Hypoventilation und Hypoxämie im Schlaf beziehungsweise chronisch-ventilatorische Insuffizienz (CVI) werden verursacht durch die Insuffizienz der Atmungsmuskulatur, die zur Erschöpfung der Atempumpe im Schlaf führt. Die CVI geht mit einer Erhöhung des paCO2 einher, das reduzierte paO2 folgt sekundär. Wesentliche Krankheitsgruppen, die häufig zur CVI führen, sind die Chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (COPD), Thorakorestriktion, Obesitas-Hypoventilationssyndrom und neuromuskuläre Erkrankungen. Die Hypoventilation im Schlaf kann erste Manifestation der CVI sein. Das Ausmaß der Hyperkapnie ist ein Index für den Schweregrad der CVI. Die nichtinvasive Ventilation (NIV) als außerklinische nichtinvasive Beatmung (Heimbeatmung) ist die Therapieform der Wahl und führt zur Besserung der Parameter der Atmung, der Rechtsherzbelastung, der Lebens- und Schlafqualität sowie der Prognose.
Schlafbezogene Hypoventilationssyndrome gehören zu den Schlafbezogenen Atmungsstörungen (siehe „Schlafbezogene Atmungsstörungen“) ohne pharyngeale Obstruktion. Bei den Hypoventilationssyndromen werden idiopathische Erkrankungen von denjenigen unterschieden, die infolge einer anderen Grunderkrankung auftreten.
Schlafbezogene Hypoventilation durch körperliche Erkrankung
Obesitas-Hypoventilationssyndrom und Spätmanifestierende zentrale Hypoventilation mit hypothalamischer Dysfunktion wurden in der ICSD-3 (2015) neu in die Gruppe der Schlafbezogenen Hypoventilationssyndrome aufgenommen.
In der vorherigen Klassifikation (ICSD-2, 2005) wurden Schlafbezogene Hypoventilationssyndrome und Hypoxämie als eine Krankheitsentität behandelt. In der ICSD-3 (2014) wurden sie getrennt. Siehe auch „Schlafbezogene Hypoxämie“.
Grundlagen
Physiologie und Pathophysiologie der Atmung
Die physiologische Atmung (Abb. 1) ist charakterisiert durch
funktionierende zentrale Atmungsstimulation,
unbeeinträchtigte neuromuskuläre Signalübertragung der nervalen Leitungsbahnen zur leistungsfähigen Atemmuskulatur,
physiologische Kraftübertragung der Muskelkraft auf den regelrecht konfigurierten knöchernen Thorax,
normal weite Atemwege und
ein gesundes Lungenparenchym.
Abb. 1
Komponenten der physiologischen Atmung: zentrale Steuerung, Signalübertragung, Atmungsmuskulatur und Lungenparenchym
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Auf jeder der genannten Ebenen kann es krankheitsbedingt zur Beeinträchtigung der Atmung kommen. Das eigentliche Atmungsorgan ist für die Abgabe des Kohlendioxids (CO2) und die Aufnahme des Sauerstoffs (O2) verantwortlich. Es besteht aus 2 Kompartimenten, der Atempumpe und der Lunge, die unabhängig voneinander oder auch interaktiv verschiedenen Störgrößen unterliegen können (Schönhofer 2015). Grundsätzlich werden die schlafbezogene Hypoventilation sowie die sinngleiche chronisch-ventilatorische Insuffizienz (CVI) infolge unterschiedlicher Ursachen durch eine Insuffizienz der Atempumpe verursacht, die zur Erhöhung des Kohlendioxidpartialdrucks (paCO2) führt. Das Ausmaß der Hyperkapnie entspricht dem Schweregrad der chronisch-ventilatorischen Insuffizienz, und daher hat paCO2 die Funktion eines Leitparameters; es kommt hierbei sekundär zur Reduktion des paO2 (siehe auch „Schlafbezogene Hypoxämie“).
Schon beim Gesunden steigt im Schlaf, vor allem im REM-Schlaf, das paCO2 um bis zu 5 mmHg an („Atmung“), und auch bei der schlafbezogenen sekundären Hypoventilation und Hypoxämie tritt die Hyperkapnie zuerst und am ausgedehntesten im Schlaf auf, auch hier vor allem im REM-Schlaf.
Die häufigsten Ursachen der CVI sind die peripher bedingte Insuffizienz der Atempumpe, beispielsweise infolge von schwergradiger Chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und Lungenemphysem, Thorakorestriktion und Erkrankungen der Atmungsmuskulatur. Seltener führen organische Erkrankungen des zentralnervösen Systems zu CVI. Hierzu kommt es beispielsweise idiopathisch oder infolge erhöhten Hirndrucks bei intrazerebraler Raumforderung, bei Infarzierung des „Atmungszentrums“, bei metabolischer Enzephalopathie oder durch zentralnervös dämpfende Pharmaka. Die Phrenikusparese ist ein typisches Beispiel für eine Transmissionsstörung im Bereich der peripheren Nerven als Ursache der CVI.
Zur Genese der CVI existieren im Wesentlichen 3 Erklärungsmodelle, nämlich erstens die zur Dysfunktion der Muskulatur, zweitens die zur gestörten Schlafstruktur und drittens die zur reduzierten Sensibilität der Chemorezeption. Der Dysfunktion der Muskulatur mit häufig beeinträchtiger Atemmechanik als Ursache der CVI kommt hierbei die wichtigste Bedeutung zu.
In diesem Zusammenhang werden jetzt einige Begriffe erläutert. Mit der Ermüdung der Atmungsmuskulatur ist ein Zustand gemeint, bei dem infolge muskulärer Überlastung die Kapazität und die Kraft (beziehungsweise die Verkürzungsgeschwindigkeit) des Muskels vermindert sind. Die Ermüdung der Muskulatur ist durch entlastende Maßnahmen oder durch Erholung partiell oder komplett reversibel. Die Ermüdbarkeit ist abhängig vom Verhältnis der Last zur Kapazität der Muskulatur. Bei einem hohen Ermüdungsgrad kommt es zur Erschöpfung der Muskulatur (im englischen Sprachraum auch „fatigue“ genannt). Bei der sogenannten „Erschöpfungsschwelle“ der Atmungsmuskulatur beträgt die Relation von Last der Inspirationsmuskeln (der bei jedem Atemzug in Ruhe entwickelte Inspirationsdruck P0,1) zur Kapazität (dem höchsten Inspirationsdruck bei maximal willkürlicher Anstrengung Pimax) etwa 35–40 %.
