In der Intensivmedizin war zuletzt eine rasche Verbreitung extrakorporaler Lungenunterstützungssysteme zu beobachten. Ursächlich hierfür waren zum einen die Erfahrungen der Influenza-A/H1N1-Pandemie 2009/2010, bei der durch Einsatz der extrakorporalen Membranoxygenierung (ECMO) viele Patienten mit schwerstem Lungenversagen erfolgreich behandelt werden konnten [1]. Zum anderen wurde die Technik der Lungenunterstützungsverfahren während der letzten Jahrzehnte kontinuierlich verbessert. Die teils gravierenden Komplikationen der ersten Systemgeneration sind heute dank der Miniaturisierung und höheren Biokompatibilität eher beherrschbar. Daher können die Ergebnisse älterer Studien nicht zur Beurteilung moderner ECMO-Systeme herangezogen werden [13, 30].

Ältere Studien können nicht zur Beurteilung moderner ECMO-Systeme herangezogen werden

Die ursprüngliche und wesentliche Indikation einer extrakorporalen Lungenunterstützung ist das schwerste, therapierefraktäre Lungenversagen mit ausgeprägter Hypoxämie und/oder Hyperkapnie. Daneben rückt seit Kurzem auch die Option einer extrakorporalen Kohlendioxidelimination bei primär hyperkapnischem respiratorischem Versagen in den Fokus des Interesses. Hierfür werden Systeme verwendet, die mit niedrigeren Blutflüssen arbeiten und teils ausschließlich für diese Indikation entwickelt wurden. Insbesondere mit Blick auf diese Anwendung ist festzuhalten, dass der klinische Einsatz derzeit noch nicht durch eine qualitativ und quantitativ ausreichende Studienlage gedeckt ist.

In der vorliegenden Übersicht sollen die verschiedenen Systeme zur extrakorporalen Lungenunterstützung bei erwachsenen Patienten dargestellt werden. Dabei wird auf die Indikation, Effektivität und potenzielle Nebenwirkungen eingegangen. Vom technischen Prinzip her wird unterschieden zwischen pumpenfreien arteriovenösen Systemen [“interventional lung assist“ (ILA)] und pumpengetriebenen venovenösen Systemen (VV-ECMO). Erstere eignen sich zur Kohlendioxidelimination, während mit Letzteren bei hohem Blutfluss sowohl die Oxygenierung als auch die Kohlendioxidelimination substanziell unterstützt wird. Bei geringerem Blutfluss (< 2 l/min) finden pumpengetriebene Systeme auch als Low-flow-ECMO zur vorrangigen Kohlendioxidelimination Verwendung. Im Rahmen dieses Beitrags wird nicht auf venoarterielle ECMO-Verfahren eingegangen, die dann indiziert sind, wenn zusätzlich oder ausschließlich eine kardiozirkulatorische Unterstützung intendiert ist.

Venovenöse extrakorporale Membranoxygenierung

Prinzip

Das akute Lungenversagen [“acute respiratory distress syndrome“ (ARDS)] wird nach der sog. Berlin-Klassifikation in leichte, moderate und schwere Verlaufsformen eingeteilt [27]. Die Mortalität des schweren ARDS bei Erwachsenen beträgt etwa 45 % [9, 27]. Patienten mit schwerstem ARDS [Horowitz-Index (pAO2/FIO2) < 80 mmHg; positiver endexspiratorischer Druck (PEEP) > 15 cm H2O und Lung Injury Score (LIS) > 3,5], höherem Alter oder Komorbidität weisen eine höhere Sterblichkeit auf. Sie kann mehr als 80 % erreichen [6, 28, 29].

Heute gilt als gesichert, dass die hohe Sterblichkeit des ARDS nicht nur durch die Schwere der Grundkrankheit bedingt ist. Eine Rolle spielt auch der Einsatz einer nichtprotektiven Beatmung, die zu einer progredienten, beatmungsinduzierten Lungenschädigung führt [22]. Die Bedeutung extrakorporaler Lungenunterstützungsverfahren ist vor diesem Hintergrund darin zu sehen, eine akut lebensbedrohliche Hypoxämie zu bessern und das Ausmaß einer ventilatorassoziierten Lungenschädigung zu mindern.

