Extrakorporale Lungenunterstützung: Analyse und vergleichende Betrachtung dreier Verfahren hinsichtlich ihrer Effektivität und Auswirkungen auf das Gerinnungssystem und das Überleben

Abstract

Fragestellung: Bei den extrakorporalen Lungenersatzverfahren sind pumpenlose von pumpengetriebenen sowie Systeme im Hochflussbereich von denen im Niedrigflussbereich zu unterscheiden. Drei dieser Systeme wurden hinsichtlich Effektivität, Auswirkungen auf Gerinnungs- und Hämolyseparameter, Hämoglobinwert, Thrombozytenkonzentration und Überlebensrate verglichen: die arterio-venöse extrakorporale Kohlenstoffdioxidentfernung (avECCO2R) (Niedrigflussbereich, pumpenlos), die veno-venöse extrakorporale Kohlenstoffdioxidentfernung (vvECCO2R) (Niedrigflussbereich, pumpengetrieben) und die veno-venöse extrakorporale Membranoxygenierung (vvECMO) (Hochflussbereich, pumpengetrieben). Methoden: In dieser retrospektiven Single-Center Studie wurden insgesamt 115 Patienten, hiervon 71 Patienten, die mittels vvECMO und je 22 Patienten, die mittels avECCO2R und vvECCO2R behandelt wurden, verglichen. Die Effektivität wurde anhand der Blutgasparameter und des Horowitz-Index (PaO2/FiO2) vor sowie vier bis sechs Stunden nach Etablierung des Lungenersatzverfahrens analysiert. Hinsichtlich des Hämoglobinwertes, der Thrombozytenkonzentration und der Auswirkungen auf die Gerinnungsparameter wurden die letzten Werte vor mit den Werten der ersten acht Tage der jeweiligen Therapieform verglichen. Für die Überlebenszeitanalyse wurden die Zeitpunkte des Therapiebeginns und des Todes bzw. des letzten Zeitpunktes, zu dem der Patient nachweisbar am Leben war, herangezogen. Wesentliche Ergebnisse: Die analysierten Systeme bewirkten eine statistisch signifikante Erhöhung des pH-Wertes (avECCO2R und vvECMO: p<0,001, vvECCO2R: p= 0,002) und Verringerung des arteriellen Kohlenstoffdioxidpartialdruckes (jeweils p<0,001). Bezüglich des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes und des Horowitz-Index ergab sich bei der vvECMO-Gruppe eine statistisch signifikante Erhöhung (p=0,008 und p<0,001), bei der vvECCO2R-Gruppe keine Veränderung und bei der avECCO2R-Gruppe eine statistisch signifikante Verringerung (p<0,001 und p=0,008). Bei den pumpengetriebenen Systemen fielen Hämoglobinwert und Thrombozytenkonzentration stärker ab als im pumpenlosen System, die Hämolyse überwog ebenfalls. Der Fibrinogenwert fiel bei allen drei Systemen ab. Antithrombin III sowie INR blieben bei allen drei Systemen stabil. Die Überlebensrate beim Einsatz des pumpenlosen Systems stellte sich am niedrigsten dar. Schlussfolgerungen: Zur suffizienten Kohlenstoffdioxidentfernung sind auch niedrige Blutflüsse ausreichend, da der Effekt vor allem auf dem Gasfluss beruht. Die Oxygenierung hängt hauptsächlich vom Blutfluss ab. Der Kontakt des Blutes mit Fremdoberflächen führt allgemein zu einer Aktivierung des Gerinnungssystems. Diese fällt bei den pumpengetriebenen Systemen stärker aus. Ursächlich ist hauptsächlich ein größerer Scherstress, der durch die Pumpe verursacht wird. Durch den Scherstress kommt es außerdem zu einem deutlicheren Absinken der Thrombozytenkonzentration sowie einer stärker ausgeprägten Hämolyse mit resultierender Reduktion des Hämoglobinwertes. Eine Verbesserung der Biokompatibilität sowie die Entwicklung von Pumpen mit geringerer Induktion von Scherstress ist ein Ziel für die Zukunft. Die Überlebensrate hängt von vielen unterschiedlichen Faktoren ab und ist bei pumpenlosen Systemen am niedrigsten.

Introduction: In extracorporeal respiratory support different systems are in use: pumpless and pump-driven systems and those with high flow and low flow rate. Three of these were compared regarding effectiveness, effects on coagulation system, hemolysis, hemoglobin level, platelet count and survival rate: arterio-venous extracorporeal carbon dioxide removal (avECCO2R) (low-flow, pumpless), veno-venous extracorporeal carbon dioxide removal (vvECCO2R) (low-flow, pump-driven) and veno-venous extracorporeal membrane oxygenation (vvECMO) (high-flow, pump-driven). Methods: In this retrospective single-center study, a total of 115 patients, including 71 patients treated by vvECMO, 22 patients treated by avECCO2R and 22 patients treated by vvECCO2R were compared with each other. The effectiveness was measured on the basis of blood gas analysis and Horowitz index (PaO2/FiO2) before and six hours after starting the extracorporeal support. Hemoglobin levels, platelet count and effects on the coagulation system were analyzed based on the last values before and those from day one to day eight after starting the device. For the survival analysis, the start of treatment and death of the patient or the last time at which the patients were ascertained alive was used. Results: All devices caused a statistically significant increase in pH (avECCO2R and vvECMO: p<0,001, vvECCO2R: p= 0,002) and reduction in arterial partial pressure of carbon dioxide (each p<0,001). Regarding the arterial partial pressure of oxygen and Horowitz index, there was a statistically significant increase in the vvECMO group (p=0,008 and p<0,001), no statistically significant change in the vvECCO2R group and a statistically significant decrease in the avECCO2R group (p<0,001 and p=0,008). In the pump-driven systems, hemoglobin levels and platelet count dropped more than in the pumpless system, hemolysis also prevailed. Fibrinogen levels decreased in all three devices. Antithrombin III and INR remained stable. The survival rate was lowest using the pumpless device. Conclusion: Low blood flows are sufficient for adequate carbon dioxide removal, since the effect is mainly based on gas flow. Oxygenation mainly depends on blood flow. Contact of blood with foreign surfaces generally leads to an activation of the coagulation system. This is more pronounced with pump-driven systems. This is mainly due to greater shear stress caused by the pump. The shear stress also results in a significant reduction in platelet concentration and greater hemolysis resulting in reduction in hemoglobin levels. An improvement in biocompatibility and the development of pumps with lower induction of shear stress is a goal for the future. Survival rate depends on many different factors and is lowest using the pumpless system.