Demgegenüber wird vor allem bei neuromuskulären Erkrankungen von Muskelschwäche gesprochen, wenn beim ruhenden Muskel die Kapazität, Kraft zu entwickeln, vermindert ist. Auch die Muskelschwäche kann reversibel sein; jedoch nicht durch Entlastung, sondern durch den Genesungsprozess der Grunderkrankung, wie es beispielsweise bei der Myopathie von längerdauernd lebensbedrohlich Erkrankten (der sogenannten „critical illness myopathy“) der Fall ist.
Auf der Basis eines komplexen Beziehungsgeflechts zwischen Atmung und Schlaf kann es zur schlafbezogenen Hypoventilation kommen. Bereits physiologischerweise nimmt das Atemminutenvolumen im Schlaf ab. Grundsätzlich ist bei nachgewiesener CVI das Ausmaß der Hypoventilation am stärksten während des Schlafes (Becker et al. 1999). Zur Beurteilung der „Atmung“ im Schlaf ist es wichtig, zwischen Atmung während des NREM- und während des REM-Schlafs zu unterscheiden. Da im REM-Schlaf physiologischerweise das Diaphragma die Atmung garantiert, während die Atemhilfsmuskulatur neuronal gehemmt ist, führt eine Zwerchfellschwäche bereits früh im Krankheitsverlauf zur REM-Schlaf-assoziierten Hypoventilation. Im NREM-Schlaf kann die isolierte Zwerchfellschwäche durch die aktive Atemhilfsmuskulatur zunächst kompensiert und damit die Ventilation aufrechterhalten werden. Kommt es im weiteren Krankheitsverlauf jedoch zur Insuffizienz der Atemhilfsmuskulatur, dann ist die Hypoventilation sowohl im REM- als auch im NREM-Schlaf nachweisbar. Hypoventilation und die assoziierte Hyperkapnie beziehungsweise Hypoxämie gehen mit respiratorisch induzierten schlafstörenden zentralnervösen Aktivierungsreaktionen (Arousals) einher, die den Schlaf fragmentieren und auf diese Weise die Erholsamkeit des Schlafes (vergleichbar einer Schlafdeprivation) reduzieren. CVI geht daher mit erhöhter Tagesschläfrigkeit einher.
Eng verknüpft mit diesen Ausführungen zum gestörten Schlaf als Ursache für CVI ist die sogenannte Rezeptorhypothese zur Genese der CVI mit folgender Rationale: Chronische Hyperkapnie, respiratorische Azidose und kompensatorische renale Bikarbonatretention führen zur Reduktion der zentralen CO2-Chemosensitivität. Damit fehlt der ansonsten durch Hyperkapnie induzierte physiologische Atmungsstimulus; hierdurch wird im Sinne einer „permissiven Hyperkapnie“ die Erschöpfung der Atmungsmuskulatur infolge der physiologischen Hyperventilation als Reaktion auf Hyperkapnie verhindert.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die oben genannten unterschiedlichen Modelle zur Ursache der CVI koexistieren und nicht isoliert betrachtet werden können. Der muskulären Insuffizienz in Form von Ermüdung oder Erschöpfung des Zwerchfells als Ursache der CVI kommt die größte klinische Relevanz zu.
Symptomatik der CVI
Im Gegensatz zur akuten ventilatorischen Insuffizienz kommt es in der Frühphase der CVI zu keiner eindeutigen Symptomatik. Die Patienten klagen in der Phase oftmals über nur gering ausgeprägte Dyspnoe bei körperlicher Belastung. Es bestehen häufig unspezifische Symptome wie Zephalgien, Tagesschläfrigkeit, Konzentrationsschwäche, Ein- und Durchschlafstörungen, psychische Beeinträchtigung durch Angststörungen und depressive Störungen sowie zunehmende Erschöpftheit und Einschränkung der Mobilität.
Es ist wichtig, die CVI bereits im Frühstadium zu diagnostizieren. Die Messung der Blutgase in Ruhe, unter körperlicher Belastung und im Schlaf sind hier wegweisend. Hier sind die Blutgase am Tage unter Ruhebedingungen oft noch normal, und es kommt im REM-Schlaf und/oder bei Belastung zur Hyperkapnie mit sekundärer Hypoxämie. Bei der manifesten CVI bestehen Hyperkapnie und Hypoxämie in Ruhe bereits am Tage und unabhängig von den Schlafstadien. In diesem Krankheitsstadium bestehen infolge chronischer Hypoxämie häufig auch eine sekundäre Polyglobulie und pulmonale Hypertonie mit chronischem Cor pulmonale.
Wichtige Krankheitsbilder mit CVI
Im Folgenden werden die Charakteristika der wesentlichen Krankheitsgruppen behandelt, die typischerweise zur CVI führen. Es wird die Klassifikation der Schlafbezogenen Hypoventilationssyndrome entsprechend der ICSD-3 zugrunde gelegt, die angeborene beziehungsweise idiopathische Formen von der infolge einer Grunderkrankung auftretenden Form unterscheidet. Bei der letztgenannten erfolgte bisher im Einzelfall die Zuordnung zu einer von drei Diagnosen gemäß dem ursächlich im Vordergrund stehenden Pathomechanismus. Dies wurde mit der ICSD-3 zugunsten einer übergreifenden Diagnose „Schlafbezogene Hypoventilation durch körperliche Erkrankung“ aufgegeben. Die sekundäre Form mit Hypoventilation infolge einer Grunderkrankung zeichnet sich dadurch aus, dass bei den vorbestehenden und bereits behandelten Grunderkrankungen die Erkennung und die Behandlung der zusätzlich bestehenden schlafbezogenen Hypoventilation entscheidend für die Prognose der Patienten ist. Nachfolgend werden unter Schlafbezogene Hypoventilation durch körperliche Erkrankung die wichtigsten diesbezüglichen Krankheitsgruppen besprochen.
