Bei Patienten mit schwerer hämodynamischer Instabilität ist in bestimmten Fällen eine temporäre Stabilisierung mittels extrakorporaler Membranoxygenierung (ECMO) notwendig. Hinsichtlich der gleichzeitigen Verwendung von ECMO und intraaortaler Ballonpulsation (IABP) sind bis dato wenig Daten vorhanden. Das Ziel des hier gezeigten Versuches war die Beurteilung der Koronardurchblutung bei simultaner Verwendung von ECMO und IABP. Zusätzlich wurde der Einfluss von antegrader oder retrograder Perfusion auf die Koronardurchblutung bewertet.

Seit Entwicklung der IABP in den frühem 1960er-Jahren durch Kantrowitz [7] haben sich mit zunehmender Erfahrung Indikation und Anwendungsgebiet für die IABP immer mehr erweitert. Neben instabiler Angina und Myokardinfarkt wird die IABP mittlerweile auch vor, während und nach herzchirurgischen Eingriffen zur Stabilisierung der Patienten vielfältig genutzt. Auch die intensivmedizinische Betreuung von schwer herzinsuffizienten Patienten kann den Einsatz einer IABP oder ECMO oder deren Kombination notwendig machen [4, 6].

Mit zunehmender Erfahrung wurden allerdings neben den positiven Eigenschaften auch durch die IABP bedingte Komplikationen, wie Blutungen, periphere Ischämien, Thrombopenie oder schwere Gefäßverletzungen, auffällig. Diese Komplikationen treten mit einer Inzidenz von etwa 7 % [15, 19, 20] auf und ziehen zumeist einen weiteren chirurgischen Eingriff sowie die Explantation der IABP nach sich. Neue Daten aus der IABP-SHOCK-II-Studie [17] lassen zudem die Sinnhaftigkeit der IABP bei akuten Infarktpatienten fraglich erscheinen.

Im kardiochirurgischen Alltag kann es bei Patienten im postoperativen Verlauf aufgrund kardiopulmonaler Instabilität notwendig werden, eine temporäre Stabilisierung durch Implantation einer ECMO herbeizuführen. Dabei kann die Implantation der zuführenden arteriellen Linie der ECMO sowohl über die A. axillaris, die Aorta ascendens, den Aortenbogen oder die A. femoralis erfolgen. Die unterschiedlichen Kanülierungen führen sowohl im großen Kreislauf als auch in den Koronararterien zu unterschiedlichen Flussprofilen. Es kann grundsätzlich zwischen einer antegraden, d. h. vom Herzen zur Peripherie gerichteten und einer retrograden, also von peripher nach zentral gerichteten Perfusion unterschieden werden. In manchen Fällen wird dieses Unterstützungssystem noch mit einer IABP kombiniert. Über die Effizienz dieser Kombination und die hämodynamischen Veränderungen durch Kombination beider Systeme sind nur wenige Informationen vorhanden [9, 11, 16]. Zumeist handelt es sich um Akutstudien, die den Einfluss von IABP und ECMO auf die Durchblutung von Bypassgefäßen bewerten.

In der hier präsentierten Studie wurden an einem akuten Schweinemodell die Perfusion der Koronargefäße sowie die davon abhängigen Parameter Laktatkonzentration und Sauerstoffsättigung im Koronarsinus untersucht. Die Evaluation erfolgte für antegrade und retrograde Perfusion durch die ECMO. Neben den beiden grundlegend verschiedenen Perfusionsmustern wurde zudem die Beeinflussung der Koronardurchblutung durch gleichzeitige Aktivierung einer IABP untersucht. Die Daten wurden zum einen für den Fall einer kompletten Kreislaufunterstützung durch die ECMO registriert und zusätzlich nach Reduktion der ECMO-Unterstützung auf die Hälfte des maximalen Flusses. Von der Untersuchung wurden neue Erkenntnisse, wann und in welcher Kombination der gleichzeitige Einsatz von ECMO und IABP für die Koronardurchblutung des Patienten messbare Verbesserungen zeigt, erwartet.

