Differenzierte Beatmung und kinetische Therapie bei ARDS Möglichkeiten und Grenzen

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1 Aktuelles Wissen für Anästhesisten Refresher Course Nr. 41 Differenzierte Beatmung und kinetische Therapie bei ARDS Möglichkeiten und Grenzen Differentiated mechanical ventilation and positioning strategies in ARDS possibilities and limits A. Güldner P. M. Spieth M. Gama de Abreu Zusammenfassung Das Akute Lungenversagen (Acute Respiratory Distress Syndrome, ARDS) ist eine intensivmedizinische Krankheitsentität mit relativ hoher Inzidenz und sehr hoher Letalität. Die maschinelle Beatmung trägt zur Verhinderung eines letalen respiratorischen Versagens bei, kann jedoch selbst die Lungenschädigung verschlechtern (Ventilator Induced Lung Injury, VILI). Protektive Beatmungsmodi mit niedrigen Tidalvolumina (ca. 6 ml/kg, ideales Körpergewicht) vermindern die VILI und verringern die Letalität. Bei einigen Patienten kann eine weitere Reduktion der Tidalvolumina < 4 ml/kg (sog. ultraprotektive Beatmung) versucht werden, um die Lungenprotektion zu gewährleisten. Darüber hinaus scheinen die Patienten mit einem schweren ARDS von höheren positiven end-exspiratorischen Drücken (PEEP) zu profitieren. Die Anwendung von minimalen Tidalvolumina im Rahmen der Hochfrequenz-Oszillationsbeatmung soll allenfalls bei lebensbedrohlicher Hypoxämie erwogen werden, da sie mit einer höheren Letalität als die konventionelle protektive Beatmung verbunden ist. Neue Beatmungsmodi, welche auf der Variabilität von Tidalvolumina beruhen (variable Beatmung), haben sich im Rahmen tierexperimenteller Arbeiten als Vorteilhaft im Sinne von Lungenfunktion und -Schädigung erwiesen, waren mit einer verbesserten Synchronie zwischen Patienten und Beatmungsgerät assoziiert, befinden sich aber noch in der Erprobungsphase. Neben der protektiven Beatmung mit reduzierten Tidalvolumina zeigten sich die langdauernde Bauchlagerung (> 12h/Tag) und möglicherweise die Anwendung von Muskelrelaxantien in den ersten 48 h als sinnvolle Begleitmaßnahmen zur Minimierung des Lungenschadens und Senkung der Letalität bei Patienten mit schwerem ARDS. Schlüsselwörter: Akutes Lungenversagen maschinelle Beatmung Lagerungstherapie Summary The acute respiratory distress syndrome (ARDS) represents an intensive care entity with still high incidence and mortality. Mechanical ventilation is the cornerstone of the therapy of ARDS, contributing to reduction of mortality due to respiratory failure. However, mechanical ventilation itself can worsen the lung injury in ARDS (ventilator induced lung injury, VILI). Protective mechanical ventilation modes with low tidal volumes (app. 6 ml/kg, predicted body weight) minimize VILI and lead to a reduction of mortality. Nevertheless, some patients may still require a further reduction of the tidal volume < 4 ml/ kg (so-called ultraprotective mechanical ventilation), in order to assure lung protection. Patients with severe ARDS seem to further benefit from high positive end-expiratory pressure (PEEP). On the other hand, the use of minimal tidal volumes within a high-frequency oscillatory ventilation strategy can be associated with higher mortality, and should be reserved for patients with refractory threatening hypoxemia. New mechanical ventilation modes that are based on variation of tidal volumes (variable ventilation) have been shown to improve lung function and reduce lung damage in experimental studies, and were associated with better patient-ventilator synchrony, but are still under evaluation. Besides protective ventilation with low tidal volumes, the use of neuromuscular blocking agents in the first 48h and long lasting periods of prone positioning (>12 h/day) are able to reduce lung injury and mortality in patients with severe ARDS. Keywords: acute respiratory distress syndrome mechanical ventilation positioning Einleitung Das akute Lungenversagen stellt eine der wichtigsten intensivmedizinischen Entitäten dar und wurde das erste Mal von Ashbaugh et al beschrieben [1]. Das klinische Erscheinungsbild manifestiert sich in schwerer Dyspnoe und einer sauerstofftherapierefraktären