Entwicklung des Sauerstoffverbrauchs in den verschiedenen Stadien der Hypothermie

HIGHLIGHTS:

• Sauerstoffverbrauch in Hypothermie
• Einflussfaktoren auf den Sauerstoffverbrauch
• Geschichte der Hypothermie
• 9,2 % verringerter VO₂ pro 1 °C Kühlung
• 58 % geringerer VO₂ bei 28 °C Körperkerntemperatur

HINTERGRÜNDE UND GESCHICHTE DER HYPOTHERMIE

Die bekannteste physiologische Form der Hypothermie bei Säugetieren lässt sich im Winterschlaf finden. Dabei kann die Körpertemperatur der Tiere bis auf 4 °C absinken. Untersuchungen des Stoffwechsels ergaben, dass 90 % der Energieabgaben in den Wachperioden der Winterschläfer stattfinden und die Wärmebildung allein aus den Fettreserven der Tiere erfolgt. Bei Murmeltieren z. B. fällt die Stoffwechselaktivität im Winterschlaf auf bis zu ¹/₃₀ ab [3].

Bigelow et al. haben sich in mehreren Studien dem Themenkomplex Winterschlaf angenommen, um diesen auf den menschlichen Stoffwechsel zu übertragen. Ziel war es, sich den Effekt des sinkenden Sauerstoffverbrauchs in Hypothermie medizinisch zunutze machen zu können [4].

Das Wort Hypothermie kommt aus dem griechischen „hypo“ (unter) und „thermos“ (warm), auch Unterkühlung genannt [5]. Im medizinischen Bereich hat die Hypothermie in der Herzchirurgie, Neurochirurgie und nach Reanimationen einen festen Anwendungsbereich. Damit soll vor allem der Metabolismus reduziert werden, um irreversible Schäden an empfindlichen Organen wie z. B. Herz, Gehirn und Niere zu vermeiden bzw. so gering wie nur irgendwie möglich zu halten. Es wird ätiologisch zwischen endogener, therapeutischer und akzidentieller Hypothermie unterschieden. Endogene Hypothermie entsteht durch metabolische Dysfunktion oder durch eine zentral-nervöse Störung z. B. bei Schädelhirntraumata oder Tumorerkrankungen. Auch dermale Dysfunktionen wie zum Beispiel Verbrennungen oder Erytheme können Hypothermie verursachen [6]. Die akzidentielle Hypothermie ist ein nicht beabsichtigter Abfall der Körperkerntemperatur ohne endogene Ursachen, z. B. Schiffbruch auf offener See, Ertrinken oder Erfrieren. Die in dieser Arbeit untersuchte Art der Hypothermie ist die therapeutische und beschreibt am Menschen einen Abfall der Körperkerntemperatur unter 35 °C. Diese wird wiederum in systemische und lokale Hypothermie unterteilt [6].

Die lokale Hypothermie ist auf ein Körperteil oder Organ begrenzt, wie zum Beispiel bei Herzoperationen die Gabe von kalter Kardioplegie in die Koronarien. Hierbei wird das Herz lokal gekühlt und die Körpertemperatur bleibt normotherm. Buckberg et al. konnten zeigen, dass das stillgelegte und entlastete Herz einen sehr niedrigen Sauerstoffverbrauch aufweist, der sich auf den ganzen Körper auswirkt [7, 8]. Die systemische Hypothermie wirkt sich auf den gesamten Körper aus. Wenn dieser z. B. durch eine EKZ aktiv gekühlt wird.

MÖGLICHKEITEN DER HYPOTHERMIE- INDUKTION

Bei den Möglichkeiten, den Patienten in Hypothermie zu versetzen, wird zwischen konventionellen, nicht-invasiven und invasiven Methoden unterschieden. Um für eine Operation eine Abkühlung auf eine gewünschte Zieltemperatur zu erreichen, wurde in den 1950er Jahren begonnen, die Kontaktkühlung anzuwenden. Sie gehört der konventionellen Methode an. Das geschah mit Hilfe von kalten Umschlägen, Wasserbädern oder Auflegen von Eisbeuteln. Diese Methode ist sehr einfach auszuführen, erwies sich allerdings durch ständiges Wechseln der Eisauflagen oder Austausch von kaltem Wasser als aufwendig.

Das Wasserbad hat durch seinen großen Temperaturunterschied eine gute Wärmeleitfähigkeit und der direkte Hautkontakt einen maximalen Wärmeaustausch mit schneller Abkühlung zur Folge (Abb. 1). Allerdings mussten Patienten im Eisbad von der Eiswanne auf den Operationstisch umgelagert werden. Die Kühlung konnte außerdem nicht auf den jeweiligen Patienten angepasst werden und das Halten einer Temperatur auf einem definierten Wert, war leider in dieser Zeit schwer erreichbar [9].

Bei dieser Kühlmethode kann bei dem Patienten im Falle von Komplikationen nicht sofort chirurgisch interveniert werden. Die Umlagerung barg weitere Risiken, wie zum Beispiel Katheterdislokationen oder Extubation. Die Methode, mit einem Gummikühlanzug die Temperatur zu senken (Abb. 3), klang sehr vielversprechend, da sie den ganzen Körper bedeckte, jedoch mussten die Patienten für die Operation erst wieder entkleidet und freigelegt werden. Die Temperatur konnte hierbei über ein externes Gerät geregelt und kontrolliert werden und der Patient musste zur Operation nicht erst getrocknet und umgelagert werden, wie bei der Eiswannenmethode. Die verwendeten Kühlmatten konnten zugleich auch als Wärmematte zum Wiedererwärmen verwendet werden [10].

In den folgenden Jahren wurden diese Methoden sukzessive durch die schnellere Blutstromkühlung abgelöst und klinisch im Bereich der Herzchirurgie angewandt. Nachdem der Brustkorb eröffnet wurde, wurden zwei Plastikschläuche durch das rechte Herzohr eingeführt. Das Blut wird so aus der Vena cava superior entnommen, mit Hilfe einer Rollenpumpe durch einen Topf mit Kühlflüssigkeit gepumpt und dann in die Vena cava inferior zurückgeleitet (Abb. 2). Diese Methode hat die Kühlung der Patienten beschleunigt und konnte auch ungeplant intraoperativ angewandt werden [10].

Auch heute noch finden ähnliche Blutstromkühlungssysteme Anwendung. Ein Closed Loop-System via endovaskulärem Kühlen bzw. Wärmen wird vor allem in der Kardiologie angewendet, um Patienten nach einer außerklinischen Reanimation zuerst für 24 Stunden auf 32–34 °C zu kühlen und danach langsam wieder aufzuwärmen. Man verspricht sich durch das Kühlen ein besseres zerebrales Outcome der Patienten [11]. Technisch umgesetzt wie bei der Anlage eines zentral-venösen Katheters (ZVK), wird dabei ein Ballon-Katheter in die Leiste eingeführt. Durch diesen Katheter kreist eine Kochsalzlösung, die den Patienten je nach Bedarf kühlen oder erwärmen kann. Zusätzlich dient er als zentralvenöser Zugang des Patienten. Eine Messsonde direkt an der Katheterspitze dient der Temperaturkontrolle [12]. Diese Methode ist für Körpertemperarturen bis zu 31 °C anwendbar. Ist die Kühlung eines Patienten unter 31 °C gewünscht, muss auf eine extrakorporale Zirkulation (EKZ) zurückgegriffen werden.

Um die Kühlleistung zu verbessern und stabil halten zu können, wurde ab 1953 an Hypo- und Hyperthermiegeräten gearbeitet. Man versprach sich davon, den Patienten mittels Oberflächenkühlung auf eine exakt zu kontrollierende Temperatur zu kühlen bzw. wieder zu erwärmen. Die Hypothermiegeräte wurden zunächst an Matten oder Decken angeschlossen, in die der Patient gewickelt wurde.

Später wurden daraus invasivere Methoden entwickelt. Im großen Stil, vor allem bei herzchirurgischen Eingriffen, wird diese heute mit dem Einsatz von extrakorporalen Systemen wie der Herz-Lungen-Maschine (HLM) oder der extrakorporalen Membranoxygenierung (ECMO) kombiniert. So können die Patienten mittels EKZ auf die vom Chirurgen gewünschte Temperatur gekühlt und gegen Ende des Eingriffs wieder erwärmt werden. Die Tiefe der Unterkühlung richtet sich immer nach den klinischen Erfordernissen. Je nach chirurgischem Eingriff wird der Patient auf eine bestimmte Temperatur bzw. einen bestimmten Temperaturbereich gekühlt [13].