Material und Methoden

Für die Versuche wurden Schweine mit einem durchschnittlichen Gewicht zwischen 60 und 80 kg genutzt. Die Narkoseführung erfolgte intravenös mit Propofol (25 mg/kg/h) und Sufentanyl (1–4 µg/kg/h). Die Schweine waren relaxiert und druckkontrolliert beatmet (Pmax 20 mmHg, positiver endexspiratorischer Druck 5 mmHg, Tidalvolumen 450 ml, Atemfrequenz 15/min). Die Sauerstoffkonzentration betrug inspiratorisch bei allen Tieren 40 %. Die Versorgung der Tiere erfolgte durch einen approbierten Tierarzt entsprechend der gesetzlichen Richtlinien und den Vorgaben der Ethikkommission der Universität Leipzig.

Alle Schweine wurden median sternotomiert. Die Heparinisierung erfolgte gewichtsadaptiert (300 I. E. Heparin/kgKG) mit dem Ziel einer „activated clotting time“ (ACT) > 400 ms. Die arterielle Kanülierung (18-F-Fem-Flex™-Kanüle; Edwards Lifescience, Irvine, USA) für die antegrade Perfusion erfolgte im Aortenbogen (Abb. 1), die retrograde Perfusion erfolgte über die rechte A. femoralis. Die venöse Kanüle (24-F-Fem-Flex™-Kanüle; Edwards Lifesience, Irvine, USA) wurde im rechten Vorhof platziert. Die Anlage der IABP (ARROW AutoCAT® 2, 30 ccm; Teleflex Medical Europe Ltd., Athlone, Irland) erfolgte über die linke A. femoralis, dabei wurde die Spitze der Pumpe auf Höhe der linken A. subclavia platziert.

Abb. 1
figure 1

Intraoperativer Situs von rechts. 1: arterielle Linie, 2: venöse Linie, 3: Druckmessung im Ramus interventricularis anterior, 4: Katheter zum Koronarsinus, 5: linksatrialer Katheter

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Die Messkatheter wurden in den distalen Ramus interventricularis anterior (RIVA; Vygonüle V, 24 G, Vygon, Ecouen, Frankreich), den Koronarsinus (Vasofix® Safety, 22 G, B. Braun, Melsungen, Deutschland) und das linke Atrium platziert (Druckmesskatheter, 3,6 F, Maquet Cardiopulmonary AG, Rastatt, Deutschland). Zusätzlich erfolgte die Anlage eines Pulse induced-contour-cardiac-output(PiCCO®)-Monitorings (PiCCO®-Druckmesskatheter, Pulsion Medical Systems AG, München, Deutschland) über die A. femoralis. Nach lateraler rechtsseitiger Inzision des Abdomens wurde die rechte Niere freigelegt und ein Druckmesskatheter (Arterial-Leader-Cath, 20 G; Vygon, Aachen, Deutschland) in die A. renalis implantiert.

Die Messungen erfolgten in den verschiedenen Konstellationen jeweils 6-mal im Abstand von 2 min. Abb. 2 zeigt die durchgeführten Messungen im Überblick. Nach einem Wechsel der Kanülierung oder der Flussrate der ECMO wurde eine Pause von 10 min eingehalten, um eine Adaptation an die veränderten Perfusionsverhältnisse zu gewährleisten. Das notwendige Herz-Zeit-Volumen (HZV) der ECMO wurde von den vorher gemessenen PiCCO®-Werten abgeleitet und betrug im Durchschnitt 4,5 l/min für die volle Unterstützung.