Zyanose sowie einer Störung der Lungenmechanik. Zahlreiche experimentelle und klinische Arbeiten haben seit seiner Erstbeschreibung dazu beigetragen, Pathogenese und Pathophysiologie des ARDS besser zu verstehen, sowie vielfältige ventilatorische und nichtventilatorische Therapiestrategien zu untersuchen. Dennoch bleibt die Letalität des ARDS mit ca. 40% noch immer sehr hoch [2]. Bisher konnte lediglich für die lungenprotektive Beatmung mit niedrigen Tidalvolumina und inspiratorischen Plateaudrücken sowie die Bauchlagerung ein Überlebensvorteil für die Patienten nachgewiesen werden [3]. Obwohl die mechanische Beatmung eine lebensnotwendige Intervention zur Sicherung des pulmonalen Gasaustausches im Rahmen des ARDS darstellt, birgt sie die Gefahr, eine Schädigung der Lunge neu zu induzieren bzw. einen vorbestehenden pulmonalen Schaden zu aggravieren. Dieses Phänomen wird als beatmungsinduzierte Lungenschädigung (Ventilator Induced Lung Injury VILI) bezeichnet [4]. Neben dem Lungenversagen 91

2 Refresher Course Nr. 41 Aktuelles Wissen für Anästhesisten induziert das ARDS häufig eine von der Lunge ausgehende systemische Entzündungsreaktion, die im Extremfall zu einem Multiorganversagen führen kann [5]. Ein beatmungsinduzierter fibrotischer Umbau des Lungenparenchyms im Sinne einer Defektheilung bewirkt im Zusammenspiel mit einer häufig auftretenden sog. critical illness polyneuropathy und critical illness myopathy (CIP/CIM) eine dauerhafte Einschränkung von körperlicher Leistungsfähigkeit und Lebensqualität [6] bei Überlebenden des ARDS. Neben seiner medizinischen Bedeutung als häufig lebensbedrohliches Krankheitsbild stellen das akute Lungenversagen und die mit ihm verbundene Notwendigkeit zur mechanischen Beatmung auch einen wichtigen sozio-ökonomischen Faktor dar [7]. Die Aufwendungen zur Rehabilitation und Behandlung von Einschränkungen der körperlichen und seelischen Leistungsfähigkeit bei Überlebenden des ARDS tragen erheblich zu den krankheitsbezogenen Kosten bei. Daraus lässt sich ableiten, dass der konsequenten und zielorientierten Therapie des ARDS aus medizinischer und ökonomischer Sicht eine entscheidende Bedeutung zukommt. Definition Die im Jahr 2012 vorgestellte Berlin Definition [8] des ARDS hat die bis dahin gültige Definition der American-European Consensus Conference (AECC) abgelöst. Eine neue Definition wurde notwendig, da verschiedene Aspekte der AECC-Definition sich als zu ungenau für die Diagnosestellung bzw. die Einschätzung des Schweregrades erwiesen hatten. Hauptkritikpunkte waren dabei die eher willkürliche Unterscheidung von Acute Lung Injury (ALI) und Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) ausschließlich anhand der arteriellen Oxygenierung, ohne Berücksichtigung der aktuellen Beatmungseinstellungen, insbesondere des PEEP Niveaus, sowie die wenig exakte Definition des radiologischen Kriteriums bilaterale Infiltrate. Außerdem kam dem pulmonalarteriellen Verschlussdrucks (Wedge-Druck) zum Ausschluss eines kardialen Lungenödems eine hohe Bedeutung zu. Durch die immer seltenere Verwendung pulmonalarterieller Katheter wurde der Wedge-Druck in der klinischen Praxis jedoch kaum noch gemessenen. Die Berlin Definition stellt, wie die AECC-Definition, eine Konsensusdefinition international führender Experten dar, wobei auf zahlreiche Unterschiede in der klinischen Praxis Rücksicht genommen werden musste. Die Berlin Definition besteht aus vier Kategorien: 1) Zeit: Zeitlicher Kontext des Auftretens der Symptome innerhalb einer Woche nach bekannter Schädigung bzw. neu aufgetretenen oder verschlechterten respiratorischen Symptomen. 2) Thorax-Bildgebung: Bilaterale Verschattungen im Thorax- Röntgen oder Thorax-Computertomographie, welche nicht durch Pleuraergüsse, kollabierte Lungenareale oder Raumforderungen erklärbar sind. 3) Ursache des Ödems: Respiratorisches Versagen, das nicht vollständig durch eine Herzinsuffizienz oder Flüssigkeitsüberladung erklärbar ist. Liegen keine Risikofaktoren für ein ARDS vor, muss ein hydrostatisch bedingtes Lungenödem durch ein objektives Verfahren (z.b. Echokardiographie) ausgeschlossen werden. 