Abb. 1: Oberflächenkühlung mit Eis

In den heutigen Oxygenatoren für Kurzzeit- und Langzeiteinsätze ist immer ein Wärmetauscher integriert. An diesen Wärmetauschern wird ein Hypothermiegerät für die Körpertemperaturregelung des Patienten angeschlossen. Hierbei fließt das Blut im Gegenstromprinzip zum Wasserfluss des Hypothermiegeräts, um dessen Effektivität der Temperaturänderung auf die maximale Kontaktfläche mit dem zu kühlenden Medium zu erreichen [14, 15].

Eine leistungsschwächere, transportable Version eines Temperaturregulierungsgerätes ist in jedem Langzeitsystem der EKZ, der sogenannten ECMO zu finden. ECMOs werden für unterschiedliche medizinische Indikationen eingesetzt. Die extrakorporalen Komponenten der ECMO würden ohne die Temperaturregulierungsmöglichkeiten über ein Hypothermiegerät aufgrund ihrer großen Oberfläche mit der Raumluft zu einer Auskühlung der Patienten während der Behandlung führen.

Abb. 2: Veno-venöse Blutstromkühlung nach Ross [10]

Die Kühlung auf 32–36 °C für 24 Stunden nach globaler Hypoxie, insbesondere bei Kammerflimmern oder pulsloser Kammertachykardie und schneller Kreislaufstabilisierung durch eine kardiopulmonale Reanimation, hat eine klare Evidenz. Sie wird durch internationale Leitlinien empfohlen, um neurologische Schäden zu reduzieren [11, 16, 17].

Veränderungen in diesen Leitlinien zur Reanimation könnten sich nach Veröffentlichung der neuen TTM 2-Studie ergeben. Bei dieser wurden 1850 Patienten in 2 Gruppen bezüglich ihres Outcomes nach einer Reanimation außerhalb des Krankenhauses beobachtet und untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Gruppe der gekühlten Patienten in einem Beobachtungszeitraum von 6 Monaten keine signifikant niedrigere Mortalitätsrate aufwies, verglichen mit der Gruppe, die normotherm behandelt wurde. Ebenfalls zeigte die Hypothermie-Gruppe keine signifikanten Unterschiede im neurologischen Outcome zur Normothermie-Gruppe. Jedoch traten in der Hypothermie-Gruppe häufiger hämodynamisch wirksame Arrhythmie-Ereignisse auf [18].

Abb. 3: Kühlung eines Patienten im Gummikühlanzug [10]

ORTE DER TEMPERATURMESSUNG

Die am häufigsten verwendeten Temperaturmesspunkte außerhalb des Krankenhauses sind axillär, sublingual oder tympanal. Diese sind nicht invasiv und sehr einfach und sicher anzuwenden. Vor allem Letztere machen mit neuen Infrarotthermometern sehr genaue Messungen möglich. Mit herkömmlichen Fieberthermometern sind die Messungen sublingual und axillär ungenauer und geben nur Aufschluss über eine periphere Körpertemperatur.

Um intraoperativ bei herzchirurgischen Eingriffen eine möglichst genaue und dauerhafte Überwachung der Temperatur zu gewährleisten, wird meist ein Blasenkatheter mit einer Temperatursonde gelegt. Diese Messung ermöglicht eine zentrale Temperaturerfassung und wird bei allen Eingriffen unter Verwendung der HLM eingesetzt, ist jedoch auch von der Urinproduktion des Patienten abhängig. Sind die Patienten in der Anurie, ist die Messung nicht zu 100 % zu verwerten. Die Überwachung der Körperkerntemperatur ist sehr wichtig, da die Patienten einem großen Wärmeverlust ausgesetzt sind. Im Operationssaal herrscht Raumtemperatur (ca. 22 °C) und der Patient liegt unbekleidet auf dem OP-Tisch. Darüber hinaus werden durch die Narkose die Funktionen der physiologischen Temperaturregelung beeinträchtigt. Bei Herzoperationen zum Beispiel verliert der Patient über seinen geöffneten Thorax Flüssigkeiten und ist einer vergrößerten, exponierten Oberfläche der Raumtemperatur im OP ausgesetzt. Ist der Patient an die EKZ angeschlossen, wird seine Körpertemperatur über einen Wärmetauscher kontrolliert und gesteuert. Ohne diesen würde über das EKZ-Schlauchsystem eine rasche Auskühlung der Patienten stattfinden. Zur Temperaturüberwachung an der EKZ werden arterielle und venöse Bluttemperatursonden verwendet, um eine adäquate Steuerung der gewünschten Eingriffstemperatur zu gewährleisten. Die zentrale Temperaturmessung rektal wird schon seit den Anfängen der Hypothermie-Forschung verwendet, da sie eine genaue und wenig invasive Methode ist. Auch die oesophageale Temperaturmessung nutzt eine natürliche Körperöffnung. Die Überwachung mittels eines venösen Katheters kann z. B. mit einem Pulmonalis-Katheter (PAK) erfolgen. Dieser wird allerdings nur unter strenger Indikation eingeschwemmt, da er eine hohe Komplikationsrate sowie ein erhöhtes Infektionsrisiko mit sich bringt. Der PAK bietet jedoch eine sehr genaue und dauerhafte Messung der Körperkerntemperatur.

HISTORISCHE KÄLTEFORSCHUNG IN DER MEDIZIN

Die Verwendung von Kälte und Wärme für medizinische Zwecke lässt sich historisch sehr weit zurückverfolgen. Schon in der Antike wurden Kranke mit warmen oder kalten Wickeln behandelt, meistens kalte Umschläge zur Fiebersenkung. Warme Wickel können nicht nur ein in Wasser getauchtes warmes Tuch sein, auch gekochte, zerdrückte Kartoffeln oder andere Lebensmittel wurden genutzt. In den antiken Hochkulturen in Griechenland, Rom und Ägypten wurden Kältewickel zur Versorgung von Kriegsverletzungen oder zur Stillung von Schmerzen eingesetzt [19].

Später wurde beobachtet, dass Seeleute, die Schiffbruch erlitten haben, in kaltem Wasser eine höhere Überlebenschance aufwiesen, da sie trotz der extremen Kälteexposition keine respiratorischen Infektionen davontrugen. Im Gegensatz dazu entwickelten Menschen, die in 26–28 °C warmen Wasser aufgefunden wurden, alle einen bronchopulmonalen Infekt und starben daran [20].

In einer großen Untersuchung wurden Daten von der US Navy und US Coast Guard gesammelt. Sie zeichneten über einen Zeitraum von 1942 bis 1945 Wassertemperatur, Zeitpunkt und Ort der Schiffswracks auf, Zustand der aufgefundenen Personen und deren Konstitution und Bekleidung. Auch wurden zusätzliche Faktoren erfasst, die fraglich einen letalen Ausgang der Hypothermie begünstigen. Hierzu zählten: starker Wellengang, Ermüdung, Erschöpfung, Trinken von Meerwasser, Verletzungen und Verbrennungen. Dieses Wissen wurde vor allem im Zweiten Weltkrieg für Soldaten auf Schiffen und Flugzeugen verwendet. Daraus resultierend konnte z. B. Kleidung für Piloten angepasst werden, die im Falle eines feindlichen Abschusses im Meer oder in der Wildnis überleben mussten [20].

