Anwendung und Sicherheit extrakorporaler Lungenassistenzverfahren bei akuter respiratorischer Insuffizienz

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1 Anwendung und Sicherheit extrakorporaler Lungenassistenzverfahren bei akuter respiratorischer Insuffizienz Prof. Dr. med. Stefan Kluge, Direktor Klinik für Intensivmedizin Facharzt für Innere Medizin, Schwerpunktbezeichnung Pneumologie, spezielle Weiterbildung Intensivmedizin Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Martinistr. 52, D Hamburg VNR: Gültigkeitsdauer: Einleitung Eine akute respiratorische Insuffizienz ist ein lebensbedrohliches Ereignis, das durch unterschiedliche Krankheiten ausgelöst werden kann. Die häufigsten Formen der akuten respiratorischen Insuffizienz sind das akute Lungenversagen (acute respiratory distress syndrome; ARDS) und das Ventilationsversagen aufgrund einer akuten, dekompensierten Exazerbation der chronisch obstruktiven Lungenkrankheit (chronic obstructive pulmonary disease; COPD). In vielen Fällen stellt eine akute respiratorische Insuffizienz eine Indikation für eine sofortige mechanische Beatmung dar, mit deren Hilfe der Gasaustausch des Patienten sichergestellt werden soll. Dennoch liegt die Mortalität bei Patienten mit akuter respiratorischer Insuffizienz in Deutschland auch heute noch bei etwa 30 % [Biermann und Geissler 2013]. Hauptsächlich wird dies durch die Grundkrankheit bestimmt. Weitere Gründe sind jedoch die schädlichen Nebenwirkungen einer mechanischen Beatmung auf Lunge, Atemmuskulatur und Blutkreislauf, die umso schwerwiegender sind, je invasiver und länger die Beatmung ist [Müller et al. 2013]. Eine lungenprotektive Beatmungsstrategie kann die Nebenwirkungen der mechanischen Beatmung verringern, nimmt im Gegenzug jedoch einen reduzierten Gasaustausch in der Lunge, insbesondere eine verringerte CO 2 -Elimination, in Kauf. Systeme zur extrakorporalen Lungenassistenz (extracorporeal lung assist; ECLA) können eine lungenprotektive Beatmungsstrategie unterstützen, indem sie einen Teil des Gasaustausches an einer extrakorporalen Membran durchführen. An einer solchen Membran kann sowohl CO 2 aus dem Blut eliminiert werden (extracorporeal CO 2 removal; ECCO 2 -R) als auch bei schwerem hypoxämischem Lungenversagen eine Oxygenierung des Blutes stattfinden (extracorporeal membrane oxygenation; ECMO). In Fällen, in denen eine mechanische Beatmung nicht möglich ist, kann ein extrakorporales Unterstützungssystem den Gasaustausch zudem gegebenenfalls vollständig übernehmen und so eine mechanische Beatmung ersetzen. Die vorliegende Fortbildung gibt einen Überblick über das Anwendungsgebiet der mechanischen Beatmung, schildert die bei einer mechanischen Beatmung auftretenden Schäden an der Lunge und erläutert, wie der Einsatz eines Systems zur extrakorporalen Lungenassistenz dabei helfen kann, das Auftreten beatmungsinduzierter Lungenschäden zu reduzieren. 2. Aufbau des respiratorischen Systems Das respiratorische System des Menschen besteht funktional aus zwei Teilsystemen, die wiederum anatomisch in verschiedene Bereiche eingeteilt werden können. Die Funktion der Ventilation, also die Weiterleitung der einge atmeten Luft in die Lunge, wird gemeinsam vom Luftleitungssystem und der Atemmuskulatur erfüllt. Die Lunge selbst übernimmt hingegen die Funktion des Gasaustausches; in ihr findet also sowohl die Oxygenierung des Blutes als auch die Elimination von CO 2 aus dem Blut statt. Die anatomische Einheit aus Luftleitungssystem und Lunge bildet wiederum den Respirationstrakt, der demzufolge sowohl ventilatorische als auch gasaustauschende Funktionen hat [Oczenski 2012]. 1

2 Atemmuskulatur Die Atemmuskulatur ist kein Teil des Respirationstraktes. Sie stellt allerdings dennoch einen wichtigen Bestandteil des respiratorischen Systems dar, da sie in ihrer Funktion als Atempumpe für den Luftstrom durch das Luftleitungssystem verantwortlich ist. Die Atemmuskulatur wird vom Zwerchfell und der Rippenmuskulatur gebildet. Dabei führt eine Kontraktion des Zwerchfells während der Inspiration zu einer Vergrößerung des intrathorakalen Volumens. Aufgrund dieser Volumenänderung sinkt der Druck innerhalb der Lunge im Vergleich zum atmosphärischen Druck und Luft strömt in die Lunge hinein. Die Exspiration ist hingegen bei ruhiger Spontanatmung ein passiver Vorgang, da bei Erschlaffung des Zwerchfells durch die Elastizität von Lunge und Thorax das Lungenvolumen wieder abnimmt [Oczenski 2012]. Luftleitungssystem Das Luftleitungssystem gliedert sich in die oberen Atemwege, zu denen Nasenhöhle, Rachen und Kehlkopf gezählt werden, sowie die unteren Atemwege, bestehend aus Trachea, Bronchien und Bronchiolen. Neben der Weiterleitung der eingeatmeten Luft in die Lunge erfüllt das Luftleitungssystem wichtige Funktionen bei der Vorbereitung der Atemluft für den Gasaustausch sowie bei der Abwehr von Pathogenen und Fremdkörpern [Oczenski 2012]. Gasaustauschendes System Der Gasaustausch findet in der Lunge statt, die aus den Lungenbläschen (Alveolen), den Lungengefäßen und Bindegewebe besteht. Der Gasaustausch zwischen Luft und Blut erfolgt in den von einem Kapillargeflecht umschlossenen Alveolen. Da die Alveolen unterschiedlichen Drücken ohne zu kollabieren standhalten müssen, sind sie mit einem Phospholipidfilm (Surfactant) ausgekleidet, der die Oberflächenspannung an der Grenzfläche zwischen Luft und Alveolargewebe senkt [Oczenski 2012]. 