Scherstress-bedingte Komplikationen der mechanischen Herzunterstützung

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1 Universitäts-Herzzentrum Freiburg Bad Krozingen Klinik für Herz- und Gefäßchirurgie (Ärztlicher Direktor: Prof. Dr. Dr. h. c. Friedhelm Beyersdorf) der Medizinischen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Scherstress-bedingte Komplikationen der mechanischen Herzunterstützung HABILITATIONSSCHRIFT zur Erlangung der Venia legendi an der Medizinischen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg von Dr. med. Claudia Heilmann Freiburg 2012

2 Inhaltsverzeichnis 1. Hintergrund Mechanische Herzunterstützung Langfristige mechanische Herzunterstützung durch Ventricular Assist Devices (VAD) Kurzfristige mechanische Herzunterstützung durch Extracorporeal Life Support (ECLS) Gegenstand der Arbeit Stand der Forschung und Methodik Das erworbene Von-Willebrand-Syndrom (AVWS) Das VWF-Molekül (VWF:Ag) Gerinnungsaktivität des VWF Diagnostik des erworbenen Von-Willebrand-Syndroms Hämolyse Problematik Parameter Pumpen und Scherstress Pumpentypen Scherstress Eigene Ergebnisse und Diskussion Erworbenes Von-Willebrand-Syndrom Erworbenes Von-Willebrand-Syndrom bei Patienten mit Ventricular Assist Devices Erworbenes Von-Willebrand-Syndrom bei Patienten mit Total Artificial Hearts (TAH) Erworbenes Von-Willebrand-Syndrom bei Patienten mit Extracorporeal Life Support (ECLS) Hämolyse Hämolyse bei VAD- und TAH-Patienten Hämolyse bei ECLS-Patienten Ausblick: Offene Fragen beim Einsatz von Ventricular Assist Devices Mögliche Ursachen für gastrointestinale Blutungen bei nichtpulsatilen VAD Behandlungsoptionen für das erworbene Von-Willebrand-Syndrom bei mechanischer Herzunterstützung Zusammenfassung Referenzen Verzeichnisse Abbildungen Tabellen Formeln Abkürzungen Als Bestandteil der Habilitation eingereichte Originalarbeiten

3 1. Hintergrund 1.1. Mechanische Herzunterstützung Langfristige mechanische Herzunterstützung durch Ventricular Assist Devices (VAD) Nach wie vor wird die Herztransplantation als Goldstandard der Therapie einer terminalen, medikamentös nicht mehr ausreichend behandelbaren Herzinsuffizienz betrachtet. Jedoch ist die Herztransplantation nicht für alle Patienten eine mögliche Behandlungsform. Zu den absoluten und relativen Kontraindikationen zählen hoher pulmonaler Widerstand, höhergradige Nieren- und Leberinsuffizienz, schwere psychische Störungen, höheres Lebensalter sowie Erkrankungen, die einer Immunsuppression entgegenstehen wie Tumoren in der Anamnese und schwere persistierende Infektionen wurden in Deutschland 366 Herzen transplantiert, wobei am Jahresende 992 Patienten auf der Warteliste standen 1. Hauptgrund für die relativ geringe Zahl tatsächlich durchgeführter Transplantationen war und ist der Mangel an Spenderorganen. Als Überbrückung oder Alternative zur Herztransplantation werden daher seit 1964 mechanische Herzunterstützungssysteme, auch als Ventricular Assist Devices (VAD) bezeichnet, entwickelt. Das erste System wurde 1994 in den USA für die Überbrückung bis zur Transplantation zugelassen 2. Der Durchbruch dieser zunächst experimentellen Therapie kam 2001 mit der Publikation der REMATCH- Studie 3. Dabei wurden 129 Patienten, die für eine Transplantation nicht in Frage kamen, in die beiden Arme beste medikamentöse Therapie oder Implantation eines linksventrikulären Unterstützungssystems randomisiert. Die Daten zeigten, dass die Patienten mit einem VAD eine längere Überlebenszeit und eine bessere Lebensqualität als die Patienten mit medikamentöser Therapie hatten. Die häufigsten Todesursachen waren bei konventionell behandelten Patienten das Linksherzversagen mit ca. 82%, bei VAD-Patienten die Sepsis mit ca. 25%. VAD werden implantiert, wenn eine längerfristige Einsatzdauer von mehreren Wochen bis Jahren abzusehen ist. Dafür werden die Pumpsysteme direkt mit den Ventrikeln oder den Vorhöfen und den herznahen großen Gefäßen konnektiert. Bei Linksherzversagen mit noch akzeptabler Funktion des rechten Ventrikels werden Systeme verwendet, die nur den linken Ventrikel unterstützen. Bei Insuffizienz beider Herzkammern werden zwei univentrikuläre Pumpen mit gekoppelter Steuerung als sogenannte biventrikuläre Systeme eingesetzt. Die gegenwärtig definierten Ziele sind die Überbrückung bis zur Herztransplantation (bridge to transplant), die Entlastung des Herzens bis zur Erholung der Herzfunktion (bridge to recovery) oder die lebenslange Dauerunterstützung (destination therapy) bei Kontraindikationen für eine Transplantation. Die Prognose der VAD-Implantation hat sich in den letzten Jahren deutlich verbessert. Gründe dafür sind verbesserte Systeme, die Weiterentwicklung der chirurgischen Implantationstechniken, gewach- 3

4 sene Erfahrung in der perioperativen und Langzeit-Nachsorge sowie nicht zuletzt die passendere Patientenselektion. 4,5 Jedoch ist der Einsatz von VAD immer noch in vielen Fällen komplikationsbehaftet. Die häufigsten unerwünschten Ereignisse sind Infektionen und Blutungen, von denen etwa 40% aller Patienten betroffen sind 6. An der Klinik für Herz- und Gefäßchirurgie in Freiburg werden seit 1997 VAD implantiert. In den letzten Jahren werden das Paracorporeal Ventricular Assist Device (PVAD; Thoratec Corp., Pleasanton, CA, USA) in der Regel zur biventikulären sowie das HeartMate II (Thoratec Corp.) und das VentrAssist (Ventracor Ltd, Chatswood, Australia) zur linksventrikulären Unterstützung eingesetzt. Auf die verschiedenen Systeme wird im Kapitel näher eingegangen. Blutungen unter VAD-Unterstützung Tabelle 1 gibt Daten aus größeren multizentrischen Studien zur Blutungshäufigkeit an, die sich auf in der hiesigen Klinik für Herz- und Gefäßchirurgie eingesetzte Systeme beziehen. Tabelle 1. Angaben zur Blutungshäufigkeit bei verschiedenen VAD-Systemen Jahr Publikation System Patientenzahl Blutungen 1999 McBride 7 Thoratec PVAD (LVAD, n=57, BVAD, n=45, RVAD, n=9) % 2008 Esmore et al. 8 VentrAssist 33 24% 2009 HeartMate II Investigators 9 HeartMate II % nur Transfusion 26% chirurgischer Eingriff 2009 Genovese et al. 10 Verschiedene Systeme, linksventrikulär % Thoratec PVAD, biventrikulär 71 62% Blutungen treten bereits in der Frühphase nach Implantation eines VAD auf. Genovese et al. 10 gaben das Auftreten mit 34% innerhalb der ersten fünf Tage und 48 % bis zum Ende des zweiten postoperativen Monats für beobachtete 195 Patienten an. Das Risiko war bei LVAD- geringer als bei BVAD- Patienten. Späte Blutungen wurden von Frazier et al. in 19% von 171 HM II-Patienten beobachtet 11. Auffallend ist das gehäufte Auftreten gastrointestinaler Blutungen bei nicht pulsatilen Systemen. Auf dieses Phänomen wird im Kapitel 4 näher eingegangen. 4

