Die Intensivmedizin
Autoren
Tobias M. Bingold und Harald Keller

Extrakorporale Verfahren zur Unterstützung bei Lungenversagen

Die Anwendung extrakorporaler Lungenunterstützungsverfahren (ELUV) hat sich Ende des letzten Jahrzehnts deutlich gewandelt. Die H1N1-Pandemie hat zu einer deutlichen Steigerung der Anwendung von ECMO-Therapien bei ARDS-Patienten geführt, mit dokumentierten Überlebensraten von >70 %. Durch Weiterentwicklung der Systeme und Therapiestrategien konnten die Komplikationsraten in den vergangenen Jahren deutlich reduziert werden.
Dieser Beitrag beleuchtet die mechanischen Lungenunterstützungsverfahren, wobei der Membranoxygenator das Herzstück des Lungenunterstützungsverfahrens bildet. Die Technik und die praktische Durchführung werden ebenso dargestellt wie die Indikationen zur ECLS-Therapie (ECLS = „extracorporeal life support“).

Extrakorporale Lungenunterstützungsverfahren

Das klassische extrakorporale Lungenunterstützungsverfahren ist die extrakorporale Membranoxygenation (ECMO – „extracorporeal membrane oxygenation“; Abb. 1). Eine ECMO-Therapie wird aktuell zu einer extrakorporalen Unterstützung der Lunge, aber auch des Herzens bzw. des Herzens und der Lunge eingesetzt. Bei primär kardialer Indikation wird die Therapie als ECLS („extracorporeal life support“) definiert.
Die klinische Anwendung einer ECMO bei erwachsenen Patienten wurde erstmals 1972 publiziert (Hill et al. 1972).
Eine ECMO ist klassischerweise ein pumpengetriebenes Unterstützungssystem. Vor ca. 30 Jahren wurde die Möglichkeit einer pumpenlosen extrakorporalen Lungenunterstützung (PECLA) entwickelt (Ohtake et al. 1983), die seit gut 10 Jahren auch klinisch eingesetzt wird.
Eine PECLA dient primär der CO2-Elemination (AVCO2R „arteriovenous carbon dioxide removal“). PECLA-Systeme (z. B. ILA-System) sind vom Herzzeitvolumen (HZV) und der arteriovenösen Druckdifferenz des Patienten abhängig. Der Blutfluss, der erreicht wird, beträgt im Gegensatz zur klassischen ECMO mit bis zu 7 l/min bei ILA in der Regel nur 1–2 l/min. Damit zählt eine ILA-Therapie zu den Low- bzw. Mid-flow-Unterstützungsverfahren (Gattinoni et al. 1978).
Die Differenzierung in Low-, Mid- und High-flow-Systeme ist therapeutisch von Bedeutung, da durch den Blutfluss die zu erzielende Oxygenierung bestimmt wird. Je höher der Blutfluss ist, desto besser ist die Oxygenierungsleistung. Umgekehrt bedeutet ein niedriger Blutfluss eine geringe Oxygenierungsleistung bei guter extrakorporaler Decarboxylierung (ECCO2R „extracorporeal CO2 removal“, CO2-Clearance 120–140 ml/min) (Zhou et al. 2005; Muller et al. 2009).
Aufgrund des Unterschiedes einer solitären Verbesserung der Decarboxylierung (ECCO2R) und mit steigendem Blutfluss einer zusätzlichen Verbesserung der Oxygenierung (ECMO) wird in der Therapie zwischen Low-, Mid- und High-flow-Verfahren unterschieden (Tab. 1).
Bezeichnung
Low-flow-Verfahren
Mid-flow-Verfahren
High-flow-Verfahren
Blutfluss
<800 ml/min
<2400 ml/min
>2400 ml/min
Verfahren
ECCO2R
ECCO2R, (ECMO)
ECMO
Indikation
– Ultraprotektive Beatmung
– Exazerbierte COPD
– NIV-Unterstützung
– Frühzeitige Extubation
– COPD
– Vermeidung von Intubation
– Klassische ECMO

Membranoxygenatoren (MO)

