Das akute Lungenversagen

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1 Das akute Lungenversagen P. Germann, G. Röder, R. Ullrich Universitätsklinik für Anästhesie und Allgemeine Intensivmedizin Allgemeines Krankenhaus Wien, Währinger Gürtel 18-20, 1090 Wien Einleitung Das akute Lungenversagen, definiert je nach Schweregrad als acute lung injury (ALI) oder acute respiratory distress syndrome (ARDS) (1), ist ein schweres inflammatorisches Syndrom der Lunge, das durch arterielle Hypoxämie, Dyspnoe, Tachypnoe und inhomogener intrapulmonaler Ausbreitung charakterisiert ist. Weltweit sind jährlich ca Patienten/Jahr betroffen (2). In Europa ist die Inzidenz zwischen 2-16/ Einwohner und Jahr. Die Mortalität des ARDS liegt trotz großer Fortschritte in der Intensivtherapie unverändert um %. Das ARDS kann entweder primär, durch direkte Einwirkung einer Noxe oder sekundär, als Folgeerscheinung anderer Erkrankungen entstehen (Tabelle 1). Tabelle 1: Häufigste Ursachen des akuten Lungenversagens direkte Lungenschädigung indirekte Lungenschädigung Pneumonie Sepsis Lungenkontusion Polytrauma Aspiration Massivtransfusion Inhalationstrauma Kardiopulmonaler Bypass Beinahe-Ertrinken Verbrennung Im Rahmen der American-European Consensus-Konferenz wurden einheitliche diagnostische Kriterien definiert, die die Vielzahl an vorbestehenden unterschiedlichen Definitionen ersetzten (Tabelle 2) (3). Ein weiteres Mittel zur Bewertung der vorliegenden Lungenschädigung stellt der Lung Injury Score von Murray dar (Tabelle 3) (4). Mit diesen Kriterien wird versucht das klinische Erscheinungsbild des akuten Lungenversagens so zusammenzufassen, dass Leitsymptome wie Hypoxie, respiratorischer Aufwand und radiologisches Erscheinungsbild einfließen. Tabelle 2: ALI/ARDS-Kriterien der Consensus-Konferenz *akuter Beginn *bilaterale Infiltrate im C/P *PCWP < 18 mmhg *pao 2 /FIO 2 300mmHg (unabhängig von einem eventuellen PEEP) = ALI *pao 2 /FIO 2 200mmHg (unabhängig von einem eventuellen PEEP) = ARDS 159

2 Tabelle 3: Lung injury Score nach Murray Punkte C/P keine Infiltrate 1 Quadrant 2 Quadranten 3 Quadranten 4 Quadranten PaO 2 /FIO 2 > <100 PEEP < >14 Compliance > <19 Gesamtsumme dividiert durch 4 = Score: 0 kein Lungenversagen; < 2,5 leichtes Lungenversagen; > 2,5 schweres Lungenversagen Pathophysiologie Die Pathogenese des akuten Lungenversagens umfasst eine komplexe Aktivierung von pro- und antiinflammatorischen Immunvorgängen die zur entzündlichen Schädigung des Alveolarepithels und des Gefäßendothels führen. Die Folge sind der Verlust an Alveolozyten und Surfactant, das Auftreten eines capillary leaks mit Austritt von Plasmaproteinen und intersitieller Ödembildung (5). Dem Einstrom von Neutrophilen und Makrophagen in das Lungenparenchym folgt ein massiver Ausstoß von proinflammatorischen Mediatoren (Interleukin-1, -6, -8, TNF-α) und vasoaktiven Prostaglandinen. Diese entzündlichen Veränderungen sind typischerweise fleckförmig und inhomogen über die Lunge verteilt. Infiltration, interstitielles und alveoläres Ödem führen letztendlich zu Atelektasen und den klinischen Zeichen der arteriellen Hypoxämie und der pulmonalen Hypertension. Die pathophysiologischen Vorgänge sind noch nicht voll entschlüsselt. Dies ist einer der Gründe, neben der multifaktorellen Genese des Lungenversagens, dass nach wie vor keine kausale Therapie vorhanden ist. Gasaustausch Der Hauptgrund für das Enstehen der