3. Pathologie des Respirationstrakts und Verfahren der mechanischen Beatmung 3.1 Indikationen für die mechanische Beatmung Verschiedene Erkrankungen und Verletzungen können dazu führen, dass das respiratorische System den Gasaustausch zwischen Blut und Atemluft nicht mehr hinreichend gewährleisten kann. Bei einer schweren akuten respiratorischen Insuffizienz ist es oft notwendig, den Patienten zu beatmen, um die mangelhafte Atmungsleistung der Lunge zu kompensieren. Es werden generell zwei Formen der respiratorischen Insuffizienz unterschieden, die jeweils unterschiedliche Ursachen und Folgen für den Gasaustausch haben: Ein Oxygenierungsversagen wird durch einen Verlust an funktionellem Lungengewebe ausgelöst, aufgrund dessen die für den Gasaustausch zur Verfügung stehende Fläche abnimmt. Die Folge ist eine mangelnde Oxygenierung des Blutes (Hypoxämie), die sich in einem reduzierten arteriellen Sauerstoffpartialdruck (PaO 2 ) im Blut niederschlägt. Reicht eine Sauerstofftherapie in diesen Fällen zur Oxygenierung nicht aus, so ist eine Beatmungstherapie notwendig, welche bei leichteren Störungen auch nicht-invasiv erfolgen kann. Bei schwerem Oxygenierungsversagen (PaO 2 bei natür licher Spontan atmung unterhalb des Grenzwerts von 50 mmhg bzw. bei Anwendung einer O 2 -Therapie unter halb von 60 mmhg) ist im Regelfall eine invasive Beatmung über Tubus notwendig. Ein Ventilationsversagen liegt vor, wenn die Funktion der Atempumpe eingeschränkt ist. Im Gegensatz zum Oxygenierungsversagen ist beim Ventilationsversagen in erster Linie eine Beatmung notwendig [Westhoff et al. 2015]. Die Einschränkung der Atempumpe kann sowohl neurologische oder neuromuskuläre als auch atemmechanische Ursachen haben. In jedem Fall wird bei einem Ventilationsversagen der Lufttransport innerhalb der Lunge eingeschränkt, wofür z. B. eine mangelhafte Druckdifferenz zwischen Lunge und Atmosphäre oder eine Obstruktion der Atemwege verantwortlich sein kann. Die Folge ist eine Anreicherung von CO 2 -haltiger Luft in den Alveolen, wodurch der arterielle CO 2 -Partialdruck (PaCO 2 ) im Blut ansteigt (Hyperkapnie). In der Blutgasanalyse zeigt sich bei diesen Patienten außerdem eine Azidose. Bei Patienten mit Hyperkapnie kommt primär eine nicht-invasive Beatmung zum Einsatz, bei sehr hohen CO 2 -Werten und/oder schwerer Azidose ist aber häufig auch hier eine invasive Beatmung indiziert. Das ARDS ist eine der häufigsten Formen der akuten Oxygenierungsstörung und beschreibt einen Symptomenkomplex, der durch verschiedene Grunderkrankungen ausgelöst werden kann. Die aktuell gebräuchliche Definition des ARDS wurde 2011 auf einer Konsensuskonferenz in Berlin festgelegt (Berlin-Definition) und beschreibt den Symptomenkomplex anhand von vier Kriterien (Tabelle 1). Entscheidend für die Schwere eines ARDS ist nach der Berlin-Definition insbesondere der Quotient aus PaO 2 und der Fraktion des 2

3 inspirierten Sauerstoffs (FIO 2 ), anhand dessen ein mildes, moderates und schweres ARDS unterschieden werden können, sofern ein positiver endexspiratorischer Druck (PEEP) 5 cmh 2 O gegeben ist (Tabelle 1). Die Schwere des ARDS korreliert mit der Mortalität der Patienten, die zwischen 27 % und 48 % liegt [ARDS Definition Task Force et al. 2012]. Tabelle 1: Berlin-Definition des ARDS; modifiziert nach [ARDS Definition Task Force et al. 2012]. Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) Timing Radiologie Ursache Oxygenierung Mildes ARDS Moderates ARDS Schweres ARDS Innerhalb einer Woche nach Verschlechterung bzw. erstmaligem Auftreten von respiratorischen Beschwerden Bilaterale Infiltrate im Röntgenbild oder der Computertomographie der Lunge Respiratorisches Versagen nicht vollständig erklärbar durch Herzinsuffizienz oder Hyperhydration PEEP 5 cmh 2 O und 300 mmhg PaO 2 /FIO mmhg 200 mmhg PaO 2 /FIO mmhg 100 mmhg PaO 2 /FIO 2 Allgemein entsteht ein ARDS durch eine Entzündungsreaktion der Lunge, die mit einer Störung der Durchlässigkeit der alveolo-kapillären Membran einhergeht [Oczenski 2012]. Die Folge dieser Entzündungsreaktion sind die Ausbildung eines Lungenödems, Atelektasen und im Röntgenbild sichtbare pulmonale Infiltrate. Der Gasaustausch in den Alveolen wird eingeschränkt, wodurch es zu einer Hypoxämie kommt, die sich symptomatisch als Atemnot manifestiert [National Institutes of Health 2012]. Die häufigsten Auslöser eines ARDS sind Pneumonie und Sepsis, in weiteren Fällen können jedoch auch Aspiration, Schock oder ein Inhalationstrauma, z. B. durch Rauchgas, ein ARDS verursachen. Man unterscheidet dabei direkte Ursachen des ARDS, die selbst eine Entzündungsreaktion auslösen (dazu zählen Pneumonie, Aspiration und Inhalationstrauma), von indirekten Ursachen, bei denen die Schädigung der Lunge infolge einer systemischen Entzündungsreaktion auftritt (dies ist z. B. bei einer Sepsis der Fall) [Oczenski 2012]. Die Ursachen für ein Ventilationsversagen sind meist atemmechanischer Natur. So ist der häufigste Auslöser eines Ventilationsversagens eine akute