Auf deutscher Seite wurden während des Krieges in Konzentrationslagern Versuche zur Kälteexposition durchgeführt, um die Überlebenschancen von Piloten der Luftwaffe zu verbessern. Diese Experimente wurden unter unmenschlichsten Bedingungen an Gefangenen durchgeführt. Überlebende haben während der Nürnberger Prozesse darüber ausgesagt und berichtet [21]. Bis zu 300 Gefangene des Konzentrationslagers Dachau wurden bekleidet oder nackt der Winterkälte oder in kalten Wassertanks mit Wassertemperaturen von 2–12° C exponiert. Manche wurden hierfür betäubt, andere waren bei vollem Bewusstsein. Wenn die Insassen das Experiment überlebten, wurden verschiedenste Methoden des Aufwärmens an ihnen getestet. So wurde der unterschiedlich schnelle Temperaturanstieg bei Erwärmen in warmen Bädern, mit Decken, elektrischen Wärmequellen oder nur Raumluft ohne spezielle Wiedererwärmung getestet. Dabei zeigten die warmen Bäder die höchste Effektivität. In diesen Experimenten wird ebenfalls der sogenannte „after-drop“ beschrieben, das weitere Abfallen der Temperatur nach Beenden der Kühlmaßnahmen. Es wurden rektale Temperaturen, Shivern, Bewusstseinszustand und Herzfrequenz gemessen und dokumentiert. Der schlechte Allgemein- und Ernährungszustand der Gefangenen schränkt die Aussagekraft dieser Daten ein. Auf Basisdaten der Probanden sowie eine wissenschaftliche Grundstruktur der Experimente wurde nicht geachtet. Es wurde unter anderem nach einer unteren Temperaturgrenze gesucht, die ein Mensch noch überleben kann. In einem Briefreport wurde eine tödliche Grenztemperatur von 28 °C übermittelt, in einem Dokument eines Assistenten werden sogar 25 °C bestätigt. Die Kälteexposition sei für bekleidete Männer für 360–420 Minuten möglich, bei unbekleideten betrage die Zeitspanne 80–360 Minuten. Die Experimente fanden unorganisiert statt und waren unvollständig, die meisten Daten dazu wurden vor Ankunft der Alliierten vernichtet [22–24].

EINSATZ DER HERZ-LUNGEN-MASCHINE

Die erste aufgezeichnete Idee zur einer Art Herz-Lungen-Maschine gab es bereits1812 durch LeGallois in Zusammenhang mit extrakorporaler Zirkulation und Oxygenierung [15]. Im folgenden Jahrhundert wurden viele Experimente mit unterschiedlichen Maschinen durchgeführt, alle mit dem Ziel, Blut außerhalb des Körpers zu oxygenieren. Die Experimente wurden meist an Hunden und Katzen durchgeführt mit der Vorgabe, dass diese sich postoperativ erholten, keine Wesensveränderungen zeigten und immer länger überlebten. 1916, mit der Entdeckung des Heparins durch McLean, konnte dabei ein großer Schritt in Richtung extrakorporaler Blutzirkulation gemacht werden [25].

Durch Heparin konnte die Hämostase beeinflusst werden und somit das Gerinnen des Blutes bei Kontakt mit Fremdmaterial verhindert werden. Dies gilt sowohl für den Kontakt außerhalb sowie innerhalb des Körpers. Durch die einsetzende Gerinnung bei Blut-Luft- bzw. Blut-Fremdkörperkontakt würden Medizinprodukte wie Oxygenatoren durch Klotts funktionslos werden [26, 27].

Die erste erfolgreiche Herzoperation unter Zuhilfenahme der EKZ, um an einem blutleeren Herzen arbeiten zu können, ließ jedoch noch bis ins Jahre 1953 auf sich warten [28]. Die Komponenten der EKZ konzentrierten sich schon sehr früh auf die immer noch aktuellen Hauptkomponenten: ein venöses Reservoir, ein Oxygenator mit Wärmetauscher und eine arterielle Pumpe [29].

ERSTE MEDIZINISCHE EXPERIMENTE

Physiologen haben bereits im 18. Jahrhundert experimentiert, ob Tiere, die extremer Kälte ausgesetzt waren, sich erholen, wenn die Körpertemperatur wieder ansteigt [30]. Ab 1930 wurde der Nutzen für therapeutische Zwecke erforscht, zur Senkung von Fieber, zur Schmerzstillung, zur Behandlung von Leukämie und auch Schizophrenie. Die ersten Hypothermie-Experimente wurden organisiert und geleitet von Wilfred Bigelow und gelten als Grundlage für die spätere Verwendung der Hypothermie in der Herzchirurgie. Für die ersten Versuche an Säugetieren, die keinen Winterschlaf abhalten, wurden Hunde herangezogen. Säugetiere wiesen dabei andere Merkmale auf als Tiere, die von Natur aus Winterschlaf halten. Winterschlafende Tiere wie Murmeltiere oder Bären lassen sich problemlos in fast jeden beliebigen Temperaturzustand versetzen. Bei Hunden wiederum musste auf die Geschwindigkeit der Kühlung geachtet werden. Dazu wurden spezielle Kühldecken entwickelt oder die Hunde zur Kühlung in einen Kühlraum gebracht. Eine Abkühlrate von 1 °C pro 10 Minuten wurde beschrieben [4].

1946 wurden in den USA Männer in einem Laborversuch verschiedenen Witterungsbedingungen ausgesetzt, um zu sehen, wie sich die Körperkerntemperatur bei rektaler Messung verhält. Hierbei wurden verschiedene pathophysiologische Kältereaktionen beschrieben. Der Sauerstoffverbrauch bei Shivering steigt um ein Fünffaches an, verglichen mit Versuchspersonen ohne Shivern. Shivern beschreibt ein unkontrolliertes Zittern, das als pathophysiologischer Reflex zur Wärmeproduktion auftritt. Durch die kältebedingte oberflächliche Vasokonstriktion erhöhte sich der arterielle Blutdruck, und durch Kältediurese kommt es zu einer erhöhten Blutviskosität. Es wurde auch ein linear mit der Rate des Sauerstoffverbrauchs ansteigender Pulsanstieg beobachtet [31].

Anstatt, dass der Sauerstoffverbrauch mit abnehmender Körpertemperatur sinkt, steigt er beim Shivern an, bis die Kältenarkose bei ca. 28 °C eintritt (Abb. 4) [32]. Eine weitere Schwierigkeit zeigt sich in den abgenommenen Atemgasen. In den frühen Experimenten von Bigelow et al. wurde den Hunden kein künstlicher Sauerstoff zugeführt. In den arteriellen Blutgasanalysen wurde eine zu geringe Sauerstoffsättigung festgestellt, die eine Gewebeunterversorgung impliziert. Das führte dazu, dass die Versuchshunde im Folgenden beatmet wurden. So konnten erst nach adäquater Narkose und einer künstlichen Beatmung die Schwierigkeiten der Gewebeunterversorgung gelöst werden [4].

Weitere Experimente folgten; neben Hunden wurden Versuche an Murmeltieren, Rhesusaffen und am Ende auch am Menschen durchgeführt. Die Minimaltemperatur der Murmeltiere von 4 °C konnte an Nicht-Winterschläfern nicht erfolgreich herbeigeführt werden. Allerdings überlebten fast alle Versuchstiere, die bis zu 20 °C gekühlt wurden, mit einem bis zu 15-minütigen Kreislaufstillstand [1, 4, 33].

Abb. 4: Beispiel für ansteigenden Sauerstoffverbrauch durch Shivern [32]

Durch zunehmende Kälteeinwirkung kommt es beim Herzen zuerst zur Bradykardie, die dann in Kammerflimmern übergeht oder direkt in einer Asystolie endet. Diese Reaktionen wurden ebenfalls 1949 von Bigelow beobachtet und es fiel auf, dass durch mechanische Reizung das Herz der Versuchstiere wieder zu einer kräftigen Kontraktion gebracht werden konnte. Diese Idee eines elektrischen Reizes sollte die Grundlage der Wiederbelebung und Schrittmachertherapie sein [1, 34].

Im Labor wurden zahlreiche Methoden etabliert, die später auch in der Chirurgie am offenen Herzen und gekühlten Patienten ihren Platz fanden. Körpertemperatur und Stoffwechselaktivität konnten in Narkose ohne Shivern gesenkt werden. Die künstliche Beatmung gleicht hierbei das erste Sauerstoffdefizit aus und das Herz des Patienten konnte mit Hilfe elektrischer Impulse getaktet werden. Mit all diesen Errungenschaften war es möglich, den Kreislauf 10 Minuten zu unterbrechen [1, 4].

EINTEILUNG DER HYPOTHERMIE

In der Literatur sind verschiedene Abstufungen der Hypothermie zu finden, wobei unterschieden wird, ob diese therapeutischer oder akzidentieller Art ist (Tab. 1).

