Extrakorporale Membranoxygenierung

Unterstützung für kranke Lungen

Zu sehen ist die Nahaufnahme eines Gerätes, durch dessen Schläche und Behälter Blut fließt.

Die ECMO ist heute unverzichtbar in der modernen Notfall- und Intensivmedizin.

Quelle: Werner Krüper/UKR

Die extrakorporale Membranoxygenierung - kurz ECMO - reichert das Blut mit Sauerstoff an, entfernt Kohlendioxid und übernimmt so die Aufgaben der Lunge. Wegen der hohen Komplikationsrate und anderer Schwierigkeiten führte das Verfahren lange ein Schattendasein. Dank technischer Innovationen und Weiterentwicklungen erlebt die ECMO jetzt eine Renaissance bei der Behandlung von Patienten mit Lungenversagen. Neue Anwendungsgebiete wie die Überbrückung der Wartezeit bis zu einer Organtransplantation befeuern den Boom des extrakorporalen Lungenersatzes. Auch an der implantierbaren künstlichen Lunge wird bereits geforscht. von Ulrich Kraft

Nach dem ersten erfolgreichen Einsatz Anfang der 1970er Jahre durchlebte die extrakorporale Membranoxygenierung ein langes Tief. Technische Neuerungen haben die alten Probleme heute ganz oder teilweise behoben – und die ECMO boomt.

Erst Anfang 20 war der junge Mann, der vor den Augen von J. Donald Hill und seinen Kollegen im Krankenhaus von Santa Barbara mit dem Tod rang. Akutes Lungenversagen in Folge eines schweren Motorradunfalls, lautete die fatale Diagnose. In ihrer Not rangen sich die kalifornischen Ärzte zu einer Pioniertat durch. Sie schlossen den Patienten an ein außerhalb des Körpers befindliches Gerät an, das die Aufgaben der versagenden Atmungsorgane übernehmen sollte.

Extrakorporale Membranoxygenierung oder kurz ECMO heißt diese Technologie, bei der das Blut an einer gasdurchlässigen Membran – dem Oxygenator – mit Sauerstoff angereichert und von Kohlendioxid befreit wird. Das kühne Vorhaben gelang: Nach drei Tagen hatte sich der Zustand des Schwerstverletzten soweit stabilisiert, dass er ohne das auch als Extracorporal Life Support (extrakorporale Lebensunterstützung, ECLS) bezeichnete System auskam. Diese Behandlung fand im Jahr 1971 statt, und es war der weltweit erste Einsatz der ECMO über einen längeren Zeitraum.

Euphorie legte sich schnell

Was folgte, war eine Phase der Euphorie, die sich allerdings schnell legte. In kontrollierten Studien kam es unter der Therapie zu gravierenden Komplikationen, insbesondere bei der Blutgerinnung, und auch der erhoffte Überlebensvorteil konnte nicht belegt werden. Zudem sorgten der hohe technische und personelle Aufwand, die Größe der Apparatur und viele weitere Probleme dafür, dass das Verfahren wieder weitgehend in der Versenkung verschwand.

Im Bild zu sehen sind sieben Anzug-tragende Männer, die für die Kamera posieren.

Höchste ECMO-Standards in Regensburg
Die internationale Fachgesellschaft Extracorporal Life Support Organization (ELSO) hat das ECMO-Zentrum des Universitätsklinikums Regensburg (UKR) mit ihrer höchsten Auszeichnung, dem Award for Excellence in Life Support – Platinum Level, gewürdigt. Professor Roberto Larusso (Mitte) übergab den Award an das Regensburger ECMO-Team beim ELSO-Jahreskongress im Mai in Maastricht, Niederlande. Die Regensburger Spezialisten konnten bereits mehrere Innovationen für die Intensivmedizin auf den Weg bringen. 2006 entwickelten sie die weltweit kleinste, tragbare Herz-Lungen-Maschine. 2014 etablierten sie ein Reanimationsfahrzeug mit einer transportablen Herz-Lungen-Maschine. „Dieses Projekt ist weltweit immer noch einmalig. Seitdem das ECMO-Team mit dem Reanimationsfahrzeug mobil einsetzbar ist und nach Bedarf zu Notfällen hinzugezogen werden kann, konnten wir die Überlebensraten bei unseren Patienten deutlich steigern“, erläutert Dr. Dirk Lunz, Oberarzt in der Klinik für Anästhesiologie und Leiter der ECMO-Transporte am UKR.