arteriellen Hypoxämie ist die massive Erhöhung des intrapulmonalen Shunts, d.h. vermehrte Perfusion von minderbelüfteten Lungenarealen (Ventilations/ Perfusionsmismatch - oft bis zu 50% des Herzzeitvolumens). Selten liegt eine Diffusionsstörung durch Verlängerung der Gasaustauschstrecke vor (Fibrose). Weiters wird das Mißverhältnis von Ventilation zu Perfuison durch die massive Störung der hypoxisch pulmonalen Vasokonstriktion aggraviert, die physiologischerweise die Fähigkeit der Lunge darstellt, Verlust an Gasaustauschfläche zu kompensieren, indem pulmonaler Blutfluss von hypoxischen, minderbelüfteten Arealen weggeleitet wird. Lungenmechanik Im akuten Lungenversagen kommt es immer zu einer deutlichen Abnahme der Lungencompliance. Am Beginn der Erkrankung wird die funktionelle Residualkapazität durch Surfactantdysfunktion und Alveolärödem reduziert. Dies führt zu hohen Beatmungsdrücken damit eine entsprechende alveoläre Belüftung erreicht werden kann. Während am Beginn der Erkrankung eine funktionell kleine Lunge vorliegt (Baby lung), kommt es im späteren Verlauf durch strukturelle Veränderungen zur steifen Lunge (Fibrose). Der Stellenwert der iatrogenen Schädigung der Lunge durch die Anwendung von hohen Beatmungsdrücken und hohen Tidalvolumina ist mittlerweile eindeutig erkannt und daher in der Praxis der Beatmungstherapie zu berücksichtigen (6). Eine durch Sekret, Ödem, Bronchospasmus etc. bedingte Erhöhung der Lungenresistance kann die Ventilation weiters komplizieren. Atemarbeit Die Atemarbeit (Produkt aus Druck x Volumen) ist im akuten Lungenversagen deutlich erhöht und wird zusätzlich im spontanatmenden Patienten durch die vorliegende Tachypnoe erschwert. Die massive Erhöhung des Totraum/Tidalvolumen-Verhältnisses (von physiologischen 30% auf Werte bis zu 90%) erzwingt zur Aufrechterhaltung normaler arterieller CO 2 - Spiegel eine entsprechende Erhöhung 160

3 des Atemminutenvolumens. Der Anteil des Sauerstoffverbrauchs der Atemarbeit am gesamten Sauerstoffverbrauch kann dadurch auf Werte bis zu 50% steigen (Normalwert 5%). Extravaskuläres Lungenwasser Die drastische Störung der Kapillarpermeabilität führt zu einem Mißverhältniss von hydrostatischem zu onkotischem Druckgradient zwischen Kapillaren und Interstitium. Dadurch kommt es zu einer massiven Überschwemmung des Lymphdrainagesystems und es folgt eine Akkumulation von extravaskulären Wasser im Interstitium mit einem typischen proteinreichen, alveolären Ödem (diffuse alveolar damage - DAD) (7). Pulmonale Hämodynamik Bei allen Formen des schweren Lungenversagens besteht eine pulmonale Hypertension (8). Sie resultiert aus Vasokonstriktion durch alveoläre Hypoxie und Ausschüttung von vasoaktiven Mediatoren, sowie aus Gefäßverschlüssen durch intravaskuläre Mikrothromben. Im Langzeitverlauf steht die Widerstandserhöhung durch Verlust an Kapillaren aufgrund fibrotischer Umbauvorgänge im Vordergrund. Die Phasen des akuten Lungenversagens Das akute Lungenversagen wird in 3 Phasen eingeteilt: die frühe exsudative Phase (1.