO nicht mehr nur als etablierte Rescue-Therapie, sondern zunehmend auch als zur Organprotektion genutztes Verfahren im intensivmedizinischen Fokus (Supady et al. 2022).

Die ECMO wird aktuell zur extrakorporalen Unterstützung der Lunge, aber auch des Herzens eingesetzt. Bei primär kardialer Indikation wird die Therapie als ECLS („Extracorporeal Life Support“) bezeichnet.

Das ECMO-System setzt sich aus den ECMO-Kanülen, einer Blutpumpe, einem Membranoxygenator und einem Wärmetauscher zusammen (Abb. 1). Der Blutfluss durch das System bestimmt die Oxygenierung, während durch den Frischgasfluss die Decarboxylierung gesteuert wird. Aufgrund der höheren Diffusionskapazität von CO₂ im Vergleich zu O₂ kann auch bei niedrigen Blutflüssen eine gute extrakorporale CO₂-Elimination erreicht werden (Muller et al. 2009). Dies wird als ECCO₂R (ExtraCorporeal CO₂ Removal, CO₂-Clearance) genutzt (Karagiannidis et al. 2017; Sklar et al. 2015) (Tab. 1).

Der ECMO-Einsatz ist auf spezialisierte Zentren beschränkt. Hierbei ist ein geschultes, erfahrenes Personal 24 h/7d pro Woche erforderlich. Ein Einbau einer ECMO muss jederzeit kurzfristig möglich sein; zudem müssen Komplikationen durch erfahrene chirurgische Kollegen jederzeit behandelbar sein. Ein therapeutisches Gesamtkonzept inklusive einer breiten Erfahrung in der konventionellen Behandlung von ARDS-Patienten ist erforderlich. Die klassische Indikation der vvECMO ist das schwere, aber potenziell-reversible ARDS. Ihr Einsatz ist gerechtfertigt, wenn Hypoxämie oder schwere respiratorische Azidose trotz optimaler konservativer ARDS-Therapie (u. A. optimierte Beatmung und Lagerungstherapie) persistieren. Dies gilt auch, wenn der Gasaustausch nur noch durch nicht-lungenprotektive Beatmung aufrechterhalten werden kann. Angelehnt an die Einschlusskriterien der EOLIA-Studie wird u. A. von der Extracorporeal Life Support Organization (ELSO) der Einsatz der vvECMO empfohlen, wenn unter den o. g. Bedingungen, eines der folgenden Kriterien erfüllt ist (Tonna et al. 2021):Die ECMO ist bzw. ersetzt keine kausale Therapie, sondern sichert als Rescue-Maßnahme den Gasaustausch und verschafft Zeit bis zur Regeneration der nativen Lungenfunktion. Zudem hat sie das Potenzial durch die Ermöglichung einer lungenprotektiven Beatmung zusätzliche beatmungsassoziierte Lungenschäden (VILIs) zu minimieren (Quintel et al. 2020). Die Indikation zur ECMO-Therapie im moderaten bis schweren ARDS als organprotektives Verfahren steht in den letzten Jahren zunehmend im Fokus (Hoppe et al. 2023). Ziel ist es potenziell durch VILIs stark gefährdete Patienten zu identifizieren und frühzeitig an ein ARDS-/ECMO-Zentrum anzubinden. In mehreren Studien konnte gezeigt werden, dass die prolongierte invasive Beatmung mit potenziell schädlicher Intensität einen eigenständigen Mortalitätsfaktor darstellt (Acute Respiratory Distress Syndrome Network et al. 2000) (Amato et al. 2015).

Die ECMO oder ECCO₂R wird neben der ARDS-Therapie in weiteren ausgewählten klinischen Situationen bei zum Teil noch geringer Evidenzlage erfolgreich eingesetzt. Hierzu zählen z. B.:Die Indikation zur ECMO-Therapie stellt immer eine Individualentscheidung dar, die neben der Grunderkrankung auch die vorangehende Therapie, Lebensalter der Patienten und Vorerkrankungen berücksichtigen muss. Vor ECMO-Implantation sind mögliche relative Kontraindikationen im Sinne einer Nutzen-/Risikobewertung zu prüfen (s. Tab. 2). Zusätzlich können Scoring-Systeme wie z. B. der RESP-/Preset- oder Preserve-Score bei der Entscheidung für oder gegen eine ECMO helfen (Harnisch und Moerer 2021).