Quelle: ELSO

Eine Reihe von Neuerungen und Weiterentwicklung haben die ECMO aber in den letzten Jahren wesentlich effektiver, einfacher und sicherer gemacht. Deshalb wächst die Zahl der Kliniken, die bei der Behandlung von lebensbedrohlichen Lungenerkrankungen auf die Technologie zurückgreifen, stetig an. In einem im Ärzteblatt erschienenen Artikel sprechen die Autoren sogar von einer „weltweiten Renaissance der extrakorporalen Lungenunterstützung“. Ein Grund dafür war die H1N1-Influenza-Pandemie („Schweinegrippe“) 2009/2010, die vor allem bei jungen Betroffenen ungewöhnlich oft ein akutes Lungenversagen (Acute Respiratory Distress Syndrome ARDS) auslöste und damit einen verstärkten Einsatz der ECMO erforderte. Auch die Statistiken epidemiologischer Studien zeigen, dass die Systeme heute um ein Vielfaches häufiger verwendet werden als noch vor zehn Jahren.

Mehr im Internet:

Müller, t. et al.: Extrakorporale Lungenunterstützung bei schwerem Lungenversagen des Erwachsenen. In: Deutsches Ärzteblatt International 2013, 110(10): 159-166

Karagiannidis, C. et al.: Extracorporeal membrane oxygenation: evolving epidemiology and mortality. In: Intensive Care Med 2016, 42(5): 889-896

Thrombosierungen und Störungen der Blutgerinnung sind nach wie vor die größten Probleme bei der extrakorporalen Lungenunterstützung. Verbesserte Pumpen und Gasaustauschmembranen sollen diese Komplikationen reduzieren.

„Im Prinzip arbeiten die Maschinen zuverlässig“, sagt Christian Karagiannidis, Leiter des ECMO-Zentrums an der Lungenklinik Köln-Merheim. „Wir können sie aber noch nicht unbegrenzt lange einsetzen, und es gibt auch immer noch relevante Komplikationen.“ Deshalb müssten die Systeme weiter optimiert werden, so der Experte.

Zu sehen ist das Portrait eines smarten Mannes mittleren Alterns mit dunklen kurzen Haaren und dunkel gerahmter Brille, der in die Kamera lächelt.

Dr. Christian Karagiannidis leitet das ECMO-Zentrum an der Lungenklinik Köln-Merheim. Er ist Deutschlands erster Professor für extrakorporale Lungenersatztherapie.

Quelle: Universität Witten-Herdecke

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten der extrakorporalen Membranoxygenierung. Bei der veno-arteriellen ECMO (va-ECMO) wird sauerstoffarmes Blut über eine großlumige Kanüle in der Leistenvene zum Oxygenator und von dort über eine Arterie am Hals oder in der Leistenregion zurück in den großen Kreislauf geleitet, unter Umgehung des Herzens. Daher lässt sich diese Variante zum Ersatz beider Organe verwenden, während die veno-venöse ECMO ausschließlich die Lunge unterstützt. Hier erfolgen sowohl der Ab- als auch der Rückfluss des dann sauerstoffreichen Bluts in eine große Vene – entweder über zwei getrennte Katheter oder über neuere Doppellumenkanülen, die den Patienten eine Gefäßpunktion und die damit verbundene Infektionsgefahr ersparen.