Abb. 2
figure 2

Flussdiagramm der Versuchsanordnungen. HZV Herz-Zeit-Volumen, ECMO extrakorporale Membranoxygenierung, IABP intraaortale Ballonpulsation

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Die Daten wurden von einem Biostatistiker validiert und statistisch aufgearbeitet. Für den Vergleich der verschiedenen Gruppen mit repetitiven Messungen wurde ein Analysis-of-variance(ANOVA)-Test genutzt. Stellte sich der Test bezüglich Sphärizität als signifikant dar, erfolgte die weitere Verarbeitung nach Greenhouse-Geisser. Die Auswertung wurde mit der Statistiksoftware SPSS (IBM Corporation, Armonk, USA) durchgeführt.

Ergebnisse

Die Messwerte sind in Tab. 1 dargestellt.

Tab. 1 Mittelwerte (MW) der Messwerte mit Standardabweichung (SD). Die Werte ergaben sich aus jeweils 6 Messungen im Abstand von je 2 min bei 6 Versuchstieren
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Bei antegrader Perfusion und voller Entlastung des Herzes durch die ECMO (100 % HZV) zeigte sich, dass der zusätzliche Einsatz einer IABP zu einer signifikanten Steigerung des mittleren arteriellen Drucks in der Koronararterie um 11,2 mmHg führt, dies entspricht 23,4 % (48,6 mmHg vs. 59,8 mmHg, p < 0,05; Abb. 3). Zudem war unter gleichzeitiger Therapie mit ECMO und IABP ein Anstieg der Sauerstoffsättigung im Koronarsinus von 33 auf 38 % nachweisbar. Unter kombinierter Kreislaufunterstützung mit ECMO, 50 %, und IABP konnte ebenfalls ein Anstieg des mittleren arteriellen Drucks im RIVA nachgewiesen werden. Mit 5,8 mmHg erreichte der Anstieg allerdings kein signifikantes Niveau (p > 0,05).

Abb. 3
figure 3

Bei voller Unterstützung durch extrakorporale Membranoxygenierung und antegrader Perfusion zeigt sich mit intraaortaler Ballonpulsation (IABP, rot) ein signifikant höherer mittlerer arterieller Druck im Ramus interventricularis anterior

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Ein zeitgleicher Betrieb der IABP bei retrograder Perfusion führte zu einem signifikanten Abfall des Perfusionsdrucks in der Koronararterie im Vergleich zum Anwendung einer Herz-Lungen-Maschine ohne IABP (59,9 mmHg vs. 52,9 mmHg; 11,7 %, p < 0,05; Abb. 4) Auch bei halber ECMO-Unterstützung wurde der mittlere arterielle Druck noch deutlich durch den gleichzeitigen Betrieb der IABP bei retrograder Perfusion reduziert (54,1 mmHg vs. 48,6 mmHg, 10,2 %, p > 0,05). Die Sauerstoffsättigung sank im Koronarsinus bei retrograder Perfusion und IABP-Unterstützung von 29,2 auf 24,6 % ab, dies entspricht einer Reduktion um 15,8 %. Bei 50 %iger ECMO-Unterstützung hatte der gleichzeitige Betrieb einer IABP keinen Einfluss auf die Sauerstoffsättigung im Koronarsinus.

Abb. 4
figure 4

Bei voller Unterstützung durch extrakorporale Membranoxygenierung und retrograder Perfusion zeigt sich mit intraaortaler Ballonpulsation (IABP, rot) ein signifikant niedrigerer mittlerer arterieller Druck im Ramus interventricularis anterior

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Der Vergleich zwischen antegrader und retrograder Perfusion zeigte hinsichtlich der Perfusion der Koronargefäße deutliche Unterschiede. Der arterielle Mitteldruck bei voller ECMO-Unterstützung ohne IABP im RIVA war bei antegrader Perfusion signifikant niedriger als bei retrograder Perfusion (48,6 mmHg vs. 59,9 mmHg, p < 0,05; Abb. 5). Die Sauerstoffsättigung war im hingegen bei antegrader Perfusion höher (33,0 % vs. 29,2 %). Der Vergleich zwischen antegrader und retrograder ECMO-Perfusion (100 %) mit IABP-Unterstützung zeigt einen signifikanten Vorteil für die antegrade Perfusion (59,8 mmHg vs. 52,9 mmHg; 13,1 %; p < 0,05; Abb. 6). Die Sauerstoffsättigung steigt im Koronarsinus bei antegrader Perfusion mit IABP auf 38,4 % an, bei retrograder Perfusion mit IABP kommt es zu einem Absinken auf 24,6 %.