PATHOPHYSIOLOGISCHE REAKTIONEN DES KÖRPERS AUF HYPOTHERMIE

Der menschliche Körper hat ein sehr effektives homöostatisches System, das sicherstellt, dass seine Körpertemperatur stetig bei ca. 37 °C liegt. Spürt der Körper die Kälte über seine Thermorezeptoren in der Haut, kommt es zu einer Triggerung des Hypothalamus und einer sympathischen Reaktion. Die Gefäße der Haut ziehen sich zusammen, um einen Wärmeverlust zu verhindern, gleichzeitig kommt es in der Skelettmuskulatur zu einer Dilatation, um über eine Aktivität wie zum Beispiel beim Shivern Wärme zu generieren. Das ist die natürliche Reaktion des Körpers, um Wärme zu produzieren, die aber gleichzeitig zu einem erhöhten Sauerstoff- und Energieverbrauch führt. Es wurde beobachtet, dass diese Reaktion ab einer Körpertemperatur von 30 °C stetig abnimmt und dann die Kältenarkose einsetzt [38].

Bereits bei Temperaturen unter 35 °C kann eine pulmonale Reaktion beobachtet werden, indem die Atemfrequenz ansteigt. Fällt die Körperkerntemperatur weiter ab, nimmt auch die Atemfrequenz ab durch eine Reduktion der Tidalvolumina und der systemischen Sauerstoffversorgung. Es kommt zu einer Retention von Kohlendioxid (CO₂) und damit zu einer respiratorischen und metabolischen Azidose [6].

Ab 26 °C kommt es zur Erhöhung des systemischen und pulmonalen Gefäßwiderstands. Dieser Widerstandsanstieg der Gefäße führt wiederum zum Anstieg der Blutviskosität, Hämokonzentration und Zellschwellung. Es kommt zu Plasmaverlust durch das Capillary leak und zur Zellschwellung. Die Gefäßflüssigkeit steigt vor allem bei hypothermer EKZ an. Dabei ist es schwierig zu differenzieren, ob dieser Effekt tatsächlich auf die Hypothermie allein zurückzuführen ist oder auch durch die Hämodilution an der EKZ verstärkt wird. Es treten Zellschwellung und Ödeme auf, was mit der Ansammlung von Natrium und Chlorid in den Zellen zusammenhängt. Dies senkt die Reaktionsrate der Membranen zur Natrium-Kalium-ATPase [39].

Bereits bei einer milden Hypothermie (35–32 °C) kommt es zu sympathischen Reaktionen wie Vasokonstriktion, Tachykardie und zu einem Anstieg des Herz-Zeit-Volumens (HZV) um das 4- bis 5-fache und dadurch zu einer Erhöhung des vaskulären Widerstands. Es werden vermehrt Katecholamine ausgeschüttet, und daraus resultierend erhöht sich der Sauerstoffverbrauch des Organismus, der Blutdruck steigt an. Diese Reaktion erfolgt von peripher nach zentral mit fortschreitender Kälteeinwirkung. Fällt die Körperkerntemperatur unter 28 °C, kommt es zunehmend zu Arrhythmien und verminderter Kontraktilität. Es kommt zur Bradykardie, Verlängerung der PQ-Zeit und charakteristisch unter 30 °C zum Auftreten von Osborn-Wellen. Mit dem Einsetzen der Kältenarkose sowie bei Temperaturen unter 25 °C kann es zu Kammerflimmern und Asystolie kommen, verbleibt das Herz jedoch in der Bradykardie bis unter 20 °C, geht diese gewöhnlich direkt in eine Asystolie über [6, 40].

Hypothermieinduzierte Koagulopathie mit Störung der zellulären und plasmatischen Gerinnung treten ebenfalls mit fallender Temperatur ein. Dies beginnt ab einer Körperkerntemperatur von 34 °C, ausgelöst durch die Inhibierung der enzymatischen Reaktion der Gerinnungskaskade. Trotz normaler Konzentration von Gerinnungsfaktoren kommt es durch eine verzögerte Thrombin- und Fibrinbildung zu einer Funktionsstörung in der Gerinnungskaskade. Die Ausprägung der Gerinnungsstörung scheint vom Schweregrad der Hypothermie abhängig zu sein. Genaue Abläufe werden jedoch kontrovers diskutiert [41, 42].

Tab. 1: Stadien der Hypothermie

Rother et al. konnten in einem In-vitro-Versuch kaum Auswirkungen der Hypothermie auf die Thrombozyten beobachten. Die Reaktionen der gesamten Gerinnungsfunktion sind nur ungleichmäßig. Er konnte nachweisen, dass die Kontaktaktivierung auf die Gerinnungs- und Thrombozytenfunktion wesentlich ausgeprägter ist als die Effekte der Hypothermie auf das Gerinnungssystem [43].

Die Inhibition der Ausschüttung des Anti-Diuretischen-Hormons (ADH) löst die Kältediurese aus, die ab einem Abfall der physiologischen Körperkerntemperatur von 2– 3 °C eintritt. Durch Abnahme der Körperkerntemperatur um 1 °C steigt die Blutviskosität um jeweils 2 % an [6, 40].

Dadurch steigt der Hämatokrit an, was vor allem in der Phase der Wiedererwärmung beachtet werden muss, um eine Hypovolämie zu verhindern. Der genaue Hergang dieses Mechanismus ist noch nicht vollständig geklärt. Eine Hypothese dazu ist, dass das zentralisierte Blutvolumen einen Stimulus an die Barorezeptoren sendet, die an der Inhibition des ADH beteiligt sind. Eine andere Theorie vermutet, dass die hypothermieinduzierte Steigerung des renalen Gefäßwiderstands die Fähigkeit zur Konzentration des Harns vermindert, wodurch die Ausscheidung ansteigt [39, 40].

Reduzierter Metabolismus ist gekennzeichnet durch eine Verminderung der metabolischen Rate mit reduziertem Sauerstoff- und Glukosebedarf von 5 % bei einem Temperaturabfall von 1 °C von der physiologischen Körperkerntemperatur. Auch der hepatische Stoffwechsel ist herabgesetzt. In Hypothermie kommt es zu einem Insulinmangel und dadurch zu einer Hyperglykämie, denn unter einer Körperkerntemperatur von 30 °C wird die Insulinfreisetzung durch Hemmen der Beta-Zellen reduziert. Es kommt zu einer Insulinresistenz durch Blockade der Insulinrezeptoren [40].

Während des Wiedererwärmens steigt der Insulinbedarf bis auf das 6-fache an und normalisiert sich langsam binnen 3 Tagen auf Normalniveau [14]. Zusätzlich bewirkt eine erniedrigte Körpertemperatur eine erhöhte Löslichkeit von Gasen im Blut und anderen Flüssigkeiten. Folglich fällt mit sinkender Temperatur, bei gleicher Gaskonzentration, der Partialdruck. Im Fall von Sauerstoff ändert sich auch das Verhalten der O₂-Bindung am Hämoglobin. Mit abnehmender Temperatur erfolgt eine Linksverschiebung der Sauerstoffbindungskurve; der Sauerstoffpartialdruck (pO₂) ist bei gleicher Sauerstoffsättigung unter Hypothermie niedriger als unter Normothermie. Da Blutgase in der Klinik bei 37 °C gemessen werden, muss dies bei der Auswertung der Blutgasanalyse hypothermer Patienten berücksichtigt werden [44].

SAUERSTOFFANGEBOT UND -VERBRAUCH

Physiologische Bedingungen (bei 37 °C)

Die Funktion des Organismus hängt vom ständigen Energieverbrauch in Gewebe und Organen ab. Jede physiologische Aktion verbraucht Energie. Diese wird als Sauerstoffangebot (DO₂) definiert. Das DO₂ ist das Produkt aus arteriellem Sauerstoffgehalt (C_aO₂) und dem HZV. Der C_aO₂ definiert die Menge an chemisch und physikalisch gelöstem Sauerstoff im Blut (Tab. 3). Dabei ist die arterielle Sauerstoffsättigung nicht in Prozent, sondern als Dezimalzahl angegeben. Der Faktor 1,34 ml/g ist die sogenannte Hüfnerzahl oder Sauerstoffbindungskapazität. Diese beschreibt, wie viel Milliliter Sauerstoff von einem Gramm Hämoglobin gebunden werden kann. Der zweite Faktor (0,003) ist der Löslichkeitskoeffizient von Sauerstoff bei Atmosphärendruck, angegeben in ml/dl x mmHg.