Membranoxygenatoren bilden das Herzstück eines extrakorporalen Lungenunterstützungsverfahrens. Die Gasaustauschmembran besteht in der Regel aus heparinbeschichteten Polymethylpenten-Hohlfasern (Abetz et al. 2006). Ein stark reduzierter Flusswiderstand ermöglicht einen optimierten Blutfluss durch die Hohlfasern. Die Hohlfasern bestehen aus einer mikroporösen Membran und sind zusätzlich mit einer Diffusionsmembran (Abb. 2) umhüllt. Diese Membran verhindert den früher problematischen Austritt von Plasma.
Die Gasaustauschfläche entspricht nur ca. 10 % der Oberfläche der menschlichen Lunge (200–300 m2). Der Gasaustausch per se erfolgt entsprechend der Physiologie der Lunge. Im Gegensatz zur Lunge hat das Blut im Membranoxygenator eine längere Kontaktzeit bei gleichzeitig höherer Partialdruckdifferenz zwischen Blut und Gasseite. Entsprechend dem Fick’schen Gesetz kann somit eine vergleichbar effiziente Oxygenierung und Decarboxylierung des Blutes erreicht werden (Abb. 3).
Die aktuell verfügbaren MO haben eine Oxygenierungsleistung von ca. 3 ml/kg KG/min sowie eine Decarboxylierungsleistung von 3–6 ml/kg KG/min (Terragni et al. 2010).

Antrieb

Aktuell wird bei ECMO-Systemen als Blutpumpe am häufigsten eine Zentrifugalpumpe verwendet. Durch Einführung der Zentrifugalpumpen wird das Blut nicht mehr kontinuierlich wie bei einer Rollenpumpe gequetscht, sodass die Biokompatibilität der Systeme deutlich verbessert werden konnte. Probleme wie eine Hämolyse, Thrombozytenschädigung/-aktivierung sowie der Abrieb von Schlauchpartikeln werden deutlich reduziert. Aktuell hat die Hämolyse bei adäquater Anwendung von ECMO-Systemen keinen relevanten Einfluss mehr (Lehle et al. 2013).
Im Gegensatz zu einer ECMO ist ein PECLA-System per Definition ein System ohne Pumpenantrieb, d. h. die treibende Kraft für den Blutfluss ist die arteriovenöse Druckdifferenz. Diese Differenz sollte 60–80 mm Hg betragen, bzw. der mittlere arterielle Druck sollte sich bei ≥60 mm Hg befinden, um eine ausreichende Effizienz des Systems zu erzielen.

Kanülierung und Kreisläufe

Kanülen müssen als Grundvoraussetzung zur Anwendung bei einem ELUV einen guten Blutfluss gewährleisten (Durchmesser), dürfen nicht abknicken (Drahtarmierung) und müssen eine hohe Biokompatibilität besitzen.
Für den Betrieb einer PECLA (ILA System) stehen Kanülen von 13–21 F zur Verfügung. Die Kanülierung erfolgt in Seldinger-Technik arteriovenös in den Leistengefäßen.
Aus Sicherheitsgründen sollte vor jeder Kanülierung der Gefäßdurchmesser mittels Ultraschall gemessen werden. Ein arterielles Restlumen von 30 % verhindert eine Okklusion und damit die Ischämie der Extremität durch die ILA-Kanülen.