Obesitas-Hypoventilationssyndrom
In Anlehnung an die Physiognomie des dicken Jungen Joe aus „The Posthumous Papers of the Pickwick Club“ von Charles Dickens wird das Obesitas-Hypoventilationssyndrom (OHS) auch als „Pickwick-Syndrom“ bezeichnet. Der klinische Begriff Obesitas-Hypoventilationssyndrom war bereits vor der Entwicklung einer Systematik der Schlafbezogenen Atmungsstörungen etabliert. Das OHS ist durch Hypoventilation und Hyperkapnie auch im Wachzustand (paCO2 ≥45 mmHg), chronisch-obstruktive Bronchitis, häufig zusätzliche Obstruktive Schlafapnoe sowie durch extreme Adipositas, sekundäre Polyglobulie und ein Cor pulmonale charakterisiert.
Im Zentrum der Pathogenese des OHS stehen die erhöhte Atemarbeit, die sich in 3 Komponenten gliedert: 1. elastische Atemarbeit, 2. resistive Atemarbeit und 3. Atemarbeit zur Überwindung des erhöhten intrinsischen positiv-endexspiratorischen Atemwegsdrucks (iPEEP). Neben der gestörten Atemmechanik ist beim OHS eine Dysfunktion der zentralen Atmungsregulation von pathophysiologischer Bedeutung.
Bei dieser seltenen Erkrankung, die auch als Undines-Fluch-Syndrom bezeichnet wird, liegt eine angeborene Störung der zentralen Chemorezeptorensensitivität vor, die in einer verminderten Antwort sowohl auf Hyperkapnie als auch auf Hypoxämie resultiert. Verantwortlich hierfür ist bei ca. 90 % der Betroffenen eine heterozygote Mutation im PHOX2B-Gen. Bei etwa einem Sechstel der Patienten liegt zusätzlich ein Morbus Hirschsprung vor. Die Erkrankung manifestiert sich in der Regel im Neugeborenen- oder Säuglingsalter, in Einzelfällen erst im Jugend- oder Erwachsenenalter, dann häufig ausgelöst durch Anästhesie oder eine gravierende Atemwegserkrankung. Im Wachzustand besteht eine verminderte Atmung, im Schlaf ist die Hypoventilation ausgeprägter und geht mit Atemstillständen einher, die ohne Beatmung zum Tode führen. Ein Teil der Patienten benötigt auch am Tage eine Beatmung. Die Implantation von Zwerchfellschrittmachern stellt eine Ergänzung beziehungsweise Alternative zur Beatmung dar.
Spätmanifestierende zentrale Hypoventilation mit hypothalamischer Dysfunktion (late-onset central hypoventilation with hypothalamic dysfunction)
Bei der Spätmanifestierenden zentralen Hypoventilation mit hypothalamischer Dysfunktion führt eine hypothalamische Dysfunktion zur Beeinträchtigung der zentralen Atmungsregulation. Die Patienten sind in der Regel in der frühen Kindheit unauffällig. Im Alter zwischen dem 2. und 3. Lebensjahr kommt es infolge einer Hyperphagie zur Adipositas, gefolgt von einer zentralen Atmungsregulationsstörung. Die Hypoventilation ist auch nach Gewichtsreduktion nicht reversibel, was das Krankheitsbild vom Obesitas-Hypoventilationssyndrom unterscheidet. Die Patienten entwickeln häufig hypothalamisch bedingte Dysfunktion mit endokrinen Funktionsstörungen, die sowohl mit erhöhten als auch erniedrigten Hormonspiegeln einhergehen können. Hierzu zählen Diabetes insipidus, inadäquate antidiuretische Hormonhypersekretion, vorzeitige Pubertät, Hypogonadismus, Hyperprolaktinämie, Hypothyreose, und verminderte Wachstumshormonsekretion. Andere hypothalamische Dysfunktionen, wie zum Beispiel Dysregulation der Körpertemperatur, sind beschreiben worden. Es kann zu wechselnden Stimmungslagen, Entwicklungsverzögerung oder Autismus kommen. Die meisten Patienten sind kognitiv unauffällig.
Neben einer organisch nicht erklärbaren hypothalamischen Dysfunktion, die zur Spätmanifestierenden zentralen Hypoventilation führt, können neural bedingte Tumoren, wie zum Beispiel Ganglioneurome, die Ursache hierfür sein. Daten zur Prävalenz und Geschlechtsverteilung existieren nicht.
Differentialdiagnostisch ist sie vom Kongenitalen zentral-alveolären Hypoventilationssyndrom zu unterscheiden; bei diesem lässt sich das PHOX2B-Gen nachweisen. Ebenfalls durch genetische Untersuchung lässt sie sich vom Prader-Willi-Syndrom abgrenzen. Auch sind die meisten Kinder mit Prader-Willi-Syndrom bereits bei Geburt hypoton, und sie weisen eine deutlich verzögerte Entwicklung auf. Führt die Spätmanifestierende zentrale Hypoventilation zu relevanter Hypoventilation, ist die nichtinvasive Ventilation (NIV) die Therapie der Wahl. Nur im Einzelfall wird eine Tracheotomie als Beatmungszugang erforderlich.
Idiopathische zentral-alveoläre Hypoventilation
Die seltene Idiopathische zentral-alveolären Hypoventilation manifestiert sich in der Adoleszenz oder im jungen Erwachsenenalter und ist nur langsam progredient. Die Ursache der Störung ist nicht bekannt. Es wird ein Defekt im Atmungszentrum mit Schädigung der medullären Chemorezeption und fehlender Sensibilität der zentralen O2- und CO2-Rezeptoren angenommen. Es liegt keine primäre Beeinträchtigung der Lunge oder der Atempumpe vor.