Der DO₂ ist vor allem von Hämoglobin (Hb), Sauerstoffsättigung (S_aO₂) und dem HZV abhängig. Fällt einer dieser Faktoren weg und trifft aufeinander mit einer erhöhten Sauerstoffausschöpfung im Gewebe, um der Nachfrage des Stoffwechsels zu folgen, so wird irgendwann ein kritischer Punkt erreicht. Er ist aber auch immer in Abhängigkeit des Sauerstoffverbrauchs (VO₂) zu sehen. Auch hier gilt das Prinzip von Angebot und Nachfrage. Denn sinkt das Angebot und gleichzeitig fällt auch die Ausschöpfung, so kommt es zu keiner Unterversorgung des Organismus.

Der physiologische Normalwert des DO₂ beträgt ca. 600 ml/min/m² [45].

Parallel zum Angebot, kann auch der VO₂ berechnet werden. Der Sauerstoffverbrauch ist das Produkt aus HZV und der arterio-venösen Sauerstoffdifferenz. Für die Sauerstoffdifferenz müssen zuerst der arterielle und der venöse Sauerstoffgehalt berechnet werden, wobei die Formeln zur Berechnung des Sauerstoffgehalts identisch sind, es müssen jedoch hierbei die jeweiligen Parameter der arteriellen und venösen Blutgasanalyse eingesetzt werden (Tab. 2 und 3).

Tab. 2: Veranschaulichung der Formel für VO2

In Ruhe unter physiologischen Bedingungen beträgt der VO₂ ca. 120 ml/min/ m2 und damit nur ein Fünftel des zur Verfügung stehenden DO₂. So verbraucht der Körper in Ruhe nur 20-25 % des arteriellen Sauerstoffs. Der Verbrauch ist von Organ zu Organ unterschiedlich. Der Rest, also ca. 75–80 %, verbleiben im venösen Blut [45].

Tab. 3: Formeln zur Berechnung von Sauerstoffangebot und -verbrauch [28, 46-48]

Bei der Betrachtung des VO₂ ist zu beachten, dass es sich bei der arterio-venösen Sauerstoffdifferenz um ein Delta handelt. Denn unter der Annahme, dass HZV und S_aO₂ gleichbleiben, wird bei erhöhter venöser Sättigung der Sauerstoffverbrauch sinken und umgekehrt (Tab. 4).

Der VO₂ beschreibt die metabolische Aktivität des Organismus und kann als Indikator der Gewebeperfusion während der EKZ dienen. Der Verbrauch des Gesamtorganismus kann z. B. durch Hypothermie gesenkt werden [4, 49, 50].

Doch der menschliche Organismus ist ständigen Veränderungen und Anpassungsreaktionen unterworfen, weshalb der VO₂ stetig variiert. Temperaturveränderungen, Erkrankungen und Stress können allein mit der Anpassung des HZV nur bedingt kompensiert werden. Auch ein vorübergehendes Ungleichgewicht zwischen VO₂ und DO₂ wird vom Körper toleriert. Wird es durch längere Erkrankungen von Lunge oder Herz dauerhaft beeinflusst, kann dies jedoch nicht mehr ausgeglichen werden. Es verändert sich von aeroben zu anaeroben Stoffwechselreaktionen und Stoffwechselendprodukte wie z. B. Laktat fallen an. Der gesamte Blutgashaushalt kommt ins Ungleichgewicht und es folgt eine systemische Azidose, die bis hin zu Multiorganversagen führen kann [51].

Tab. 4: Beispielrechnung zur Formel bei Menschen

Pathophysiologische Bedingungen in Hypothermie

Der DO₂-Zielwert wurde von Ranucci et al. in Normothermie auf 270–300 ml/min/m2 (DO_{2 i krit}: 272 ml/min/m2), als Ergebnis seiner Studien definiert [46, 47].

In der Literatur wird immer wieder ein unterer Schwellenwert für den DO₂ während der EKZ angegeben, der DO_2krit. Dieser Wert sollte nicht unterschritten werden, da für den Patienten ansonsten ein erhöhtes Risiko einer Niereninsuffizienz bestehen könnte. Eine Zahl für jeden Patienten gleich festzulegen, ist jedoch nicht möglich, da er vom VO₂ abhängt. Die patienten- und operationsspezifischen Abhängigkeiten werden in der DO₂-Betrachtung komplett vernachlässigt [51].

In den retrospektiven Untersuchungen von Ranucci et al. wurde versucht, einen allgemeingültigen Wert für einen kritischen DO₂ (DO_{2 i krit}) zu ermitteln, der anhand von Sensitivität und Spezifität ermittelt wurde. In dieser Versuchsreihe wurde das akute postoperative Nierenversagen als primärer Faktor identifiziert, um eine ungenügende Endorganperfusion festzustellen [47].

Die häufigsten Ursachen für einen sinkenden DO₂ sind in einem unzureichenden Hb zu finden [46]. Dieser kann bereits präoperativ wegen anhaltender Blutung oder chronischer Anämie erniedrigt sein. Allein die Operation bietet ein hohes Blutungsrisiko, die dafür nötige Aufhebung der Gerinnung durch Vollheparinisierung sowie die Hämodilution an der EKZ sorgen für einen Hb-Abfall.

In der Literatur sind einige Experimente zu DO₂ und VO₂ und deren Zusammenhang in der Hypothermie zu finden. In einer klinischen Veröffentlichung von Parolari et al. ist dabei eine lineare Relation von DO₂ und VO₂ beschrieben, die sich sowohl in der Kühlphase als auch in Hypothermie und Aufwärmphase finden lässt. In der Aufwärmphase wurden Parolari et al. auf eine indirekte Proportionalität von VO_2, peripherem Gefäßwiderstand und Blutdruck aufmerksam. In Hypothermie war eine indirekte Proportionalität von VO₂ und peripherem Gefäßwiderstand auffällig sowie eine direkte Proportionalität von VO₂ und EKZ-Fluss [2].

In einer Abhandlung von Ranucci et al. (2005) wurde als möglicher Risikofaktor für postoperatives akutes Nierenversagen ein niedriger DO₂ identifiziert. Hämodilution an der EKZ und der daraus entstehende niedrige Hämatokrit (Hkt) stehen in einem Zusammenhang zu einem reduzierten renalen Outcome und einem erhöhten Serum-Kreatinin. Ein niedriger DO₂ bestätigt sich als ein noch größerer Risikofaktor für einen ischämischen Schaden der Niere als ein niedriger Hkt. Es wird empfohlen, den Pumpenfluss während der EKZ so weit wie möglich dem Hkt anzupassen, um eine optimale Perfusion gewährleisten zu können. So kann für die bestmögliche Endorganperfusion gesorgt werden und ein postoperatives Nierenversagen und damit die Behandlung mit einem Nierenersatzverfahren (NEV) vermieden werden. Patienten mit einer postoperativen Dialyseindikation haben einen signifikant längeren Intensiv- und Krankenhausaufenthalt und eine höhere Mortalität als Patienten ohne diese Indikation. Wenn durch schlechten venösen Rückfluss keine adäquate Perfusion gewährleistet werden kann, sollte der Patient zur besseren Protektion der Organe gekühlt werden [47].

Hendrix et al. untersuchten wie Ranucci et al. (2005) das DO₂ und VO₂ in Zusammenhang mit abnehmender Nierenfunktion. Bei der Untersuchung des DO₂ zeigten sich zwei Gruppen. Bei der einen Gruppe der Patienten (58 %) lag der DO_{2 i krit}-Wert bei über 272 ml/min/m2 und bei der zweiten Gruppe der Patienten (42 %) lag der DO₂ unter diesem Schwellenwert. Die Gruppe mit dem niedrigen DO₂ ließ sich durch einen signifikant niedrigeren Hb ausweisen und durch signifikant mehr Patienten mit Diabetes. Hierbei wurde wieder eine hohe Relation von VO₂ und DO₂ beschrieben. Der DO_{2 i krit} sei als Orientierungslevel heranzuziehen, schlussfolgerte Hendrix et al., jedoch sahen sie keine pathologische Versorgungsabhängigkeit von VO₂ zu DO₂. Jeder Patient hat ein individuelles DO₂-Ziel, statt eines generellen DO_{2 i krit,} wie Ranucci et al. in ihren Untersuchungen beschrieben hatten [47, 51].