Die Kanülierung für eine ECMO-Therapie erfolgt klassisch venovenös (vvECMO), die einer ECLS venoarteriell. In Sonderfällen, z. B. in der Kardiochirurgie oder bei isolierter Ausschaltung einer pulmonalen Hypertonie (Strueber et al. 2009), kann auch eine zentrale Kanülierung am Herzen bzw. an den großen intrathorakalen Gefäßen durchgeführt werden. Die Größe der Kanüle sowie der Punktionsort richten sich nach der Anatomie des Patienten sowie den erforderlichen Blutflussraten. Die ECMO-Kanülierung kann minimalinvasiv in Seldinger-Technik durchgeführt werden. Die Platzierung der Kanülen erfolgt am sichersten ultraschallgestützt. Alternativ können die Kanülen chirurgisch platziert werden.
Die arteriellen Kanülen bei erwachsenen Patienten werden entweder in der A. femoralis oder der A. subclavia platziert. Bei Kanülierung der A. femoralis muss beachtet werden, dass das rückgeführte, oxygenierte Blut gegen den Auswurf des Herzens zum Gehirn gelangen muss. Eine Kontrolle der zerebralen Oxygenierung ist über eine arterielle Blutgasanalyse aus dem rechten Arm (z. B. A. radialis oder A. brachialis) bzw. additiv über ein transkutanes zerebrales Monitoring (z. B. NIRS) sicherzustellen (Wong et al. 2012). Um eine ausreichende Perfusion der arteriell kanülierten Extremität sicherzustellen, muss in der Regel eine zusätzliche Kanülierung nach distal erfolgen. Für die Kanülierung der A. subclavia sind höhere neurologische Komplikationsraten sowie häufigere Blutungen an der Insertionsstelle beschrieben. Auch hier muss die Perfusion der Extremität sichergestellt werden.
Bei venovenöser Kanülierung muss eine mögliche Durchmischung des Blutes zwischen ansaugender und rückführender Kanüle („jet range“) bedacht werden. Neben der Distanz zwischen den Kanülenspitzen spielt der Blutfluss der ECMO eine relevante Rolle. Je höher bei Durchmischung der Blutfluss eingestellt wird, desto geringer ist die Effizienz der ECMO (Bongert et al. 2012). Zusätzlich ist für die Effizienz der ECMO-Therapie das HZV des Patienten entscheidend. Je höher das HZV, desto geringer fällt der prozentuale Anteil an Oxygenierung durch die ECMO aus. Technisch ist der zu erzielende ECMO-Fluss von dem Durchmesser der ansaugenden Kanüle abhängig (Lehle et al. 2013). Entsprechend dem Hagen-Poiseuille-Gesetz sinkt der Widerstand entsprechend der Zunahme des Innendurchmessers der Kanüle (1/r4). Zusätzlich ist der Flusswiderstand des Membranoxygenators für den zu erzielenden Blutfluss entscheidend. Die auf dem Markt befindlichen Systeme zeigen hier relevante Unterschiede (Lehle et al. 2013).
Neben Monolumenkanülen sind auch zwei Typen von Doppellumenkanülen für den Betrieb einer vvECMO verfügbar. Die Avalon-Elite-Kanüle (Maquet) wird in die V. jugularis interna eingeführt und ultraschallkontrolliert bis in die V. cava inferior vorgeschoben. Das desoxygenierte Blut wird aus der V. cava superior und inferior angesaugt. Die Rückführung erfolgt über ein zweites Lumen vor dem rechten Vorhof. Das zweite System, die NovaPort-twin-Kanüle (Novalung), ist wie ein Shaldon-Katheter aufgebaut. Die Kanülen können entweder in der V. jugularis interna (18 und 22 F) oder in der V. femoralis (24 F, 27 cm lang) platziert werden.