-5. Tag), die fibroproliferative Phase ( Tag) und die fibrotische Phase (ab 12. Tag). Nach etwa einer Woche ist das initiale Ödem großteils resorbiert und neutrophile Infiltrate sowie proliferierende Fibroblasten beherrschen das Bild. Schlussendlich kann das akute Lungenversagen in jeder Phase bis zur Restitutio ad integrum ausheilen oder in eine unterschiedlich ausgeprägte Fibrose übergehen. Therapie des akuten Lungenversagens Nach heutigem Wissenstand hat sich kein einzelner Therapieansatz als alleine erfolgreich erwiesen. Vielmehr wird heute eine Kombination mehrerer Therapiemodule in gewisser zeitlicher Abstimmung angewendet (Tabelle 4). An erster Stelle ist die chirurgische und/oder antibiotische Fokuselimination, soweit möglich, anzustreben beziehungsweise durchzuführen. Tabelle 4: Therapeutisches Spektrum der ARDS-Behandlung Respiratortherapie Permissive Hyperkapnie Kinetische Therapie Dehydration Seitengetrennte Ventilation SHF-Jet-Ventilation NO-Inhalationstherapie Prostazyklin Surfactantsubstitution ECMO Liquid-lung-ventilation IVOX 161

4 Respiratortherapie Im beginnenden Lungenversagen ist die Respiratortherapie der erste, primär lebenserhaltende Behandlungsschritt. Bei leichten Formen der respiratorischen Insuffizienz sind zur Aufrechterhaltung einer adäquten Oxygenierung oft nichtinvasive Beatmungformen ausreichend (9). Absolut notwendig dabei ist eine entsprechende Compliance des Patienten und ein mit nichtinvasiver Beatmung vertrautes medizinisches Personal (Ärzte/Pflege). Bei schweren Formen der respiratorischen Insuffizienz ist die Intubation unumgänglich. Bis dato konnte kein Einfluss des Beatmungsmodus (BIPAP, IPPV, IRV,etc.) auf die Mortalität nachgewiesen werden. Im Vordergrund steht die Vermeidung jeder weiteren Schädigung der erkrankten Lunge durch die Beatmung selbst. Es ist eindeutig gesichert, dass eine lungenprotektive Beatmungsstrategie die Überlebensrate im ARDS verbessert (10). Dabei sollten druckkontrollierte Beatmungsformen mit niedrigen Tidalvolumina bis max. 6ml/kg Körpergewicht (bezogen auf das Idealgewicht) verwendet werden. Der inspiratorische Spitzendruck sollte 35 cmh 2 O nicht überschreiten. Um ein adäqutes Minutenvolumen zu erreichen sind dafür oft höhere Beatmungsfrequenzen notwendig. Der PEEP (best PEEP) sollte über dem unteren Inflectionpoint der statischen Druck-Volumenkurve liegen. Die Ermittlung solcher Kurven ist klinisch äußerst schwierig und oft unpraktikabel. Klinisch-empirisch hat sich bestätigt frühzeitig ausreichend hohe PEEP Werte zu applizieren (8-10 cmh 2 O) (11). PEEP-Einstellungen >15 cmh 2 O bringen selten eine weitere Verbesserung der Oxygenierung. Die permissive Hyperkapnie (arterieller CO mmhg) kann helfen hohe Beatmungsdrücke zu vermeiden und hat sich als Teil einer lungenprotektiven Beatmungstherapie etabliert (12). In den letzten Jahren hat das früher oft praktizierte Konzept intermittierender Recruitmentmanöver unter dem Namen open-lung-concept ein revival erlebt, kurzfristige Anwendung hoher Inspirationsdrücke (50-60 mbar) zur Öffnung atelektatischer Alveolen und Offenhalten derselben mittels hoher, über dem Alveolar- Verschlussdruck liegender PEEP-Werte. Bei Vorliegen eines einseitigen Lungenversagens mit unterschiedlicher Compliance der beiden Lungenflügel oder bei einseitiger bronchopleuraler Fistel, kann eine seitendifferente Beatmung die iatrogene Schädigung der gesunden Lunge vermeiden helfen. Es ist aber zu bedenken, dass ein deutlich erhöhter technischer Aufwand durch zwei zu synchronisierende Respiratoren gegeben ist und die Bronchialtoilette hochgradig erschwert wird. Erneut diskutiert wird die Wertigkeit hochfrequenter Beatmungsformen wie der superponierten Hochfrequenz-Jetventilation (13) oder der oszillierenden Hochfrequenzbeatmung (14). Für diese Beatmungsmodi gilt wie