Die Beatmungsstrategie, während der ECMO-Therapie dient vorrangig der Reduktion von beatmungsassoziierten Lungenschäden (VILI) (Abrams et al. 2020). Durch eine „protektive“ Beatmung oder „Lung Rest“-Strategie können Baro-, Volu- und Biotraumata der gesunden Lungenabschnitte reduziert werden (siehe Tab. 3) (Tonna et al. 2021). Unter o. g. Annahme wurde auch die Beatmung mit noch niedrigeren „ultraprotektiven“ Tidalvolumina (2–4 ml/kg PBW) untersucht (u. A. XTRAVENT- und REST-Trial). Ein Überlebensvorteil konnte aber nicht nachgewiesen werden (Bein et al. 2013; McNamee et al. 2021). Das derzeit empfohlene Tidalvolumen liegt bei 4–6 ml/kg PBW (Predicted Body Weight). Eine weitere Reduktion scheint bei Lungen mit minimaler residualer Belüftung sinnvoll, kann aufgrund der Studienlage aber nicht generell empfohlen werden (Kredel et al. 2019; Tonna et al. 2021). Die Limitierung von inspiratorischem Beatmungsdruck („Driving Pressure“) und Plateaudruck ist hingegen mit reduzierter Mortalität assoziiert und zählt zu den gesicherten Therapieempfehlungen (Assouline et al. 2023; Abrams et al. 2020).

Die „Mechanische Power“ (MP) ist ein neuerer Parameter, der die Gesamtenergie darstellen soll, die von der Beatmung auf die Lungen übertragen wird (Costa et al. 2021). Das Konzept der MP berücksichtigt den Einfluss o. g. statischer Beatmungsparametern und zusätzlich dynamischer Parameter (siehe Tab. 4). Die MP kann, auch bei „Prä-ECMO“ Patienten, helfen das Risiko von VILIs abzuschätzen (Grenzwerte ≥ 12–17 J/min) oder eine lungenprotektive Beatmung zu steuern. Eine modifizierte Formel ermöglicht die bettseitige Kalkulation (s. Tab. 2). Die Studienlage zu Grenz-/Zielwerten und Nutzen der MP ist bisher jedoch limitiert.

Nach Initiierung der ECMO-Therapie ist die schnelle Korrektur einer vorbestehenden Hyperkapnie zu vermeiden, da dies mit der Entwicklung neurologischer Komplikationen assoziiert wird (Assouline et al. 2023). Eine (assistierte) Spontanatmung unter ECMO ist möglich und bei zunehmender Erholung der nativen Lungenfunktion wünschenswert. Insbesondere in der Frühphase der Therapie besteht aber das Risiko selbst-induzierter Lungenschäden (P-SILI= Patient self inflicted lung injury) (Ohshimo 2021; Collins et al. 2023). Hierfür sind u. a. forcierte Inspirationsversuche mit hohem transpulmonalem Druckgradient und Patient-Ventilator-Asynchronien verantwortlich. Neben Sedierungsvertiefung und kontrollierter Beatmung besteht in diesem Fall die Option den CO₂-abhängigen Atemantrieb über den Frischgasfluss zu titrieren. Die Lagerungstherapie ist in Beobachtungsstudien und deren Metaanalysen mit ECMO sicher durchführbar, sinnvoll und mit einem Überlebensvorteil assoziiert. Randomisierte Studien, die eine generelle Empfehlung zulassen, liegen aktuell nicht vor (Papazian et al. 2022).