Exazerbation der COPD, bei der durch einen Kollaps der Bronchialstruktur der Lufttransport innerhalb der Lunge behindert wird. Ausgelöst werden diese Exazerbationen meist durch eine virale oder bakterielle Infektion der Atemwege [Bafadhel et al. 2011, Sethi und Murphy 2008]. Je nach Schweregrad treten bei COPD-Patienten jährlich mehrere Exazerbationen auf, die bei etwa 20 % der Patienten zur Einweisung in ein Krankenhaus führen [Hurst et al. 2010, Pasquale et al. 2012]. Dabei liegt die Krankenhausmortalität in diesen Fällen bei 5 7 % [Johannesdottir et al. 2013, Roche et al. 2008]. Die Prognose verschlechtert sich zusätzlich, wenn eine intensivmedizinische Behandlung notwendig ist: Bei diesen Patienten beträgt die Krankenhausmortalität bis zu 14 % und die Ein-Jahres-Mortalität sogar bis zu 49 % [Batzlaff et al. 2014]. Andere Störungen der Atemmechanik, etwa durch eine Kyphoskoliose oder Zwerchfellhernie, können ebenfalls ein Ventilationsversagen auslösen, im Vergleich zur COPD sind diese Erkrankungen jedoch selten der Grund für eine mechanische Beatmung. Eine weitere Indikation für eine mechanische Beatmung stellen chirurgische Eingriffe dar, da der Patient bei längeren Eingriffen unter Allgemeinanästhesie meist nicht selbstständig atmen kann. Nach Operationen kann es insbesondere bei Eingriffen im Bereich des Oberbauchs oder Thorax zu Einschränkungen der Lungenfunktion kommen, die möglicherweise eine postoperative mechanische Beatmung erforderlich machen [Oczenski 2012]. 3.2 Mechanische Beatmung Prinzipien der mechanischen Beatmung und Vergleich zur natürlichen Atmung Bei der mechanischen Beatmung wird die Arbeit der Atemmuskulatur ganz oder teilweise durch einen Respirator übernommen. Bei der nicht-invasiven Beatmung erfolgt die Beatmungstherapie im Regelfall über eine Mund- Nasen- Maske, die dem Patienten aufgesetzt wird. Bei der invasiven mechanischen Beatmung (IMV) wird ein Tubus durch den Mund in die Trachea eingeführt (Intubation), bei langzeitbeatmeten Patienten erfolgt dann häufig eine Tracheotomie. Im Vergleich zur natürlichen Atmung, bei der die Luft durch negativen Druck in die Lunge gesogen wird, gelangt die Luft bei der mechanischen Beatmung durch positiven Druck in die Lunge. Für diesen Vorgang sind verschiedene Kenngrößen relevant, die am Respirator eingestellt werden können: 3

4 Der positive endexspiratorische Druck (PEEP) ist der Druck, der am Ende eines Beatmungszyklus in der Lunge herrscht. Der PEEP ist entscheidend, um ein Kollabieren der Alveolen während der Exspiration zu vermeiden. Das Atemzug- oder Tidalvolumen (VT) ist das Luftvolumen, das während einer Inspiration insgesamt in die Lunge gelangt. Der endinspiratorische Plateaudruck (P Plat ) ist der Druck, der am Ende der Inspiration in den Alveolen herrscht. Der inspiratorische Druck (P insp ) ist der Druck, mit dem bei druckkontrollierter Beatmung Luft in die Lunge gelangt. Er ist über die gesamte Inspiration hinweg konstant. Der Driving Pressure (ΔP) ist bei Patienten, die nicht selbstständig atmen, die Differenz aus P Plat bzw. P insp und PEEP. Ein niedriger ΔP ist laut neuesten Erkenntnissen mit einem erhöhten Überleben assoziiert [Amato et al. 2015]. Die mechanische Beatmung kann anhand dieser und anderer Parameter individuell an die Bedürfnisse jedes Patienten angepasst werden. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Beatmung über die Einstellung von entweder VT oder P insp zu steuern, wobei die jeweils andere Größe dann von dem eingestellten Wert und den Lungeneigenschaften abhängig ist [Oczenski 2012]. Eine besondere Form der Sauerstoffapplikation ist die sogenannte High-Flow-Sauerstofftherapie (HFNC). Dabei wird erwärmter und befeuchteter Sauerstoff mit hohen Flussraten über eine spezielle Nasenkanüle appliziert. Hierdurch können Flussraten bis zu 60 l/min eingesetzt werden, wodurch oftmals eine bessere Sauerstoffversorgung (Oxygenierung) bei Patienten mit hypoxämischer respiratorischer Insuffizienz gelingt [Nishimura 2016, Ward 2013] Nebenwirkungen der mechanischen Beatmung Die mechanische Beatmung setzt die Lunge ungewohnten mechanischen Kräften aus, die verschiedene unerwünschte und z. T. schwerwiegende Nebenwirkungen haben können. Bei den beatmungsinduzierten bzw. -assoziierten Lungenschäden (VILI bzw. VALI; Tabelle 2) wird je nach Ursache der Schädigung zwischen dem Barotrauma (Schädigung durch zu hohen Beatmungsdruck), Volutrauma (Schädigung durch zu hohes VT) und Atelektrauma (Schädigung durch zu niedrigen PEEP) unterschieden. Durch diese mechanischen Verletzungen der Lunge kommt es zudem meist zu sekundären lokalen Entzündungsreaktionen, dem sogenannten Biotrauma. Eine weitere Erkrankung, die durch eine mechanische Beatmung ausgelöst werden kann, ist die beatmungsassoziierte Pneumonie (VAP), definiert als Lungenentzündung, die bei IMV-Patienten nach der Intubation auftritt [Dalhoff et al. 2012]. Die VAP kann durch unterschiedliche Bakterien ausgelöst werden und wird durch verschiedene Auswirkungen der Intubation (Behinderung der mukoziliären Clearance sowie der Husten- und Schluckmechanismen, Verletzungen während der Intubation, für Bakterien gut zu besiedelnde Tubus-Oberflächen etc.) begünstigt [Ibrahim et al. 