Gefürchteter als diese Katheterinfektionen sind jedoch die therapiebedingten Schädigungen der Blutzellen sowie die Störungen der Blutgerinnung. „Der Kontakt mit den körperfremden Materialien fördert die Entstehung von Blutgerinnseln“, erklärt Christian Karagiannidis. Biokompatible Werkstoffe und die Beschichtungen der Oberflächen mit gerinnungshemmenden Substanzen wie Heparin oder Phospatidylcholin haben die Wahrscheinlichkeit, dass sich solche Thromben bilden, bei den modernen ECMO-Geräten entscheidend reduziert. Und das so weit, dass manchmal ganz auf blutverdünnende Medikamente verzichtet werden kann. Im Regelfall sind diese systemischen Antikoagulantien zwar nach wie vor nötig, allerdings in deutlich niedrigeren Dosierungen als einst. Dadurch sind Blutungskomplikationen wesentlich seltener geworden.

Optimierung der Werkstoffe und der Strömungsführung

Zur Verschärfung dieses Problems trugen lange die Membranen im Oxygenator bei. Dort setzten sich Blutplättchen und Fibrinogen ab, die für eine funktionierende Blutgerinnung unabdingbar sind. Heute bestehen die Membranfasern, an denen der Gasaustausch stattfindet, aus Polymethylpenten, einem teilkristallinen, thermoplastischen Kunststoff, der dem bekannteren Polypropylen ähnelt. „Diese Membranen sind vollkommen dicht, so dass kein Blutplasma austritt“, sagt Christian Karagiannidis. „Und weil ihre Oberfläche extrem glatt ist, lagern sich kaum Blutbestandteile ab.“ Als entscheidenden Durchbruch bezeichnet er die Technologie, fügt aber gleich hinzu, dass sich die Werkstoffe in den Oxygenatoren noch verbessern lassen. Weltmarktführer bei den Membranen ist das Unternehmen Membrana aus Wuppertal, das 2015 vom US-Technologiekonzern 3M für eine Milliarde Dollar übernommen wurde.

Zu sehen ist ein Gerät mit einem quadratischem Behälter und schläuchen, durch welche Blut fließt.

Das Blut wird durch den Membranoxygenator geleitet, der es mit Sauerstoff anreichert und ihm Kohlendioxid entzieht.

Quelle: Lungenklinik Köln-Merheim

Weil der Blutfluss genau reguliert werden kann, sind die meisten gängigen ECMO-Geräte heute pumpengetrieben. Zum Einsatz kommen so genannte Zentrifugalpumpen. Deren Kernstück ist ein Pumpenteller, der durch ein Magnetfeld in Rotation versetzt wird und so das Blut aus dem Körper durch den Oxygenator und wieder zurück in den Kreislauf transportiert. Nach dem momentanen Stand sei diese Technologie die beste Lösung, sagt Karagiannidis. Doch auch hier ist nach Ansicht des Experten das Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht. „Für das Blut ist es immer schädlich, wenn das System Stellen aufweist, an den ein hoher Druck oder ein starker Sog entsteht“, erläutert er. „Dort gehen die roten Blutkörperchen und die Blutplättchen kaputt, was viele Probleme erzeugt.“ Um die Pumpentechnologie dahingehend zu optimieren, dass es möglichst wenig solcher Stellen gibt, hat sich ein junges Fachgebiet namens Computational Fluid Dynamics etabliert. Spezialisierte Firmen und Abteilungen arbeiten mit Hilfe von Computersimulationen daran, die Strömungsführung blutschonender zu gestalten. Karagiannidis setzt große Hoffnungen auf diesen Bereich. „Noch bessere, weniger traumatisierende Pumpen würden die Komplikationsrate der ECMO weiter senken.“

Eine längere künstliche Beatmung hat häufig negative Auswirkungen auf die Lungen und den Gesundheitszustand. Die ECMO kann die Dauer der Behandlung verkürzen und diese schonender gestalten.