Antikoagulation

In der Regel sind die Systeme mit Heparin beschichtet (Membranoxygenator, Schläuche und ggf. Kanülen). Dennoch muss eine systemische Antikoagulation mit unfraktioniertem Heparin durchgeführt werden. Die Ziel-aPTT sollte 50–55 s betragen. Aufgrund von akuten Blutungen (z. B. Polytrauma, Kardiochirurgie) kann bei lebensbedrohlichen Situationen unter entsprechender Risikoabwägung ein kurzfristiger Betrieb ohne Antikoagulation erfolgen.
Eine Heparin-induzierte Thrombozytopenie (HIT) stellt eine Kontraindikation für die Anwendung einer Heparin-beschichteten ECMO dar. Als alternative Antikoagulation existieren Erfahrungen mit Agatroban sowie Danaparoid. In der Regel ist bei diesen Medikamenten aber eine kurzfristige Kontrolle der Gerinnung unmöglich. Eine additive Verwendung von Aspirin zur Reduktion des Filter-Clottings ist beschrieben (Philipp et al. 2007; Bein et al. 2011).

Indikation

Die Datenlage reicht aktuell nicht für eine evidenzbasierte Differenzialindikationsstellung für extrakorporale Lungenunterstützungsverfahren aus (Tab. 1). Die klassische Indikation für eine ECMO-Therapie ist ein schweres ARDS mit refraktärer Hypoxämie. Die Indikation zur ECMO-Therapie sollte erwogen, wenn das Letalitätsrisiko 50 % übersteigt (paO2/FiO2 < 150 mm Hg, FiO2 > 90 % und Murray-Score 2–3). Bei refraktärer Hypoxämie und einem Letalitätsrisiko von >80 % sollte eine ECMO angewendet werden (paO2/FiO2 < 80 mm Hg, FiO2 > 0,9, Murray-Score 3–4) (Malagon und Greenhalgh 2013). Konservative Therapiestrategien [PEEP ≥15 cm H2O, Vt ≤ 6 ml/kg KG „predicted body weight“ (PBW), pplateau ≤30 cm H2O, kinetische Therapie (Bauchlagerung)] sollten entsprechend vorher adäquat etabliert worden sein.
Grundlagen für einen guten Therapieerfolg sind
  • die frühzeitige Indikationsstellung,
  • die rasche Implantation des Systems,
  • Interhospitaltransfer mit ELUV und
  • Behandlung in einer spezialisierten Einheit.
Weitere Faktoren, die das Überleben bei einer ECMO-Therapie relevant beeinflussen, sind
  • das Lebensalter,
  • der Laktatspiegel bei Implantation sowie
  • der Plateaudruck zum Zeitpunkt der Implantation (Terragni et al. 2013).
Die einzige verfügbare größere Studie zur ECMO-Therapie bei ARDS ist die CESAR-Studie mit einer „number needed to treat“ (NNT) von 6 Patienten (Peek et al. 2009), d. h. bei Behandlung von 6 Patienten konnte 1 Patient durch den Einsatz einer ECMO zusätzlich gerettet werden. Aufgrund verschiedener Mängel (u. a. keine festgelegte Beatmungsstrategien für die Kontrollgruppe im Kontrollkrankenhaus sowie die Behandlung mit ECMO in einem anderen spezialisierten Zentrum) sind die Ergebnisse nicht ohne Weiteres auf die klinische Praxis zu übertragen.
Indikationen außerhalb des klassischen ARDS ergeben sich aus den technischen Möglichkeiten der Systeme. Bei niedrigen Blutflüssen steht die Decarboxylierung im Vordergrund, während bei höheren Blutflüssen Oxygnierungsstörungen zusätzlich behandelt werden können.
Eine ECMO/ECCO2R kann in verschiedenen Phasen der Behandlung ein sinnvolles Device zur Erweiterung der Therapie sein:
  • Vermeidung einer Intubation (z. B. exazerbierte COPD) – Die Vermeidung einer invasiven Beatmung bei Patienten mit ARDS und Patienten, die auf eine Lungentransplantation warteten, waren mit einer geringeren Letalität verbunden (Burki et al. 2013; Kluge et al. 2012; Hoeper et al. 2013).
  • Durchführung einer ultraprotektiven Beatmung (Vt ≤3 ml/kg KG PBW) – Mittels des pumpenlosen ILA-Systems konnte bei Patienten mit einem paO2/FiO2 < 150 mm Hg in einer multizentrischen Studie eine ultraprotektive Beatmung sicher umgesetzt werden. Die Ventilationszeit der Patienten konnte signifikant verkürzt werden. Zur Beurteilung eines Überlebensvorteils war die Fallzahl zu klein (Bein et al. 2013).
  • Frühzeitige Extubation des Patienten unter ECMO/ECCO2R – Der Einsatz einer ECMO-Therapie zur schnelleren, erfolgreichen Extubation könnte für Patienten ebenso wie die Therapie einer schweren kardialen Dsyfunktion bei Sepsis in Zukunft eine Therapieoption darstellen. Eine Fallserie mit 12 Patienten zeigte sehr gut Überlebensraten von 71 % bei Patienten mit schwerer kardialer Dysfunktion und Sepsis (Brechot et al. 2013).
  • Perioperativer Einsatz bei Eingriffen am Thorax unter Ein-Lungen-Beatmung, die der Patient ohne Unterstützung durch ECMO nicht tolerieren würde. Diese Indikation betrifft Einzelfälle. Es liegen hierzu keine Studien vor.