5 Hämolyse unter VAD-Unterstützung Daten zur Hämolyse aus der Literatur für die bei uns eingesetzten VAD sind in Tabelle 2 dargestellt. Allerdings werden in diesen Publikationen keine Angaben zur labordiagnostischen oder klinischen Definition der Hämolyse gemacht. Als Grenzwert wird häufig ein Wert für freies Hämoglobin im Plasma (HBFR) von mehr als mg/dl betrachtet 12,13, der deutlich über dem vom klinischen Labor angegebenen physiologischen Normalwert von <2mg/dl liegt. Solche Werte zeigen einen HBFR-Anfall an, der das Kompensationspotential von Haptoglobin und Hämopexin deutlich übersteigt. Tabelle 2. Angaben zur Hämolysehäufigkeit bei verschiedenen VAD-Systemen Jahr Publikation System Patientenzahl Hämolyse 1999 McBride 7 Thoratec PVAD (LVAD, n=57, BVAD, n=45, RVAD, n=9) % 2008 Esmore et al. 8 VentrAssist 33 3% 2009 HeartMate II Investigators 9 HeartMate II 281 4% 2009 Genovese et al. 10 Verschiedene Systeme, linksventrikulär Thoratec PVAD, biventrikulär % 6% Kurzfristige mechanische Herzunterstützung durch Extracorporeal Life Support (ECLS) Für Patienten mit Herz- oder kombiniertem Herz-Lungen-Versagen, bei denen man von einer raschen Erholung der Organfunktion ausgeht oder das Organversagen rapide und unvorhergesehen eintritt, kommt die temporäre Unterstützung durch ECLS, auch als venoarterielle extrakorporale Membranoxygenierung (VA-ECMO) bezeichnet, in Frage. Die Einsatzdauer beträgt Tage bis wenige Wochen. 12 Der erste erfolgreiche Einsatz bei einem Erwachsenen wurde 1972 berichtet 14,15. Die typische Indikation ist der kardiogene Schock durch Postkardiotomie-Versagen, akuten Myokardinfarkt, akute Myokarditis oder Dekompensation einer chronischen Herzinsuffizienz 16. Die ECLS kann als bridge to decision dienen. Dabei kann nach notfallmäßiger Implantation die Entwicklung des Patienten unter kardialer Entlastung beobachtet und anhand dieser Informationen die Entscheidung für die Entwöhnung oder auch für eine längerfristige Unterstützung durch ein VAD getroffen werden 17,18. Bei der ECLS erfolgt die Kanülierung in der Regel peripher, meist über die Leistengefäße. Jedoch ist bei intraoperativer Entscheidung auch ein zentraler Anschluss möglich. Das drainierte venöse Blut wird über eine Zentrifugal- oder Diagonalpumpe durch einen Membranoxygenator geleitet und über eine Arterie in den Körper zurückgeführt. 16,19 Die venovenöse ECMO, die bei Patienten mit gestörter 5

6 Lungen-, aber erhaltener Herzfunktion angewandt wird, bleibt in der vorliegenden Arbeit unberücksichtigt. Die venoarterielle ECLS-Unterstützung kann durch Entwöhnung und Explantation der Kanülen beendet werden, dient bei einer Anzahl der Patienten aber auch zur Überbrückung bis zur Implantation eines VAD oder, sehr selten, bis zur Transplantation 16. Zu den häufigsten Komplikationen der ECLS gehören Blutungen bei bis zu etwa 80% der Patienten, Nierenversagen bei bis zu ca. 60% und Infektionen bei bis zu ca. 50% 19. Für eine Hämolyse werden in der Literatur meist technische Gründe wie zu starker Sog in der Pumpe oder Behinderungen des Blutflusses zum Beispiel durch Thromben verantwortlich gemacht 12,19. In einer klinischen Auswertung von 120 Patienten wurde bei rund einem Viertel eine Konzentration von freiem Hämoglobin >500 mg/dl im Plasma beobachtet Gegenstand der Arbeit In der vorliegenden Arbeit soll auf das erworbene Von-Willebrand-Syndrom (acquired Von Willebrand syndrome, AVWS), eine mögliche Ursache für Blutungen, sowie auf die Hämolyse bei Patienten mit mechanischer Herzunterstützung eingegangen werden. Bei beiden Komplikationen wird angenommen, dass sie durch hohen Scherstress verursacht werden. 6

7 2. Stand der Forschung und Methodik 2.1. Das erworbene Von-Willebrand-Syndrom (AVWS) Das angeborene Von-Willebrand-Syndrom wurde erstmals 1926 von dem finnischen Arzt Erik Adolf von Willebrand beschrieben. Die Diagnose umfasst heute eine ganze Anzahl genetischer Defekte, die zu einer Mangelfunktion des Von-Willebrand-Faktors (VWF) und damit zu Blutungsneigungen unterschiedlicher Phänotypen führen. 21 Das erworbene Von-Willebrand-Syndrom (acquired Von Willebrand syndrome, AVWS) kann durch unterschiedliche pathogene Mechanismen entstehen. Die Ursachen liegen in einer gestörten Synthese, zum Beispiel bei Hypothyreoidismus, oder in einer verstärkten Elimination des VWF. Diese kann durch Autoantikörper, verstärkte Adsorption oder vermehrte Proteolyse des VWF bedingt sein und im Rahmen paraneoplastischer Syndrome, als Nebenwirkungen von Medikamenten, bei Urämie oder bei kardiovaskulären Erkrankungen auftreten. Bei einigen Krankheitsbildern ist der Grund für ein AVWS noch ungeklärt. 22 Gemeinsam ist allen Formen, dass sie zu einer Blutungsneigung bei bisher negativer Eigen- und Familienanamnese führen und dass sie nicht durch einen Gendefekt erklärbar sind. Das 1958 erstmals beschriebene Heyde-Syndrom stellte einen Zusammenhang zwischen idiopathischen Magen-Darm-Blutungen und einer Aortenstenose her 23. Der Phänotyp entspricht dem erblichen Von-Willebrand-Syndrom vom Typ 2A 24, für das ein Fehlen der großen Multimere charakteristisch ist 25. Die Gerinnungsstörung korreliert in ihrer Ausprägung mit dem Stenosegrad der Klappe und kann durch den Ersatz der Klappe kuriert werden. Ursächlich verantwortlich gemacht wird der Scherstress, dem das Blut bei Passage der Aortenstenose ausgesetzt ist und der zu einer Prozessierung der großen Multimere des Von-Willebrand-Faktors (VWF) führt 24. Der gleiche Pathomechanismus ist mit großer Wahrscheinlichkeit für die Entstehung eines AVWS bei hypertropher Kardiomyopathie 26 oder bei angeborenen Herzfehlern 27,28 verantwortlich Das VWF-Molekül (VWF:Ag) Die Aufgabe des Von-Willebrand-Faktors (VWF) liegt in der Vermittlung der Adhäsion von Thrombozyten an Kollagen, das bei einer Endothelverletzung freigelegt wird, und in der Bindung und Stabilisierung des Gerinnungsfaktors VIII (FVIII) 29. Der intakte Von-Willebrand-Faktor stellt eines der größten Moleküle des menschlichen Organismus dar. Er wird von Endothelzellen und von Megakaryozyten exprimiert und hat eine Multimerenstruktur, die aus identischen Monomeren gebildet wird. Eine einzelne Untereinheit besteht aus 2050 Aminosäuren mit einem Molekulargewicht von 260 kda. 29 Die Synthese erfolgt als pre-pro-peptid. Dieses besteht aus einer Signalsequenz von 22 Aminosäuren, einem 741 Aminosäuren langen Propeptid sowie dem eigentlichen VWF. 29 Bei der Proteinsynthese wird zuerst die Primärstruktur, die Peptidkette, gebildet. Diese konfiguriert sich abschnittweise zu Sekundärstrukturen. Durch Zusammenlagerung und Verbindung mehrerer Sekundärstrukturen ent- 7