4) Oxygenierung: Basierend auf der arteriellen Oxygenierung bei einem PEEP bzw. CPAP Niveau von 5 cmh 2 O wird zwischen einem milden ARDS (PaO 2 /FIO 2 > 200 mmhg 300 mmhg), einem moderaten ARDS (PaO 2 /FIO 2 > 100 mmhg 200 mmhg) und einem schweren ARDS (PaO 2 / FIO 2 < 100 mmhg) unterschieden. Epidemiologie Da bis zur Einführung der AECC Definition 1994 eine einheitliche Definition des akuten Lungenversagens fehlte und infolgedessen die diagnostischen Kriterien oft wechselten, schwankten die Daten zur Inzidenz des ARDS erheblich. Während in den USA Inzidenzen des ARDS von 75 Fällen pro Einwohner und Jahr berichtet wurden, lag die Inzidenz in der ersten prospektiven Studie in Europa bei 3,5 Fällen pro Einwohner und Jahr [9]. Unter Verwendung der AECC Definition 1994 als einheitlichem Diagnosekriterium wurden Inzidenzen von 13,5 Patienten pro Einwohner und Jahr in Schweden, Dänemark und Island bzw. 58,7 Erkrankte pro Einwohner und Jahr in den Vereinigten Staaten von Amerika gefunden [10]. Nach Einführung der lungenprotektiven Beatmung nach Publikation der ARDS Netzwerk Studie 2000 [11] sowie deren wachsendem Einsatz bei der Behandlung von Patienten ohne vorbestehendem ARDS zeigte sich bei Patienten auf der Intensivstation eine Reduktion der Inzidenz des ARDS von 8% im Jahr 2001 auf 4% im Jahr 2008 [12], wobei ein kausaler Zusammenhang vermutet wird. Neuere Studien zur Inzidenz des ARDS im Zeitalter der lungenprotektiven Beatmung finden eine Inzidenz von 5,9 bzw. 9,5 Fälle pro Einwohner und Jahr [13,14]. Die Daten zur Letalität des akuten Lungenversagens unterscheiden sich ebenfalls zwischen den geographischen Regionen, in denen die entsprechenden Patientenkollektive untersucht wurden, wobei die Unterschiede hierbei deutlich geringer ausfallen. Nach Einführung der lungenprotektiven Beatmung zeigen neuere Untersuchungen für Spanien eine Krankenhausletalität von 47,8% [14], für die Vereinigten Staaten eine Letalität innerhalb der ersten 30 Tage von 44%. Mit Ausnahme einzelner Untersuchungen in abgegrenzten geographischen Regionen, in denen sich ein Trend zur Reduktion der Letalität im Zeitverlauf nachweisen lässt, bleibt die Sterblichkeit des ARDS weltweit betrachtet weiterhin hoch. In Interventionsstudien betrug sie nur noch 36,2%, während für Observationsstudien im gleichen Zeitraum 44% ermittelt wurden. Noch fehlen jedoch epidemiologische Daten zum ARDS unter Berücksichtigung der Berlin Definition von

3 Aktuelles Wissen für Anästhesisten Refresher Course Nr. 41 Pathophysiologie und Pathogenese In der Ätiologie des ARDS können direkte bzw. indirekte Schädigungen unterschieden werden (Tab. 1). Unter direkten Ursachen versteht man eine in der Lunge initiierte Schädigung des Lungenparenchyms, während der Ursprung der Schädigung bei indirekten Ursachen abseits der Lunge liegt. Trotzdem weisen beide Formen gemeinsame Mechanismen auf. Die Schädigung der alveolo-kapillären Funktionseinheit im Rahmen eines inflammatorischen Prozesses ist das Schlüsselelement innerhalb der pathophysiologischen Mechanismen des akuten Lungenversagens. Aus dem Funktionsverlust der alveolo-kapillären Barriere resultiert ein nicht-hydrostatisches Niederdrucködem mit massivem Einstrom proteinreicher Ödemflüssigkeit in den interstitiellen und intraalveolären Raum [15]. Folge dieser Flüssigkeitseinlagerung in die Lunge ist eine schwere Störung des Gasaustausches durch Verminderung der Gasaustauschfläche und Verlängerung der Diffusionsstrecke der Atemgase. Die Inaktivierung von Surfactant durch Plasmaproteine führt zu einer Surfactandysfunktion, welche im Zusammenspiel mit dem erhöhten Eigengewicht der Lunge einen vermehrten Alveolarkollaps und damit die Ausbildung atelektatischer Lungenareale begünstigt. Im Rahmen des inflammatorischen Prozesses kommt es zu einer lokalen Aktivierung der Gerinnungskaskade in der pulmonalen Strombahn, welche lokale Mikro- und Makrothrombosen zur Folge hat und damit zu einer Erhöhung des pulmonalarteriellen Blutdrucks beiträgt. Folge dieser Prozesse sind eine Reduktion der pulmonalen Compliance, eine Abnahme der funktionellen Residualkapazität der Lunge, eine Zunahme des funktionellen Totraums, eine Erhöhung