Georg Matheis ist überzeugt, dass die extrakorporale Membranoxygenierung in nächster Zeit entscheidende Fortschritte machen wird. Um neue Lösungen für Patienten mit Lungenversagen zu finden und auf den Markt zu bringen, gründete der Herzchirurg 2002 das Unternehmen Novalung, das sich 2013 mit der Medos Medizintechnik GmbH zur Xenios AG zusammengeschlossen hat. Die in Heilbronn beheimatete Firma gehört seit kurzem zu Fresenius Medical Care, dem Weltmarktführer im Bereich der Nierenersatzsysteme. „Die Einbindung in den Konzern ist für uns eine sehr gute Situation“, sagt Matheis. „Wir profitieren von den Ressourcen und der Expertise und bekommen weltweiten Marktzugang.“

Zu sehen sind zwei Beatmungsschläuche an einem Patienten, von dem allerdings nur der Haarschutz zu sehen ist. Der Patient und das Krankenzimmer mit seinen Gerät ist unscharf im Hintergrund.

Für künstliche Beatmung müssen die Patienten ins Koma versetzt werden.

Quelle: Sudok1/Fotolia

Wie er berichtet, gibt es gerade ein „Rieseninteresse“ an der künstlichen Lunge, auch seitens der großen Medizintechnikhersteller. „Damit fließt endlich substanziell Geld in die Weiterentwicklung der Technologie und des Marktes“, sagt Matheis. Das ist auch gut so. Wissenschaftliche Studien machen immer deutlicher, welche negativen Auswirkungen eine künstliche Beatmung – die übliche Therapie bei Versagen der Atmungsorgane – allgemein auf den Gesundheitszustand der Betroffenen und speziell auf die Lungen hat. Das gilt insbesondere, wenn mit hohem Druck und über einen längeren Zeitraum beatmet werden muss. Ergänzend eingesetzt, kann die ECMO eine schonendere und kürzere Beatmung ermöglichen.

Wach trotz Lungenunterstützung

„Funktioniert die Atmung nicht mehr richtig, bieten unsere Novalung-Produkte Unterstützung – und zwar exakt in dem Maß, das der Patient individuell braucht“, erläutert Matheis den Ansatz, den sein Unternehmen verfolgt. Ein Problem der mechanischen Beatmung besteht darin, dass Patienten diese Behandlung nur tolerieren, wenn sie sich im künstlichen Tiefschlaf befinden. Die Sedierung und damit einhergehende Immobilität bergen kurzfristige Gefahren wie Lungenentzündungen, Thrombosen oder einen Abbau der Muskulatur und sind auch auf lange Sicht der Gesundheit nicht förderlich.

Auch die ECMO erforderte lange Zeit eine Sedierung. Durch verbesserte und verkleinerte Pumpen und Oxygenatoren funktioniert sie heute jedoch auch im Wachzustand. Das erlaubt es Patienten mit Lungenversagen, sich zu bewegen, selbstständig zu essen und zu trinken, zu kommunizieren und aktiv an Behandlungsmaßnahmen wie Atem- oder Physiotherapie teilzunehmen, während ihre Atmungsorgane die nötige Unterstützung bekommen. Im Idealfall sollen sich die Patienten unter der ECMO wieder so weit erholen, dass sie gar nicht erst beatmungspflichtig werden.

Bei der Überbrückung der Wartezeit bis zur Transplantation und in der Behandlung von Patienten mit schwerer obstruktiver Lungenerkrankung etabliert sich die ECMO immer mehr. Auch an einem implantierbaren künstlichen Lungenersatz wird bereits geforscht.

links ist eine gesunde Lunge mit den beiden Lungenflügeln und der Luftröhre zu sehen, rechts eine ungesunde - schwarz mit Geschwüren überzogen.

Wenn Lungen stark geschädigt sind, hilft oft nur noch eine Transplantation. ECMO kann die Wartezeit, bis ein passendes Organ gefunden ist, überbrücken.