Eine ECMO ist per se keine kausale Therapie

Selbstredend müssen alle konventionellen Verfahren in der Therapie des ARDS (Beatmung, Bauchlage, ggf. Relaxation, Volumenmanagement) nach dem aktuellen Stand des Wissens bestmöglich zur Anwendung gekommen sein, bevor eine VV-ECMO erwogen wird. Extrakorporale Verfahren dürfen nicht als Ersatz für eine unzureichende Intensivmedizin dienen. Nur wenn der lebensnotwendige Gasaustausch akut nicht gesichert werden kann oder eine protektive Beatmung aufgrund des gravierenden Lungenschadens nicht möglich ist, sollte die Indikation für eine extrakorporale Lungenunterstützung geprüft werden. Betont werden muss, dass eine ECMO per se keine kausale Therapie ist und immer eine Überbrückungsmaßnahme darstellt. Die Grundkrankheit, die zur Anwendung der ECMO führen soll, muss prinzipiell behebbar sein. Der Einsatz einer venovenösen ECMO sollte bei akutem Lungenversagen erwogen werden, wenn trotz optimierter konventioneller Beatmung mit ausreichendem PEEP und Lagerungstherapie das pAO2/FIO2-Verhältnis < 80 mmHg beträgt [4]. Indikationen und Kontraindikationen der VV-ECMO sind in Infobox 1 zusammengefasst.

 

Moderne miniaturisierte Systeme der VV-ECMO bestehen aus einer zu- und rückführenden Kanüle, einer Zentrifugal- bzw. Axialpumpe, einem plasmaresistenten Polymethylpenten-Diffusionsmembran-Oxygenator und einer Steuereinheit (Abb. 1).

Abb. 1
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Venovenöse extrakorporale Membranoxygenierung. a Cardiohelp-System (Firma Maquet Cardiopulmonary Care) und b Deltastream-III-Pumpe + Hilite-LT7000-Oxygenator (Firma Novalung)

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In der Regel sind alle blutführenden Komponenten mit einer antithrombotischen Beschichtung versehen, zumeist auf Heparinbasis. Für die systemische Antikoagulation mit unfraktioniertem Heparin reicht daher eine aktivierte partielle Thromboplastinzeit (aPTT) von etwa dem 1,5-Fachen der Norm als Zielwert aus, bei Blutungsneigung auch ein niedrigerer Wert.

Bei konventioneller Kanülierung wird bevorzugt eine etwa 38 cm lange Kanüle mit einem Durchmesser von 21–23 Fr perkutan in Seldinger-Technik über die rechte V. femoralis implantiert. Über diese wird das venöse Blut zum Oxygenator geleitet. Eine kürzere Kanüle mit 15–19 Fr – wenn möglich über die rechte V. jugularis interna – dient der Rückführung des oxygenierten und kohlendioxidarmen Bluts. Um eine übermäßige Rezirkulation zu vermeiden, die die Effektivität der VV-ECMO stark beeinträchtigen würde, soll der Abstand zwischen den Kanülenenden etwa 20 cm betragen.

In ausgewählten Fällen kann anstelle zweier Kanülen eine Doppellumenkanüle (23–31 Fr) über die rechte V. jugularis interna verwendet werden (Abb. 2). Die Indikation ist u. a. gegeben, wenn die Kanülierung der Leistenregion unmöglich ist oder wenn der Patienten an der ECMO mobilisiert werden soll („bridge to transplant“). Von Nachteil sind bei diesem Verfahren die schwierigere und potenziell komplikationsbehaftete Kanülierungstechnik sowie die deutlich höheren Kosten.

Abb. 2
figure 2

Doppellumenkanüle in V. jugularis interna und Mobilisation bei extrakorporaler Membranoxygenierung

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Effektivität, Überleben und klinische Studienlage

Die extrakorporale Sauerstoff- und Kohlendioxidtransferleistung moderner pumpengetriebener Lungenunterstützungsverfahren ist hocheffektiv und kann mehr als 70 % des Bedarfs betragen. Physikalisch bedingt ist die Kohlendioxideliminationsleistung meist höher als der Sauerstofftransfer. Ein vollständiger „Lungenersatz“ ist jedoch mit peripherer venovenöser Kanülierung nicht möglich.

