Wasserverlust durch extrakorporale Membranoxygenierung – Übersicht und experimentelle Überlegungen

HINTERGRUND

Der Einsatz von kardialen- und/oder pulmonalen extrakorporalen Unterstützungssystemen hat in den letzten Jahren in der Notfall- und Intensivmedizin erheblich an Bedeutung gewonnen. Bereits in den frühen Jahren der Herzchirurgie wurde das Grundprinzip des kardiopulmonalen Bpasses bereits bei respiratorischem Versagen angewandt und führte in den USA zu ersten Erfolgen sowohl bei Erwachsenen als auch bei Neugeborenen [1, 2]. Da die Grunderkrankung zu einer generalisierten inflammatorischen Reaktion mit einer Aktivierung verschiedenster Kaskadensysteme führt und die Endothelbarriere verändert [3, 4], ist bei diesem Patientenklientel die Steuerung des Flüssigkeits- und Elektrolythaushaltes von erheblicher Bedeutung. Dieser hat deutlichen Einfluss auf die Morbidität und bedarf deswegen sorgfältiger Überwachung: Sowohl ein restriktives als auch ein liberales Flüssigkeitsregime kann dabei die Organfunktion, die Blutgerinnung und die Wundheilung beeinflussen [5].

Die zusätzliche Reaktion des Organismus auf die Fremdoberflächen des extrakorporalen Systems führt zu einer erweiterten Kaskadenantwort, kann die genannten Reaktionen massiv verstärken und so beispielsweise massivste Flüssigkeitsverschiebungen und -verluste auslösen [6–8]. Die Flüssigkeitsverluste sind über die Urinausscheidung quantifizierbar, der Verlust über Haut und Atemwege, der sogenannte Perspiratio insensibilis wird teilweise als entscheidender Faktor für perioperativen Flüssigkeitsverlust gesehen und kontrovers diskutiert [5].

Ein zusätzliches extrakorporales System, das praktisch eine Erweiterung der Atemwege darstellt, erschwert eine reelle Einschätzung der Flüssigkeitsverluste, die regelhaft als Flüssigkeitsabgabe am Oxygenator beobachtet werden können und abhängig von der Bauart und den physikalischen Bedingungen variieren. Die kaum quantifizierbaren Mengen müssten zur Perspiratio addiert werden. Während die Perspiratio insensibilis bei erwachsenen Probanden bei ca. 0,5 ml/kgKG/h liegt [9], ist diese bei Säuglingen mit 2–3 ml/kgKG/h deutlich höher. Da das Verhältnis eines extrakorporalen Systems gegenüber der Körperoberfläche von Säuglingen und Kindern relativ gesehen deutlich höher ist als bei Erwachsenen, müssen diese Flüssigkeitsverluste bei Kindern deutlich mehr gewichtet werden. Neben möglicherweise quantifizierbaren Verlusten ist die technische Ursache für die Flüssigkeitsentstehung auch nicht eindeutig, da die tägliche Wasserentstehung am Oxygenator bei einer trockenen Frischgaszufuhr und intakter ECMO-Oxygenatormembran erst einmal unklar bleibt.

Mehrere Autoren konnten in In-vitro-Studien zeigen, dass ein Flüssigkeitsverlust entsteht, dieser während extrakorporaler Unterstützung mit der Frischgaszufuhr des Systems korreliert und Verluste von mehreren hundert Millilitern am Tag betragen kann [10–14]. Ob die Verluste durch Temperaturdifferenzen im Oxygenator, durch noch nicht näher bezeichnete Transportvorgänge an der Membran oder durch in der Gasphase gebildetes Kondenswasser ausgelöst werden, bleibt dennoch offen. Ziel dieses Artikels ist die Darstellung der bekannten verschiedenen experimentellen Ansätze und eigener Untersuchungen zu dem Problem des Flüssigkeitsverlustes.

METHODEN

Literaturrecherche

Anhand der Schlagwörter ECMO, ECLS, extrakorporale Membranoxygenierung, Wasserverlust, Wasserleckage, Extracorporeal Membrane Oxygenation, Insensible Water Loss ECMO, Neonates ECMO, Wasserverlust durch ECMO führten wir in den Datenbanken Google Scholar, PubMed sowie herzchirurgisch-kardiotechnischen Sekundärquellen eine Literaturrecherche durch. Nach Sichtung von Titel, Abstract und verfügbarem Volltext sowie den Einschlusskriterien englische Sprache, experimentelle Studie, Publikation nach Jahr 2000 selektierten wir aus den 478 Ergebnissen fünf relevante Studien.