für die konventionellen Beatmungsformen, dass keine Hinweise dafür vorliegen, dass der Beatmungsmodus alleine von Vorteil ist. Vielmehr ist festzuhalten dass eine lungenprotektive Beatmungsstrategie das Überleben im ARDS verbessert. Die Liquid-lung-ventilation oder partial liquidlung-ventilation (15) konnte die anfänglich in sie gesetzte Erwartungen nicht im geringsten erfüllen und gilt als obsolet. Gravitationstherapie In den dorsalen Anteilen der Lunge kommt es schwerkraftbedingt zu einer vermehrten Atelektasenbildung und einer erhöhten Perfusion. Zahlreiche Studien - und nicht zuletzt die tägliche klinische Erfahrungen - zeigen, dass mit der Bauchlagerung Gasaustasuchfläche wiedergewonnen werden kann und eine Verbesserung des Ventilation/Perfusion-Verhältnisses erreicht wird (16,17). Obwohl ein großer Teil der Patienten dadurch eine Verbesserung der Oxygenierung erfährt und eine Reduktion des Beatmungsaufwands erzielt werden kann, bleibt das Langzeitoutcome unbeeinflusst (18). 162

5 Dehydratation Eine negative Flüssigkeitsbilanz zielt auf die Reduktion des permeabilitätsbedingten Lungenödems. Die Dehydration kann durch Gabe von Schleifendiuretika oder mit kontinuierlicher veno-venöser Hämofiltration durchgeführt werden (Kontrolle von Flüssigkeitsbilanz und Körpertemperatur, Zytokinelimination). Obwohl die Wertigkeit der (eventuellen) Zytokinelimination noch immer kontroversiell ist, konnte kürzlich eindrucksvoll gezeigt werden, dass die high-volume veno-venöse Hämofiltration (im Vergleich mit einer low-volume HF) das Überleben von kritische Kranken verbesserte und dies unabhängig von der renalen Entlastung (19). Weiters konnte gezeigt werden, dass eine volumenskonstante high-volume Hämofiltration zu einer selektiven Verbesserung der Oxygenierung im experimentellen ARDS führt (20). NO-Inhalation Die Zumengung des potenten Vasodilatators Stickstoffmonoxid (NO) zum inspiratorischen Atemgasgemisch ermöglicht eine selektive Senkung des erhöhten Pulmonalisdruckes. Zusätzlich wird durch eine Umverteilung des pulmonalen Blutflusses von minder- oder nichtbelüfteten Lungenarealen zu solchen mit intakter Ventilation eine Verbesserung des Ventilation/Perfusionverhältnisses erreicht und der pulmonale Shunt verringert (21). Dadurch kommt es zu einer Steigerung der Oxygenierung und einer Reduktion des Beatmungsaufwandes. Diese adjuvante Therapie konnte zwar die Mortalität des Lungenversagens nicht senken, jedoch führte die Reduktion von aufwendigen und kostspieligen Therapieformen wie z.b. der extrakorporalen Membranoxygenierung, zur Zulassung von inhalativem NO durch die FDA (22). Prostaglandine Prinzipiell ist das Wirkprofil der vasodilatativen Prostaglandine in der inhalativen Anwendung ähnlich dem von inhalativem NO (23). Im Gegensatz zum inhalativen NO kommt es aber der Applikation von Prostazyklinen zu einer systemischen Resorption und einer dosisabhängigen Senkung des arteriellen Blutdrucks die ihre pharmakologische Breite deutlich einschränken. Surfactant Durch die im ARDS auftretende beträchtliche Synthesestörung und Destruktion des Surfactantfilms kommt es zu einer Erhöhung der Oberflächenspannung mit Kollaps der Alveolen. Durch exogene Zufuhr von modifiziertem, tierischem oder synthetisch produziertem Surfactant kann im Lungenversagen des Neugeborenen die Mortalität gesenkt werden. Beim Erwachsenen-ARDS jedoch kann bis heute noch keine eindeutige Empfehlung