Schlafbezogene Hypoventilation durch Medikamente oder Substanzen
Chronische Hypoventilation und Hyperkapnie können ausgelöst werden durch übermäßige Einnahme von Pharmaka, die den zentralen Atemantrieb, die CO2- beziehungsweise O2-Chemosensitivität reduzieren oder zur direkten Schwächung der Atmungsmuskulatur führen. Medikamente mit diesen Eigenschaften sind lang wirksame Narkotika, Anästhetika, Sedativa und Muskelrelaxantien. Verstärkt wird die Wirkung dieser Medikamente durch zusätzlichen Alkoholkonsum oder unkontrollierte Einnahme von weiteren interagierenden Pharmaka.
Bei leichter Form der Medikamenten-induzierten Hypoventilation tritt diese nur im Schlaf (zunächst im REM-Schlaf) auf, bei schwerer Ausprägung ist die Hypoventilation in Form der Hyperkapnie auch am Tage im Wachzustand nachzuweisen. Das Spektrum der Symptomatik reicht von fehlenden klinisch fassbaren Symptomen bis zu schwerer Dyspnoe, Kopfschmerzen und reduziertem Allgemeinzustand. Infolge einer verstärkten Kollapsneigung des Hypopharynx kann es infolge oben genannter Medikamente zusätzlich zur Obstruktiven Schlafapnoe kommen. Bei Patienten mit schwergradiger Obesitas oder neurologischen Grunderkrankungen können diese Medikamente zu einer besonders ausgeprägten Hypoventilation führen. Möglicherweise wird der Effekt durch zusätzliche Gabe von Sauerstoff verstärkt. Die wesentliche Maßnahme zur Verhinderung dieser Form der Hypoventilation besteht, wenn möglich, im Vermeiden der dieser Substanzen beziehungsweise bei dringender Indikation zur Gabe der Substanzen, besonders bei Risikopatienten, im strengen Monitoring der Atmung.
Schlafbezogene Hypoventilation durch körperliche Erkrankung
Erkrankungen des Lungenparenchyms oder der Lungengefäße
Betroffen sind Patienten mit idiopathischer pulmonaler Hypertonie, die in bis zu 75 % ausgedehnte Hypoventilationsphasen im REM-Schlaf aufweisen. Ferner gehören zu der Gruppe Patienten mit fortgeschrittener restriktiver Ventilationsstörung infolge Erkrankungen des Lungenparenchyms, wie zum Beispiel fibrosierende Lungenerkrankungen, die im Schlaf Phasen mit Hyperkapnie und extremer Hypoxämie aufweisen können. Hierdurch erklären sich sekundär die pulmonale Hypertonie und Polyglobulie (siehe auch „Restriktive Lungenerkrankungen“).
Erkrankungen mit bronchialer Obstruktion und Lungenemphysem
Nach allgemein anerkannter Nomenklatur steht COPD („chronic obstructive pulmonary disease“) für „Chronisch-obstruktive Lungenerkrankung“, die häufig gemeinsam mit dem Lungenemphysem auftritt. Der Schweregrad der COPD wird entsprechend der GOLD-Klassifikation über den forcierten exspiratorischen Fluss in der ersten Sekunde (FEV1) definiert; eine aktualisierte GOLD-Klassifikation (A-D) integriert neben FEV1 die Anzahl der Exazerbationen und das Ausmaß der Dyspnoe; die klinische Relevanz dieser Klassifikation ist allerdings noch nicht abschließend eruiert. Das Ausmaß der Gasaustauschstörung lässt Aussagen über den Schwergrad des Lungenemphysems zu. Die häufigste Ursache der COPD ist das Inhalationsrauchen, gefolgt von Infektionen und deutlich seltener einer erheblichen Staubbelastung.
Die Pathophysiologie der CVI bei COPD und Lungenemphysem ist komplex (Tab. 1). Die Überlastung der Atempumpe ist sowohl druck- als auch volumenbedingt. Neben der chronischen Atemwegsobstruktion führen der beim Emphysem durch Elastizitätsverluste des Lungenparenchyms verursachte exspiratorische Kollaps der peripheren Atemwege sowie Hypersekretion zur Druckbelastung der Atemmuskulatur. Dabei kommt es durch die verlängerte Exspiration bedingt durch die Flusslimitation zu einer Verkürzung der Inspirationszeit mit konsekutiver Überlastung der Inspirationsmuskulatur. Zusätzlich verursacht die reduzierte Gasaustauschfläche eine kompensatorische Hyperventilation, die eine vermehrte Volumenbelastung der Atempumpe zur Folge hat. Zusätzlich führen die mit dem Lungenemphysem einhergehende dynamische Lungenüberblähung und der intrinsische PEEP zur Abflachung des Zwerchfells und Beeinträchtigung der Atmungsmuskelkapazität.
Tab. 1
Pathophysiologische Faktoren, die bei COPD zur chronisch-ventilatorischen Insuffizienz führen
Arousals und Schlaffragmentierung infolge Hypoventilation, Hypoxämie und Hyperkapnie
Neuromuskuläre Erkrankungen, Thoraxdeformitäten und extreme Adipositas
Wie weiter oben schon ausgeführt (Abschn. „Physiologie und Pathophysiologie der Atmung“), ist das Zwerchfell der wesentliche Atmungsmuskel und leistet physiologischerweise mehr als 80 % der Inspirationsarbeit. Zur Zwerchfellparese mit nachfolgender CVI kann es entweder isoliert auf den Muskel bezogen oder im Rahmen von neuromuskulären Systemerkrankungen kommen. Im Folgenden werden die wichtigsten Erkrankungen genannt, die zur Zwerchfellparese führen.