Camacho et al. verwendeten in ihrer In-vitro-Studie einen kurzgeschlossenen ECMO-Kreislauf bestehend aus einem Avecor Silikonmembranoxygenator (0,4 m² bzw. 0,8 m²; Avecor Cardiovascular, Inc., Plymouth, USA) und einer Rollenpumpe [12]. Als Patientenäquivalent diente ein graduiertes Gefäß, das zur Kompensation eines Flüssigkeitsverlustes mit einer Infusionsspritzenpumpe versehen wurde. Die Arbeitsgruppe variierte in einem Zeitraum von 24 Stunden den Gasfluss von 0,5–2,0 l/min und den Blutfluss zwischen 200 und 400 ml/min. Das Priming bestand aus NaCl (0,9 %), neben der Temperatur des Primings wurden zusätzlich die Raumluft und die Temperaturen des Frischgases gemessen. Durch die Substitution der Flüssigkeit im Graduiergefäß bestimmten sie den Verlust im Schlauchsystem. Durch eine Kondensatfalle am Gasausgang des Oxygenators sammelten sie entstandenes Kondenswasser der Gasphase. Während sich die Substitutions- und Sammelmethode nur minimal unterschieden (6–11 ml/Tag Verlust) und auch die Membranoberfläche keinen signifikanten Einfluss auf den Verlust hatte (71,69 bzw. 72,4 ml/Tag/l Gasfluss), nahm der Verlust mit steigendem Gasfluss linear zu (39,9 ml/Tag bei 0,5 l/ min Gasfluss vs. 120 ml/Tag bei 2,0 l/min Gasfluss). Camacho et al. berechneten einen Verlust von 60–70 ml/Tag/l Gasfluss.

Im Gegensatz zu Camacho verwendeten Alexander et al. ein System aus einem Minimax Plus Hohlfaseroxygenator mit mikroporöser Polypropylenmembran (Medtronic, Anaheim, USA) und einer Rollenpumpe [13]. Als Patientenäquivalent diente hier ein versiegelter Vakuumbehälter. Bei einem Blutfluss von 300 ml/min wurde der Frischgasfluss zwischen 2,0, 5,0 und 10 l/min variiert. Innerhalb von 72 h beobachteten sie abhängig vom Frischgasfluss den Flüssigkeitsverlust des Systems sowie den Natriumgehalt des Primings. Der Flüssigkeitsverlust nahm mit höherem Gasfluss zu (6,9 ml/h bei 2 l/min Gasfluss vs. 34,4 ml/h bei 10 l/min Gasfluss). Der gesamte Wasserverlust nach 24 Stunden Laufzeit betrug 82,7 ± 2,2 ml/ Tag/l Gasfluss/min. Parallel dazu stieg die Natriumkonzentration an, so dass bei 10 l/ min Gasfluss nach 24 Stunden die Konzentration bei 190–200 mmol/l lag.

Lawson et al. wählten in ihrer experimentellen Studie von 2007 einen Quadrox D Oxygenator mit Polymethylpentenfaser (Getinge Maquet, Rastatt, Deutschland) und eine Zentrifugalpumpe [13], den Patienten simulierten sie ebenfalls wie Alexander mit einem versiegelten Vakuumbehälter. Bei einem Blutfluss von 400 ml/min variierten sie in einem Zeitraum von 24 Stunden den Gasfluss zwischen 2 und 10 l/min. Sie beobachteten einen gesamten Flüssigkeitsverlust von 48 ± 2,1 ml/l Gasfluss/Tag. Temperatur, systemischer Druck und Luftfeuchtigkeit hatten keinen Einfluss auf den Wasserverlust.

Die Arbeitsgruppe von Li Li verwendete ebenfalls einen Quadrox D Oxygenator mit Polymethylpentenfaser (Getinge Maquet, Rastatt, Deutschland) und eine Zentrifugalpumpe [14], zusätzlich konnektierten sie eine vertikal befestigte Perfusorspritze mit dem ECMO-System und dokumentierten den Flüssigkeitsspiegel mit Kameraaufnahmen der Spritzenskala. Neben der Gasflussrate (3, 5 und 7 l/min) variierten sie zusätzlich die Temperatur des Primings (33–39 °C) um den Einfluss der Temperatur auf den Flüssigkeitsverlust zu überprüfen. Sowohl ein höherer Gasfluss als auch eine höhere Temperatur steigerten den Verlust: Bei 37 °C betrug der Verlust 0,046 ml/min/l Gasfluss. So entstanden bei einem Gasfluss von 7 l/min und einer Primingtemperatur von 39 °C ein täglicher Wasserverlust von ca. 500 ml, bei 3 l/min Gasfluss und bei 33 °C dagegen nur ca. 150 ml.