Therapie

Eine ECMO-/PECLA-Therapie sollte grundsätzlich nur auf Intensivstationen mit ausreichender Erfahrung durchgeführt werden.
Hierzu ist geschultes, erfahrenes pflegerisches, kardiotechnisches und ärztliches Personal 24 h/7 Tage pro Woche erforderlich. Ein Einbau einer ECMO muss jederzeit kurzfristig möglich sein, Komplikationen müssen durch entsprechende chirurgische Kollegen jederzeit behandelbar sein. Kardiotechniker sollten vor Ort zur Inbetriebnahme und Visite des Systems vorhanden sein, oder die entsprechende Expertise ist anderweitig vorzuhalten.
Ein therapeutisches Gesamtkonzept inklusive einer breiten Erfahrung in der konventionellen Behandlung von ARDS-Patienten ist erforderlich. Bei Anwendung eines ELUV ist neben einer adäquaten Indikationsstellung die weitere Versorgung des Patienten von entscheidender Bedeutung. Die Kernelemente der Versorgung sind in der Übersicht gelistet.
Kernelemente der Versorgung bei ECMO-Therapie
  • Sofortige vollständige Entlastung der Lunge ab Beginn der ECMO-Therapie
  • Frühe Reduktion der Sedierung
  • Lagerungstherapie, ggf. inkl. Bauchlagerung (Munshi et al. 2013; Kipping et al. 2013)
  • Entsprechendes Volumenregime
  • Möglichst schnelle Extubation des Patienten
Die Steuerung von Blutfluss und Gasfluss sind die beiden Determinanten zur Steuerung von Oxygenierung und Decarboxylierung. Die Oxygenierung des Patienten sollte ausreichend sein, mit dem Ziel, die Invasivität der Beatmung so gering wie möglich zu halten. Das Sauerstoffangebot (ḊO2) ist ein guter Parameter zur Abschätzung der erforderlichen Oxygenierung. Die ḊO2 berechnet sich vereinfacht aus SaO2 × Hb × HZV. Unter vvECMO sind die meisten HZV-Messverfahren (Swan-Ganz, PiCCO) jedoch fehlerhaft, sodass ggf. eine Abschätzung über eine echokardiographische Kontrolle erfolgen muss.
Zur Steuerung steht bei ECMO-Therapie neben der Verbesserung der SaO2 der Hb zur Verfügung. Bei Beeinflussung des HZV muss der Blutfluss der ECMO berücksichtig werden. Je höher das HZV des Patienten, desto geringer wird der Anteil des oxygenierten Blutes aus der ECMO. Bei einem Verhältnis von Blutgasfluss/HZV über 60 % ist eine SaO2 von >90 % zu erreichen(Schmidt et al. 2013). Zu beachten ist der Einfluss des paCO2 und des pH-Wertes. Eine milde Hyperkapnie mit einem leicht azidotischen pH-Wert gelten als vorteilhaft. Die negativen Einflüsse eines hohen paCO2 und eines niedrigen pH-Wertes auf den pulmonalvaskulären Widerstand und die Kontraktilität des Herzens müssen beachtet werden (Ijland et al. 2010). Die Steuerung der Oxygenierung erfolgt über den Blutfluss der ECMO, die Decarboxylierung über den Gasfluss.

Komplikationen

Die Komplikationen bei einer extrakorporalen Lungenersatztherapie können vielseitig sein. In Tab. 2 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 aktuell deutlich seltener zu beobachten. Auch die Ischämien der Extremitäten sind bei sachgerechter Kanülierung sehr gering zu halten. Relevant sind aber weiterhin die neurologischen Komplikationen mit häufig letalem Ausgang aufgrund von intrakraniellen Blutungen oder Ischämien.
Tab. 2
Komplikationsraten nach Cheng et al. (C) (2013), Zangrillo et al. (Z) (2013), vVV ECMO ELSO registry report 2013 (Paden et al. 2013)
Komplikationen
Inzidenz vvECMO
Inzidenz vaECMO
Mortaliät
45 %
54 % (Z)
Kanülenprobleme
7,7 %
 
– Blutung/Thrombose, Gefäßverletzung
17,2 %
 
– Minderperfusion von Extremitäten
 
16,9 % (C); 10 % (Z)
– Kompartment
 
10,3 % (C)
– Dislokation
  
Geräte- und Membranproblem
  
– Membrandysfunktion
12,6 %
29 % (Z)
– Schlauch-, Membrandefekte
0,3 %
 
– Gerätedefekte (Pumpenantrieb, Steuerung)
2,1 %
 
Systemische Komplikationen
  
– DIC
  
  
– HIT
  
– Zerebrale Blutung, Ischämie
3,9 %
5,9 % (C); 8 % (Z)
– Lungenblutung
  
  
– Retroperitoneales Hämatom
  
– Relevante Blutung
 
40,8 % (C); 33 % (Z)
– Gastrointestinale Blutungen
 
7 % (Z)
 
52 % (Z)

Fazit

Unter dem Aspekt einer rückläufigen Letalität bei konservativer ARDS-Therapie und weiterhin – z. T. letalen – Komplikationen unter extrakorporalen Lungenunterstützungsverfahren (ELUV) ist der Einsatz einer ELUV kritisch zu stellen. Eine regelhafte Anwendung, geschultes Personal sowie eine entsprechende Expertise in moderner ARDS-Therapie sind Grundlage einer erfolgreichen Behandlung. Andererseits ist die Indikationsstellung für eine ECMO-/ECCO2R-Therapie aufgrund verbesserter Systeme und entsprechender Therapiestrategien mit Entlastung der Lunge sowie frühzeitiger Extubation in den vergangenen Jahren deutlich breiter geworden.
Für einen evidenzbasierten Einsatz von extrakorporalen Lungenunterstützungsverfahren sind dringend kontrollierte, randomisierte multizentrische Studien erforderlich, die die Anwendung einer ELUV zur Vermeidung einer invasiven Beatmung, Anwendung einer ultraprotektiven Beatmung oder frühzeitigen Extubation unter ELUV definieren.
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