8 stehen übergeordnete Tertiärstrukturen, die Domänen, denen bestimmte biologische Funktionen zugeordnet werden. Nach Abtrennung des Signalpeptids dimerisieren die provwf-moleküle noch im endoplasmatischen Retikulum über Disulfidbrücken zwischen den N-terminalen Domänen ( tail to tail"). Die Dimere werden in den Golgi-Apparat transportiert und dort unter Abtrennung der C-terminalen Domänen weiter prozessiert. Die Multimerisierung findet head to head, wiederum über Disulfidbrücken, statt. 30 Die Domänenstruktur des reifen VWF ist in Abbildung 1 dargestellt. Dimerisierung ADAMTS13-Schnittstelle D D3 A1 A2 A3 D4, B1-3, C1-2 CK Thrombozyten- Bindung (GP Ib) Kollagen I/III- Bindung Abbildung 1. Domänenstruktur des VWF-Monomers (modifiziert nach Sadler 30 ) In Endothelzellen assemblieren die VWF-Multimere nach Sezernierung aus dem Golgi-Apparat zu tubulären Weibel-Palade-Körperchen. Die dabei stattfindenden Prozesse sind bisher noch nicht genau aufgeklärt. 30,31 In Megakaryozyten werden die VWF-Multimere in globuläre α-granula integriert, die dann in die entstehenden Thrombozyten transportiert werden und letztere damit zur Sekretion von VWF befähigen. 32,33 Aus den Zellen wird VWF als Multimer mit ultrahohem Molekulargewicht (ultra high molecular weight, UHMW) von bis zu 10 Millionen kda freigesetzt. Es bindet sofort an die Zelloberfläche, wird dort durch den physiologischen Scherstress entfaltet und von der Protease ADAMTS13 innerhalb der A2- Domäne geschnitten. Dadurch wird der Multimerenstrang vom Endothel gelöst. Im fließenden Blut knäult sich das resultierende Multimer mit hohem Molekulargewicht (high molecular weight, HMW) von etwa kda auf Grund des nun fehlenden Scherstress zusammen und die A2-Domänen werden verborgen. 34,35,36 Analytik von VWF-Antigen und -Multimeren Der Von-Willebrand-Faktor wird als VWF-Antigen (VWF:Ag) immunoturbidimetrisch bestimmt. VWF im Plasma agglutiniert dabei mit Partikeln, die mit anti-vwf-antikörpern beschichtet sind. Die entstehende Trübung wird photometrisch gemessen. Der Test erfasst VWF anhand der Monomere, die Größe der Multimere wird nicht erfasst. Daher kann der Laborwert VWF:Ag allein nichts über die Funktion des VWF aussagen. 8

9 Die Größenverteilung der Multimere wird im Western Blot bestimmt. Dazu wird verdünntes Plasma in einem 1%igen SDS-Agarose-Gel elektrophoretisch aufgetrennt und auf eine PVDF-Membran geblottet, auf der das Antigen mit einem anti-vwf-antikörper detektiert wird. Sichtbar wird eine charakteristische Leiter, die mit der eines Kontrollplasmas verglichen wird. Fehlende Banden im oberen Bereich weisen auf den Verlust der hochmolekularen Multimere mit hoher biologischer Aktivität hin. 25 Alle Blots wurden im Gerinnnungslabor des Zentrums für Kinder- und Jugendmedizin des Universitätsklinikums Freiburg angefertigt und beurteilt Gerinnungsaktivität des VWF VWF bindet bei Verlust der Endothelzellen mit seiner A3-Domäne an freiliegendes subendotheliales Kollagen. Der durch das fließende Blut erzeugte Scherstress führt zu einer Entfaltung des Moleküls mit Exposition der A1-Domäne, die bis dahin in der globulären Konformation der Multimere geschützt ist. An diese Domäne binden Thrombozyten über ihren Rezeptor Glycoprotein-Ib (GPIb-) 34 Die angelagerten Thrombozyten werden aktiviert, sezernieren selbst VWF aus ihren α-granula und vermitteln damit die Bindung weiterer Plättchen. 37 Durch den anheftungsbedingten Scherstress wird gleichzeitig die A2-Domäne exponiert, so dass eine Proteolyse durch ADAMTS13 möglich wird. Damit übernimmt die Protease eine Funktion in der Regulation der thrombogenen Aktivität des Kollagen-VWF-Thrombozyten-Komplexes. 34 Laborparameter Als funktionelle VWF-Tests werden die Ristocetin-Kofaktoraktivität (VWF:RCo) und die Kollagenbindungskapazität (VWF:CB) eingesetzt 38. VWF:RCo bildet die Bindung des VWF an den GPIb-Rezeptor der Thrombozyten ab. Normale Thrombozyten werden mit dem Antibiotikum Ristocetin und dem zu testenden Plasma versetzt. Entsprechend der Fähigkeit des Patienten-VWF zur Thrombozytenbindung kommt es zur Agglutination der Thrombozyten, die turbidimetrisch ausgelesen wird. Die Bindung von VWF an Kollagen VWF:CB wird in einem ELISA photometrisch bestimmt und reflektiert die Anheftung von VWF an verletztes Endothel. Zur Charakterisierung der VWF-Funktion müssen sowohl VWF:RCo als auch VWF:CB auf das gemessene VWF:Ag bezogen als VWF:RCo/VWF:Ag beziehungsweise VWF:CB/VWF:Ag angegeben werden. VWF:RCo/VWF:Ag wurde in der Abteilung Klinische Chemie des Universitätsklinikums Freiburg, VWF:CB/VWF:Ag im Gerinnungslabor des Zentrums für Kinder- und Jugendmedizin ebenda bestimmt. 9

10 Diagnostik des erworbenen Von-Willebrand-Syndroms Unphysiologisch hoher Scherstress kann zu einem übermäßigen Verlust der HMW-Multimere des VWF führen. Infolge der dadurch verminderten Gerinnungsaktivität kommt es zu Blutungen. Das Krankheitsbild gehört zum erworbenen Von-Willebrand-Syndrom (acquired Von Willebrand syndrome, AVWS). Die Entstehung des AVWS durch Scherstress ist schematisch in Abbildung 2 zusammengefasst. Scherstress führt zu einer Entfaltung der großen Multimere des VWF und ihrer Spaltung durch die Protease ADAMTS13. Die entstehenden kleineren Multimere binden Kollagen und Thrombozyten mit geringerer Effizienz als die großen VWF-Moleküle. 25 VWF Thrombozyt Ristocetin-cofactor activity (VWF:RCo) high-molecular weight (HMW) multimers Kollagen Collagen binding capacity (VWF:CB) Scherstress Thrombozyt ADAMTS-13 Kollagen Abbildung 2. Mechanismus der Entstehung des erworbenen Von-Willebrand-Syndroms durch pumpenbedingten Scherstress. Diagnostische Parameter für ein AVWS durch erhöhten Scherstress sind: 22,24,39,40 Fehlen hochmolekularer Multimere des Von-Willebrand-Faktors verminderte Ristocetin-Kofaktor-Aktivität im Verhältnis zum VWF, VWF:RCo/VWF:Ag verminderte Kollagenbindungskapazität im Verhältnis zum VWF, VWF:CB/VWF:Ag neu auftretende Blutungen ohne Blutungsneigung in der Eigen- und Familienanamnese (fakultativ) Die Untergrenzen für VWF:RCo/VWF:Ag und VWF:CB/VWF:Ag werden je nach Autor und verwendetem Test etwas unterschiedlich angegeben und liegen bei etwa 0,5-0,7. 39,40 Als beweisend für ein AVWS wurden in unseren Untersuchungen mindestens ein erniedrigter Quotient bei gleichzeitigem Fehlen von HMW-Multimeren angesehen