2000, Koerner 1997]. Tabelle 2: Beatmungsinduzierte bzw. -assoziierte Lungenschäden (VILI/ VALI). Barotrauma Volutrauma Atelektrauma Biotrauma VAP VIDD Mechanische Schädigung der Lunge durch zu hohen Beatmungsdruck Mechanische Schädigung der Lunge durch zu hohes Tidalvolumen Schädigung infolge von Scher kräften (durch das repetitive Öffnen und Schließen kollabierter Lungenabschnitte) Sekundäre Entzündungsreaktion infolge eines Baro-, Volu- oder Atelektraumas Beatmungsassoziierte Pneumonie Beatmungsinduzierte diaphragmale Dysfunktion aufgrund der Atrophie der Muskelfasern Eine weitere Komplikation der mechanischen Beatmung ist, dass bei Übernahme der Atemarbeit durch den Respirator schnell eine Atrophie der Myofasern der Atemmuskulatur einsetzt [Levine et al. 2008]. Dadurch kann es zu einer beatmungsinduzierten diaphragmalen Dysfunktion (Ventilator-induzierter Zwerchfellschaden; ventilator-induced diaphragmatic dysfunction; VIDD) kommen, die sich in einem Verlust der zum Atmen zur Verfügung stehenden diaphragmalen Kraft bemerkbar macht [Levine et al. 2008]. Es wird vermutet, dass die VIDD ein entscheidender Grund für die Notwendigkeit der Entwöhnung (Weaning) von einer mechanischen Beatmung ist [Schonhofer et al. 2014]. Auch zu hohe O 2 -Konzentrationen bei der mechanischen Beatmung (insbesondere im Sinne einer Hyperoxie) sind ein weiterer möglicher Auslöser von Komplikationen, da O 2 in zu hohen Konzentrationen toxisch auf die Lunge wirkt [Oczenski 2012]. 4

5 Zusätzlich zu diesen pulmonalen Nebenwirkungen der mechanischen Beatmung löst der erhöhte intrathorakale Druck, der wiederum vom Beatmungsmitteldruck abhängig ist, auch hämodynamische Nebenwirkungen aus. Die Pathogenese dieser Nebenwirkungen ist komplex, der grundlegende Mechanismus beruht allerdings darauf, dass der Druckgradient zwischen extra- und intrathorakalen Gefäßen durch die mechanische Beatmung verändert wird. Diese veränderte hämodynamische Situation kann unterschiedliche Auswirkungen auf das kardiovaskuläre System haben und das Herzzeitvolumen je nach Patient steigern oder senken. Zudem kann es durch die veränderte Hämodynamik zu Folgeerscheinungen in anderen stark durchbluteten Organen wie der Leber oder der Niere kommen. Auch im Zentralnervensystem kann es durch die veränderten Blutdruckverhältnisse zu Komplikationen kommen, die allerdings bei Patienten mit intakter Autoregulation meist kompensiert werden können [Oczenski 2012]. Insgesamt haben Patienten, die auf eine mechanische Beatmung angewiesen sind, eine hohe Mortalität und verursachen enorme Kosten für die Gesundheitssysteme [Biermann und Geissler 2013, Chandra et al. 2012]. Zudem werden aufgrund des demografischen Wandels in den westlichen Industrienationen in den nächsten Jahren steigende Patientenzahlen bei der mechanischen Beatmung erwartet [Zilberberg und Shorr 2008]. Weniger invasive Beatmungstechniken könnten dabei helfen, die Mortalität bei beatmeten Patienten zu verringern, weswegen ihr Einsatz seit einigen Jahren stetig zunimmt [Chandra et al. 2012]. Die NIV ist bei der akuten Exazerbation der COPD sehr erfolgsversprechend. Bei schweren Fällen muss aber nach wie vor häufig invasiv beatmet werden. Es hat sich gezeigt, dass Patienten, die nach einer anfänglichen NIV auf eine IMV umgestellt werden müssen, sogar eine höhere Mortalität aufweisen als Patienten, die schon zu Beginn der Behandlung per IMV beatmet wurden [Chandra et al. 2012] Lungenprotektive Beatmung Die Beatmungsstrategie hat, ebenso wie die Entscheidung zwischen NIV und IMV, einen erheblichen Einfluss auf das Auftreten pulmonaler und hämodynamischer Nebenwirkungen während der mechanischen Beatmung. Studien in den Jahren 1998 bis 2000 haben gezeigt, dass eine lungenprotektive Beatmungsstrategie, die darauf ausgerichtet ist, Lungenschädigungen zu vermeiden, die Mortalität von ARDS-Patienten unter mechanischer Beatmung signifikant senken kann [Amato et al. 1998]. Zudem erleichtert die lungenprotektive Beatmung die Entwöhnung der Patienten und verringert die Dauer der Beatmung [Acute Respiratory Distress Syndrome Network 2000, Amato et al. 1998]. Die verringerte Dauer der mechanischen Beatmung zieht wiederum geringere Kosten für die Behandlung der Patienten nach sich [Cox et al. 2007]. Das Ziel der lungenprotektiven Beatmung ist die Minimierung der mechanischen Beanspruchung der Lunge. Allerdings muss dabei nicht nur ein ausreichender Gasaustausch sichergestellt werden, sondern sowohl Schäden durch zu niedrige intrapulmonale Drücke (Atelektasen) als auch Schäden durch zu hohe Drücke und/oder Lungenvolumina (Baro- und Volutrauma) vermieden werden (Abbildung 1). Volumen Rekrutierung/ Derekrutierung PEEP Unterer Inflektionspunkt P max Überdehnung Oberer Inflektionspunkt Abbildung 1: Druck-Volumen-Kurve einer erkrankten Lunge. Ziel der lungenprotektiven Beatmung ist es, die Lunge im Bereich zwischen Rekrutierung/Derekrutierung und Überdehnung der Alveolen zu beatmen. Um Verletzungen durch zu hohe sowie zu niedrige Volumina zu vermeiden, wird der PEEP oberhalb des unteren Inflektionspunktes und der maximale Inspirationsdruck (P max) unterhalb des oberen Inflektionspunktes eingestellt; modifiziert nach [Pinhu et al. 2003]. Zur Vermeidung eines Baro- bzw. Volutraumas sieht das Prinzip der lungenprotektiven Beatmung deswegen ein niedriges VT sowie einen niedrigen P Plat bzw. P insp vor, während Atelektasen durch einen hohen PEEP verhindert werden sollen [Acute Respiratory Distress Syndrome Network 2000, Amato et al. 1998]. Durch die bei der lungenprotektiven Beatmung insgesamt geringere Beatmungsleistung im Vergleich zu herkömmlichen Beatmungsstrategien wird häufig eine permissive Hyperkapnie und eine respiratorische Azidose in Kauf genommen, deren Auswirkungen auf den Patienten derzeit nicht abschließend geklärt sind [Amato et al. 1998, Tiruvoipati et al. 2013]. 5