Abb. 5
figure 5

Der Vergleich von antegrader und retrograder Perfusion ohne intraaortaler Ballonpulsation zeigt einen signifikant höheren arteriellen Mitteldruck im Ramus interventricularis anterior für die retrograde Perfusion (rot)

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Abb. 6
figure 6

Der Vergleich von antegrader und retrograder Perfusion mit intraaortaler Ballonpulsation zeigt einen deutlich höheren arteriellen Mitteldruck für die antegrade Perfusion (schwarz)

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Relevante Veränderungen der Druckverhältnisse im linken Atrium konnten in diesem Akutmodell nicht nachgewiesen werden.

Diskussion

Der Einsatz von ECMO oder IABP ist bei kardialem Versagen nach kardiochirurgischen Eingriffen weit verbreitet. Hinsichtlich des kombinierten Einsatzes beider Unterstützungssysteme ist die Datenlage relativ eingeschränkt. Es konnte von 2 Arbeitsgruppen nachgewiesen werden, dass es zu einer Verbesserung des Blutflusses in Bypassgefäßen bei gleichzeitigem Einsatz kommt [9, 11]. Spezifische Untersuchungen hinsichtlich der Kombination beider Systeme und deren Effizienz in Abhängigkeit von der Perfusionsrichtung wurden bis dato noch nicht ausreichend beurteilt. In einer Studie der Arbeitsgruppe Bĕlohlávek et al. [2] konnte gezeigt werden, dass der Blutfluss in den Koronararterien und den Aa. carotides bei femorofemoraler Kanülierung höher ist als bei femoroaxillärer. Zusätzlich wurde gezeigt, dass der gleichzeitige Einsatz einer IABP bei retrograder Perfusion zu einer signifikanten Reduktion des Perfusionsdrucks führte. Eine signifikante Verbesserung der Koronardurchblutung durch den Einsatz einer IABP bei femoroaxillärer Kanülierung konnte die Arbeitsgruppe nicht nachweisen.

Im hier vorgestellten Akutmodell konnten gezeigt werden, dass der Einsatz einer IABP in Kombination mit ECMO bei antegrader Perfusion sinnvoll ist. Es kam zu einer signifikanten Steigerung des mittleren arteriellen Druck im RIVA (23,4 %). Zudem steigt die Sauerstoffsättigung im Koronarsinus als Zeichen einer verminderten Sauerstoffausschöpfung bei besserer Versorgung und verminderter myokardialer Belastung. Auch bei reduzierter ECMO-Unterstützung ist diese Verbesserung noch nachweisbar, ohne allerdings ein signifikantes Niveau zu erreichen.

Erfolgt die Perfusion über die A. femoralis von retrograd, dann ist der Einsatz einer IABP bei gleichzeitiger Unterstützung durch eine ECMO nach den erhaltenen Daten nicht sinnvoll. Der arterielle Mitteldruck in den Koronargefäßen wird erniedrigt (− 11,7 %) und die myokardiale Sauerstoffausschöpfung ist gesteigert, d. h. bei gleichzeitigem Betrieb einer retrograd implantierten ECMO und einer IABP sinkt die Sauerstoffsättigung im Koronarsinus.