abgegeben werden (24). Extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) Bei Versagen aller konventioneller Therapieformen, besteht als ultima ratio die Möglichkeit des extrakorporalen Gasaustausches. Die am häufigsten angewendete Variante ist die extrakorporale CO 2 -Elimination mittels veno-venösem Kreislauf kombiniert mit einer niederfrequenten Beatmung (extracorporeal CO 2 removal, low frequency positive pressure ventilation: ECCO 2 -R-LFPPV) (25,26). Moderne heparinbeschichtete Schlauchsysteme haben die in der Frühpahse der ECMO massiven und letztlich limitierenden Blutungsprobleme zum Verschwinden gebracht. Die erste große amerikanische Multicenterstudie erbrachte keine höhere Überlebensrate in der ECMO-Gruppe, wobei damals in der Kontrollgruppe eine Mortalität von 90% auftrat (27). Die folgenden Erfahrungen und Modifikationen der ECMO-Therapie haben dazu geführt, dass dieses Verfahren, in den Händen spezialisierter Zentren, vor allem in Europa, als letzter Schritt der ARDS-Therapie erfolgreich angewendet wird (11,28). Die intravenöe Membranoxygenierung (IVOX) (29), bei der ein schlauchförmiger Membranoxygenator temporär in die Vena cava inferior gelegt wird und zum Gasaustausch beiträgt, befindet sich noch im Versuchstadium. 163

6 Zusammenfassung Obwohl die genauen Ursachen des ARDS nach wie vor nicht geklärt sind, ist es heute möglich durch Anwendung moderner Therapiealgorithmen und zeitlich gestaffelter, kombinierter Therapiemodule Überlebensraten von 80% zu erzielen. Todesfälle durch ein therapieresistentes solitäres Lungenversagen sind heute selten geworden. Die Mehrzahl der Patienten erliegt einem Multiorganversagen unter Beteiligung der Lunge. Bis heute fehlen uns Prädiktoren die es erlauben eine genaue Vorhersage und Einschätzung zu treffen welche Patienten überleben werden und welche nicht. Die Lebensqualität von Patienten nach überlebtem ARDS ist bemerkenswert gut (30), wie auch die Lungenfunktion und die Lungenstruktur sich binnen Jahresfrist auf % der Normwerte erholen kann. Literatur 1) Ashbaugh DG, Bigelow DB, Petty TL, et al. Acute respiratory distress in adults. Lancet 1967;2: ) Ware LB, Matthay MA. The acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 2000;342: ) Bernard GR, Artigas A, Brigham KL, et al. Report of the American-European Consensus conference on acute respiratory distress syndrome definitions, mechanisms, relevant outcomes and clinical trial coordination. Consensus Committee. J Crit Care 1994;9: ) Murray JF, Matthay MA, Luce JM, et al. An expanded definition on adult respiratory distress syndrome. Am Rev Respir Dis 1988;138: ) Demling RH. The modern version of adult respiratory distress syndrome. Annu Rev Med 1995;46: ) The Acute Respiratory Distress Syndrome Network. Ventilation with lower tidal volumes as compared with traditional tidal volumes for acute lung injury and the respiratory distress syndrome. N Engl J Med 2000;342: ) Demling RH, LaLonde C, Ikegami K. Pulmonary edema:pathophysiology, methods of measurement, and clinical importance in acute respiratory failure. New Horiz 1993;1: ) Zapol WM, Snider MT. Pulmonary hypertension in severe acute respiratory failure. N Engl J Med 1977;296: ) Rocker GM, Mackenzie MG, Williams B, et al. Noninvasive positive pressure ventilation: Successful outcome in patients with acute lung injury/ards. Chest 1999;115: ) Amato MBP, Barbas CSV, Medeiros DM, et al. Effect of a