Optimierung von Extrakorporaler Kohlenstoffdioxid Entfernung am Zirkulationsmodell durch Einsatz von Rezirkulationsschleifen und pH-Senkung

Abstract

Die extrakorporale Kohlenstoffdioxideliminierung ECCO2R findet Anwendung in der Therapie des hyperkapnischen Lungenversagens im Rahmen des ARDS, dem Atemnotsyndrom des Erwachsenen. Auch das Management von Patienten mit akuten Exazerbationen der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung, COPD, sowie die „bridge to transplant“ beim Warten auf eine Lungentransplantation bei terminalem Lungenversagen stellen Einsatzgebiete der ECCO2R dar (Jeffries et al., 2017; Schwärzel, Jungmann et al., 2020; Zanella et al., 2014a). Während maschinelle Ventilation zu beatmungsassoziierten Lungenschäden in der ARDS Therapie führen kann, ermöglicht ECCO2R die ultraprotektive Beatmung von Patienten ohne lebensbedrohliche Hypoxämie (Hilty et al., 2017; Morelli et al., 2017; Scaravilli et al., 2016; Schwärzel, Jungmann et al., 2020; Zanella et al., 2013). Moderne extrakorporale Kohlenstoffdioxideliminierung benötigt jedoch hohe Blutflüsse von über einem Liter pro Minute für eine effektive Decarboxylierung und macht demnach die Kanülierung mit großlumigen Kathetern notwendig (Hilty et al., 2017; Jeffries et al., 2017; Schwärzel, Jungmann et al., 2020; Zanella et al., 2014a). Die Invasivität der Katheter zur Generierung eines ausreichenden Blutflusses sowie die alleinige Durchlässigkeit der Membran für gasförmige Substanzen und somit nicht für chemisch als Bicarbonat gelöstes Kohlenstoffdioxid stellen Einschränkungen der ECCO2R-Therapie dar (Scaravilli et al., 2016; Schwärzel, Jungmann et al., 2020; Zanella et al., 2013). Die Zielsetzung der vorgelegten Arbeit liegt in der Behebung dieser Probleme der modernen extrakorporalen Decarboxylierung. Um verschiedene Gegebenheiten zu konstruieren und gleichzeitig Tierversuche in frühen Forschungsphasen zu reduzieren, wurden folgende Ergebnisse an einem zweischleifigen, mit frischem Schweineblut gefüllten in-vitro Modell gewonnen, welches einen menschlichen Körper verbunden mit einer ECCO2R simuliert. Die Ziele der Studie liegen in der Entwicklung und Testung einer effizienten Low-Flow ECCO2R mit einer Rezirkulationsschleife, welche einen Teil des bereits decarboxylierten Blutes erneut durch die Membran führt. Durch pH-Senkung des Systems mittels Infusion einer sauren Kochsalzlösung soll weiterhin die Leistung der ECCO2R gesteigert werden. Zur besseren Übertragbarkeit auf klinische Szenarien wurde zudem der Einfluss der Bicarbonatkonzentration auf die Kohlenstoffdioxidauswaschung getestet. Zusätzlich erfolgte die Anpassung des in-vitro Modells an große, adulte Membranlungen, um eine breite klinische Anwendung zu ermöglichen. Die Auswertung der Messungen zeigte, dass Rezirkulationsschleifen mit nur geringem Verlust der Decarboxylierungsleistung in der Lage sind, den Blutfluss durch die Membran zu erhöhen ohne den Kanülenfluss steigern zu müssen. Durch Infusion saurer Kochsalzlösung in die Rezirkulationsschleife wurde sogar eine höhere Kohlenstoffdioxidauswaschung als durch handelsübliche ECCO2R-Systeme ohne Rezirkulation erreicht. Der Einbau einer Rezirkulationsschleife ermöglichte zudem die Verwendung üblicher adulter Membranlungen, welche einen hohen Membranfluss erfordern, in einer Low-Flow-ECCO2R. Diese Kombination aus großer Membranlunge und Rezirkulationsschleife stellt demnach eine effiziente Alternative zu aktuell verfügbaren Low Flow-Systemen mit pädiatrischen Membranen dar (Schwärzel, Jungmann et al., 2022, 2020).

Extracorporeal carbon dioxide removal, ECCO2R, applies to therapy of hypercapnic respiratory failure initiated by severe acute respiratory distress syndrome (ARDS). Furthermore, the management of patients with acute exacerbations of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) as well as the “bridge to transplant” for patients with terminal respiratory failure while waiting for lung transplantation constitute as possible applications for ECCO2R (Jeffries et al., 2017; Schwärzel, Jungmann et al., 2020; Zanella et al., 2014a). As mechanical ventilation in ARDS therapy can lead to ventilator induced lung injury and thus influence the healing process negatively, ECCO2R can be used to enable ultra-protective ventilation in patients without a life-threatening hypoxemia (Hilty et al., 2017; Morelli et al., 2017; Scaravilli et al., 2016; Schwärzel, Jungmann et al., 2020; Zanella et al., 2013). Modern ECCO2R therapy requires blood flow rates over one liter per minute, however, and consequently cannulation with relatively big catheters (Hilty et al., 2017; Jeffries et al., 2017; Schwärzel, Jungmann et al., 2020; Zanella et al., 2014a). The invasiveness of catheters that generate a sufficient blood flow, as well as the exclusive permeability of the membrane for aeriform substances and hence the impermeability for chemically as bicarbonate dissolved CO2, represent limitations of ECCO2R therapy (Scaravilli et al., 2016; Schwärzel, Jungmann et al., 2020; Zanella et al., 2013). The purpose of the presented study lies in the optimization of these problems of modern extracorporeal carbon dioxide removal. To construct different settings and reduce animal experiments in early phases on the other hand, following results were gained on a dual-loop in-vitro model filled with fresh porcine blood, that simulates a human body connected to an ECCO2R (Schwärzel, Jungmann et al., 2020). The development and testing of an efficient low-flow ECCO2R with a recirculation loop that brings back a portion of the decarboxylated blood over the membrane again, represents the primary aim of the study. Furthermore, via controlled pH reduction due to the infusion of an acidified saline solution, the efficiency of the ECCO2R shall be increased. To enable a better transmission to clinical scenarios, the effect of bicarbonate concentration on decarboxylation was explored. Moreover, the in-vitro model was adapted to large, adult membrane lungs to allow for a wide clinical application. Results show that recirculation loops are able to increase membrane blood flow without the need to rise cannula flow, though at the expense of slightly reduced CO2 transfer rates. However, when recirculation loops are enhanced with acidic infusions, this disadvantage in decarboxylation can even be overcompensated. On top of that, blood recirculation enables the use of commonly used adult membrane lungs with the need of a high membrane blood flow in a low-flow ECCO2R. The combination of large membrane lungs with a recirculation loop therefore presents an efficient alternative to currently available low flow setups based on pediatric membrane lungs (Schwärzel, Jungmann et al., 2022, 2020).