Nach Initiierung der extrakorporalen Unterstützung kommt es zu einer sofortigen Verbesserung der Oxygenierung und Normalisierung des Kohlendioxidgehalts und pH-Werts; konsekutiv kann die Beatmungsinvasivität rasch reduziert werden [14, 16]. In Folge des verminderten Beatmungsspitzendrucks und der verringerten Tidalvolumina wird die beatmungsassoziierte Lungenschädigung reduziert und es kommt zu einer Stabilisierung der Hämodynamik. Gelegentlich kann trotz VV-ECMO keine ausreichende Oxygenierung erzielt werden, etwa wenn bei schwerer Sepsis das Herzzeitvolumen des Patienten sehr hoch ist. Potenzielle Ursachen einer Hypoxie bei ECMO und Interventionsmöglichkeiten sind in Tab. 1 zusammengefasst.

Tab. 1 Ursachen und Interventionsmöglichkeiten bei refraktärer Hypoxämie unter VV-ECMO
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Ein vollständiger „Lungenersatz“ ist mit peripherer venovenöser Kanülierung nicht möglich

In den vergangenen Jahren wurden mehrere Fallserien mit Anwendung miniaturisierter ECMO-Verfahren veröffentlicht. Erfahrene Zentren berichten von Überlebenszahlen von mehr als 60 %, bei jungen Patienten mit Influenza A/H1N1 auch von bis zu 75 % [1, 7, 17, 19, 21].

Mit CESAR wurde bislang nur eine randomisierte, kontrollierte Studie zur ECMO in der Erwachsenenintensivmedizin publiziert. Eine zweite wird derzeit durchgeführt (EOLIA). Die CESAR-Studie, in die insgesamt 180 Patienten mit schwerem Lungenversagen eingeschlossen wurden, zeigte einen knapp signifikanten Überlebensvorteil zugunsten der ECMO-Gruppe. Nach 6 Monaten wurde der primäre Endpunkt „Tod oder schwere Behinderung“ in der ECMO-Gruppe bei 37 % der Patienten erreicht, in der Kontrollgruppe bei 53 % (p = 0,03; [20]). Kritisch zu sehen ist, dass man alle Patienten für die ECMO-Behandlung in ein spezialisiertes Zentrum verlegte, während die Kontrollgruppe unstandardisiert und daher häufig nichtprotektiv in den peripheren Krankenhäusern weiterbehandelt wurde. Ein Transport mit ECMO war ebensowenig möglich wie ein Wechsel aus der Kontroll- in die ECMO-Gruppe bei Therapieversagen. Die Datenlage für den Einsatz eines ECMO-Verfahrens bei Erwachsenen ist nicht sehr umfangreich, weshalb eine wissenschaftlich gesicherte Evidenz nicht vorliegt. Allerdings kann inzwischen von einer empirischen Evidenz ausgegangen werden, sodass eine randomisierte, kontrollierte Studie mit einem Kontrollarm bei diesen schwerstkranken Patienten heute aus ethischen Gründen kaum mehr durchführbar ist.

In mehreren kürzlich publizierten Arbeiten wurde versucht, Prädiktoren für eine schlechte Prognose trotz ECMO-Einsatz herauszuarbeiten, um ggf. Hinweise für eine optimierte Indikationsstellung geben zu können. Eine höhere Sterblichkeit zeigten u. a. das Alter, ein immunkompromittierter Status, eine aggressive prolongierte Beatmung sowie Mehrorganversagen und Schock an [8, 18, 24, 25].