6 4. Extrakorporale Lungenassistenz (ECLA) Der Gasaustausch, insbesondere die CO 2 -Elimination, ist unter einem lungenprotektiven Beatmungsschema nicht immer ausreichend. In diesen Fällen ist es möglich, die lungenprotektive mechanische Beatmung durch den Einsatz eines ECLA-Systems zu ergänzen. ECLA-Systeme führen einen Gasaustausch zwischen Blut und Luft außerhalb des Körpers durch und können so den pulmonalen Gasaustausch unterstützen. Es werden generell zwei Arten der ECLA unterschieden: Während bei der ECMO sowohl eine Oxygenierung des Blutes als auch eine CO 2 -Elimination stattfindet, wird das Blut bei der ECCO 2 -R nicht substanziell oxygeniert, sondern hauptsächlich von CO 2 befreit. 4.1 Extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) ECMO-Systeme sind stets pumpengetriebene Systeme, bei denen eine extrakorporale Pumpe einen Blutfluss von ca. 4 5 l/min aufrechterhält, wofür vergleichsweise großlumige Kanülen (> 20 F) notwendig sein können [Bein et al. 2007, Rupprecht et al. 2015]. Der Anschluss an den Blutkreislauf des Patienten erfolgt standardmäßig veno- venös (vv-ec- MO). Bei Patienten mit schwerer Herzinsuffizienz ist jedoch auch ein veno-arterieller Zugang (va-ecmo) möglich, um das Herz des Patienten durch die Etablierung eines parallelen Blutkreislaufs zu entlasten [Madershahian et al. 2007]. An einer extrakorporalen Membran findet bei der ECMO dann sowohl die Oxygenierung als auch die CO 2 -Elimination statt, sodass auch bei schwerem hypoxämischem Lungenversagen die mechanische Beatmung unterstützt und die Aggressivität der Beatmung reduziert werden kann [Müller et al. 2013]. Gerade in diesen Fällen ist eine frühzeitige Anwendung der Technik angeraten, um dem Auftreten von VILI bei nicht-protektiver Beatmung entgegenzuwirken [Müller et al. 2013]. In Einzelfällen kann die ECMO eine mechanische Beatmung zudem ganz ersetzen, weswegen diese Systeme auch als Rettungsmaßnahme bei einer respiratorischen Insuffizienz, die durch eine Beatmung nicht ausgeglichen werden kann (z. B. aufgrund einer schweren Pneumonie), oder während eines tracheobronchialen Eingriffs (z. B. aufgrund eines Lungenkarzinoms) zum Einsatz kommen [Lang et al. 2015, Müller et al. 2013]. 4.2 Extrakorporale CO 2 -Elimination (ECCO 2 -R) Für die ECCO 2 -R, bei der an einer extrakorporalen Membran eine CO 2 -Elimination, aber keine substanzielle Oxygenierung des Blutes stattfindet, kommen arterio-venöse (av-ecla) oder veno-venöse Systeme (vv-ecla) zum Einsatz. Beim Einsatz eines veno-venösen Systems wird die ECCO 2 -R durch eine extrakorporale Pumpe unterstützt, wohingegen arterio-venöse Systeme pumpenlos sind, sodass der Blutfluss allein durch die Pumpleistung des Herzens aufrechterhalten wird [von Mach et al. 2006]. Da dies eine Mehrbelastung für das Herz darstellt, ist der Einsatz eines pumpenlosen ECCO 2 -R-Systems bei Patienten mit arterieller oder kardialer Vorerkrankung jedoch kontraindiziert [Müller et al. 2013]. Bei jeder Form der ECCO 2 -R wird die Oxygenierung des Blutes mit oder ohne Unterstützung durch eine mechanische Beatmung von der Lunge geleistet, sodass ein geringerer extrakorporaler Blutfluss (< 0,8 ca. 1 l/min) als bei der klassischen ECMO erforderlich ist [Bein et al. 2007]. Dadurch können bei der ECCO 2 -R kleinlumigere Kanülen verwendet werden, wodurch der Eingriff weniger invasiv und technische Schwierigkeiten und Komplikationen seltener werden [Terragni et al. 2012]. Eingesetzt wird die ECCO 2 -R bei Patienten mit schwerer respiratorischer Hyper kapnie. Prinzipiell betrifft dies Patienten, bei denen eine Intubation vermieden werden soll (z. B. nach einer akuten Exazerbation einer COPD [Trahanas et al. 2016]), sowie Patienten, bei denen eine protektive Beatmung nicht möglich ist oder die Beatmungsentwöhnung beschleunigt werden soll. Am häufigsten eingesetzt werden diese Systeme bei Patienten mit Hyperkapnie infolge einer lungenprotektiven Beatmung. Dies sind oft Fälle mit einer primär hypoxämischen respiratorischen Insuffizienz, die bei lungenprotektiver Beatmung eine relevante Hyperkapnie aufweisen [Hermann et al. 2014, Nierhaus et al. 2011]. Bei einer schweren Hypoxämie, die durch die mechanische Beatmung nicht ausreichend kontrolliert werden kann, ist hingegen die ECMO die Therapie der Wahl [Müller et al. 2013]. Auf dem Markt sind heute ECLA-Systeme verfügbar, die auf einer Plattform das gesamte Spektrum des extrakorporalen Gasaustausches bewerkstelligen können. Dadurch ist nur ein Gerät notwendig, um sowohl ECMO als auch ECCO 2 -R durchführen zu können Vorteile der extrakorporalen Lungenassistenzverfahren Beim schweren ARDS ist eine ECMO meist die Ultima Ratio einer Behandlung, wenn eine mechanische Beatmung allein nicht ausreicht, um eine ausreichende Oxygenierung des Blutes sicherzustellen (Abbildung 2). Zusätzlich kommt diese Technik bei chirurgischen Eingriffen am Thorax oder den Atemwegen zum Einsatz, bei denen eine mechanische Beatmung nicht oder nicht ausreichend möglich ist [Lang et al. 2015]. ECCO 2 -R-Verfahren bieten hingegen die Möglichkeit, bei Patienten mit ARDS oder einer anderen schwerwiegenden respiratorischen Insuffizienz die mechanische Beatmung weniger invasiv und lungenprotektiv durch- 6