protective-ventilation strategy on mortality in the acute respiratory distress syndrome. N Engl J Med 1998;338: ) Ullrich R, Röder G, Urak G, et al. Controlled airway pressure, nitric oxide inhalation, prone position and extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) as components of an integrated approach to ARDS. Anesthesiology 1999;91: ) Hickling KG, Walsh J, Henderson S, et al. Low mortality rate in adult respiratory distress syndrome using low-volume, pressure-limited ventilation with permissive hypercapni: A prospective study. Crit Care Med 1994;22: ) Gordin P. High frequency jet ventilation for severe respiratory failure. Pediatr Nurs 1989;15: ) Riphagen S, Bohn D. High frequnecy oscillatory ventilation. Intensive Care Med 1999;25: ) Hirschl R, Tooley R, Parent A, et al. Improvement of gas exchange, pulmonary function, and lung injury with partial liquid ventilation. Chest 1995;108: ) Jolliet P, Bulpa P, Chevrolet JC. Effects of the prone position on gas exchange and hemodynamics in severe acute respiratory ditress syndrome. Crit Care Med 1998;26: ) Germann P, Pöschl G, Leitner C, et al. Additive effect of nitric oxide inhalation on the oxygenation benefit of the prone position in the adult respiratory distress syndrome. Anesthesiology 1998;89: ) Gattinoni L, Tognoni G, Pesenti A, et al. Effect of prone positioning on the survival of patients with acute respiratory failure. N Engl J Med 2001;345:

7 19) Ronco C, Bellomo R, Homel P, et al. Effects of different doses in continuous veno-venous haemofiltration on outcomes of acute renal failure: a prospective randomised trial. Lancet 2001;356: ) Ullrich R, Röder G, Lorber C, et al. Continuous venovenous hemofiltration improves arterial oxygenation in endotoxin-induced lung injury in pigs. Anesthesiology 2001;95: ) Rossaint R, Falke KJ, Lopez F, et al. Inhaled nitric oxide for the adult respiratory distress syndrome. N Engl J Med 1993;328: ) The Neonatal Inhaled Nitric Oxide Study Group. Inhaled nitric oxide in full-term and nearly fullterm infants with hypoxic respiratory failure. N Engl J Med 1997;336: ) Walmrath D, Schneider T, Pilch J, et al. Aerolised prostacyclin in adult respiratory distress syndrome.lancet 1993;342: ) Weg JG, Balk RA, Tharrat RS, et al. Safety and potential efficacy of an aerolized surfactant in human sepsis-induced adult respiratory distress syndrome. JAMA 1994;272: ) Gattinoni L, Pesenti A, Mascheroni D, et al. Low frequency positive pressure-pressure ventilation with extracorporeal CO 2 -removal in severe acute respiratory failure. JAMA 1986;256: ) Germann P, Balassa A, Röder G, et al. Effects of inhaled nitric oxide and extracorporeal membrane oxygenation on pulmonary hemodynamics and lymph flow in oleic acid lung injury in sheep. Crit Care Med 1997;25(11): ) Zapol WM, Snider MT, Hill JD, et al. Extracorporeal membrane oxygenation in severe acute respiratory failure. JAMA 1979;242: ) Lewandowski K, Rossaint R, Pappert D, et al. High survival rate in 122 ARDS patients managed according to a clinical algorithm including extracorporeal membrane oxygenation. Intensive Care Med 1997;23: ) Mortensen JD. Intravascular oxygenator: a new alternative method for augmenting blood gas transfer in patients with acute respiratory failure. Artif Organs 1992;16: ) Chatila WC, Kreimer DT, Criner GJ. Quality of life in survivors of prolonged mechanical ventilatory support. Crit Care Med 2001;