GOAL DIRECTED PERFUSION

Goal Directed Perfusion (GDP) beschreibt eine Perfusion, die in Abhängigkeit vom DO₂ geschieht und nicht ausschließlich von Körperoberfläche und Körperkerntemperatur. Dabei soll ein anaerober Stoffwechsel vermieden werden. In der Literatur wird dabei ein DO₂ von mindestens 300 ml/min/ m2 Sauerstoff bei Erwachsenen empfohlen. Ein insuffizienter DO₂ kann ein schlechteres postoperatives Outcome begünstigen [46].

Ziel der GDP ist es, einen DO₂ größer 300 ml/min/m2 zu generieren und die Balance zwischen Hämoglobinwert und Pumpenminutenvolumen zu finden. Hämodilution sollte, wenn möglich, vermieden werden und bei einem verminderten Hb der Pumpenfluss erhöht werden.

Auch für die Perfusion von Kindern wurde nach Richtwerten geforscht. So orientierte man sich an einem historisch festgelegten Mindestfluss der EKZ 150 ml/kg/min in Normothermie und identifizierte über Errechnen des VO₂ und DO₂ in verschiedensten Temperaturbereichen einen Ziel-DO₂ bei Patienten mit einem ausgeglichenen Metabolismus. Es wird ein Zusammenhang von DO₂ und Temperatur genauso wie mit der Laktatproduktion beschrieben. Ein DO₂ von minimal 340 ml/min/m2 bei Säuglingen wird in Normothermie empfohlen, um einen aeroben Stoffwechsel zu erhalten [52].

Aus all diesen vereinzelten Maßnahmen lassen sich allgemeine Empfehlungen für eine EKZ sowohl für Kinder als auch für Erwachsene ableiten.

Die Hämodilution durch das Priming des Schlauchsystems sollte laut aktuellen Leitlinien mit Klasse 1(A)-Empfehlung so weit wie nur möglich reduziert werden. Dies wird durch retrogrades oder antegrades autologes Priming erreicht, durch Kürzen der Schlauchsysteme oder Perfusion mit einer minimal-invasiven extrakorporalen Zirkulation (MiECC) [56, 70].

Diese speziellen Systeme sind bei Kinderperfusionen nicht vorgesehen, doch die Primingreduktion durch kurze Schläuche und kleine Schlauchvolumina ist vor allem bei Kindern und Säuglingen von zentraler Bedeutung, da aufgrund ihres geringen Blutvolumens im Verhältnis zum EKZ-Primingvolumen die Hämodilution besonders ausgeprägt ist [53].

Blutsparende Maßnahmen spielen in der GDP ebenfalls eine große Rolle, denn die Gabe von Erythrozytenkonzentraten (EK) sollte nicht erstes Mittel der Wahl sein. Die Erythrozyten des Transfusionsblutes besitzen eine schlechtere Sauerstofftransportkapazität, und trotz aller Vorsichtsmaßnahmen und Tests besteht immer noch ein Restrisiko für Transfusionszwischenfälle und allergische Reaktionen. Das Transfundieren von EK erhöht auch das Risiko von Mortalität und Morbidität für verlängerten postoperativen Krankenhausaufenthalt [28, 54].

Patienten, die schon präoperativ einen niedrigen Hb-Wert aufweisen, können frühzeitig vor elektiven Operationen mit Eisenpräparaten versorgt werden, um den Körper zur Erythrozyten-Produktion anzuregen. Intraoperativ kann das Blut mit einem speziellen Sauger aus dem OP-Situs abgesaugt und wiederaufbereitet werden, um es dem Patienten direkt wieder zur Verfügung zu stellen. Während der EKZ sollte der Pumpenfluss immer dem aktuellen Hämatokrit angepasst werden. Damit kann nicht nur das Risiko für ein postoperatives renales Versagen minimiert werden, sondern auch ein verlängerter Aufenthalt auf der Intensivstation und die Anschlussheilbehandlung verringert werden [46, 51].

MATERIAL UND METHODEN

Im Folgenden werden das Studiendesign, die Durchführung der Literaturrecherche und die Methodik des Berechnungsmodels dargestellt.

Methodik der Literaturrecherche

Die Literaturrecherche erfolgte über Pub-Med und Springer-Link. In der Suche wurde nach den Begriffen: „human“, „hypothermia“, „cardiac surgery“, „circulatory arrest“, „oxygen consumption“, „hibernation“, „coagulation“, „pathophysiologivcal reaction“, „heart and lung maschine“, „DO₂“, „VO₂“, „bloodpressure“, „metabolism“, „history of…“ in jeweils englischer und deutscher Sprache gesucht.

Diese wurden in Einzelabfragen wie Kombinationsabfragen in die Suchmaschinen eingegeben. Dabei wurde nach Artikeln in deutscher und englischer Sprache gesucht.

Schwerpunktmäßig wurden Artikel eingeschlossen, die sich mit herzchirurgischen Fragestellungen jeglicher Altersgruppe beschäftigten. Artikel, die sich mit der Traumatologie oder Neurologie beschäftigten, wurden ausgeschlossen.

Für die geschichtliche Aufarbeitung wurden einige tierexperimentelle Studien eingeschlossen. Diese beschäftigen sich meist mit Hunden oder Schafen, die zu diesen Zwecken in Laboren gekühlt und operiert wurden. Aktuelle Leitlinien sowie Grundlagenartikel für das Management der Hypothermie wurden bei der Diskussion mit berücksichtigt [11, 55, 56].

Methodik und Berechnungsmodel

Es konnte 8 relevante Paper, die ausschließlich Studien am Menschen darstellten, für ein VO₂-Berechnungsmodel evaluiert und ausgewertet werden.

Einzelbetrachtung eingeschlossener Studien

Li et al. (2000) untersuchten in einem ersten Versuch 20 Kinder, die sich einer Herzoperation mit Einsatz der HLM unterzogen. Sie wollten den Sauerstoffverbrauch bis zu 4 Stunden nach Ankunft auf der Intensivstation untersuchen. Die Messung des VO₂ erfolgte via respiratorische Spektroskopie, die Angaben in der Einheit ml/min/m² [57].

Es folgte eine zweite Versuchsreihe mit 16 Kindern, die am Herzen operiert wurden, bei einer nasopharyngealen Temperatur von 16–32 °C. Es wurde anschließend der Temperaturverlauf auf der Intensivstation untersucht und dessen Auswirkungen auf den Sauerstoffverbrauch. Dieser wurde wie im ersten Versuch über die Respiration gemessen und die Angaben erfolgten in ml/min/m² [58].

Beide Versuche beobachten den Sauerstoffverbrauch in der postoperativen Phase. Dort ist das Herz unter voller Last und deswegen nur begrenzt mit den anderen Werten zu vergleichen.

Cavaliere et al. (1995) untersuchten 15 männliche Patienten mit einer Körperoberfläche zwischen 1,7 und 2,1 m². Die Patienten wurden dabei auf 31–33 °C gekühlt. Die Temperatur wurde anschließend konstant gehalten, aber der Pumpenfluss an der EKZ verändert. Für die Auswertung wurde dabei der Mittelwert von 32 °C verwendet, bei der Körperoberfläche ebenfalls der Mittelwert von 1,9 m². Die Werte wurden in ml/min/m² angegeben [59].

Pernerstorfer et al. (1995) untersuchten Patienten, die an ARDS litten, in milder Hypothermie von 35,5–33 °C an der kontinuierlichen veno-venösen Hämofiltration. Über die Dauer eines Jahres wurden 27 Patienten untersucht und in zwei Gruppen eingeteilt: „Survivors“ und „Non-Survivors“. In der ersten Gruppe der Überlebenden waren 13 Patienten, in der zweiten Gruppe 14 Patienten eingeschlossen. Die Werte des VO₂ wurden in ml/min/m² angegeben. Auch diese Werte beschreiben den Sauerstoffverbrauch unter voller Last des Herzens und müssen differenziert von den anderen betrachtet werden. [60].