7 Zunehmende Therapieintensität PEEP Lungenprotektive Beatmung NIV ECCO2R Relaxierung ECMO Leichtes ARDS Moderates ARDS Schweres ARDS PaO 2/FiO 2 Zunehmender Schweregrad des Lungenschadens zuführen oder eine mechanische Beatmung (bei primär hyperkapnischem Versagen) sogar ganz zu vermeiden [Bein et al. 2006, Hermann et al. 2014, Kluge et al. 2012]. So kann durch den Einsatz von ECCO 2 -R eine Intubation bei Hyperkapnie bei der Mehrzahl der Fälle vermieden werden, wodurch das Risiko von Nebenwirkungen der Beatmung wie VILI und VAP sinkt [Braune et al. 2016, Hermann et al. 2014, Müller et al. 2013, Zimmermann et al. 2009]. Darüber hinaus kann die ECCO 2 -R auch in Einzelfällen während thoraxchirurgischer Eingriffe zum Einsatz kommen, wenn durch eine mechanische Beatmung allein der Gasaustausch nicht ausreichend sichergestellt werden kann [Iacovazzi et al. 2012, Redwan et al. 2015a, Redwan et al. 2015b]. Bei Patienten, die auf eine Lungentransplantation angewiesen sind, kann ein ECLA-Verfahren zusätzlich in der prä- und postoperativen Phase angewendet werden, um den Patienten für die Transplantation zu stabilisieren und die Regeneration nach der Transplantation zu begünstigen [Javidfar et al. 2012]. Im gesamten perioperativen Zeitraum sowie während der Operation ist dann kein Wechsel des Systems notwendig, wodurch der operative Ablauf und die perioperative Therapie vereinfacht wird. ECCO 2 -R kann bei Patienten mit respiratorischer Insuffizienz die Aufenthaltszeit auf der Intensivstation und im Krankenhaus verkürzen und eine frühe Mobilisierung sowie Entwöhnung der Patienten ermöglichen [Braune et al. 2015, Kluge et al. 2012]. Durch diese Faktoren werden die Kosten der ECCO 2 -R kompensiert, sodass in der Gesamtbilanz bei Patienten, deren Gasaustausch mit NIV nicht gewährleistet werden kann, eine Behandlung mit ECCO 2 -R wahrscheinlich nicht teurer ist als eine Behandlung mit IMV [Braune et al. 2015]. Auch eine Sedierung ist bei einer ECCO 2 -R im Gegensatz zur IMV weniger häufig notwendig, sodass der Patient schon früh physiotherapeutischen ino Bauchlagerung Abbildung 2: Behandlungsstrategie bei Patienten mit unterschiedlichen Schweregraden des ARDS; modifiziert nach [Ferguson et al. 2012]. Maßnahmen zugänglich ist [Kluge et al. 2012]. Ob auch das Gesamtüberleben von Patienten mit respiratorischer Insuffizienz, die mit ECCO 2 -R behandelt werden, verbessert wird, ist noch nicht abschließend geklärt und aktuell Gegenstand intensiver Forschung [Kluge et al. 2012, Müller et al. 2013, Peek et al. 2009]. 4.4 Sicherheit Sowohl bei der ECMO als auch bei der ECCO 2 -R stellen Gefäßverletzungen, die bei der Lage der Kanülen auftreten, ein sehr relevantes Sicherheitsrisiko dar. Auch nach der Kanülenanlage kann eine falsche Kanülierungstechnik lebensbedrohliche Folgen haben, etwa dann, wenn Kanülen nicht ausreichend fixiert wurden. Viele dieser Komplikationen entstehen aufgrund mangelnder Erfahrung mit ECLA- Systemen, die jedoch durch eine adäquate Ausbildung vermieden werden können [Rupprecht et al. 2015]. Insbesondere bei arterio-venösen Zugängen kann es zudem zu Ischämien in der kanülierten Extremität kommen. Die Verwendung kleinlumiger Kanülen bei der av-ecla hat jedoch zu einer signifikanten Reduktion der Häufigkeit dieser und anderer Nebenwirkungen geführt [Bein et al. 2007]. Ein weiteres Sicherheitsrisiko stellt bei der ECLA das Auftreten thrombotischer Ereignisse dar. In frühen Studien wurden ECLA-Patienten daher häufig mit hohen Dosierungen von systemischem Heparin behandelt, wodurch jedoch das Risiko von Blutungskomplikationen stark zunahm [ Morris et al. 1994]. Bei heute erhältlichen ECLA-Systemen sind jedoch sowohl die Kanülen als auch die Membran Heparin- beschichtet, wodurch das Risiko thromboembolischer Komplikationen reduziert werden konnte [Bein et al. 2007]. Bei der ECMO ist jedoch aufgrund des hohen extrakorporalen Blutflusses dennoch eine im Vergleich zu sonstigen bettlägerigen Patienten erhöhte systemische Heparin- Dosis erforderlich, wohingegen bei ECCO 2 -R eine geringere Antikoagulation ausreichend ist [Bein et al. 2007, Müller et al. 2013]. Auch an der Membran von ECCO 2 -R-Systemen kann es zur Bildung von Blutgerinnseln kommen, weswegen diese regelmäßig überprüft und gegebenenfalls ausgetauscht werden sollten [Hermann et al. 2014]. Insgesamt hat die Heparinbeschichtung der Systeme und die dadurch möglich gewordene Reduktion der systemischen Heparin-Dosierung allerdings dazu geführt, dass letale Blutungskomplikationen beim Einsatz der ECLA heute selten geworden sind [Müller et al. 2013]. 7