11 2.2. Hämolyse Problematik Hämolyse wird in VAD durch Scherstress und durch die Interaktion mit den künstlichen Oberflächen verursacht 41. Sie kann zu chronischer Anämie bei VAD-Patienten führen oder zumindest beitragen 42. Eine erhöhte Hämolyse kann auch, in Analogie zur Aortenstenose 43, eine ungünstige Lage der VAD- Kanülen oder eine Thrombosierung anzeigen 13, da diese Zustände zu verstärktem Scherstress führen können. Eine kontinuierliche Überwachung der Hämolyseparameter ist daher bei VAD-Patienten von klinischer Relevanz. Problematisch ist die Hämolyse nicht nur durch den kontinierlichen Verlust von Sauerstoffträgern, der gegebenenfalls durch Transfusionen ausgeglichen werden muss, sondern auch durch die oxidative Aktivität von freiem Hämoglobin mit Bildung freier Radikale sowie durch Bindung an Stickstoffoxid 44. Es beeinflusst dadurch die hämodynamische Regulation, indem es eine Vasodilatation behindert 45. Der auf die Erythrozyten ausgeübte Scherstress beeinflusst indirekt auch die Aggregation von Blutplättchen, die ihrerseits ebenfalls scherstressabhängig ist. Die Scherbeanspruchung führt zur Exposition des VWF-Rezeptors Glycoprotein IIa/IIIb (GPIIa/IIIb) auf den Thrombozyten 46, der ebenfalls eine Aggregation vermitteln kann. Für diese Aggregation sind bei einem Scherstress von etwa 0,5 Pa für 30 Sekunden HMW-Multimere des VWF sowie Adenosindiphosphat (ADP) erforderlich 47. Die Bindung ist nicht durch Ristocetin induzierbar 48. Jedoch ist die gleichzeitige Exposition des GPIb-Rezeptors notwendig 49. Sowohl bei Blutplättchen als auch bei Erythrozyten führt bereits ein Scherstress von 5 Pa zur Freisetzung von ADP 50,51. Die erzeugte ADP-Konzentration reicht aus, um die scherstressabhängige Thrombozytenaggregation zu verstärken 51. Für einen Scherstress von 20 Pa konnten Alkhamis et al. 52 zeigen, dass in Vollblut der ADP-Beitrag der Erythrozyten höher als der der Thrombozyten ist. Diese Daten lassen darauf schließen, dass eine scherstressbedingte Hämolyse letztlich auch zur Erhöhung des Thromboembolierisikos bei VAD- und ECLS-Patienten beitragen kann. Auf diese Komplikation wird in der vorliegenden Arbeit nicht näher eingegangen Parameter Freies Hämoglobin (HBFR) HBFR wird messbar, wenn mehr als 1% der Erythrozyten pro Tag zerfallen. Die Bestimmung erfolgt in der Regel spektrophotometrisch. Die in der vorliegenden Arbeit verwendeten Daten wurden mittels der Methode nach Harboe bei den Wellenlängen 380, 415 und 450 nm gemessen 53. Präanalytische Fehlermöglichkeiten bestehen in fehlerhafter Blutentnahme oder unsachgemäßem Probentransport mit zusätzlicher Schädigung von Erythrozyten. Ungenaue Messungen können weiterhin durch Interferenzen bei hohen Bilirubinwerten bedingt sein, die bei VAD-Patienten aufgrund einer Leberinsuffizienz 11

12 häufig auftreten. Weitere Quellen für fehlerhafte Bestimmungen sind Methämalbuminämie sowie Eintrübungen durch Lipämie oder andere Ursachen. Die Beurteilung der Hämolyse allein anhand des HBFR ist daher nur bedingt verlässlich. Zusätzlich können Messwerte für HBFR-bindende Proteine heran gezogen werden, deren biologische Funktion in der Eliminierung von HBFR besteht. 54 Haptoglobin (HAPT) Haptoglobin ist ein Akute-Phase-Protein, das in der Leber synthetisiert wird. Es bindet freies Hämoglobin und inaktiviert dabei dessen Redox- und NO-bindende Potentiale. 55 Der HAPT-HBFR-Komplex wird von Monozyten und Makrophagen über den CD163-Rezeptor gebunden, aufgenommen und abgebaut 56. Bei stärkerem Anfall von freiem Hb wird HAPT vollständig verbraucht und eignet sich daher nur zur Quantifizierung geringgradiger Hämolyse. Verminderte Spiegel können auch bei Leberfunktionsstörungen zu beobachten sein 57. HAPT wird immunoturbidimetrisch gemessen. Die Nachweisgrenze beträgt für das eingesetzte Messverfahren 5 mg/dl. Kleinere Werte zeigen einen vollständigen Verbrauch an und wurden für die hier gezeigten Auswertungen auf Null gesetzt. Hämopexin (HPX) Nach Verbrauch des Haptoglobins bindet weiteres HBFR an Hämopexin, das allerdings eine geringere Affinität zu HBFR als HAPT hat. Auch bei HPX handelt es sich um ein Akute-Phase-Protein, das von einer Reihe von Zelltypen synthetisiert wird. 58 Der entstehende HBFR-HPX-Komplex wird über den Rezeptor CD91 aufgenommen und lysosomal eliminiert 59. HPX wird dabei wiedergewonnen 60. Auch der CD91-Rezeptor wird multilokulär exprimiert. Das Hauptorgan des HPX-Metabolismus ist jedoch die Leber. 58 Eine Erschöpfung des HPX-Mechanismus spiegelt sich in nicht mehr messbarem HPX im Serum und Anstieg des HBFR im Plasma wider. Auch die Bestimmung von HPX erfolgt immunoturbidimetrisch. Laktatdehydrogenase (LDH) Als unspezifischer Surrogatparameter für die Hämolyse kann die LDH herangezogen werden, die ebenfalls beim Zerfall von Erythrozyten frei wird 61. Die Enzymaktivität wird direkt im Serum bestimmt. 12