Moderne ECMO-Systeme führen, trotz verbesserter Biokompatibilität, zu einer komplexen Beeinflussung der Blutgerinnung (Murphy et al. 2015). Der Kontakt von Blut mit der Fremdoberfläche und Scherkräfte erzeugen primär einen prothrombotischen Zustand. Eine systemische Antikoagulation wird deshalb regelhaft empfohlen (McMichael et al. 2022). Die Balance des Gerinnungssystems kann aber auch zur Hypokoagulabilität (durch z. B. Thrombopenie und Fibrinogenmangel) mit Blutungskomplikationen verschoben sein. Das Risiko steigt u. A. mit Dauer der ECMO-Therapie und kann durch zusätzliche Gerinnungsstörungen (z. B. bei Sepsis oder Trauma) aggraviert werden (Nunez et al. 2022).

Unfraktioniertes Heparin ist aktuell, aufgrund der kurzen HWZ und Antagonisierbarkeit, das meistgenutzte Antikoagulanz (Esper et al. 2017). Die Steuerung erfolgt mittels aPTT, Activated Clotting Time (ACT) oder Anti-Xa-Spiegel. Besonderheiten und Limitierungen der einzelnen Verfahren sind zu beachten. Bei (vermuteter) Heparin-Induzierter Thrombopenie Typ II muss auch unter ECMO auf ein alternatives Antikoagulanz gewechselt werden. Hierfür werden meist die direkten Thrombin-Inhibitoren Argatroban und Bivalirudin genutzt, die nach aktueller Datenlage als sicher und effektiv gelten (Choi et al. 2019). Tägliche klinische und laborchemische Kontrollen der Gerinnung sind empfohlen (s. Tab. 5). Bei der Differenzierung von Hyper- und Hypokoagulabilität oder zur gezielten Substitution bei Blutungen können zusätzlich viskoelastischer Verfahren eingesetzt werden. Bei schwerwiegenden Blutungskomplikationen ist im Einzelfall die prolongierte Pausierung der Antikoagulation eine Option ohne deutlich erhöhte Komplikationsrate (Olson et al. 2021).

Nach einer Behandlungsphase, in der die Unterstützung der Lungenfunktion für das Überleben der Patienten unverzichtbar ist, folgt durch die Erholung der nativen Lunge eine Phase der schrittweisen Entwöhnung von der vvECMO. Das vvECMO Weaning muss Oxygenierung und Decarboxylierungskapazität der nativen Lunge berücksichtigen und ein Weaningversuch beide Komponenten des Gasaustausches überprüfen. Je nach Zentrum sind verschiedene Vorgehensweisen etabliert. Grundsätzlich sollte vor einem Weaningversuch eine assistierte Spontanatmung erreicht sein, sowie ausreichende hämodynamische Stabilität mit ggf. niedrigdosierter Katecholaminunterstützung gegeben sein. Zusätzlich muss die Atemmechanik des Patienten beurteilt werden. In den meisten Fällen erfolgt das vvECMO-Weaning vor der Entwöhnung der Beatmungsmaschine. Ein umgekehrtes Vorgehen mit einem primären Weaning der Beatmungsmaschine vor der vvECMO ist jedoch ebenfalls möglich und muss im Individualfall beurteilt werden.

Eine Möglichkeit des ECMO Weanings besteht aus der schrittweisen Reduktion des Blutflusses über mehrere Tage mit nachfolgendem Auslassversuch. Hierbei wird beispielsweise unter Erhalt eines p_aO₂ > 60 mmHg der Blutfluss in Schritten von 0,5 L/Min bis zu einem Minimum von 2 L/min reduziert. Unterhalb 2 L/min ist eine erhöhte Gefahr der Thrombenbildung anzunehmen. Im nächsten Schritt kann der Frischgasfluss unter Kontrolle des p_aCO₂ und des Säure-Base Haushalts reduziert werden.