2013 wählten Gill et al. einen pädiatrischen Hilite 2400 LT ECMO-Oxygenator (Fresenius, Bad Homburg, Deutschland) und eine Zentrifugalpumpe für die Simulation aus [10]. Im Gegensatz zu den vorangegangenen Studien verwendeten sie neben kristalloider Lösung zusätzlich Humanalbumin, um den kolloidosmotischen Druck des Primings auf 23 mmHg einzustellen. Der Flüssigkeitsverlust wurde mittels eines zusätzlichen Reservoirs auf einer kalibrierten Waage überwacht. Bei einem Blutfluss von 1 l/min variierten sie den Gasfluss zwischen 1,3 und 4,8 l/min. Zusätzlich erwärmten und befeuchteten sie das Frischgas am Oxygenator. Bei einem Gasfluss von 1 l/min betrug der Wasserverlust 76,0 ml/Tag, er steigerte sich auf 349 ml/Tag bei 4,8 l/min Gasfluss. Erwärmung und Befeuchtung des Frischgases reduzierten den Wasserverlust deutlich auf 40 ml/Tag.

Tab. 1: Zusammenfassung der relevanten Literaturrecherche-Ergebnisse

Eigene experimentelle Untersuchung

Analog zu den vorangegangenen Studien verwendeten wir für die ECMO-Simulation einen Hohlfasermembranoxygenator Eurosets Adult (Eurosets, Medolla, Italien), eine SCPC ECMO Konsole (LivaNova, München, Deutschland) sowie ein Normothermiegerät HU 35 (Getinge Maquet, Rastadt, Deutschland). Als Priming diente eine eigene Vollblutspende von 400 ml, der ein Breitband-Antibiotikum, 10 ml 10 %ige Glucose und 15.000 IE Heparin als Antikoagulans hinzugefügt wurden. Bei einem Blutfluss von 3,65 l/min variierten wir den Frischgasfluss zwischen 3 und 8 l/min, die Temperatur des Primings wurde bei 36,6 °C gehalten. Der Wasserverlust pro Tag wurde in einem Zeitraum von 24 Stunden beobachtet sowie zusätzlich die Natriumkonzentration mittels Blutgasanalyse bestimmt. Am geschlossenen System konnektierten wir einen Infusionsbeutel, um den Wasserverlust auszugleichen und zu bestimmen. Das Kondenswasser des Oxygenators sammelten wir in einer mit Eis gekühlten Kondensatfalle. Während der gesamten Versuchszeit bestimmten wir zusätzlich die Luftfeuchtigkeit (Abb. 1).

Abb. 1: Schematischer Aufbau der ECMO-Simulation (Quelle: Eigendarstellung)

Die Luftfeuchtigkeit während der Simulation lag konstant um 65 %, der anfängliche Hämoglobinwert und die Natriumkonzentration bei 11,8 g/dl bzw. 131,1 mmol/l.

Bereits in einem Zeitraum von einer Stunde zeigte sich bei diesem Versuch mit Vollblut die Abhängigkeit des Wasserverlustes vom Gasfluss: Bei höherem Frischgasfluss erhöhte sich der Wasserverlust ca. um den Faktor 3 von 9 auf 24 ml/h (Abb. 2).

Abb. 2: Wasserverlust in 1 Stunde

Abb. 3: Wasserverlust in 24 Stunden

Dieses Verhältnis blieb auch nach 24 Stunden nahezu konstant, so dass bei einem Gasfluss von 8 l/min ein gesamter Flüssigkeitsverlust von ca. 600 ml entstand (Abb. 3).

Der Laborversuch zeigte zusätzlich einen Anstieg der Natriumkonzentration des Primings von 131 auf 156 mmol/l nach 24 Stunden (Abb. 4).

Abb. 4: Anstieg der Natriumkonzentration

DISKUSSION

Sowohl die bereits publizierten Studien mit kristalloidem Priming als auch die eigene Simulation mit Vollblut zeigten mit zunehmendem Frischgasfluss einen höheren Flüssigkeitsverlust im System bzw. eine Zunahme gesammelter Flüssigkeit im Kondensatgefäß. Eine Erwärmung bzw. Befeuchtung des Frischgases führte zu einer deutlich verminderten Flüssigkeitsentwicklung.