13 2.3. Pumpen und Scherstress Pumpentypen Bei Herzunterstützungssystemen kommen gegenwärtig drei Pumpentypen zum Einsatz: pneumatische Verdrängerpumpen Axialpumpen Zentrifugal- und Diagonalpumpen Verdrängerpumpen Dieser Pumpentyp besitzt einen künstlichen Ventrikel, der durch eine flexible Membran in eine pneumatische und eine Blutkammer unterteilt ist. Die eigentliche Pumpe befördert Luft in die pneumatische Kammer, so dass sich die Membran gegen die Blutkammer vorwölbt und damit das Blut austreibt. Mechanische Klappen am Ein- beziehungsweise Auslass der Kammer verhindern den Rückstrom. Damit wird ein pulsatiler Blutfluss erzeugt. Ein Beispiel für Verdrängerpumpen ist das Paracorporeal Ventricular Assist Device (PVAD ) der Firma Thoratec (Thoratec Corporation, Pleasanton, CA, USA; Abbildung 3). Bei biventrikulärer Unterstützung werden jeweils eine Pumpkammer für den linken und für den rechten Ventrikel implantiert. Jedoch ist auch eine einseitige Verwendung für den linken oder, in Kombination mit einem anderen linksventrikulären System, den rechten Ventrikel möglich. Die Einlasskanüle des linken Systems wird in den linksventrikulären Apex, die Auslasskanüle in die Aorta ascendens implantiert. Für den rechten Ventrikel werden die Einlasskanüle mit dem rechtsventrikulären Apex oder dem rechten Vorhof und die Auslasskanüle mit der Pulmonalarterie anastomosiert. Die Arbeitsfrequenz wird der Herzfrequenz des Patienten angepasst. Der Druck wird so gesteuert, dass der Systemventrikel innerhalb von 300 ms vollständig entleert wird. Auf Grund der hämodynamischen und der Oberflächeneigenschaften ist eine aggressive Antikoagulation erforderlich. Abbildung 3. Biventrikuläres PVAD (BVAD) 13

14 Total Artificial Heart (TAH) Das Total Artificial Heart als Kunstherz im eigentlichen Sinn (CardioWest, SynCardia Systems Inc., Tucson, AZ, USA) ersetzt das native Herz vollständig (Abbildung 4). Es arbeitet nach dem Prinzip der Verdrängerpumpen und wird entspechend der regulären Anatomie implantiert. Dadurch sind im Gegensatz zu ventrikulären Unterstützungssystemen nur kurze und weite Ein- und Ausflusskanülen erforderlich. Abbildung 4. Total Artificial Heart CardioWest (TAH) Axialpumpen Bei Axialpumpen wird das Blut nach dem Prinzip einer Schnecke durch einen Rotor in Längsachse der Pumpe vorangetrieben. Klappen zur Wahrung der Fließrichtung, wie bei Verdrängerpumpen, sind damit nicht erforderlich. Da die Bauweise eine Miniaturisierung ermöglicht, kann eine solche Pumpe vollständig im Brustkorb implantiert werden. Sie erzeugt einen nichtpulsatilen Blutfluss. Eine noch vorhandene Pulsation im Kreislauf kommt nur durch die Restaktivität des nativen Herzens zustande. Eine Axialpumpe für den Langzeiteinsatz stellt das HeartMate II der Firma Thoratec dar (Abbildung 5). Charakteristisch ist die vergleichsweise hohe Drehzahl von etwa 9000 rpm. Auf Grund der Implantierbarkeit, der mechanischen Langlebigkeit und des geringen Antikoagulationsbedarfs bietet sich das Gerät als linksventrikuläre Unterstützung nicht nur zur Überbrückung, sondern auch für die dauerhafte Unterstützung als destination therapy an. 14

15 Abbildung 5. Linksventrikuläres HeartMate II Zentrifugalpumpen Zentrifugalpumpen besitzen einen Rotor mit senkrecht oder schräg darauf stehenden Flügeln, der quer zur Fließrichtung des Blutes positioniert ist. Er wird durch ein Magnetfeld angetrieben, wobei die Flügel das Blut beschleunigen. Der Rotor ist lagerungsfrei und schwimmt auf einer Blutschicht, wofür jedoch eine Mindestdrehzahl erforderlich ist. Die Zentrifugalpumpe als VAD wird in der vorliegenden Untersuchung durch das VentrAssist (Ventracor Limited, Chatswood, Australia) repräsentiert (Abbildung 6). Es handelt sich um ein implantierbares System zur linksventrikulären Unterstützung. Es benötigt eine Mindestdrehzahl von 1200 rpm um das freie Schwimmen des Rotors zu gewährleisten. Typische Arbeitsdrehzahlen liegen im Bereich von 1900 bis 2200 rpm. Abbildung 6. Linksventrikuläres VentrAssist Auch beim ECLS kommen Zentrifugalpumpen zum Einsatz, wie beispielsweise die in den hier vorgestellten Daten am häufigsten analysierte Revolution (Sorin, Mirandola, Italien; Abbildung 7) oder die Centrimag (Levitronix, Zürich, Schweiz). Außerdem werden auch Diagonalpumpen wie die Deltastream (MEDOS Medizintechnik AG, Stolberg, Deutschland) verwendet, die vom Funktionsprinzip her zwischen Zentrifugal- und Axialpumpen stehen. 15

16 Abbildung 7. Extracorporeal Life Support (ECLS) Revolution Scherstress Physikalische Grundlagen Zur Visualisierung von Scherkräften kann man sich eine Platte vorstellen, die sich parallel zu einer anderen Platte bewegt. Die Scherrate gibt die Verschiebung der Platten gegeneinander in s -1 an 62. Auf Flüssigkeiten übertragen, stellt sie die Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten von zwei Flüssigkeitsschichten einer laminaren Strömung in Abhängigkeit von ihrem Abstand dar 63 (Formel 1). ν = h u 2 u1 u = h ν u=u 1 -u 2 h Einheit Scherrate Differenz der Geschwindigkeiten Abstand s -1 m m = ( ) m s s -1 Formel 1. Scherrate Wenn man sich die Flüssigkeit zwischen beiden Platten als Körper vorstellt, der durch Adhäsion mit den beiden Platten verbunden ist, erkennt man dass die Verschiebung eine Verformung erzeugt. Die dazu benötigte Kraft F beschleunigt die Masse des Körpers. Der Scherstress, auch als Scherspannung bezeichnet, ist die Kraft, die pro Fläche benötigt wird um diese Beschleunigung und damit Verformung zu erzeugen und damit eine bestimmte Flussrate in einer viskösen Flüssigkeit zu erreichen. Er ist abhängig von der Größe der verschobenen Fläche, dem Abstand der beiden Flächen und der dynamischen Viskosität der dazwischen befindlichen Flüssigkeit

17 Die Strömung der Flüssigkeit wird durch die Bewegung der Platte erzeugt. Für u 1 0 und u 2 =0, also bei Verschiebung einer beweglichen gegen eine feste Platte, entsteht eine sogenannte ebene Couette- Strömung, die im Gegensatz zur Poisseuille-Strömung durch den Druck der Flüssigkeit selbst entsteht (Abbildung 8, Formel 2). 62 u F h η A Abbildung 8. Scherstress (modifiziert nach Oertel 62 ). Physikalische Größen, siehe Formel 2. u F τ = η = h A τ η u h F A Einheit Scherstress = Scherspannung dynamische Viskosität Geschwindigkeit Abstand Kraft Fläche N m dyne = Pa = 10 2 cm 2 = 0,0075mmHg Formel 2. Scherstress Hydrodynamischer Scherstress, im Weiteren nur als Scherstress bezeichnet, entsteht in VADs am Gehäuse, bei der Passage des Rotors, an den Rotorblättern und im Austrittsstrahl. Auch negativer Druck, also Sog, führt zu Scherstress. Indirekt wird der Scherstress durch die Flussprofile am Pumpenein- und -ausgang beeinflusst. 64,65 Tabelle 3 gibt typische Scherstresswerte im kardiovaskulären System und in verschiedenen VAD- Typen wieder. 17