Der Vergleich zwischen antegrader und retrograder Perfusion ohne IABP-Unterstützung zeigte einen signifikant niedrigeren arteriellen Mitteldruck bei antegrader Perfusion über die Aorta ascendens im Vergleich zur retrograden Perfusion. Allerdings war die koronarvenöse Sauerstoffsättigung bei antegrader Perfusion höher. Es ist anzunehmen, dass bei Verwendung der A. axillaris statt der Aorta ascendens aufgrund der veränderten Flussverhältnisse hier ein Angleichen zwischen antegraden und retrograden Perfusionsdrücken bei ECMO-Therapie ohne IABP zu sehen ist. Eine genauere Abklärung dieses Sachverhalts soll in einer weiteren Untersuchungsreihe zur Determinierung der besten Kanülierungsstelle erfolgen. Einen nicht zu unterschätzenden Einfluss hat sicher auch die Auswurfleistung des linken Ventrikels. Wird trotz ECMO viel Volumen ausgeworfen, dann kann es zu einer Mischung von gut mit Sauerstoff angereichertem Blut der ECMO und mit schlecht gesättigtem Blut aus dem linken Ventrikel kommen, sollte eine Störung des Gasaustausches bestehen. Im schlimmsten Fall kommt es bei schlechter Entlastung des Herzes durch die ECMO zu einer ventrikulären Volumenbelastung und zusätzlich zu einer Durchblutung der Koronarien mit wenig oxygeniertem Blut. Dieses Szenario muss im klinischen Alltag vermieden werden.

Der Vergleich der ECMO-Therapie mit IABP zeigte eine deutliche Verbesserung der mittleren arteriellen Drücke für die antegrade Perfusion und eine Verminderung bei retrograder Perfusion. Zusätzlich wird bei antegrader Perfusion mit IABP die Sauerstoffsättigung im Koronarsinus verbessert, was die Schlussfolgerung einer verbesserten myokardialen Sauerstoffversorgung zulässt. Dass dieser Effekt auf einer zusätzlich verbesserten kardialen Entlastung beruhte, ist nicht wahrscheinlich, da das Herz bei 100 % ECMO voll entlastet ohne nennenswertes Schlagvolumen arbeiteten. Bei retrograder Perfusion reduziert hingegen der gleichzeitige Betrieb einer IABP sowohl den arteriellen Mitteldruck in den Koronararterien als auch die myokardiale Sauerstoffversorgung.

Die hier gezeigten Daten sprechen dafür, bei Patienten mit antegrad implantierter ECMO zusätzlich eine IABP zur Optimierung der koronaren Durchblutung zu nutzen, wohingegen für eine retrograde Perfusion kein additiver Effekt der IABP nachgewiesen werden konnte. Eine Validierung der tierexperimentellen Daten im klinischen Alltag muss in einem nächsten Schritt erfolgen.

Zusätzlich zu den gezeigten Effekten wird der laminare Fluss der ECMO durch die IABP in eine pulsatile Perfusion umgewandelt. Verschiedene Studien wiesen einen protektiven Effekt eines pulsatilen Blutflusses v. a. auf die peripheren Organe nach. Berichtet wurde eine Verbesserung der Mikroperfusion, des Metabolismus und eine verbesserter Organfunktion [18]. Serraino et al. [14] zeigten zudem im Jahr 2012, dass unter Verwendung eines pulsatilen kardiopulmonalen Bypasses die endotheliale Aktivierung und damit die Ausbildung einer postoperativen inflammatorischen Reaktion vermindert wurde. Die Kontroverse hinsichtlich pulsatil oder nichtpulsatil zeigt sich in Veröffentlichungen von anderen Arbeitsgruppen, die keinen signifikanten Unterschied zwischen beiden Perfusionsarten sehen [3, 8, 10].

Wurde die ECMO via A. femoralis angeschlossen, führte der gleichzeitige Einsatz einer IABP zu einer Reduktion des arteriellen Mitteldrucks in den Koronargefäßen. Dieses Ergebnis wurde durch den zu beobachtenden Abfall der Sauerstoffsättigung im Koronarsinus unterstützt.