Zwerchfellparesen sind häufig idiopathisch, das heißt, die Ursache der Schädigung des Nervus phrenicus bleibt ungeklärt. Sie werden aber auch durch Thoraxtrauma, mediastinale Tumoren, im Rahmen von neurologischen Infektionserkrankungen, wie beispielsweise Enzephalitis, Herpes zoster, Poliomyelitis, Diphtherie, Myelitis oder Polyneuropathien verursacht. Darüber hinaus führen chirurgische Eingriffe im Bereich der Halswirbelsäule oder herzchirurgische Interventionen (zum Beispiel Hypothermie-induziert) zur Schädigung des Nervus phrenicus.
Die Poliomyelitis acuta anterior kann zum sogenannten Postpoliomyelitissyndrom (PPS) führen und mit Zwerchfellschwäche einhergehen. Das PPS wird verursacht durch eine Dekompensation der von der ehemaligen Poliomyelitis acuta anterior nicht betroffenen, meist durch Reinnervationsvorgänge vergrößerten motorischen Einheiten und führt zu Muskelermüdbarkeit mit Zunahme der Paresen und Atrophien.
Sowohl beim häufigsten Vertreter der Muskeldystrophien, der Duchenne-Muskeldystrophie, als auch der selteneren spinalen Muskelatrophie, bei der das organische Substrat der Erkrankung in der Vorderhornzelle zu lokalisieren ist, kommt es bereits in der Kindheit oder Adoleszenz zur CVI infolge Beteiligung der Atmungsmuskulatur („Neuromuskuläre Erkrankungen“). Im Erwachsenenalter führt die „Amyotrophe Lateralsklerose“ (ALS) infolge Degeneration des ersten und zweiten Motoneurons zu Atrophien und zu spastischen Paresen mit fortschreitender Funktionseinschränkung der gesamten Skelettmuskulatur. Bei Beteiligung der Atmungsmuskulatur kommt es bei ALS zur CVI.
Unterschiedliche mechanische Ursachen führen zu thorakorestriktiven Erkrankungen, beispielsweise infolge Wirbelsäulenverkrümmung, operativer Interventionen, Thoraxwanddeformität und extremer Adipositas, die infolge der Beeinträchtigung der Atemmechanik die CVI verursachen. Lungenfunktionell sind hierbei die Vitalkapazität und die totale Lungenkapazität reduziert.
Wichtige Vertreter der thorakorestriktiven Erkrankungen sind der sogenannte Post-TBC-Schaden und die Torsionsskoliose, auf die exemplarisch im Folgenden näher eingegangen wird.
Vor der Ära der Tuberkulostatika waren chirurgische Eingriffe, beispielsweise in Form der Thorakoplastik, des Pneumo- und Oleothorax, der extrapleuralen Pneumolyse oder Phrenikusexhärese zur Behandlung der Lungentuberkulose weit verbreitet. Das gemeinsame Ziel aller Verfahren war die Verkleinerung des Thoraxraumes und/oder die Kompression des betroffenen Lungenparenchyms. Im Sinne der Defektheilung führten die Interventionen zwar häufig zur Heilung der Lungentuberkulose, gleichzeitig kam es jedoch oft zur Thorakorestriktion mit nachfolgender CVI.
Neben der idiopathischen Skoliose, die mit 90 % den weitaus größten Anteil der Skoliosen im Wachstumsalter darstellt, unterscheidet man kongenitale und neuromuskuläre Skoliosen sowie die Skoliosen bei zugrunde liegenden Systemerkrankungen wie beispielsweise neuromuskulären Erkrankungen. Vor allem wenn die Skoliose mit einer zusätzlichen Torsionskomponente einhergeht, kommt es zur Dysfunktion der Atempumpe.
Diagnostik
Die Differentialdiagnostik der unterschiedlichen Schlafbezogenen Hypoventilationssyndrome und deren Abgrenzung gegenüber den anderen Schlafbezogenen Atmungsstörungen, wie den Zentralen Schlafapnoesyndromen und der Obstruktiven Schlafapnoe, gelingt zuverlässig mittels Kardiorespiratorischer Polysomnographie (KRPSG) im Schlafmedizinischen Labor.
Die Messung der Ventilation im Schlaf hat einen hohen Stellenwert in der Diagnostik der Hypoventilation. Die bei der Polysomnographie etablierten Thermistoren ermöglichen keine quantitative Messung und sind daher nur mit Einschränkung zur Beurteilung der nächtlichen Ventilation geeignet. Andere Methoden zur quantitativen Messung der Ventilation wie induktive Plethysmographie oder Flow-Messer mit Pneumotachygraphen sind technisch anspruchsvoll, fehleranfällig und können zur Beeinträchtigung der Atmungsmuster führen.
Wird während der Polysomnographie eine transkutane pCO2-Messung durchgeführt, gelingt bei Patienten mit CVI die zeitlich Zuordnung der Hypoventilation zu den Schlafstadien.
Eine aussagefähige Beurteilung der Ventilation im Schlaf anhand der pulsoxymetrisch gemessenen O2-Sättigung (SaO2) ist nur bei neuromuskulären Erkrankungen möglich, vorausgesetzt, das Lungenparenchym ist funktionstüchtig. Demgegenüber ist bei Erkrankungen mit CVI und gleichzeitiger Gasaustauschstörung der direkte Rückschluss von pulsoxymetrisch gemessener O2-Sättigung (SaO2) auf die Ventilation nicht möglich.
Darüber hinaus sind in der Diagnostik zur Beurteilung der Atmung die Spirometrie beziehungsweise Body-Plethysmographie und Blutgasanalyse unverzichtbar. Wie bereits erwähnt geben die pCO2-Werte in Ruhe, unter Belastung und im Schlaf Aufschluss zum Schweregrad der CVI. Anhand der Lungenfunktion lassen sich restriktive und obstruktive Lungenerkrankungen unterscheiden. Eine deutliche Lageabhängigkeit der Lungenvolumina mit signifikanter Abnahme der gemessenen Werte vom Sitzen zum Liegen weist auf eine Zwerchfellparese hin.