transpulmonaler Shuntvolumina und eine Verschlechterung des Ventilations-Perfusionsverhältnisses. Im Rahmen der hypoxämiebedingten pulmonalen hypoxischen Vasokonstriktion (HPV Euler-Liljestrand-Mechanismus) steigt der pulmonalarterielle Blutdruck weiter und führt somit über eine Nachlasterhöhung zu einer akuten Druckbelastung des rechten Herzens. Dieser circulus vitiosus birgt die Gefahr der Ausbildung eines akuten Cor pulmonale mit konsekutivem Rechtsherzversagen. Tabelle 1 Ursachen des ARDS. Direkte Ursachen Pneumonie Aspiration von Mageninhalt Trauma mit Lungenkontusion Ertrinken bzw. Beinaheertrinken Inhalation von Rauch oder Gas Fettembolie Pneumonie Indirekte Ursachen Sepsis Polytrauma Schock Akute Pankreatitis Kardiopulmonaler Bypass Disseminierte intravasale Gerinnung Verbrennungen Schädel-Hirn-Trauma Massivtransfusion Histologisch lassen sich für das ARDS eine akute exsudative, eine proliferative und schließlich eine chronisch fibrotische Phase nachweisen. Das histologische Korrelat des ARDS wird dabei als diffuser Alveolarschaden (Diffuse Alveolar Damage DAD) bezeichnet. Es zeigt sich, dass die inflammatorische Reaktion der Lunge dabei weitgehend unabhängig von der zugrundeliegenden Ursache des ARDS ist. Durch Remodeling- Vorgänge im Lungenparenchym im Sinne eines fibrotischen Umbaus kommt es zu teils bleibenden Einschränkungen der Lungenfunktion bei Überlebenden des ARDS. Beatmungsinduzierte Lungenschädigung Obwohl die mechanische Beatmung für die meisten ARDS Patienten eine lebensnotwendige Intervention darstellt, um einen suffizienten pulmonalen Gasaustausch und eine adäquate Gewebeoxygenierung sicherzustellen, kann Beatmung auch per se eine Schädigung der Lunge induzieren bzw. aggravieren und zur Ausbildung einer beatmungsinduzierten Lungenschädigung (VILI) führen [4]. Die Hauptschädigungsmechanismen bestehen in den schädlichen Einwirkungen hoher Atemzugvolumina (Volutrauma), hoher Beatmungsdrücke (Barotrauma) und dem zyklischen Kollaps/Wiedereröffnen atelektatischer Alveolarregionen (Atelectrauma). Diese drei physikalischen Schädigungsfaktoren führen zu einer pulmonalen inflammatorischen Reaktion (Biotrauma) [16]. Dabei können endotheliale, epitheliale sowie extrazelluläre Bestandteile der alveo-kapillären Einheit betroffen sein. Schäden am Endothel erhöhen dessen Permeabilität und begünstigen die Ausbildung eines interstitiellen bzw. alveolären Ödems. Verletzungen des Alveolarepithels schränken dessen Fähigkeit ein alveoläres Ödem abzubauen ein und reduzieren die Neusynthese von Surfactant. Die Fragmentierung der extrazellulären Matrix verstärkt die inflammatorische Reaktion im Lungenparenchym. Allerdings bleibt die inflammatorische Reaktion meist nicht nur auf das Lungenparenchym beschränkt, vielmehr kann es über eine Translokation von Pathogenen zu einer systemischen inflammatorischen Reaktion bis hin zur Ausbildung eines Multiorganversagens kommen. Bei Thorax- und abdominalchirurgischen Patienten konnte gezeigt werden, dass eine nicht-protektive Beatmung mit dem Auftreten postoperativer pulmonaler Komplikationen assoziiert ist [17], aber es ist zur Zeit nicht bekannt, ob dies auch anderen chirurgischen Populationen zutrifft. Beatmungstherapie Die maschinelle Beatmung stellt das wichtigste Instrument in der Therapie des ARDS dar. Dennoch beträgt nach vier Wochen Beatmung die Überlebenswahrscheinlichkeit von ARDS- Patienten noch 30 bis 40% [18]. Die sog. lungenprotektive Beatmung, welche aus Reduktion der Atemzugvolumina (ca. 6 ml/kg, ideales Körpergewicht), Limitierung der Beatmungsdrücke (Plateaudruck < 30 cmh 2 O) und Anwendung von positiv end-exspiratorischem Druck (PEEP) besteht, ist das einzige Ver- 93