8 5. Fazit Bei Patienten mit schwerer akuter respiratorischer Insuffizienz muss die Fähigkeit der Lunge zum Gasaustausch innerhalb kurzer Zeit wiederhergestellt werden. In vielen Fällen ist dies nur durch eine mechanische Beatmung des Patienten möglich. Die mechanische Beatmung verursacht jedoch, insbesondere bei hoher Invasivität und Intensität, Folgeschäden im Atmungsapparat. Durch den Einsatz eines Systems zur extrakorporalen Lungenunterstützung kann die mechanische Beatmung weniger intensiv und damit lungenprotektiv gestaltet oder sogar vollständig ersetzt werden. Pumpenbetriebene ECMO-Systeme werden dabei vornehmlich bei Patienten mit schwerer Hypoxämie eingesetzt, da sie eine Oxygenierung des Blutes an einer extrakorporalen Membran ermöglichen. Mit pumpenlosen oder pumpenunterstützten ECCO 2 -R-Systemen, die einen geringeren extrakorporalen Blutfluss als ECMO-Systeme benötigen, kann hingegen bei Patienten mit einer schweren Hyperkapnie eine effektive CO 2 -Elimination erzielt werden. Auf dem Markt gibt es mittlerweile Systeme, die sowohl ECCO 2 -R, als auch ECMO-Anwendungen auf einer Plattform erlauben. Weiterentwicklungen der Systeme haben zudem die Sicherheit der extrakorporalen Lungenunterstützung stark verbessert. Dadurch stellt die extrakorporale Lungenunterstützung heute eine wirksame und zunehmend sichere Möglichkeit dar, intensivmedizinische Behandlungen bei akutem Lungenversagen schonender und effektiver zu gestalten. Literatur Acute Respiratory Distress Syndrome Network. Ventilation with lower tidal volumes as compared with traditional tidal volumes for acute lung injury and the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 2000;342(18): Amato MB, Barbas CS, Medeiros DM, et al. 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Pumpless extracorporeal interventional lung assist in patients with acute respiratory distress syndrome: a prospective pilot study. Crit Care 2009;13(1):R10 8

9 Impressum Autor Prof. Dr. med. Stefan Kluge Direktor Klinik für Intensivmedizin Facharzt für Innere Medizin, Schwerpunktbezeichnung Pneumologie, spezielle Weiterbildung Intensivmedizin Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Martinistr. 52, D Hamburg Redaktion Dr. Anne Domonell, KW medipoint Bonn Layout Susanna Mokroß, KW medipoint Bonn Veranstalter CME medipoint München Mit freundlicher Unterstützung von Xenios AG, Heilbronn. Der Sponsor nimmt keinen Einfluss auf die zertifizierte Fortbildung.

10 Lernkontrollfragen Bitte kreuzen Sie nur jeweils eine Antwort an. 1.) Welche Aussage zur akuten respiratorischen Insuffizienz ist richtig? a. Das akute Lungenversagen ist eine der häufigsten Formen der akuten respiratorischen Insuffizienz. b. Ein Ventilationsversagen ist keine Ursache für eine akute respiratorische Insuffizienz. c. Das akute Lungenversagen stellt nur in Ausnahmefällen eine Indikation für eine mechanische Beatmung dar. d. Die Mortalität bei akuter respiratorischer Insuffizienz liegt bei 80 %. e. Die Mortalität der akuten respiratorischen Insuffizienz wird hauptsächlich durch die Nebenwirkungen der Beatmung hervorgerufen. 2.) Welche Aussage zur extrakorporalen Lungenassistenz trifft nicht zu? a. Die extrakorporale Lungenassistenz kann eine lungenprotektive Beatmung unterstützen. b. Bei der extrakorporalen Lungenassistenz findet der Gasaustausch an einer extrakorporalen Membran statt. c. An der extrakorporalen Membran wird CO 2 und NO 2 aus dem Blut eliminiert. d. Die extrakorporale Oxygenierung ist eine Form der extrakorporalen Lungenassistenz. e. In Einzelfällen kann die extrakorporale Lungenassistenz die mechanische Beatmung ganz ersetzen. 3.) Welche Aussage bezüglich eines Ventilationsversagens ist richtig? a. Bei einem Ventilationsversagen ist in erster Linie eine Beatmung indiziert. b. Die Ursachen des Ventilationsversagens sind bisher nicht bekannt. c. Der Lufttransport innerhalb der Lunge funktioniert beim Ventilationsversagen ohne Einschränkungen. d. Bei einem Ventilationsversagen reichert sich O 2 in den Alveolen an. e. Eine Azidose wird bei einem Ventilationsversagen nur selten beobachtet. 4.) Welche Aussage zu Exazerbationen der COPD ist falsch? a. Eine akute Exazerbation der COPD ist der häufigste Auslöser für ein Ventilationsversagen. b. Bei der akuten Exazerbation der COPD kommt es zu einem Kollaps der Bronchialstruktur. c. Die akuten Exazerbationen der COPD gehen hauptsächlich auf virale und bakterielle Infektionen der Atemwege zurück. d. Bei etwa 20 % der COPD-Patienten führt die Exazerbation zur Hospitalisierung. e. Die akute Exazerbation der COPD stellt nur selten eine Indikation für eine mechanische Beatmung dar. 5.) Welche Aussage zu den Kenngrößen, die am Respirator eingestellt werden können, ist richtig? a. Der positive endexpiratorische Druck ist der Druck, der zu Beginn des Zyklus in der Lunge herrscht. b. Das Tidalvolumen ist das Luftvolumen, das während der Inspiration insgesamt in die Lunge gelangt. c. Der endinspiratorische Plateaudruck ist der Druck, der am Ende der Inspiration am Mund herrscht. d. Der inspiratorische Druck variiert während der Inspiration. e. Der Driving Pressure ist bei druckkontrollierter Beatmung die Differenz aus inspiratorischem Druck und Tidalvolumen. 9