18 Tabelle 3. Typische Werte für hämodynamischen Scherstress Scherstress in Pa Referenz Blutgefäße Arterie Vene 2-10 Pa 0,1-0,25 Pa angegeben bei Dong 35 und Zhang 36 angegeben bei Moake 47 und Dong 35 Pumpentypen zur Herzunterstützung Verdrängerpumpe 50 Pa HeartSaver VAD (implantierbar) 66 Axialpumpe 430 Pa LifeFlow VAD 67 Zentrifugalpumpe drehzahlabhängig, >300 Pa bei 3000 rpm Nikkiso HPM-15 (extrakorporal) 68 bis 500 Pa Prototyp 65 Scherstress und Proteolyse des Von-Willebrand-Faktors Wie bereits beschrieben wird der VWF durch Scherstress entfaltet und die A2-Domäne freigelegt, die den Angriffspunkt für die Protease ADAMTS13 bildet 69. Es handelt sich dabei um einen dynamischen Vorgang, da innerhalb von Sekunden eine Rückfaltung des VWF-Moleküls erfolgt 36. Die Prozessierung durch ADAMTS13 führt zu kleineren Multimeren. Je größer die VWF-Multimere sind, desto einfacher werden sie gespalten, da die das Multimer zusammenhaltenden Kräfte mit zunehmender Größe kleiner werden 36. Neu sezernierte sogenannte ultra large high molecular weight (ULHMW)-Multimere werden beispielsweise bereits bei dem in den Venen herrschenden Scherstress durch ADAMTS13 proteolysiert 70. Das Enzym bildet mit den zirkulierenden geknäulten HMW-Multimeren einen proteolytisch inaktiven Komplex 71. Unter einem Scherstress von 3,5 Pa entfalten sich diese globulären Moleküle zu fadenförmigen Strukturen 70. Die Linearisierung wird durch Anheftung von Thrombozyten an die VWF-Multimere noch gefördert 72. Bei einem hohen, aber physiologischen Scherstress von 10 Pa bestehen die Bedingungen, bei denen die Prozessierung durch ADAMTS13 zu den typischen zirkulierenden HMW-Multimeren mit einer Größe von 200 Monomeren oder ihrem Vielfachen führt 36. Scherstress und Hämolyse Scherstress verursacht eine spindelförmige Verformung der Erythrozyten. Während die Zellen im Normalzustand rund sind, kommt es unter einem Scherstress von etwa 200 Pa zu einem Verhältnis von Länge zu Breite von etwa 4,5 73. Dabei sind ältere Erythrozyten weniger verformbar 74 und empfindlicher gegen Scherstress als jüngere 75. Bereits ein Scherstress von 10 Pa führt bei Erythrozyten zu erhöhter Membranpermeabilität mit Einstrom von Na+-Ionen. Konsekutiv wird die ATP-abhängige Na+-Pumpe aktiviert, wobei für die ATP- Produktion Glucose verbraucht wird. Bei Glucosedepletion kommt es daher zu einem ATP-Mangel 18

19 und damit zum Anstieg des intrazellulären Na+. Dies führt durch Wassereinstrom zu einer Vergrößerung des Zellvolumens und damit zu einer erhöhten Vulnerabilität der Erythrozyten 76. Der Schwellenwert für die Freisetzung von Hämoglobin aus normalen Erythrozyten liegt je nach Messverfahren bei Pa 64,77,78. Dabei kommt es nicht sofort zu einer direkten Zytolyse, sondern im unteren kritischen Scherstressbereich zu einem schleichenden Hämoglobin-Verlust durch die Zellmembran 73,75. 19

20 3. Eigene Ergebnisse und Diskussion 3.1. Erworbenes Von-Willebrand-Syndrom Da Patienten mit mechanischer Herzunterstützung häufig Blutungskomplikationen zeigen und bekannt ist, dass die eingesetzten Pumpen Scherstress erzeugen, lag es nahe, in einem ersten Schritt Patienten mit mechanischer Langzeitherzunterstützung durch Ventricular Assist Devices (VAD) auf ein erworbenes Von-Willebrand-Syndrom (AVWS) hin zu analysieren. Dabei wurden auch die unterschiedlichen Auswirkungen der verschiedenen Pumpentypen berücksichtigt. Daran schlossen sich Untersuchungen zum ersten Auftreten und zur Reversibilität des AVWS bei diesen Patienten an. In weiteren Schritten wurden die Daten von Patienten mit Ersatz des nativen Herzens durch ein Total Artificial Heart (TAH) sowie von Patienten mit kurzfristiger mechanischer Herzunterstützung mittels Extracorporeal Life Support (ECLS) ausgewertet Erworbenes Von-Willebrand-Syndrom bei Patienten mit Ventricular Assist Devices Präliminäre Untersuchungen In einem ersten Schritt wurden VAD-Patienten auf ein AVWS untersucht. In diese retrospektive Analyse wurden zwölf Patienten eingeschlossen, denen zwischen Juni 2006 und Juli 2007 ein Unterstützungssystem implantiert wurde. Davon erhielten sieben Patienten ein HeartMate II (HM II) und fünf ein biventrikuläres PVAD (BVAD). Die Daten wurden innerhalb der ersten 30 Tage nach Implantation erhoben. Eine verminderte Bindung des VWF an Kollagen, gemessen als Quotient aus Kollagenbindungskapazität und VWF-Antigen (VWF:CB/VWF:Ag) war bei zehn von zwölf untersuchten Patienten nachweisbar. Die Bindung an den GPIb-Thrombozytenrezeptor, die sich im Quotienten der Ristocetin-Kofaktoraktivität zum VWF-Antigen (VWF:RCo/VWF:Ag) widerspiegelt, war ebenfalls bei zehn von zwölf ausgewerteten Patienten vermindert. Bei zehn Patienten wurde das Vorhandensein der HMW- Multimere des VWF untersucht, sie fehlten bei allen. Das gleiche Muster der Laborparameter war auch bei den sieben der zwölf Patienten vorhanden, die später als zehn Wochen nach VAD- Implantation nachuntersucht werden konnten. Als Kontrollgruppe dienten acht Patienten nach Herztransplantation. Hier wies nur ein Patient innerhalb der ersten 30 Tage auffällige Befunde auf. Im späteren Verlauf nach mehr als zehn Wochen wurden drei Patienten nachuntersucht, sie zeigten normale Werte. Mit dieser Publikation konnte erstmals an einer Gruppe von Patienten gezeigt werden, dass das erworbene Von-Willebrand-Syndrom unter VAD-Unterstützung auftritt. [EJCTS 2008] * * [eigene Veröffentlichung], vergleiche Seite 43 20