4 Refresher Course Nr. 41 Aktuelles Wissen für Anästhesisten fahren, das bisher zu einer signifikanten Reduktion der Letalität im akuten Lungenversagen führen konnte [11]. Für die Einstellung des PEEP während der maschinellen Beatmung beim ARDS wurden verschiedene Verfahren empfohlen. Das ARDS Network hat eine Tabelle vorgeschlagen, welche eine Kombination von PEEP und FIO 2 vorschreibt, um einen inspiratorischen Plateaudruck < 30 cmh 2 O bei noch ausreichender Oxygenierung (PaO 2 von 55 bis 80 mmhg) zu erreichen [11]. Bei der Strategie der sog. offenen Lunge, welche als Open Lung Approach bekannt ist, wird zunächst ein Lungenrekrutierungsmanöver durchgeführt, um möglichst alle kollabierte Lungenarealen zu eröffnen. Danach wird der PEEP stufenweise vermindert und nach dem PEEP-Wert gesucht, der eine Maximierung des PaO 2 bzw. der Dehnung des respiratorischen Systems ermöglicht. Dieses Konzept wurde erstmals 1992 durch Lachmann vorgestellt [19] und in der Studie von Amato 1998 angewendet [20]. Für beide Konzepte, den Open Lung Approach und die PEEP/FIO 2 Tabelle des ARDS Networks [11], konnte eine Verbesserung des klinischen Outcomes nachgewiesen werden. Stellenwert von Lungenrekrutierungsmanövern und hohem PEEP Die optimale PEEP-Einstellung bei der Beatmung von ARDS- Patienten wird noch immer kontrovers diskutiert. Amato et al. fanden unter Anwendung einer lungenprotektiven Beatmung mit individuell austitrierten, relativ hohen PEEP-Niveaus eine Letalitätsreduktion [20], erbrachte eine Studie des ARDS Networks zum Vergleich einer hoch- und niedrig-peep-strategie keinen Überlebensvorteil [21]. Im Jahr 2008 wurden in kurzer Folge zwei große multizentrische, randomisierte, klinische Studien zur Anwendung von PEEP bei der Beatmung von ARDS-Patienten publiziert. Sowohl in der Studie von Meade et al. [22], als auch in der von Mercat et al. [23] ließen sich keine signifikante Unterschiede hinsichtlich der Letalität nachweisen, allerdings wiesen beide Studien eine bessere Oxygenierung, bessere Lungenmechanik und weniger Rescue-Interventionen in den Gruppen mit hohen PEEP nach [22,23]. Diese Aussagen werden durch einen aktuellen Cochrane-Review zum selben Thema unterstützt [24]. In einer weiteren Metaanalyse wurde jedoch gezeigt, dass bei Patienten mit einem schweren ARDS ein Überlebensvorteil mit höheren PEEP Werten erreicht werden kann [25]. Aufgrund des größeren Patientenkollektivs und dem sich daraus ergebenden höheren Evidenzlevel gilt die lungenprotektive Beatmung nach dem Konzept des ARDS Networks [11], d.h. nach der Tabelle mit niedrigem PEEP/FIO 2 als klinischer Standard, wobei Patienten mit einem schweren ARDS am ehesten von hohen PEEP Werten profitieren [25]. Protektive Beatmung mit sehr kleinen Tidalvolumina (Ultraprotektive Beatmung) Trotz der Anwendung von protektiven Tidalvolumina im Bereich von 4 bis 6 ml/kg (ideales Körpergewicht) kann nicht immer gewährleistet werden, dass keine erhöhten Beatmungsdrücken bei Patienten mit einem schweren ARDS entstehen, die einen beatmungsinduzierten Lungenschaden verursachen. Einer computertomographischen Studie zufolge können überblähte Lungenareale trotz der Beatmung nach dem Protokoll des ARDS Network noch vorhanden sein [27]. Dieses Phänomen ist auf ein vergleichsmäßig geringes end-exspiratorisches Lungenvolumen (auch als Baby Lung bekannt) zurückzuführen und häufig mit einem inspiratorischen Plateaudruck 28 cmh 2 O assoziiert [27]. Um eine Lungenschädigung durch erhöhten mechanischen Stress zu vermeiden, kann eine weitere Reduktion der Tidalvolumina erforderlich sein. In einer Studie an ARDS Patienten, die mit Tidalvolumina von 6 ml/kg beatmet wurden und damit inspiratorische Plateaudrücke von cmh 2 O erreichten, führte die Reduktion der Tidalvolumina bis auf inspiratorische Plateaudrücke < 28 cmh 2 O zu einer Senkung von Inflammationsmarkern in der Lunge [28]. Um die resultierende Hyperkapnie zu vermindern, musste die CO 2 -Elimination durch ein extrakorporales Gasaustauschverfahren häufig unterstützt werden. Die Strategie der Reduktion von Tidalvolumina unter den vom ARDS Network vorgeschlagenen Bereich wird in der Literatur ultraprotektive Beatmung genannt. Dabei werden häufig Tidalvolumina < 4 ml/kg (ideales Körpergewicht) (auch ultrakleine Tidalvolumina genannt) verwendet, wobei die Kombination mit einem extrakorporalen Gasaustauschverfahren zur Unterstützung der CO 2 -Elimination notwendig ist. In einer klinischen Studie an Patienten mit ARDS führte die ultraprotektive Beatmung zu einer schnelleren Entwöhnung vom Beatmungsgerät als die protektive Beatmung nach dem ARDS Network [29]. Trotz