Mehrere Faktoren könnten zur Entstehung von Wasser in der Gasphase des Oxygenators führen. Die Temperaturunterschiede zwischen dem zugeführten trockenen Frischgas auf Raumtemperatur und der Oxygenatorgasphase auf Körpertemperatur könnten durch das durchströmende und kühlere Gasgemisch die Bildung von Kondenswasser begünstigen. So wird in der klinischen Praxis regelmäßig von der Bildung von Kondenswasser im Oxygenator berichtet, was bei höheren Mengen durchaus den Gasaustausch mindern kann und dementsprechend entfernt werden sollte [15–17]. Dies würde allerdings eine vorhandene Luftfeuchte in der Gasphase voraussetzen. Ein transmembranöser Transport von Flüssigkeit und damit die Entstehung von Luftfeuchtigkeit in der Gasphase ist bei der Verwendung von Polymethylpentenfasern (PMP), die für ECMO-Oxygenatoren verwendet werden, aber nicht erklärbar. Nach Herstellerangaben sind diese Membranen ausschließlich für kleine Gasmoleküle passierbar und für Narkosegase nahezu undurchlässig [18]. Faserbrüche auf mikroskopischer Ebene können zwar vereinzelt vorkommen, erklären aber sicherlich nicht die regelhafte Entstehung von Flüssigkeit. Transportvorgänge über die Membran werden dennoch diskutiert. Bei mikroporösen Hohlfasermembranen führt der transmembranöse Druckgradient zur zunehmenden Benetzung der Mikroporen und schließlich zum Plasmadurchbruch [19], der mikroskopisch bereits innerhalb der ersten Stunden nachweisbar ist (unveröffentlichte Daten der Autoren). PMP-Fasern ermöglichen zwar keinen Materietransport des Wassers im Sinne einer Konvektion, die Arbeitsgruppe um Gill erklärt die Flüssigkeitsentstehung allerdings mit dem Prozess eines aktivierten Transportes: Wasser migriert in das innere Membrangerüst der PMP-Faser, wird gradientenbedingt transportiert, auf der Gasseite evaporiert und führt zur Luftfeuchte [10]. Yang et al. konnten dies bei Polyurethanfasern (PU) nachweisen. PU-Testmembranen mit einer Dicke von 90–340 µm ermöglichten einen quantifizierbaren diffusionsabhängigen Wassertransport [20]. Auch bei der Verwendung von Polymermaterialien in implantierbaren Unterstützungssystemen werden diese Wassertransportvorgänge beschrieben [21, 22].

Da die teilweise großen Flüssigkeitsverluste nicht quantifizierbar bleiben, sollten sie dennoch bei der Bilanzierung zur Perspiratio insensibilis addiert werden, um Verschiebungen des Wasser- und Elektrolythaushaltes zu vermeiden. Der in den Versuchen beobachtete Natriumanstieg erklärt sich durch den Wasserverlust, der in den geschlossenen Versuchsanordnungen trotz Flüssigkeitssubstitution nicht auszugleichen ist. In der Praxis könnten die Elektrolytverschiebungen möglicherweise geringer ausfallen und durch die permanente Flüssigkeits- und Elektrolytzufuhr sowie die Ausscheidung nicht sicher auf den Wasserverlust des Oxygenators zurückgeführt werden. Während eine Quantifizierung des Wasserverlustes kaum möglich scheint, ist eine Befeuchtung des zuführenden Frischgases am Oxygenator einfach zu realisieren. Bei der Sauerstoffinsufflation der Patienten werden die Atemgase angefeuchtet, um eine Austrocknung der Atemwege zu verhindern. Die im Oxygenator entstehenden Wassermengen könnten allerdings den Gasaustausch einschränken, allein deswegen scheint eine Zulassung dieses Verfahrens kaum möglich. Die Arbeitsgruppe um Gill rät im Fazit ebenfalls von dieser Methode ab [10].

Während die Wasserverluste untersucht wurden, steht die nähere Analyse der gesammelten Flüssigkeit noch aus: Die geringen Mengen können nur mit spurenanalytischen Methoden auf Inhaltsstoffe untersucht werden, um einen Zusammenhang zu transmembranösen Vorgängen herstellen zu können.

FAZIT

Transportvorgänge in Oxygenatormembranen sind trotz plasmadichter Fasern in nicht unerheblicher Menge möglich, nehmen mit zunehmendem Frischgasfluss zu und lassen sich durch Lösungs-, Migrations- und Ausgasungseffekte an der Membran erklären. Eine Kondenswasserbildung scheidet physikalisch aus. Trotz der sichtbaren Mengen finden die eigentlichen Vorgänge auf mikroskopischer Ebene statt und können wegen der verschiedenen Bauarten von Oxygenatoren kaum mathematisch eingegrenzt werden.

Bei der Bilanzierung der Intensivpatienten sollten sie auf jeden Fall berücksichtigt werden.

INTERESSENKONFLIKTE

Der Autor gibt an keine Interessenkonflikte zu haben.

Hinweis

Diese Arbeit ist im Rahmen einer Studienarbeit an der Steinbeis Hochschule Berlin entstanden.