Es folgen Ausführungen zur Beurteilung der Funktion der Atempumpe (Schönhofer und Windisch 2020). Die Mundverschlussdruckmethode ist ein nichtinvasives Verfahren zur Beurteilung von Last und Kapazität der Atmungsmuskulatur. Während der Ruheatmung wird der sogenannte P0.1, das heißt Mundverschlussdruck 100 ms nach Inspirationsbeginn, bestimmt, der ein Maß für die Last der Atmungsmuskulatur unter Ruheatmung ist. Der bei forcierter Inspiration gegen ein verschlossenes Ventil nach langsamer Ausatmung bis zum Residualvolumen maximal erreichte Inspirationsdruck (PImax) steht für die Kapazität. Aus dem Quotienten P0.1/PImax ergibt sich das Verhältnis aus Last zur Kapazität der Atempumpe. Der PImax liefert eine globale Information zur Inspirationsmuskulatur und unterscheidet nicht zwischen Zwerchfell und Atemhilfsmuskulatur. Eine gezielte Beurteilung der diaphragmalen Kraft ermöglicht die Messung des transdiaphragmalen Drucks (Pdi) durch Platzieren von ösophagealen und gastralen Druckmesssonden (Pdi = Pgastral–Pösphageal).
Sollte die Messung des PImax-Wertes, zum Beispiel infolge unzureichender Kooperationsfähigkeit des Patienten oder technischen Schwierigkeiten, problematisch sein, stellt das Sniff-Manöver über Nasenoliven eine gute Alternative zur Messung des maximalen Inspirationsdrucks dar. Hierbei führt der Proband ein kurzes Inspirationsmanöver (das heißt Schnupf-Manöver) über die Nase bei geschlossenem Mund aus, was ebenfalls zur schnellen maximalen Aktivierung der Inspirationsmuskulatur führt. Wesentliche Vorteile sowohl der PImax- als auch der Sniff-pressure-Bestimmung liegen darin, dass diese Messmethoden spezifisch für die Atemmuskulatur und aufgrund der einfachen Durchführbarkeit ubiquitär einsetzbar sind.
Physiologischerweise tritt das Diaphragma bei Inspiration deutlich nach kaudal und nimmt am Ende der Exspiration – bei der funktionellen Residualkapazität – wieder die Ausgangsstellung ein. Mithilfe der Thoraxsonographie lässt sich dieser Bewegungsablauf visualisieren, wobei die Abwärtsbewegung des Zwerchfells und seiner benachbarten Organe, das heißt Leber und Milz, besonders gut im Rahmen des Sniff-Manövers nachweisbar ist. Die optimale Position des Schallkopfes ist der 8.–9. Interkostalraum (ICR), mittlere Axillarlinie. Die besagte Bewegung lässt sich bei unilateraler oder bilateraler Schwäche beziehungsweise kompletter Parese des Zwerchfells nicht mehr zeigen. Bei unilateraler Parese kommt es zur paradoxen Kranialisierung des gelähmten Hemidiaphragmas (sogenanntes Waagebalkenphänomen). Mit gut auflösenden 7,5-MHz-Ultraschallköpfen kann die typische Dreischichtung des Zwerchfellmuskels visualisiert werden. Dabei kann zunächst die Auslenkung des Zwerchfells quantifiziert werden: Werte <10 mm sind mit einer Zwerchfelldysfunktion vereinbar.
Therapie
Pharmakotherapie
Grundsätzlich bestehen mit verschiedenen Atmungsstimulanzien, wie zum Beispiel Aminophylline, Almitrine, Acetazolamid oder Oxapram, pharmakologische Ansätze zur Behandlung der Hypoventilation. Bei nächtlicher Hypoventilation besteht darüber hinaus die Möglichkeit, die Hypoventilationsphasen durch pharmakologische Suppression des REM-Schlafs (beispielsweise mit Protriptylin) zu reduzieren. Gegen den häufigen Einsatz dieser Therapieprinzipien sprechen die insgesamt geringe Effektivität, die Nachteile einer chronischen REM-Schlafdeprivation und die zum Teil schwerwiegenden Nebenwirkungen der Substanzen.
Sauerstofftherapie
Die Sensibilität der zentralen Rezeptoren für CO2 ist – wie oben erwähnt – bei chronischer Hyperkapnie infolge der Adaptation reduziert und damit fehlt der physiologische Hyperkapnie-induzierte Atemstimulus weitgehend. An seine Stelle tritt der Hypoxie-bedingte Stimulus der peripheren O2-Rezeptoren im Karotissinus. Sauerstofftherapie kann insbesondere im REM-Schlaf bei Patienten mit CVI infolge neuromuskulärer Erkrankungen zur starken Abnahme des Atemantriebs mit konsekutiver Zunahme der Hypoventilation und Hyperkapnie bis zur CO2-Narkose und im Extremfall zum Tod führen.
Sauerstofftherapie kann aber bei Patienten mit leichtgradiger chronisch-ventilatorische Insuffizienz (CVI) am Tage und mäßiger nächtlicher Hypoventilation indiziert sein. So ist die O2-induzierte Zunahme der Hypoventilation und die damit einhergehende Abnahme der Atemarbeit im Sinne der Entlastung der Atempumpe im begründeten Einzelfall bei Patienten mit fortgeschrittener COPD durchaus zielführend.
Beatmung
Historisch betrachtet, wurde die nichtinvasive Ventilation (NIV) im größeren Umfang zunächst als Negativdruckbeatmung in Form der Eisernen Lunge (siehe „Eiserne Lunge“) zur Behandlung des ventilatorischen Versagens infolge Poliomyelitis-Epidemie eingesetzt. Bei der Negativdruckbeatmung, deren bekanntester Vertreter der Tankventilator ist, kommt es durch einen Sogeffekt zur Expansion des Thorax und damit zur Inspiration. Nach den Polioepidemien geriet diese Beatmungsform jedoch weitgehend in Vergessenheit. In den 60er- und 70er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts wurde Beatmung invasiv via Tracheotomie durchgeführt. Mit der in den vergangenen Jahrzehnten zunehmend eingesetzten nichtinvasiven Maskenbeatmung mit Positivdruckverfahren begann die Ära der außerklinischen Beatmung zur Therapie der CVI.