Fox et al. untersuchten die Verbindung von verschiedenen Flussraten bei 20 °C und deren Auswirkungen auf den Sauerstoffverbrauch an 17 Patienten, die sich einer Bypass-OP unterzogen. Die durchschnittliche Körperoberfläche (BSA) ist mit 2 m² angegeben. Flussraten von 2,0 l/min/m2 bei 20 °C wurden verwendet. Es wird eine direkte Abhängigkeit des VO₂ vom Fluss beschrieben. 1,2 l/min/m2 werden als untere Grenze für eine ausreichende Gewebeoxygenierung bezeichnet [61].

Die Versuche von Hickey und Hoar (1983) beschäftigten sich mit dem Zusammenhang von Sauerstoffverbrauch und Pumpenfluss an der EKZ, um eine ausreichende Gewebeversorgung zu untersuchen. 12 Männer, die sich einer Bypass-OP unter moderater Hypothermie von 28–25°C unterzogen, wurden eingeschlossen. In diesem Versuch wurden bei hohem und niedrigem Pumpenfluss in Hypothermie keine Veränderungen im VO₂ beobachtet [62].

Matsuda et al. (1992) wollen in einer klinischen Studie einen optimalen Pumpenfluss unter tiefer Hypothermie untersuchen. Außerdem setzen sie verschiedene Parameter in Bezug zueinander und untersuchen deren statistische Korrelation. Sie untersuchten 11 Patienten, die sich verschiedenen herzchirurgischen Operationen unterzogen. Während der EKZ wurden sie auf 20 °C gekühlt [63].

Kwapil et al. (2016) beobachteten den Einsatz eines nicht-invasiven Onlinemessverfahrens während der EKZ und beurteilten dies mit Hilfe der Messung der Gewebesättigung. Hierbei wurden ebenfalls das DO₂ und VO₂ erfasst und ausgewertet. In dieser Studie wurden 46 Patienten eingeschlossen, die Perfusion erfolgte bei ca. 35 °C. Von 46 Patienten wurden 24 in die Messgruppe für VO₂ und DO₂ eingeschlossen und konnten in das Berechnungsmodell aufgenommen werden [64].

Statistik

Die Dokumentation der Daten erfolgte über das Programm Excel (Microsoft, Vereinigte Staaten). Die statistische Auswertung erfolgte mittels IBM SPSS Statistics Version 24 (Armonk, Vereinigte Staaten). Aufgrund der Beobachtung, dass mit fallender Temperatur auch das VO₂ abnimmt, wurden für die Analyse ein lineares und exponentielles Modell mittels Regressionsanalyse geprüft und miteinander verglichen.

ERGEBNISSE

Die in der Literatur erfassten Werte wurden zusammengefasst.

In dieser Gruppe sind aufgrund der geringen Datenlage 8 Studien zusammengefasst, 2 Studien untersuchten Kinder, 6 erwachsene Patienten [57–62, 64, 65].

Bei der Betrachtung der einzelnen Datenpunkte der eingeschlossenen Studien fällt auf, dass im Bereich von ca. 36,5 °C bis 35 °C ein sehr steiler Abfall des VO₂ zu beobachten ist. Ab 35 °C bis ca. 29 °C ist der Abfall nicht mehr so stark und flacht bis 20 °C deutlich ab.

Die Daten wurden sowohl auf den linearen als auch auf den exponentiellen Zusammenhang getestet. In der hierfür durchgeführten Regressionsanalyse wurde der Zusammenhang der beobachteten und übermittelten Werte beurteilt. Ist der R-Wert in der Regressionsanalyse sehr nah an 1, besteht ein hoher statistischer Zusammenhang der analysierten Daten. Der höchste Datenzusammenhang (R = 0,82) wurde mit einer exponentiellen Darstellung ermittelt (Abb. 5). Diese wurde zur Erstellung eines Rechenmodels verwendet, um die tatsächliche Veränderung des VO₂ darzustellen (Tab. 4). Sie ergab die größte Übereinstimmung mit den erhobenen und beobachteten Messwerten.

Die Kurve mit einem linearen Anstieg erreichte einen R-Wert von R = 0,69.

Die Formel zur Berechnung des veränderten (reduzierten) Sauerstoffverbrauchs wurde über die Funktion der exponentiellen Kurve errechnet:

[4,278393 * exp (0,09201 * x)]

Die Variable „x“ stellt dabei die Temperatur dar.

Die Formel lautet hierfür: [VO_{2 (T–1°C)} = VO_{2 (T)} – (VO_{2 (T)} x 0,094)]

Dabei beschreibt T die Ausgangstemperatur. Daraus wurden die in Tabelle 4 ermittelten VO₂-Werte für den Menschen errechnet.

Je tiefer die Temperatur sinkt, desto kleiner fällt das Delta des VO₂ aus. Dies wird in der Abbildung 5 mit Abflachen der Kurve deutlich. Eine Temperaturreduktion um 1 °C entspricht einem reduzierten O₂-Verbrauchswert (ml O₂/min/m2) von 9,2 %.

Abb. 5: Exponentielle Kurvendarstellung des Sauerstoffverbrauchs in Hypothermie

DISKUSSION

Als Ergebnis der vorliegenden Literaturstudien am Menschen lässt sich ableiten, dass bei einer Temperaturreduktion um 1 °C der Sauerstoffverbrauch um 9,2 % sinkt. Es ist bekannt und beschrieben, dass bei Kindern der VO₂ höher ist als bei Erwachsenen. Deshalb ist das Ergebnis nicht in Gänze auf Kinder zu übertragen. Bei Erwachsenen könnte der Sauerstoffverbrauch hingegen etwas zu hoch sein.

Vergleicht man die Ergebnisse von Kirklin et al., die aus tierexperimentellen Studien zusammengefasst wurden, mit denen aus der vorliegenden Studie an Menschen, so erhält man annähernd gleiche VO₂-Reduktionsraten. Im direkten Vergleich mit Kirklin zeigte die vorliegende Studie bei einer milden Kühlung auf 34 °C eine VO₂-Reduktion um 25 % vs. 28 %. Bei einer moderaten Kühlung auf 28 °C konnte in beiden Studienansätzen eine VO₂-Reduktion um 58 % beobachtet werden [66].

In der Literatur sind einige Experimente und Studien zur Sauerstoffversorgung bei gekühlten Patienten oder Versuchstieren zu finden. Dabei werden verschiedene Parameter und Größen verwendet, um eine optimale Versorgung zu beschreiben. Sowohl VO₂ als auch DO₂ können als Parameter für eine ausreichende Sauerstoffversorgung verwendet werden. In der frühen Literatur ist vor allem VO₂ als Einflussgröße zu finden.

So beschreiben 1982 Willford und Kollegen eine kritische Sauerstoffversorgung und einen kritischen Sauerstofftransport entweder durch einen Abfall des VO₂ oder durch einen Anstieg des Laktats im Blut. Bei beiden Werten sind in Hypothermie die kritischen Level deutlich geringer als in Normothermie, was der Hypothermie eine gewisse schützende Wirkung zuschreibt. Sowohl ein Anstieg des VO₂ als auch ein Abfall des HZV und/oder Hb können ein Risikofaktor für eine Hypoxie sein [67].

Von Harris et al. (1971) wird eine adäquate Ganzkörperperfusion in Hypothermie von der arterio-venösen Sauerstoffdifferenz und dem Laktatlevel abhängig gemacht. Hier zeigte sich eine Korrelation von Sauerstoffverbrauch zu HZV/Blutfluss, wenn dieser zwischen 50 und 75 ml/ kg/min liegt [68].

In einer   Veröffentlichung   von   Fox et al. (1982) wurden 17 Patienten unter reduziertem Pumpenfluss bei 20 °C Körpertemperatur sowie der Einfluss des Sauerstoffverbrauchs und eventuelle Zusammenhänge auf die cerebrale Perfusion untersucht. Es wurde ein Zusammenhang von VO₂ und Pumpenfluss gezeigt (p < 0,0001) sowie eine Verbindung zwischen dem Hämatokritwert und arterieller Sauerstoffsättigung (p < 0,0001). Außerdem wird ein Abfall des VO₂ bei reduziertem Pumpenfluss beschrieben. Fox und Kollegen vermuten, dass dies durch eine Abriegelung der Mikrozirkulationsareale geschieht. Hier wird gezeigt, dass bei einer Körpertemperatur von 20 °C bei Reduktion des Pumpenflusses ebenfalls das VO₂ sinkt. [61].