des vielversprechenden Konzepts der ultraprotektiven Beatmung konnte bisher keine relevanten Outcome- Vorteile dieser Strategie gezeigt werden. Daher kann keine allgemeine Empfehlung für diese Therapie ausgesprochen werden. Hochfrequenz-Oszillationsbeatmung (HFOV) Eine Sonderform der maschinellen Beatmung von ARDS- Patienten stellt die Hochfrequenz-Oszillationsbeatmung (HFOV) dar. Theoretisch bietet die Anwendung minimaler Tidalvolumina mit Reduktion von inspiratorischen Plateaudrücken und Minimierung des Lungenkollapses während HFOV die optimalen Voraussetzungen für die Beatmung von ARDS- Patienten im Sinne der Verminderung von VILI. Große klinische Studien konnten jedoch keine Vorteile der HFOV nachweisen. In der OSCILLATE-Studie, welche insgesamt 548 Patienten un- 94

5 Aktuelles Wissen für Anästhesisten Refresher Course Nr. 41 tersucht hat, wurde eine höhere Letalität in der HFOV-Gruppe im Vergleich zur konventionellen protektiven Beatmung nach dem ARDS Network festgestellt [30]. Darüber hinaus wiesen Patienten der HFOV-Gruppe einen höheren Bedarf an vasoaktiven Substanzen, Analgosedierung und Muskelrelaxantien auf. Eine weitere Studie mit insgesamt 795 Patienten [31] konnte keinen Überlebensvorteil der HFOV-Beatmung gegenüber der konventionellen protektiven Beatmung mit reduzierten Tidalvolumina nachweisen, wobei die Patienten der HFOV-Gruppe einen höheren Bedarf an Muskelrelaxantien aufwiesen. Aufgrund der vorliegenden Studien sollte die Anwendung der HFOV-Beatmung sowie einer extrakorporalen Membranoxygenierung beim ARDS kritisch betrachtet und allenfalls im Fall einer refraktären Hypoxämie bei erhöhten Beatmungspitzendrücken erwogen werden. Kontrollierte versus assistierte Beatmung in der Frühphase des ARDS Die maschinelle Beatmung kann grundsätzlich in kontrollierte und assistierte Formen eingeteilt werden. Bei der kontrollierter Beatmung werden Tidalvolumina und respiratorische Frequenz vom Beatmungsgerät, d.h. ohne Rücksicht auf Spontanatmungsaktivität, festgelegt, während bei assistierter Beatmung eine gewisse Anpassung der zu applizierenden Beatmungsdrücke bzw. -volumina anhand der Atemanstrengungen des Patienten vorgenommen wird. Bereits kurze Zeiträume von ca. 18 Stunden kontrollierter Beatmung können in einer Kraftminderung des Zwerchfells durch Proteolyse und Atrophie resultieren [32]. Diese lässt sich jedoch durch Aufrechterhaltung der Spontanatmungsaktivität vermindern [33]. In tierexperimentellen Modellen des milden bis moderaten ARDS ist die frühe Induktion der Spontanatmungsaktivität mit positiven Effekten auf Lungenfunktion, Gasaustausch, Beatmungsdauer und Hämodynamik [34,35], sowie mit einer Reduktion des Lungenschadens und -Inflammation assoziiert [34]. Im Gegensatz dazu scheint die Spontanatmungsaktivität während eines tierexperimentellen schweren ARDS mit einer Verschlechterung der Lungenfunktion und erhöhtem Lungenschaden sowie Inflammation verbunden zu sein [36]. Bei Patienten mit einem schweren ARDS konnte gezeigt werden, dass die Unterdrückung der Spontanatmungsaktivität durch Muskelrelaxanzien in den ersten 48h mit einem verbesserten Gasaustausch [37,38] und sogar einem Überlebensvorteil verbunden war [38], wobei als mögliche Mechanismen eine Asynchronie des Patienten mit dem Beatmungsgerät, ein erhöhter Sauerstoffverbrauch und das Phänomen von Kollaps/ Wiedereröffnung von Lungenbezirken postuliert wurden. Assistierte versus nicht-assistierte Spontanatmungsaktivität In der Beatmung unterscheidet man grundsätzlich zwischen assistierten und nicht-assistierten Formen. Bei assistierten Modi wird die inspiratorische Anstrengung des Patienten vom Gerät erfasst und mit einem vorgegebenen Druck bzw. Volumen unterstützt. Der Unterstützungsdruck wird bei Pressure Support Ventilation (PSV) und Pressure- bzw. Volume- Assist-Control-Ventilation (V-ACV/P-ACV) unabhängig von der inspiratorischen Anstrengung des Patienten erzeugt. Im Gegensatz hierzu wird der Unterstützungsdruck bei Proportional Assist Ventilation (PAV) und Neurally Adjusted Ventilatory Assist (NAVA) proportional zur inspiratorischen Anstrengung unterstützt. Nicht-assistierte Beatmungsmodi gewährleisten