Eine europäische Erhebung lieferte wichtige Daten zu Patienten in der außerklinischen Beatmung (Lloyd-Owen et al. 2005). Die Definition für Heimbeatmung war hierbei „Täglicher Einsatz der nichtinvasiven Maskenbeatmung oder invasiven Beatmung via Tracheostomie mehr als 3 Monate zu Hause oder in Langzeiteinrichtungen“. In dieser Studie wurden insgesamt 21.526 Patienten mit Heimbeatmung erfasst, die sich zu je einem Drittel auf die Diagnosen COPD, Thorakorestriktion und neuromuskuläre Erkrankungen verteilten. Die hier geschätzte Prävalenz für Heimbeatmung lag durchschnittlich bei 6,6 Patienten auf 100.000 Einwohner. Bei kontinuierlich steigender Anwendungsrate und gleichzeitig hoher Dunkelziffer ist aus heutiger Sicht von einer deutlich höheren Anzahl von Patienten in der außerklinischen Beatmung auszugehen. (Siehe dazu „Mechanische Ventilation“.)
Beatmungsgeräte und Interfaces
Für die häusliche Beatmung steht ein breites Spektrum von portablen Beatmungsgeräten zur Verfügung. Da die Negativdruckbeatmung inzwischen praktisch nicht mehr zum Einsatz kommt, wird im Folgenden ausschließlich die nichtinvasive Maskenbeatmung mit Positivdruckverfahren (NIV) erläutert.
Abhängig von der zugrunde liegenden Technik steht die nichtinvasive Positivdruckbeatmung grundsätzlich in zwei unterschiedlichen Modi zur Verfügung: Beatmung mit Volumenvorlage oder mit Druckvorgabe. Historisch betrachtet kam in den 1980er-Jahren zunächst ausschließlich die nichtinvasive Positivdruckbeatmung mit Volumenvorgabe zur Anwendung. Im Weiteren hat sich zunehmend die Druckvorgabe durchgesetzt. Sowohl nichtinvasive Positivdruckbeatmung mit Volumen- als auch mit Druckvorgabe lassen sich in kontrollierten oder in assistierten Beatmungsformen applizieren. Bei der rein kontrollierten Beatmung übernimmt das Beatmungsgerät den gesamten Ventilationsbedarf des Patienten und führt zur kompletten Entlastung der Atempumpe durch Wegnahme der Atemarbeit.
In den vergangenen Jahren wurde mit dem Modus „Average Volume Assured Pressure support“ (AVAPs; Druckunterstützung mit gesichertem Durchschnittsvolumen) ein weiteres Therapieprinzip eingeführt. Bei dieser Funktion wird unter Einsatz von inspiratorischem Druck ein Zielatemzugvolumen definiert. Bisher wurde allerdings nicht überzeugend nachgewiesen, dass der AVAPs-Modus gegenüber den bisherigen Beatmungsverfahren klinisch relevante Vorteile aufweist.
Ein breites Spektrum von Beatmungszugängen (Interfaces) für die nichtinvasive Positivdruckbeatmung steht heute zur Verfügung. Ein gutes Interface zeichnet sich dadurch aus, dass ein weitgehend luftdichter Übergang zwischen dem Beatmungsgerät und den Atemwegen des Patienten gewährleistet ist. Am häufigsten werden zur Therapie der CVI Nasenmasken eingesetzt. Daneben werden Nasen-Mund-, Ganzgesichtsmasken, die sogenannten „nasal pillows“, Mundstücke und im Einzelfall auch der Beatmungshelm verwandt.
Für neuromuskuläre Erkrankungen, besitas-Hypoventilationssyndrom (OHS) und thorakorestriktive Erkrankungen, bei denen es vorwiegend infolge Erschöpfung oder Schwäche der Atmungsmuskulatur zur CVI kommt, ist der Effekt von nichtinvasiver Positivdruckbeatmung seit längerem nachgewiesen (Schönhofer und Windisch 2020). Bei diesen Indikationen führt nichtinvasive Überdruckbeatmung (NPPV; „non-invasive positive pressure ventilation“) entsprechend dem oben formulierten pathophysiologischen Konzept im Wesentlichen zur Entlastung und Erholung der erschöpften Atempumpe. Die NPPV führt zur Steigerung der Ventilation. Gleichzeitig kommt es zur Resensibilisierung der Chemorezeptoren, zur Besserung der Spontanatmung am Tage, zur Zunahme der Muskelkraft als auch der Ausdauer der Atmungsmuskulatur und zur Abnahme der pulmonalen Hypertonie. Neben der verbesserten Lebensqualität führt Heimbeatmung vor allem bei den oben genannten Krankheitsgruppen auch zur Abnahme der Mortalität. Auch wenn sich die Studien hierzu nicht auf hohem Niveau evidenzbasierter Medizin befinden, ist es aufgrund der günstigen Ergebnisse epidemiologischer Untersuchungen im Vergleich mit historischen Kollektiven ohne Heimbeatmung und Auslassversuchen nach längerer Heimbeatmung inzwischen ethisch nicht mehr vertretbar, plazebokontrollierte Studien zum Nachweis des Effekts von nichtinvasiver Positivdruckbeatmung für die genannten Indikationen durchzuführen („Evidenzbasierung und Leitliniengestaltung“).
Im Gegensatz dazu fehlte lange für die CVI infolge irreversibler Lungenstrukturerkrankung und Lungenüberblähung wie bei COPD mit Lungenemphysem der evidenzbasierte Nachweis des Effekts von nichtinvasiver Positivdruckbeatmung (NIV). Eine bis vor Kurzem häufig zitierte Metaanalyse zog die ernüchternde Schlussfolgerung, dass der Effektivitätsnachweis für NPPV bei COPD fehlt (Wijkstra et al. 2003). Es ist aber wichtig festzustellen, dass die vorhandenen kontrollierten Studien methodische Fehler bezüglich Anwendung und Adaptation der NPPV aufwiesen, wodurch die Ergebnisse relativiert werden. Ein wesentliches Defizit der Studien zum Stellenwert der NPPV bei COPD bestand in der unzureichenden Entlastung der Atmungsmuskulatur infolge geringen inspiratorischen Spitzendrucks (<15 cmH2O). Die Anwendungszeit pro Tag lag teilweise niedrig (etwa 4 Stunden) und die Studiendauer war im Vergleich zu Untersuchungen im stationären Bereich kurz, beispielsweise 2 Wochen.