Die Dauer der extrakorporalen Therapie ist technisch prinzipiell nicht begrenzt, da der Oxygenator bei Thrombosierung gewechselt werden kann. In Einzelfällen werden heute Patienten über Monate mit extrakorporalen Verfahren unterstützt, wobei jedoch das Risiko für Komplikationen mit der Dauer der Behandlung steigt. Eindeutige Kriterien für die Entscheidung, ab wann eine Fortführung der Therapie nicht mehr sinnvoll ist, sind nur bedingt festzumachen, da die Fähigkeit der Lunge zur Restitution nach akuter Schädigung im Einzelfall nicht exakt vorhersehbar ist. Eine wesentliche Rolle in der Entscheidungsfindung zur Therapiebegrenzung wird zum einen das biologische Alter des Patienten und zum anderen das Auftreten irreversibler Organschädigungen, z. B. einer zerebralen Einblutung, spielen.

Pumpenfreie Systeme

Prinzip

Das pumpenfreie arteriovenöse System ILA (Novalung GmbH, Heilbronn) ist in Deutschland das derzeit am häufigsten genutzte System zur extrakorporalen Lungenunterstützung. Der Vorteile des Systems liegt in seiner einfachen Handhabung und Kompaktheit. Das Prinzip des ILA besteht darin, einen artifiziellen arteriovenösen Shunt mit zwischengeschaltetem Gasaustauschmodul herzustellen (Abb. 3). Die treibende Kraft für den Blutfluss durch das Gasaustauschmodul ist dabei das Druckgefälle zwischen dem arteriellen und venösen System. In der Regel wird eine A. femoralis als zuführendes Gefäß zum Oxygenator kanüliert; als rückführendes Gefäß wird meist die kontralaterale V. femoralis gewählt. Um die Gefahr einer Beinischämie gering zu halten, wird heute arteriell eine Kanüle mit einem Querschnitt von ≤ 15 Fr eingesetzt. Da keine Pumpe verwendet wird, bestimmt die Höhe des arteriellen Mitteldrucks (MAP) den Blutfluss durch das System. Für die systemische Antikoagulation stellt unfraktioniertes Heparin den Standard dar. Zumeist wird eine Ziel-aPTT von 50–60 s als ausreichend erachtet. Als Austauschgas dient Sauerstoff mit einer Flussrate bis 12 l/min.

Abb. 3
figure 3

„Interventional lung assist“ (Firma Novalung)

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Effektivität, Überleben und klinische Studienlage

Da in das Gasaustauschmodul des ILA arterielles, sauerstoffreiches Blut geleitet wird, ist ein Sauerstofftransfer nur in geringem Maße möglich. Geeignet ist das System v. a. zur Elimination von Kohlendioxid, sodass die potenzielle Indikation für den Einsatz in einer respiratorischen Azidose (pH < 7,20) besteht, die mit herkömmlichen Therapieverfahren nicht ausreichend beherrschbar ist. Voraussetzung ist eine normale linksventrikuläre Pumpfunktion mit einem MAP von mindestens 70 mmHg, da ansonsten kein ausreichender Blutfluss erzielt wird. Kontraindiziert ist die Anwendung des ILA bei Vorliegen einer

  • Herzinsuffizienz,

  • schweren Hypoxämie,

  • fortgeschrittenen peripheren arteriellen Verschlusskrankheit oder

  • heparininduzierten Thrombozytopenie Typ II.

Die Effektivität hängt vom Blutfluss und Gasfluss über das System sowie vom arteriellen pACO2 ab; bis zu 50 % des produzierten Kohlendioxids können entfernt werden [15].

Infolge der extrakorporalen Kohlendioxidelimination kann die Ventilation des Patienten deutlich reduziert werden; durch kleinere Tidalvolumina und reduzierte Beatmungsdrücke ist eine protektivere Beatmung möglich [2, 15]. Bislang steht der Nachweis aus, dass hierdurch das Überleben verbessert wird. Bein et al. konnten in einer prospektiven, randomisierten, multizentrischen Studie (Xtravent), in der eine ultraprotektive Beatmung (ILA + Tidalvolumen 3 ml/kgKGideal) mit der Kontrollgruppe einer konventionellen protektiven Beatmung (Tidalvolumen 6 ml/kg) verglichen wurde, zwar belegen, dass die Beatmungszeit in einer Subgruppe mit einem pAO2/FIO2-Verhältnis < 150 mmHg verkürzt werden konnte. Im Gesamtkollektiv ließ sich für den primären Endpunkt „ventilator-free days at day 28 and day 60“ ein signifikanter Unterschied jedoch nicht zeigen [3].