11 6.) Welche Aussage bezüglich der Nebenwirkungen der mechanischen Beatmung ist falsch? a. Ein Barotrauma entsteht durch einen zu hohen Beatmungsdruck. b. Ein Atelektrauma wird durch einen zu hohen positiven endexspiratorischen Druck verursacht. c. Mechanische Verletzungen der Lunge können zu sekundären lokalen Entzündungen führen. d. Eine Behinderung der mukuziliären Clearance begünstigt das Auftreten beatmungsassoziierter Pneumonien. e. Eine beatmungsinduzierte diaphragmale Dysfunktion entsteht durch Atrophie der diaphragmalen Muskelfasern. 7.) Welche Aussage bezüglich einer lungenprotektiven Beatmung ist richtig? a. Eine lungenprotektive Beatmung kann zwar die Morbidität, aber nicht die Mortalität von ARDS-Patienten reduzieren. b. Durch eine lungenprotektive Beatmung wird die Entwöhnung der Patienten erschwert. c. Die Dauer der Beatmung kann durch eine lungenprotektive Beatmung nicht reduziert werden. d. Zur Vermeidung eines Baro- bzw. Volutraumas sieht die lungenprotektive Beatmungsstrategie ein niedriges Tidalvolumen und einen niedrigen inspiratorischen Druck bzw. endinspiratorischen Plateaudruck vor. e. Nur selten tritt bei der lungenprotektiven Beatmung eine Hyperkapnie auf. 8.) Welche Aussage zur extrakorporalen Oxygenierung beim Lungenversagen trifft nicht zu? a. Für eine extrakorporale Membranoxygenierung kommen stets pumpengetriebene Systeme zum Einsatz. b. Der Zugang für eine extrakorporale Membranoxygenierung wird standardmäßig veno-venös gelegt. c. Veno-arterielle Zugänge stellen keine potenzielle Alternative für die extrakorporale Membranoxygenierung dar. d. Bei einem hypoxämischem Lungenversagen kann durch eine extrakorporale Membranoxygenierung die Intensität der mechanischen Beatmung reduziert werden. e. Eine frühzeitige Membranoxygenierung kann dem Auftreten beatmungsassoziierter Lungenschäden entgegenwirken. 9.) Welche Aussage zur extrakorporalen CO 2 -Elimination ist falsch? a. Bei der extrakorporalen CO 2 -Elimination kommt es auch zu einer substanziellen Oxygenierung des Blutes. b. Für die extrakorporale CO 2 -Elimination kommen sowohl veno-venöse Systeme mit Pumpe als auch pumpen lose arterio-venöse Systeme zum Einsatz. c. Pumpenlose Systeme zur extrakorporalen CO 2 -Elimination sind auf eine gute Pumpleistung des Herzens angewiesen und bei kardialen Vorerkrankungen daher kontraindiziert. d. Bei der extrakorporalen CO 2 -Elimination wird ein geringerer extrakorporaler Blutfluss (< 0,8 ca. 1 l/min) als bei der klassischen extrakorporalen Membranoxygenierung benötigt. e. Komplikationen treten bei der extrakorporalen CO 2 -Elimination im Vergleich zur extrakorporalen Membranoxygenierung seltener auf. 10.) Welche Aussage zu den Vorteilen einer extrakorporalen Lungenassistenz ist falsch? a. Eine extrakorporale Membranoxygenierung ist die Therapie der ersten Wahl bei einem akuten Lungenversagen. b. Durch eine extrakorporale CO 2 -Elimination können die Nebenwirkungen der mechanischen Beatmung gesenkt werden. c. Bei thoraxchirurgischen Eingriffen kann eine extrakorporale CO 2 -Elimination in Einzelfällen angewendet werden. d. Durch eine extrakorporale Lungenassistenz können Patienten vor einer Lungentransplantation stabilisiert werden. e. Der Einsatz einer extrakorporalen CO 2 -Elimination soll eine frühe Mobilisation der Patienten fördern und die Dauer der Hospitalisierung verkürzen. 10

12 Auswertung der Lernerfolgskontrolle Anwendung und Sicherheit extrakorporaler Lungenassistenzverfahren bei akuter respiratorischer Insuffizienz VNR: Gültigkeit: Vergabe eines Teilnahme-Zertifikates der Landesärztekammer Bayern: Ab 7 richtig beantworteten Fragen erhalten Sie 2 Fortbildungspunkte. Fax-Nr Bitte die Angaben zur Person leserlich ausfüllen: Außendienst-Stempel Frau Herr Titel, Vorname, Name Straße, Hausnummer EFN-Nummer eintragen oder Aufkleber aufkleben PLZ, Ort Zusätzliche Daten (Angabe ist freiwillig): niedergelassener Arzt angestellt Klinik angestellt sonstiger Arbeitgeber Fachgebiet Lernerfolgskontrolle a b c d e Arzt-Stempel Evaluation (freiwillig): Bitte bewerten Sie nach dem Schulnoten-System (1 = ja, sehr; 6 = gar nicht) Meine Erwartungen hinsichtlich der Fortbildung A haben sich erfüllt. Während des Durcharbeitens habe ich fachlich B gelernt. Der Text hat Relevanz für meine praktische C Tätigkeit. Die Didaktik, die Eingängigkeit und die Qualität D des Textes sind sehr gut. Der Aufwand für die Bearbeitung (zeitlich und E organisatorisch) hat sich gelohnt. In der Fortbildung wurde die Firmen- und F Produktneutralität gewahrt. Diese Form der Fortbildung möchte ich auch G zukünftig erhalten. ja nein Erklärung: Ich versichere, dass ich die Beantwortung der Fragen selbstständig und ohne fremde Hilfe durchgeführt habe. Der Zustellung der Teilnahmebescheinigung durch den Sponsor stimme ich zu. Ort / Datum Unterschrift Datenschutz: Ihre Daten werden ausschließlich für die Auswertung der Antworten verwendet. Es erfolgt keine Speicherung der Ergebnisse über die für die Bearbeitung der Fortbildungseinheit notwendige Zeit hinaus. Namens- und Adressangaben dienen nur dem Versand der Teilnahmebescheinigungen. CME medipoint, Tel: / info@cme-medipoint.de