völlig eigene Spontanatmung, wobei der Patient Beginn, Atemtiefe und Ende des Spontanatemzyklus bestimmt, jedoch sind Mischformen mit Unterstützung von inspiratorischen Anstrengungen durchaus möglich. In der Regel sorgt ein definiertes Minutenvolumen für die Sicherung der Oxygenierung, wie beispielsweise unter Biphasic Positive Airway Pressure (BIPAP) und Airway Pressure Release Ventilation (APRV). Bei diesen in Deutschland verbreiteten Beatmungsmodi resultieren die kontrollierten Atemzyklen aus dem Wechsel zwischen zwei unterschiedlichen Druckniveaus. Zusätzlich kann abhängig von der Tiefe der Analgosedierung auf beiden Druckniveaus sowie während des Wechsels zwischen diesen Niveaus Spontanatmung stattfinden. Der besondere Vorteil der nicht-assistierten Spontanatmungsaktivität besteht darin, dass aufgrund erhöhter Kontraktionsaktivität des Zwerchfells der transpulmonale Druck in den dorsalen Lungenarealen, welche beim ARDS am ehesten kollabiert sind, höher als bei assistierter Spontanatmung ist. Somit findet eine Umverteilung der Ventilation zugunsten der dorsalen Lungenbezirke mit homogenerer Verteilung des Tidalvolumens statt [35]. Trotz der hier aufgeführten positiven Effekte der Spontanatmungsaktivität, insbesondere bei nicht-assistierter inspiratorischer Anstrengung, lässt sich aufgrund der aktuellen Datenlage ableiten, dass bei Patienten mit schwerem ARDS eine Muskelrelaxation und kontrollierter Beatmung innerhalb der ersten 48h, d.h. in der Frühphase des ARDS, eher angestrebt werden sollte, während Patienten mit mildem bis moderatem ARDS eher von der Spontanatmungsaktivität [33] profitieren. Neue Konzepte in der assistierten Beatmung beim ARDS Die Gruppe um Suki konnte in verschiedenen Studien nachweisen, dass zufallsvariierte Tidalvolumina zu einer Verbesserung der Oxygenierung und Lungenmechanik führen [39,40]. In einer theoretischen Arbeit wies diese Gruppe nach, dass das Ausmaß der Variabilität von entscheidender Bedeutung ist und definierte einen Bereich der optimalen Variabilität (in ihrer Studie ca. 7% Standardabweichung um den mittleren Atemwegsdruck) [41]. Diese Form der Beatmung bezeichneten sie als noisy ventilation bzw. variable Beatmung. In der Abbildung 1 wird das Prinzip 95

6 Refresher Course Nr. 41 Aktuelles Wissen für Anästhesisten Abbildung 1 Konventionell Flow Volumen Flow Zeit Zeit Obwohl die aktuelle Datenlage aus experimentellen und klinischen Studien durchaus positive Effekte von variabler Beatmung bezüglich Lungenfunktion, Lungenschädigung und Synchronie nachweist, liegen nur unzureichende klinische Daten vor, um einen eindeutigen Vorteil dieses neuen Konzeptes gegenüber der konventionellen protektiven Beatmung zu belegen. Darüber hinaus steht dem Arzt die variable Beatmung nur als assistierte Spontanatmung (Variable PS) zur Verfügung. Variabel Volumen Zeitlicher Verlauf von Flow und inspiratorisches Volumen während konventioneller volumenkontrollierter Beatmung (schwarze Kurven) und variabler volumenkontrollierter Beatmung (graue Kurven). Die inspiratorische Zeit bei variabler volumenkontrollierter Beatmung wird nach dem Zufallsprinzip moduliert, um die Tidalvolumina zu variieren, wobei die respiratorische Frequenz konstant bleibt. der variablen Beatmung anhand von Flow und Atemwegdruck vs. Zeit-Kurven näher erläutert. Die variable Beatmung erwies sich nicht nur in Bezug auf Gasaustausch und Lungenmechanik, sondern auch hinsichtlich der Surfactantsynthese als vorteilhaft [40]. Auch die Gruppe um Gama de Abreu konnte in einem tierexperimentellen Modell des moderaten ARDS zeigen, dass die Variation des Tidalvolumens während sowohl der Strategie des ARDS Networks, als auch im Rahmen des Open Lung Approach zu einer Reduktion der Lungenschädigung führt [42]. Variable Druckunterstützungsbeatmung (Variable Pressure Support) Das Grundprinzip der variablen Druckunterstützungsbeatmung (Variable Pressure Support Variable PS) basiert auf der Applikation unterschiedlich hoher Druckunterstützungsniveaus, die unabhängig von der inspiratorischen Anstrengung des Patienten erfolgen [43]. Bei festgelegtem mittleren Unterstützungsdruck und festgelegter Variabilität