Als weitere Indikation für den ILA wird der Einsatz bei primär hyperkapnischen Patienten beschrieben, die durch eine nichtinvasive Beatmung nicht stabilisiert werden können. Kluge et al. [12] konnten in einer retrospektiven Analyse nachweisen, dass sich mit dem ILA der pH, der pACO2 und die Atemfrequenz signifikant verbesserte und in vielen Fällen eine Intubation vermieden werden konnte. Auch für diese Indikation liegen jedoch keine randomisierten Studien vor.

Venovenöse Low-flow-Systeme

Seit einigen Jahren werden neue Systeme eingesetzt, die bei niedrigem Blutfluss und venöser Kanülierung Kohlendioxid eliminieren. Hierbei ist das Gasaustauschmodul in einen Dialysekreislauf integriert (decap, Firma Hemodec, Salerno, Italien) oder es kommen Stand-alone-Geräte zum Einsatz (Hemolung RAS, Alung Technologies, Pittsburgh, USA). Kleine Fallserien scheinen eine Effektivität zu belegen, ohne dass jedoch bisher relevante Outcome-Parameter untersucht worden sind [5, 10, 26]. Als problematisch können sich die begrenzte Effektivität und Haltbarkeit der Systeme, ihre hohen Kosten und die Frage nach der idealen Kanüle erweisen. Zu Nebenwirkungen und Komplikationen liegen kaum Daten vor; letale Blutungsereignisse und ein Thrombozytenabfall sind beschrieben [5]. Bis ausführlichere Untersuchungen vorliegen, muss die Anwendung dieser Systeme noch kritisch gesehen werden. Derzeit kann sie nur im Rahmen klinischer Studien empfohlen werden.

Karagiannidis et al. [11] konnten im Tierexperiment kürzlich nachweisen, dass zur suffizienten Behandlung einer schweren respiratorischen Azidose – und nur diese stellt eine potenzielle Indikation zur extrakorporalen Kohlendioxidelimination dar – Blutflüsse von mindestens 800–1000 ml/min benötigt werden. Sollte der Nachweis einer Überlebensverbesserung durch die extrakorporale Kohlendioxidelimination gelingen, werden sehr wahrscheinlich nur Systeme in den klinischen Alltag Eingang finden, die hierzu in der Lage sind.

Gefahren und Komplikationen

Wenngleich moderne extrakorporale Lungenunterstützungssysteme im Vergleich zu Geräten der ersten Generation aufgrund verbesserter Biokompatibilität und verkleinerter Fremdoberfläche eine geringere Antikoagulation benötigen und dadurch das Blutungsrisiko deutlich verringert wurde, bleibt die Anwendung an kritisch kranken Patienten ein Verfahren mit potenziell lebensbedrohlichen Komplikationen. Die Datenlage zur Inzidenz von Nebenwirkungen ist insgesamt spärlich; ein Überblick über das Register der Extracorporeal Life Support Organization (ELSO) findet sich bei Brodie u. Bacchetta [4].

Der Einsatz großlumiger Kanülen bringt ein nicht zu vernachlässigendes Risiko gravierender Gefäßschädigungen, einer Kanülenfehllage oder einer Perikardtamponade mit sich. Bei arterieller Kanülierung (ILA-System) besteht die Gefahr einer peripheren Ischämie; durch die Verwendung kleinerer Kanülen und Beachtung der Kontraindikationen konnte sie auf etwa 5 % reduziert werden [31]. Infolge der venösen Kanülierung können Thrombosen entstehen, die vermutlich bei mehr als 10 % aller Patienten auftreten [23]. Eine sonographische Kontrolle und ggf. eine weitere Antikoagulation nach Dekanülierung müssen durchgeführt werden, um die Gefahr einer Lungenembolie zu vermindern.