Vor allem in Deutschland durchgeführte Studien mit hohen Beatmungsdrücken im kontrollierten Beatmungsmodus („high-intensity NIV“; dabei werden inspiratorische Druckwerte um 28–30 cmH2O eingesetzt) haben gezeigt, dass sowohl die Hyperkapnie als auch klinische Parameter wie die Luftnot, die gesundheitsbezogene Lebensqualität, die Lungenfunktion und die körperliche Belastbarkeit gebessert werden können (Windisch 2012).
Ein bahnbrechendes Ergebnis lieferte die kürzlich publizierte randomisierte und kontrollierte Multicenterstudie aus Deutschland zur Wirkung der NIV bei CVI infolge COPD (Köhnlein et al. 2014). In dieser Studie wurde eindeutig gezeigt, dass „high-intensity NIV“ mit definitiver Senkung des pCO2 zur Lebensverlängerung führt.
In der S2k-Leitline der Deutschen Gesellschaft für Pneumologie und Beatmungsmedizin e.V. ist die außerklinische Beatmung mit NIV bei neuromuskulären, thorakal-restriktiven Erkrankungen und dem OHS grundsätzlich bereits mit dem Nachweis einer geringgradigen CVI (das heißt Tages-Hyperkapnie mit einem paCO2 ≥45 mmHg) indiziert. Im Gegensatz hierzu wird die NIV bei der COPD erst bei einem Tages-paCO2 von ≥50 mmHg oder einem nächtlichen paCO2 von ≥55 mmHg empfohlen (Windisch et al. 2017).
Schließlich sei noch erwähnt, dass zwei weitere Indikationen für den Einsatz von NIV bei COPD diskutiert werden:
In der Rehabilitation wird durch NIV die Überlastung der Atmungsmuskulatur bei Patienten mit COPD während körperlicher Aktivität im Rahmen von Rehabilitationsmaßnahmen vermindert; hierunter erhöht sich die Belastungszeit, und möglicherweise ist die muskuläre Erschöpfung rückläufig.
Bei COPD-Patienten mit häufiger Hospitalisation infolge Exazerbation kann NIV möglicherweise die Rehospitalisationsrate und damit die Therapiekosten reduzieren.
Zusammenfassung und Bewertung
Hypoventilation und Hypoxämie im Schlaf beziehungsweise chronisch-ventilatorische Insuffizienz (CVI) werden verursacht durch die Insuffizienz der Atmungsmuskulatur, die zur Erschöpfung der Atempumpe im Schlaf führt. Die CVI geht mit einer Erhöhung des paCO2 einher, das reduzierte paO2 folgt sekundär. Wesentliche Krankheitsgruppen, die häufig zur CVI führen, sind die Chronisch-obstruktive Lungenerkrankung (COPD), Thorakorestriktion, Obesitas-Hypoventilationssyndrom und neuromuskuläre Erkrankungen. Die Hypoventilation im Schlaf kann erste Manifestation der CVI sein. Das Ausmaß der Hyperkapnie ist ein Index für den Schweregrad der CVI. Die nichtinvasive Ventilation (NIV) als außerklinische nichtinvasive Beatmung (Heimbeatmung) ist die Therapieform der Wahl und führt zur Besserung der Parameter der Atmung, der Rechtsherzbelastung, der Lebens- und Schlafqualität sowie der Prognose.
Literatur
Becker HF, Piper AJ, Flynn WE et al (1999) Breathing during sleep in patients with nocturnal desaturation. Am J Respir Crit Care Med 159:112–118CrossRef
Köhnlein T, Windisch W, Köhler D, Drabik A, Geiseler J, Hartl S, Karg O, Laier-Groeneveld G, Nava S, Schönhofer B, Schucher B, Wegscheider K, Criée CP, Welte T (2014) Non-invasive positive pressure ventilation for the treatment of severe stable chronic obstructive pulmonary disease: a prospective, multicentre, randomised, controlled clinical trial. Lancet Respir Med 2(9):698–705CrossRef
Lloyd-Owen SJ, Donaldson GC, Ambrosino N et al (2005) Patterns of home mechanical ventilation use in Europe: results from the Eurovent survey. Eur Respir J 25:1025–1031CrossRef
Schönhofer (2015) Nichtinvasive Beatmung beim Patienten mit persistierender Hyperkapnie. Med Klin Intensivmed Notfmed 10(3):182–187CrossRef
Schönhofer B, Windisch W (2020) Die Atempumpe. In: Dembinski R, M. Pfeifer, Bein T (Hrsg) Intensivbuch Lunge, 4. Aufl. Medizinisch Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Berlin. S. 27–44
Wijkstra PJ, Lacasse Y, Guyatt GH et al (2003) A meta-analysis of nocturnal noninvasive positive pressure ventilation in patients with stable COPD. Chest 124:337–343CrossRef
Windisch W (2012) Noninvasive positive pressure ventilation in COPD. Breathe 8:115–122
Windisch W, Dreher M, Geiseler J, Siemon K, Brambring J, Dellweg D, Grolle B, Hirschfeld S, Köhnlein T, Mellies U, Rosseau S, Schönhofer B, Schucher B, Schütz A, Sitter H, Stieglitz S, Storre J, Winterholler M, Young P, Walterspacher S, für die Leitliniengruppe „Nichtinvasive und invasive Beatmung als Therapie der chronischen respiratorischen Insuffizienz“ (2017) S2k-Leitlinie: Nichtinvasive und invasive Beatmung als Therapie der chronischen respiratorischen Insuffizienz – Revision 2017. Pneumologie 71(11):722–795CrossRef