Alternativ sind auch tägliche Weaningversuche über die Reduktion der F_iO₂ des Frischgases und nachfolgend des Frischgasflusses möglich. Hierbei kann beispielsweise eine Reduktion von 100 % auf 60 %, 30 % und 21 % in fünfminütigen Abständen erfolgen. Erreicht der Patient durchgehend sO₂ > 90 % und einen niedrigen Atemwegsokklusionsdruck P0.1 (Normwert 1–4 cmH₂O) kann der Weaningversuch fortgeführt werden durch eine schrittweise Reduktion des Frischgasflusses (beispielsweise 30 % alle 5–10 Minuten). Durch einen Frischgasfluss von 0 L/Min erfolgt dann ein Auslassversuch der vvECMO (Vasques et al. 2019). Sind hier über 1–2 Stunden durchgehend ein p_aO₂ > 60 mmHg, eine Atemfrequenz < 30–35/Min und ein niedriger P0.1 möglich, sowie klinisch keine Zeichen der respiratorischen Erschöpfung festzustellen, so ist der Weaningversuch erfolgreich und die Dekanülierung möglich. Zur Prävention einer transienten Hypoxie ist während des Weaningversuchs die F_iO₂ an der Beatmungsmaschine auf >60 % zu erhöhen.

Die Komplikationen bei einer extrakorporalen Lungenersatztherapie können vielseitig sein. In Tab. 6 ist eine Übersicht zusammengestellt. Die Inzidenz der Komplikationen ist in den vergangenen Jahren deutlich rückläufig. Genaue Angaben aus großen aktuellen Behandlungskohorten fehlen. Fatale Komplikationen durch die Systeme per se (Schlauchruptur etc.) sind mittlerweile selten zu beobachten. Relevant sind weiterhin die neurologischen Komplikationen mit häufig letalem Ausgang auf Grund von intrakraniellen Blutungen oder Ischämien (Lorusso et al. 2017; Thiagarajan et al. 2017).

Extrakorporale Lungenunterstützung mit vvECMO hat in den letzten Jahren zunehmende Bedeutung in der Behandlung des ARDS bekommen. Nicht zuletzt die COVID-19 Pandemie hat zu einer regelhaften Anwendung der vvECMO geführt. Die vvECMO Therapie bleibt hierbei ein komplexes Verfahren, welches in ein Behandlungskonzept aus hochqualitativer konservativer ARDS-Therapie eingebunden werden muss. Eine regelhafte Anwendung, geschultes Personal sowie eine entsprechende Expertise in moderner ARDS-Therapie sind Grundlage einer erfolgreichen Therapie. Die Durchführung randomisierter, kontrollierter Studien in dieser vulnerablen Patientenpopulation und die Generation hochwertiger Evidenz ist deutlich erschwert. In der Kontrollgruppe müsste unweigerlich eine potenziell lebensrettende Therapie vorenthalten werden, zudem besteht die Unmöglichkeit eine informierte Einwilligung durch die Patienten zu erhalten (Schou et al. 2021). Diese Probleme haben bereits zum Abbruch der EOLIA Studie geführt (Combes et al. 2018) und lassen größere randomisierte Studien auch in Zukunft fraglich erscheinen.

Grundsätzlich ist die Indikation zur vvECMO kritisch zu stellen und nur im Falle der Möglichkeit einer kausalen Therapie gegeben. Hierfür sollte ein möglichst umfassendes Bild des Patienten vor vvECMO Implantation erreicht werden. Gleichzeitig ist die vvECMO jedoch oftmals ein Notfallverfahren, bei dem weder die Patienten autonome Entscheidungen treffen noch im Vorfeld mit den Angehörigen Gespräche möglich sind. Daher sollte rasch nach Beginn der ECMO-Therapie eine umfassende Aufklärung der Angehörigen erfolgen und über Nutzen und Risiken informiert werden. Ziele und Limitationen des Verfahrens sollten ebenfalls besprochen werden. Ist eine kausale Therapie nicht mehr möglich oder entspricht das zu erwartende Behandlungsergebnis nicht dem Willen des Patienten darf durch das extrakorporale Verfahren nicht unnötig Leiden verlängert werden. Hier gilt es sowohl dem Patienten als auch den Angehörigen die notwendige Unterstützung bei Beendigung der Therapie zukommen zu lassen. Den Angehörigen muss vermittelt werden muss, dass von Ihnen keine Entscheidung für oder gegen das Leben getroffen wird, sondern die palliative Versorgung nun die einzig richtige Therapieoption darstellt (Makdisi und Makdisi 2017).