dieses Unterstützungsdrucks resultieren von Atemzug zu Atemzug unterschiedliche Beatmungsdrücke und -volumina sowie respiratorische Frequenzen. In tierexperimentellen Studien konnte nachgewiesen werden, dass die Variable PS im Vergleich zur herkömmlichen PSV den Gasaustausch und Lungenfunktion verbessert und die Lungenschädigung reduziert [44]. Diese Effekte waren am ehesten auf eine Umverteilung der Lungenperfusion in die besser belüfteten nicht-abhängigen Lungenareale und Reduktion des mittleren transpulmonalen Drucks zurück zuführen [45]. Darüber hinaus konnte in einer klinischen Studie gezeigt werden, dass Variable PS im Vergleich zu PSV mit einer besseren Synchronie zwischen Patienten und Beatmungsgerät verbunden ist [46]. Zeit Zeit Bauchlagerung und kinetische Lagerungstherapie In den letzten Jahren wurden verschiedene Beatmungsstrategien und kinetische bzw. Lagerungstherapieverfahren im Rahmen von klinischen Studien evaluiert. Einige dieser Studien wurden multizentrisch durchgeführt, womit die Basis für eine evidenzbasierte Behandlung des Patienten mit ARDS geschaffen wurde. Eine multizentrische Studie konnte zeigen, dass der Einsatz der Bauchlage in der Frühphase des moderaten bis schweren ARDS (PaO 2 /FIO 2 < 150 mmhg) zu einer Reduktion des relativen Letalitätsrisikos in den ersten 28 Tagen um ca. 50% führt (32,8% in Rückenlage vs. 16% in Bauchlage) [47]. Hervorzuheben ist jedoch, dass die Bauchlage pro Patient viermal für jeweils ca. 17 Stunden angewendet wurde. Darüber hinaus war die Bauchlage mit einer Reduktion der Mortalität nach 90 Tagen (41% vs. 23,6%), einer schnelleren Entwöhnung des Beatmungsgeräts (Ventilation-free days) and Tagen 28 (10 vs. 14 Tage) und 90 (43 vs. 57) sowie einer höheren Rate an erfolgreichen Extubationen nach 90 Tagen (65% vs. 80,5%) verbunden [47]. Somit bestätigte diese Studie die Ergebnisse einer Metanalyse, welche einen Vorteil der Beatmung in Bauchlage im Vergleich zur Rückenlage bezüglich des Letalitätsrisikos bei Patienten mit einem schweren ARDS suggerierte [48]. In einer Untersuchung an 40 Patienten mit ARDS führte die Anwendung von sitzenden und halbsitzenden Positionen, d.h. von Oberkörperhochlagerung zwischen 45% und 60%, zu einer signifikanten Verbesserung der Oxygenierung [49]. Obwohl die kontinuierliche und automatische axiale Rotationstherapie als Alternative zur Bauchlagerung suggeriert wird, konnte keine klinische Studie einen relevanten Endpunkt dieser Therapien im Sinne von Outcome nachweisen [50]. Daher soll die axiale Rotationstherapie im Rahmen des ARDS nur dann erwogen werden, wenn Kontraindikationen zur Bauchlagerung bestehen. Eine entsprechende S2-Leitlinie der DGAI zur Lagerungstherapie befindet sich zur Zeit in Überarbeitung. Die aktuelle Datenlage lässt ableiten, dass bei ARDS Patienten mit einem PaO 2 /FIO 2 < 150 mmhg, die ansonsten kein Kontraindikationen aufweisen, die Bauchlage bereits in der Frühphase des ARDS über mindestens 12 bis 18 Stunden täglich angewendet werden soll. Im Fall von Kontraindikationen zur Bauchlagerung können andere Formen der kinetischen Lagerungstherapie erwogen werden. 96

7 Aktuelles Wissen für Anästhesisten Refresher Course Nr. 41 Literatur 1. Ashbaugh DG, Boyd Bigelow D, Petty TL, Levine BE. Acute Respiratory Distress in Adults. The Lancet 1967; 2: Villar J, Sulemanji D, Kacmarek RM. The acute respiratory distress syndrome: incidence and mortality, has it changed? Curr Opin Crit Care 2014; 20: Sud S, Friedrich JO, Adhikari NK, et al. Effect of prone positioning during mechanical ventilation on mortality among patients with acute respiratory distress syndrome: a systematic review and meta-analysis. CMAJ : Canadian Medical Association journal = journal de l Association medicale canadienne 2014; 186: E Slutsky AS, Ranieri VM. Ventilator-induced lung injury. N Engl J Med 2013; 369: Imai Y, Parodo J, Kajikawa O, et al. Injurious mechanical ventilation and end-organ epithelial cell apoptosis and organ dysfunction in an experimental model of acute respiratory distress syndrome. JAMA 2003; 289: Herridge MS, Tansey CM, Matte A, et al. 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