Grundsätzlich muss bedacht werden, dass die Implantation sowohl einer ECMO als auch IABP Risiken mit sich bringt. Für die ECMO-Therapie liegen diese Risiken v. a. sowohl im Bereich der gesteigerten Blutungsneigung als auch in der Verursachung arterieller Thrombembolien [5]. Weiterhin sind Nierenversagen, periphere arterielle Komplikationen und neurologische Dysfunktionen zu nennen. Um eine adäquate ECMO-Therapie durchzuführen, sollten immer sowohl die Grunderkrankung des Patienten als auch sein momentaner Status bedacht werden, mit dem Ziel, die Implantation einer ECMO ohne relevante Langzeitprognose zu vermeiden [1]. Für Patienten im kardiogenen Schock nach ischämisch bedingtem Papillarmuskelabriss und anschließender kardiochirurgischer Versorgung wurde z. B. gezeigt, dass die Implantation einer ECMO nicht zu einer Verbesserung des Langzeitüberlebens führt [13].

Auch für die Implantation einer IABP sind Risiken, wie Blutung, Dissektion, Perforation und Thrombopenie, sowohl bei Implantation als auch im Betrieb nachgewiesen [19]. Die Bewertung der Häufigkeit verschiedener Komplikationen ist aufgrund inhomogener Definitionen in den einzelnen Studien allerdings schwierig, das Risiko schwankte zwischen 1 und 13 % [15, 20]. Als negative Prädiktoren für die IABP galten u. a. Patientenalter > 75 Jahre und Therapiedauer > 24 h. Betrachtet man diese Risiken in Kombination mit nicht nachzuweisenden Verbesserungen für den Patienten bei retrograder ECMO-Perfusion, dann untermauert dies die Schlussfolgerung, dass die Kombination von ECMO mit IABP nur bei antegrader Perfusion eine sinnvolle Kombination darstellt.

Limitationen der Studie

Die hier dargestellte Kombination aus ECMO und IABP kommt zumeist nur im postoperativen Verlauf nach kardiochirurgischen Eingriffen vor und betrifft daher nur ein selektioniertes Patientenkollektiv. Bei den registrierten Parametern handelt es sich um Messwerte, die direkt oder indirekt von der Durchblutung des Herzes abhängen (Surrogatmarker). Der Volumenstrom, der sich abhängig von Querschnitt und Strömungsgeschwindigkeit durch eine Koronararterie bewegt, hängt von vielen Faktoren, wie Temperatur, Viskosität des Mediums und verschiedenen Konstanten, ab. Da die Strömungsgeschwindigkeit, die einen zentralen Bestandteil der Berechnung des Volumenstroms darstellt, aber direkt vom Druck abhängig ist, vermitteln die Ergebnisse der Versuchsreihe einen guten Einblick in die Veränderungen der Koronardurchblutung.

Eine weitere Limitation der Studie ist ihr Design als akutes Modell. Zur genaueren Beurteilung von Langzeiteffekten muss neben den hier aufgenommenen Parametern zusätzlich noch die Untersuchung von Veränderungen auf Mediatorebene, Inflammation und periphere Organperfusion mit betrachtet werden. Eine Aussage über den Effekt eines pulsatilen Flusscharakters kann nicht getroffenen werden.

Fazit für die Praxis

  • Die gleichzeitige Verwendung von ECMO und IABP ist nur bei antegrader Perfusion sinnvoll. Hier kommt es zu einer Steigerung des mittleren arteriellen Drucks in den Koronararterien und zu einer besseren myokardialen Sauerstoffversorgung.

  • Bei retrograder Perfusion reduziert die gleichzeitige Verwendung einer IABP den arteriellen Mitteldruck im Koronargefäß. Dies führt zu einer erhöhten Sauerstoffausschöpfung.

  • Bei Platzierung der arteriellen Kanüle in der Aorta ascendens für eine antegrade Perfusion ist ohne IABP der arterielle Mitteldruck im Koronargefäß bei antegrader Perfusion signifikant geringer als bei retrograder Perfusion.