Eine Oxygenatordysfunktion, meist als Folge einer progredienten Thrombosierung, wird regelmäßig beobachtet und erfordert einen Austausch des Oxygenators. Ist der Patient von der extrakorporalen Versorgung abhängig, muss dieser Wechsel sehr schnell erfolgen, um eine lebensbedrohliche Hypoxie zu verhindern. Selten kommt es auch zu einer Thrombenbildung im Pumpenkopf, die sich dann als schwere Hämolyse manifestiert. Neben einem Tausch des Systems muss dann immer an die Möglichkeit einer heparininduzierten Thrombozytopenie gedacht werden, die unserer Erfahrung nach bei ECMO vermehrt auftreten kann. Alle Patienten an extrakorporalen Systemen weisen eine erhöhte Blutungsneigung auf, die nicht allein durch den regelhaft zu beobachtenden Thrombozytenabfall verursacht wird, sondern auch Folge einer Störung der plasmatischen Gerinnung und Thrombozytenfunktion ist. Ob die genannten Risiken bei Verwendung kleinerer Systeme zur Kohlendioxidelimination vermindert auftreten, ist bisher nicht geklärt und fraglich.

Rahmenbedingungen

Die Behandlung eines Patienten mit der ECMO ist komplex und erfordert ausreichende Erfahrung. Daher sollte sie nur in Zentren durchgeführt werden, die eine ausgewiesene medizinische Expertise in der Behandlung des schweren ARDS besitzen, über die nötige technische Expertise im Umgang mit extrakorporalen Systemen verfügen und > 10 Fälle pro Jahr mittels ECMO behandeln. Bei Verlegung aus peripheren Häusern sollten primär Zentren mit einem mobilen ECMO-Team angesprochen werden, das einen Transport an ECMO sicher durchführen kann. Selbstverständlich muss rund um die Uhr erfahrenes Personal aller benötigten Berufsgruppen zur Verfügung stehen (Ärzte, Pflegepersonal, Kardiotechniker). Um Komplikationen sofort beherrschen zu können, bedarf es einer effektiven Blutbank, eines Labors für klinische Chemie, eines Computertomographen sowie der schnellen Verfügbarkeit eines Bauch-, Thorax- und Gefäßchirurgen. Im Rahmen des Qualitätsmanagements sind die regelmäßige Weiterbildung, die Durchführung einer Morbiditäts- und Mortalitätskonferenz sowie die Teilnahme an einem nationalen oder internationalen Register wünschenswert.

Ausblick

Technisch optimierte und miniaturisierte extrakorporale Organunterstützungssysteme sind heute bereits fester Bestandteil der intensivmedizinischen Behandlung des lebensbedrohlichen Lungen- oder Kreislaufversagens. Wenngleich randomisierte Studien weitgehend fehlen, bestehen doch kaum mehr Zweifel, dass die Anwendung bei richtiger Indikationsstellung Leben rettet. Insbesondere Nebenwirkungen und Komplikationen müssen detaillierter erforscht werden, um die Ergebnisse weiter verbessern zu können und durch weitere Optimierung der Biokompatibilität eine sichere Langzeitanwendung zu ermöglichen.

Fazit für die Praxis

  • Extrakorporale Lungenunterstützungssysteme sind beim Erwachsenen im Falle eines schweren akuten Lungenversagens indiziert, wenn der lebensnotwendige Gasaustausch mit konventionellen Methoden nicht mehr oder nur durch aggressive Ventilation zu sichern ist.

  • Moderne, miniaturisierte Verfahren sind in der Lage, hocheffektiv Sauerstoff zu transferieren (VV-ECMO) und Kohlendioxid zu eliminieren (VV-ECMO, ILA, venovenöse Low-flow-Systeme).

  • Extrakorporale Lungenunterstützungssysteme verringern die Invasivität der mechanischen Beatmung und die damit verbundene ventilatorinduzierte Lungenschädigung deutlich. So lässt sich Zeit für die Heilung der Lunge gewinnen.

  • Der Nutzen der extrakorporalen Unterstützung muss stets gegen die potenziell schwerwiegenden Komplikationen abgewogen werden.