21 Auftreten des erworbenen Von-Willebrand-Syndroms im Zeitverlauf Wie in der Literatur gezeigt, treten Blutungskomplikationen bei VAD-Patienten bereits in den allerersten Tagen nach Implantation auf. Daher untersuchten wir sechs Patienten mit einem biventrikulären Thoratec-PVAD (BVAD) und elf Patienten mit einem HeartMate II nach einem, drei, 14, 30 und 60 Tagen (Abbildung 9). VWF:RCo/VWF:Ag VWF:CB/VWF:Ag 1,4 1,4 Ratio 1,2 1 0,8 0,6 normal Ratio 1,2 1 0,8 0,6 normal 0,4 0,4 0,2 0 0,2 n=17 n=17 n=12 n=12 n=11 n=6 0 n=17 n=17 n=12 n=12 n=11 n=6 präop präop Postoperativer Tag Postoperativer Tag Postoperativer Tag Postoperativer Tag Abbildung 9. Verhältnis der Ristocetin-Kofaktor-Aktivität (VWF:RCo) beziehungsweise der Kollagenbindungskapazität (VWF:CB) zum Von-Willebrand-Faktor (VWF) bei VAD-Patienten im Zeitverlauf. Vor der VAD-Implantation bestand bei keinem Patienten ein AVWS. Jedoch war bereits am ersten Tag unter VAD-Unterstützung bei fünf der sechs BVAD- und bei zehn der elf HM II-Patienten ein AVWS nachweisbar, nach drei Tage bei allen Untersuchten (BVAD, n=4, HM II, n=8). Nach zwei Wochen bestand ein AVWS bei vier von fünf BVAD- und bei allen analysierten sieben HM II-Patienten. Nach 30 beziehungsweise 60 Tagen waren jeweils alle VAD-Patienten betroffen. Zwischen den postoperativen Analysetagen bestanden keine Unterschiede in den für das AVWS charakteristischen Werten, also den Quotienten VWF:RCo/VWF:Ag und VWF:CB/VWF:Ag sowie den HMW- Multimeren des VWF. Von zwei Patienten mit einem VentrAssist fand sich bei jeweils einem am ersten Tag und nach zwei Wochen ein AVWS. [Thromb Haemost 2010], [EJCTS 2011] Das AVWS bleibt auch im weiteren Verlauf bestehen. Bei allen 13 Patienten, die drei Monate oder länger nach VAD-Implantation untersucht wurden, war das Multimermuster pathologisch (siehe auch Abbildung 10 B). [unveröffentlicht] Nach Herztransplantation oder erfolgreicher Entwöhnung vom VAD gehören Blutungen nicht mehr zu den führenden Komplikationen. Wir untersuchten daher neun Patienten nach VAD-Explantation. Zwei Patienten konnten entwöhnt werden, sieben wurden transplantiert. Während der Unterstützung war bei allen Patienten ein AVWS aufgetreten. Dieses ließ sich nach Beendigung der VAD-Unterstützung 21

22 bei keinem Patienten mehr nachweisen (Abbildung 10 A). Die Untersuchungen erfolgten bei vier Patienten bereits am ersten Tag nach Explantation (Abbildung 10 B), bei den anderen im weiteren Verlauf. [Thromb Haemost 2010] VWF:RCo/VWF:Ag VWF:CB/VWF:Ag A B 1,8 1,6 1,4 Ratio Ratio 1,2 1 0,8 normal normal 0,6 0,4 0,2 0 am VAD nach Explantation am VAD nach Explantation am VAD nach Explant. am VAD nach Explant. SHP Tag 7 Tag 160 SHP Tag 1 BVAD implantiert explantiert Abbildung 10. (A) Verhältnis der Ristocetin-Kofaktor-Aktivität (VWF:RCo) beziehungsweise der Kollagenbindungskapazität (VWF:CB) zum Von-Willebrand-Faktor (VWF) während der VAD-Unterstützung und nach Explantation (n=9). (B) VWF-Multimeranalyse eines Patienten sieben und 160 Tage nach BVAD-Implantation und am ersten Tag nach Entwöhnung. Pfeile markieren die fehlenden hochmolekularen VWF-Multimere. SHP, Standard-Humanplasma (Kontrolle) Es ließ sich also erkennen, dass sich das AVWS meist bereits innerhalb von 24 Stunden nach VAD- Implantation entwickelt und innerhalb von 24 Stunden nach Explantation zurückgebildet hat. Unsere Beobachtungen stimmen mit denen von Klovaite et al. 79, Uriel et al. 80 und Meyer et al. 81 überein. Sie berichten über das Auftreten eines AVWS bei allen Patienten mit HM II-Unterstützung, nicht aber vor Im- oder nach Explantation des VAD. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass das AVWS unmittelbar mit der Pumpenaktivität und dem damit verbundenen Scherstress verknüpft ist. Blutungskomplikationen Für sechs Patienten mit einem BVAD und elf Patienten mit einem HM II wurden die Blutungsereignisse, die eine chirurgische Revision erforderlich machten, innerhalb der ersten 60 Tage nach Implantation ausgewertet. Alle sechs BVAD-Patienten und zwei der elf HM II-Patienten erlitten derartige Blutungskomplikationen (Abbildung 11). 22

23 20 Tag Tag Anzahl BVAD HM II Abbildung 11. Blutungsbedingte Reoperationen bei 17 VAD-Patienten. Innerhalb der ersten zehn Tage waren zehn der insgesamt 18 Eingriffe bei BVAD-Patienten und zwei der sieben Re-Operationen bei HM II-Patienten notwendig. 20 Prozent (n=5) der schweren Blutungsereignisse traten bereits innerhalb der ersten 24 Stunden nach Implantation auf. Am Ende der 60- tägigen Nachbeobachtung waren noch zwei BVAD-Patienten und vier HM II-Patienten am Unterstützungssystem. Bei zwei Patienten mit einem VentrAssist traten über den gesamten Verlauf von sechs beziehungsweise zehn Monaten keine revisionsbedürftigen Blutungen auf. [Thromb Haemost 2010], [EJCTS 2011], [EJCTS 2012a] In Übereinstimmung mit Genovese et al. 10, die retrospektiv 195 Patienten mit verschiedenen Systemen untersuchten, war auch bei unseren Patienten die Blutungshäufigkeit in den ersten postoperativen Tagen besonders hoch. Ursächlich spielen unter anderem postoperative Thrombozytopenien 82, intrinsische und medikamentös bedingte Thrombozytenfunktionsstörungen, große Wundflächen, Mangel an Gerinnungsfaktoren durch Verbrauch und Synthesestörungen bei Leberinsuffizienz sowie therapeutische Antikoagulation eine Rolle. Die Bedeutung chirurgisch assoziierter Blutungskomplikationen wird untermauert durch die Beobachtung von Uriel et al., dass HM II-Patienten bei der Herztransplantation (HTX) einen höheren intraoperativen Transfusionsbedarf als primär transplantierte haben 80. Ebenso ist die Blutungstendenz relevant, wenn andere als herzchirurgische Eingriffe bei diesen Patienten erforderlich werden. Brown et al. berichten über hämorrhagische Komplikationen bei fast der Hälfte ihrer 142 Patienten 83. Von vier Arbeitsgruppen wurde über Gruppenanalysen von insgesamt 110 Patienten mit einem Heart- Mate II berichtet. Bei allen Patienten bestand ein AVWS mit erheblicher Verminderung der großen Multimere. 79,81,80,84 In einer Untersuchung von zehn Patienten mit Axial- und zwei Patienten mit Zentrifugalpumpen beobachteten Steinlechner et al. ebenfalls einen Verlust der HMW-Multimere bei den meisten Probanden