Quelle: chagpg/Fotolia

Durch die Weiterentwicklungen des extrakorporalen Lungenersatzes eröffnen sich auch neue Anwendungsgebiete. Etwa bei Patienten, deren Atmungsorgane so stark geschädigt sind, dass als letzte Therapieoption nur noch eine Transplantation bleibt. Die Wartezeit, bis ein passendes Spenderorgan gefunden ist, kann dann mit der ECMO überbrückt werden. Dass diese Vorgehensweise im Gegensatz zur Alternative künstliche Beatmung keinen künstlichen Tiefschlaf erfordert, scheint ebenfalls von Vorteil zu sein.

Wie eine Untersuchung der Medizinischen Hochschule Hannover zeigt, hatten Patienten, die mit der Wach-ECMO behandelt wurden, sowohl bis zur Transplantation als auch danach deutlich bessere Überlebenschancen als Betroffene, die sediert und beatmet waren. Da es aber an Spenderorganen mangelt, wird der Einsatz der Membranoxygenierung als „bridge to transplant“ zumindest vorerst auf eine kleine Zahl von Patienten mit terminalem Lungenversagen beschränkt bleiben.

Das Gegenteil ist bei der chronischen obstruktiven Lungenerkrankung der Fall, die Christian Karagiannidis vom ECMO-Zentrum der Lungenklinik Köln-Merheim als Hauptgrund dafür sieht, „dass die Industrie gerade auf den Zug Lungenersatz aufspringt.“ Etwa sieben Millionen COPD-Patienten gibt es laut Schätzungen allein in Deutschland, weltweit sind es 600 Millionen. Im fortgeschrittenen Zustand müssen viele Betroffene wegen einer akuten Verschlechterung der Lungenfunktion intensivmedizinisch behandelt werden. „Das Problem bei solchen Exazerbationen ist aber weniger eine zu geringe Sauerstoffversorgung, sondern dass die Patienten nicht mehr im ausreichenden Maß Kohlendioxid abatmen können“, erläutert Karagiannidis. „Die Lungenunterstützungssysteme eignen sich sehr gut dazu, das überschüssige CO2 herauszuholen.“

Aussichtsreiches Behandlungskonzept

Um 50 bis 60 Prozent des gesamten Kohlendioxids (CO2) zu beseitigen, genügt ein relativ geringer Blutfluss von einem Liter pro Minute. Durch die extrakorporale CO2-Elimination (ECCO2R) empfinden die Patienten deutlich weniger Luftnot und sind wieder entspannter. Das erleichtert es, die Exazerbation in Ruhe zu behandeln. In großen Untersuchungen sei der Nutzen zwar bis dato noch nicht nachgewiesen, sagt Karagiannidis.

„Kleine Fall-Kontroll-Studien und unsere Erfahrungen zeigen aber, dass es sich um ein erfolgversprechendes Konzept handelt.“ Die Therapie kann sowohl bei wachen als auch bei künstlich beatmeten Patienten durchgeführt werden. Bei schwerer COPD gilt eine längere maschinelle Beatmung auf Grund der hohen Infektionsgefahr als besonders problematisch. „Die ECCO2R hilft, diese Patienten schnell wieder vom Beatmungsgerät wegzubekommen“, so Karagiannidis.

Als Zukunftsvision hat der ECMO-Experte eine dauerhafte Lungenunterstützung vor Augen, die es Menschen mit fortgeschrittener COPD erlaubt, mobil zu bleiben und eigenständig zu leben. Oxygenator und Pumpe könnten beispielsweise in eine Weste integriert sein. „In den nächsten fünf bis zehn Jahren halte ich solche Systeme für realisierbar“, sagt Karagiannidis. Auch an der künstlichen Lunge, die sich in den Körper implantieren lässt, wird bereits gearbeitet. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat dazu ein neues Schwerpunktprogramm eingerichtet, das bis 2022 läuft. Das Vorhaben mag nach Utopie klingen. Doch wer hätte vor hundert Jahren daran gedacht, die Nieren von Millionen Menschen durch eine Dialyse zu ersetzen.

Mehr im Internet:

DFG: Towards an impantable lung

 

 

© Medizintechnologie.de

Weitere Inhalte

  • Informationsdienst
  • Akteursdatenbank
  • Veranstaltungen