Im Gegensatz zu den Versuchen von Fox et al. zeigten Hickey und Hoar, dass gemessene VO₂-Werte nur mit der Temperatur korrelieren. Sowohl bei erhöhtem als auch bei reduziertem Pumpenfluss blieb der VO₂ in Hypothermie nahezu unverändert. Daraus schließen die Autoren, dass keine Relation von VO₂ und Herzzeitvolumen (gleich Pumpenminutenvolumen) vorliegt. Ein Senken der Körpertemperatur um 10 °C, während der Pumpenfluss konstant bleibt, erhöht die venöse Sättigung und senkt dadurch die arterio-venöse Sauerstoffdifferenz (Tab. 4), was einem um 50 % reduzierten Sauerstoffverbrauch entspricht. In Hypothermie bleibt sowohl bei erhöhtem als auch bei reduziertem Pumpenfluss der VO₂ nahezu unverändert [62].

Ein neueres Instrument in der Herzchirurgie ist das Sauerstoffangebot (DO₂) als alleiniger Richtwert für ausreichende Versorgung der Patienten. Der DO₂ kann allerdings in der EKZ-Phase nur während der Ischämie als alleinstehender Parameter angesehen werden. Zum Zeitpunkt des EKZ-Abgangs zum Beispiel, wenn die Anästhesie den Patienten mitbeatmet, muss diese zum DO₂-Angebot der EKZ mitbetrachtet werden. So kann der Wert des DO₂ am Ende der EKZ nicht allein betrachtet werden. Er würde eine Unterversorgung implizieren, die aufgrund der anästhesiologischen Patientenversorgung nicht gegeben ist. Die aktuellen Artikel von Ranucci et al. fokussierten sich darauf, einen unteren Schwellenwert für das DO₂ festzulegen (DO_{2 i krit}), um den Patienten jederzeit gut mit Sauerstoff zu versorgen und keinen anaeroben Metabolismus aufkommen zu lassen [46, 47].

Dieser Wert ist allerdings von vielen weiteren Faktoren abhängig, wie der Narkoseführung, den Medikamenteneinflüssen, der Temperatur des Patienten, aktuellem Hb, kardioplegem Herzstillstand oder Flimmern, Infektionsgeschehen oder Krankheiten, die eine erhöhte Stoffwechselaktivität generieren.

Mit diesem Thema haben sich ebenfalls Hendrix et al. (2019) beschäftigt. Sie haben in einer Studie den von Ranucci festgelegten DO_{2 i krit} von 272 ml/min/m² und dessen Zusammenhang mit einer Abnahme der postoperativen Nierentätigkeit mittels der glumerulären Filtrationsrate (GFR) beurteilt. Die Studie ist deutlich kleiner angelegt als die Vergleichsstudie nach Ranucci et al. Die Patienten wurden in zwei Gruppen unterteilt. Die eine mit einem DO₂ < 272 ml/min/m² und die andere mit einem DO₂ > 272 ml/min/m2 In dieser Studie konnte jedoch kein Zusammenhang von niedrigem DO₂ und postoperativem Nierenversagen anhand der GFR gezeigt werden (p = 0,503). Ebenfalls konnte keine pathologische Abhängigkeit von VO₂ und DO₂ (p = 0,260) gefunden werden oder ein Zusammenhang von VO₂ und der Sauerstoffextraktionsrate (OER). Das VO₂ wird als ein sehr variabler Faktor beschrieben, der von Patient zu Patient unterschiedlich bewertet werden muss [51].

In einer Versuchsreihe von Ganushchak et al. (2002) in der 15 Patienten eingeschlossen wurden, untersuchte man den Zusammenhang von Gewebehypoxie und intraoperativer Sauerstoffschuld sowie den Zusammenhang von DO₂ und VO₂. Es konnte eine exponentielle Korrelation zwischen Sauerstoffverbrauch und Temperatur aufgezeigt werden (p < 0.001). Außerdem konnte eine Verbindung zwischen Sauerstoffverbrauch und Sauerstoffangebot hergestellt werden (p < 0,01) [69].

LIMITATIONEN

• Es handelt sich um eine retrospektive Literaturanalyse über mehrere Dekaden der Perfusionsforschung.
• In den klinischen Studien variieren die Technik der Narkose und die dafür verwendeten Medikamente, was sich auf den VO₂ auswirkt. Hier werden die Ergebnisse von Kindern und Erwachsenen zusammengefasst. Die Stoffwechselaktivität unterscheidet sich auch, jedoch war die Datenlage zu gering, um sie getrennt voneinander zu betrachten.
• Die Werte des VO₂ an der HLM, wurden mit der Annahme der Vollentlastung des Herzens an der HLM bewertet.
• Das Ablesen von Werten aus Koordinatensystemen der wissenschaftlichen Veröffentlichungen erfolgte so genau wie möglich. Jedoch war es nicht immer möglich, den exakten Wert aus den Studien zu erhalten, so dass gemittelt werden musste.

SCHLUSSFOLGERUNG

In Hypothermie verändern sich Stoffwechselvorgänge im Körper, um den Sauerstoffbedarf zu senken. Dieses Wissen wurde im Laufe vieler Jahre an Menschen und Tieren erarbeitet und hat sich weiterentwickelt. Die in der Literatur erfassten Werte des VO₂ sind aus verschiedenen Kontexten zusammengefasst worden. Die Patienten wurden nicht nur im OP betrachtet und an der EKZ, sondern auch postoperativ auf der Intensivstation beobachtet. Dies macht in der Betrachtung und Messbarkeit des VO₂ einen erheblichen Unterschied. In den Grafiken kann man gut erkennen, dass der Sauerstoffverbrauch mit sinkender Temperatur stetig abnimmt. Jedoch fällt dieser im Bereich von 36–28 °C steiler. Es sollte nur unter zielbewussten Kriterien indiziert sein, die Temperatur unter 28 °C fallen zu lassen. Die Vorteile nehmen deutlich ab und hinzukommen auch die Nachteile der Hypothermie wie verlängerte EKZ durch Kühl- und Wärmevorgang oder auch eine verlängerte Gerinnungszeit.

Es konnte ein exponentieller Abfall des Sauerstoffverbrauchs in Hypothermie nachgewiesen werden. So entspricht eine Temperaturreduktion um 1 °C bei Menschen einem reduzierten O₂-Verbrauchswert (ml O₂/min/m2) von 9,2 %.

Die Goal Directed Perfusion (GDP) ist seit einigen Jahren in der Perfusionstechnik angekommen. Der Patient muss an der EKZ jederzeit ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden. Dabei liefert die GDP vor allem Aussagen über das Sauerstoffangebot. Eine gute Perfusion hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Ein ausreichendes Sauerstoffangebot reicht nicht aus, wenn man nicht weiß, warum der Patient gerade oder grundsätzlich einen erhöhten Sauerstoffbedarf hat. Viele Faktoren dazu liegen in der Hand des Perfusionisten und können für den Patienten beeinflusst werden, aber nicht alle. Es gibt messbare Parameter, die eine gute Orientierung bieten können. Könnte z. B. die venöse Sauerstoffsättigung in Verbindung mit Laktat als guter Indikator für eine ausreichende Gewebeperfusion dienen? Diese ist leichter zu ermitteln als verlässliche VO₂– und DO₂-Messungen, die spezielle Messsysteme voraussetzen.

Muss während der EKZ der Fluss reduziert werden, kann schon leichtes Kühlen auf 34 °C den Sauerstoffverbrauch um 25 % reduzieren und bei 28 °C sogar um 58 %. Um eine Unterversorgung der Patienten zu vermeiden, ist natürlich immer vorausgesetzt das Angebot an Sauerstoff ist ausreichend.

Tabelle 5: Abkürzungen

ACKNOWLEDGMENT

Diese Arbeit ist im Rahmen einer Bachelorarbeit an der AFK Berlin entstanden.

ETHISCHE ASPEKTE

Die Literaturübersichtsarbeit enthält Beiträge von Studien an Menschen oder Tieren.

INTERESSENKONFLIKT

Es bestehen keine Interessenkonflikte.