24 Die Daten weisen darauf hin, dass die Entwicklung eines AVWS zumindest für axialen Pumpen wie das HeartMate II typisch ist und bei diesen Patienten mit unter Umständen lebensbedrohlichen Blutungen auch bei sonst komplikationslosem Langzeitverlauf immer gerechnet werden muss. Unterschiede zwischen verschiedenen VAD-Systemen In den bisherigen Analysen fand sich, wahrscheinlich auch auf Grund der kleinen Fallzahlen, kein verwertbarer Hinweis auf eine unterschiedliche Ausprägung des AVWS bei den verschiedenen Unterstützungssystemen BVAD, HM II und VentrAssist. Lediglich für die beiden untersuchten VentrAssist- Patienten fiel auf, dass jeweils nur bei einem von zwei Zeitpunkten ein AVWS nachweisbar war. Deutliche Unterschiede fanden sich in der Häufigkeit schwerer Blutungskomplikationen. Diese lassen sich jedoch mit Unterschieden bei der Implantation, der therapeutischen Antikoagulation und dem Gesamtzustand der Patienten begründen. Das BVAD besteht aus zwei parakorporalen Pumpkammern, die über vier Kanülen angeschlossen werden müssen. Dadurch entsteht bei der Implantation eine vergleichsweise große Wundfläche. HM II und VentrAssist werden implantiert, die Kanülen sind kürzer und nur eine Driveline wird durch die Bauchdecke nach außen getunnelt. Diese beiden Systeme erfordern auch eine niedrigere Ziel-INR bei der Antikoagulation. Darüber hinaus sind Patienten, die unter einer Insuffizienz beider Ventrikel leiden und daher ein BVAD benötigen, in einem schlechteren klinischen Zustand als Patienten, bei denen nur eine linksventrikuläre Unterstützung erforderlich ist. Die beiden VentrAssist-Patienten nahmen an einer Studie teil, die vergleichsweise enge Einschlusskriterien in Bezug auf den allgemeinen Zustand des Patienten und die präoperative Organfunktionen hatte. [Thromb Haemost 2010], [Thorac Cardiov Surg 2010], [EJCTS 2011], [EJCTS 2012a] Nach mehreren Berichten mit allerdings sehr kleinen Fallzahlen tritt bei dem Herzunterstützungssystem HeartMate XVE kein AVWS auf 80,86,84. Hierbei handelt es sich um ein pulsatiles linksventrikuläres implantierbares System, das nur noch selten eingesetzt wird Erworbenes Von-Willebrand-Syndrom bei Patienten mit Total Artificial Hearts (TAH) Das Kunstherz im eigentlichen Sinne ersetzt das native Herz des Patienten, zum Beispiel bei primärem Transplantatversagen nach Herztransplantation oder bei ausgedehntem Myokardinfarkt. Drei Patienten mit einem TAH konnten auf AVWS innerhalb der ersten postoperativen Woche sowie nach mindestens drei Wochen untersucht werden. Dabei zeigten alle drei Patienten eine normale VWF- Thrombozyten-Bindung VWF:RCo/VWF:Ag und nur einer der drei eine gestörte VWF-Kollagen- Bindung VWF:CB/VWF:Ag (Abbildung 12 A). Die insgesamt vier durchgeführten Multimeranalysen zeigten ein normales Muster (vergleiche Abbildung 12 B). Bei TAH-Patienten scheint es also offenbar nicht zur Entwicklung eines AVWS zu kommen. Möglicherweise liegt dies an der der normalen Anatomie und Physiologie nahe kommenden Konstruktion. 24

25 Eine revisionsbedürftige Blutung trat bei einem Patienten nach 30 Tagen bei gleichzeitig grenzwertiger Thrombozytopenie auf. [Thromb Haemost 2010] Bisher sind keine weiteren Untersuchungen auf AVWS bei TAH-Patienten bekannt. Dabei muss allerdings berücksichtigt werden, dass die Implantationshäufigkeit von TAH im Verhältnis zu allen anderen VAD sehr gering ist und nur wenige Zentren mehr als 100 TAH implantiert haben. Ein erheblicher Teil dieser Patienten wurde vor der Erstbeschreibung des AVWS bei VAD-Patienten behandelt. 6,87 A B 0,9 0,8 0,7 0,6 Ratio Ratio 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 VWF:Rco/VWF:Ag VWF:RCo/VWF:Ag VWF:CB/VWF:Ag VWV:CB/VWF:Ag Tag 7 SHP Tag 30 SHP Abbildung 12. (A) Verhältnis der Ristocetin-Kofaktor-Aktivität (VWF:RCo) beziehungsweise der Kollagenbindungskapazität (VWF:CB) zum Von-Willebrand-Faktor (VWF) bei 3 TAH-Patienten. (B) VWF- Multimeranalyse für zwei Patienten sieben beziehungsweise 30 Tage nach Implantation. SHP, Standard-Humanplasma (Kontrolle) Erworbenes Von-Willebrand-Syndrom bei Patienten mit Extracorporeal Life Support (ECLS) In die Auswertung wurden 32 Patienten mit einer ECLS eingeschlossen. Jeweils zehn Patienten benötigten die Unterstützung wegen einer ischämisch bedingten Herzinsuffizienz und wegen eines Transplantatversagens. Je vier weitere Patienten erhielten die ECLS wegen einer dilatativen Kardiomyopathie, nach einem herzchirurgischen Eingriff oder aus anderen Indikationen. Neun Patienten konnten von der Unterstützung entwöhnt werden, zehn wurde ein VAD oder TAH implantiert, 13 Patienten verstarben unter ECLS. Für 19 der 32 Patienten waren auch Werte ohne ECLS verfügbar. Zehn Patienten wurden vor Implantation, neun Patienten nach Explantation analysiert. Werte unter VAD-Unterstützung wurden nicht einbezogen. Unter ECLS bestand bei 29 der 32 Patienten eine gestörte VWF-Thrombozyten-Bindung VWF:RCo/VWF:Ag. Bei 31 Patienten war die Bindung von VWF an Kollagen VWF:CB/VWF:Ag vermindert (Abbildung 13). Bei den selben 31 Patienten ließ sich außerdem ein Fehlen hochmolekularer 25

26 VWF-Multimere erkennen (Abbildung 14). Unterschiede zwischen peripher und zentral kanülierten Patienten waren nicht erkennbar. Damit wiesen 31 der 32 Patienten ein AVWS auf. Bei den Analysen ohne ECLS waren bei allen Patienten die HMW-Multimere normal, bei keinem waren beide Quotienten gleichzeitig vermindert. Ein AVWS war also bei den Kontrolluntersuchungen nicht nachweisbar (Abbildungen 13 und 14). 1,8 1,6 1,4 VWF:RCo/VWF:Ag VWF:CB/VWF:Ag Ratio Ratio 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 normal normal ECLS Kontrolle ECLS Kontrolle ECLS Kontrolle ECLS Kontrolle Abbildung 13. Verhältnis der Ristocetin-Kofaktor-Aktivität (VWF:RCo) beziehungsweise der Kollagenbindungskapazität (VWF:CB) zum Von- Willebrand-Faktor (VWF:Ag) unter ECLS. ECLS, Patienten mit Unterstützung, n=32, Kontrolle, vor Implantation oder nach Explantation der ECLS, n=19 dieser 32 Patienten. prä SHP ECLS SHP ECLS SHP post SHP Abbildung 14. VWF-Multimeranalyse für 2 ECLS-Patienten. Unter ECLS- Unterstützung sind die HMW-Multimere deutlich reduziert (Pfeil). prä, vor ELCS-Implantation, ECLS, während der Unterstützung, post, nach ECLS-Explantation, SHP, standard human plasma. Bei 22 der 32 Patienten traten unter ECLS Blutungskomplikationen auf. Insgesamt 21 Blutungsereignisse traten an den Kanülierungstellen auf und erforderten eine chirurgische Revision. Zwei Blutungen folgten operativen Eingriffen, sechs Ereignisse boten das typische Bild einer primären Hämostasestörung, wie sie auch beim angeborenen Von-Willebrand-Syndrom zu beobachten ist, beispielsweise Epistaxis oder gastrointestinale Blutungen. Bei sieben Patienten traten Hämorrhagien an mehreren Lokalisationen auf. Die Daten weisen darauf hin, dass das erworbene Von-Willebrand-Syndrom auch bei kurzfristiger mechanischer Herzunterstützung ein typisches Phänomen ist, das zur verstärkten Blutungsneigung bei ECLS-Patienten beitragen kann. [Intensive Care Medicine 2012] 26