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3.  Einleitung

3.1. Historisches, Entwicklung von Kreislaufunterstützungssystemen

„Das Herz ist der Sitz der Seele und zugleich das Zentrum des Gefäßsystems“.1 Aristoteles hat als Naturforscher und Philosoph einen gleichermaßen hohen Rang. Seine Vorstellung durchzieht bis heute Geisteswissenschaften und Kunst. Herausragende Bedeutung hatte das Herz in der Weltanschauung und Religion der Ägypter, Christen und Azteken. Auch nachdem Harvey 1628 die Pumpfunktion im Kreislauf entdeckt hatte,2 behielten alle Sprachen Worte, die geistige oder seelische Fähigkeiten mit der Herztätigkeit verbanden. Über Jahrhunderte wurde Leben mit guter, Tod mit erlöschender Herzfunktion gleichgesetzt. Erst als die Möglichkeit der Organtrans­plantation eine andere Definition erforderte, wurde 1968 der Tod mit dem irreversiblen Verlust der Gehirnfunktion gleichgesetzt.3

Isolierte Organperfusion

Nach der Französischen Revolution und der Säkularisierung trat ein Aufschwung in der medizinischen Forschung ein. So verwundert es nicht, dass die ersten tierexperi­men­tellen Organperfusionen in die erste Hälfte des 19. Jahrhunderts fallen und als Vorläufer der extrakorporalen Zirkulation gelten, nachdem der französische Physiologe Julien Jean Le Gallois 1812 in seiner Monographie „Expériences sur la principe de la vie“ 4 folgendes geschrieben hatte:

„ Aber falls man das Herz durch eine Form der Injektion ersetzen und gleichzeitig für diese Injektion kontinuierlich natürliches oder auch künstlich hergestelltes arterielles Blut zur Verfügung stellen könnte – vorausgesetzt, daß solch eine künstliche Herstellung möglich ist – würde es gelingen, das Leben in jedem Körperteil für eine unbegrenzte Zeit aufrecht zu erhalten: folglich könnte man nach der Enthauptung selbst im Kopf alle Hirnfunktion aufrechterhalten. ...... Man könnte es (das Leben) gleichfalls in den ganzen Körper zurückrufen und so eine wirkliche Auferstehung im wahrsten Sinne des Wortes bewerkstelligen.“ (Deutsche Übersetzung von Reidemeister 5)


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Die ersten Erfolge bei der praktischen Umsetzung dieser Idee hatte K. E. Loebell, der 1849 das Modell der isolierten Nierenperfusion mit noch erhaltener Harnsekretion veröffentlichte.6 Mehrere Forscher erweiterten dieses Modell. Zu nennen ist darunter A. Schmidt, der 1867 in Leipzig bei der isolierten Nierenperfusion den ununterbrochenen Blutfluß und die Oxygenierung durch Schütteln mit Raumluft hinzufügte 7 und dadurch den Grundstein zum Prinzip des Bubble-Oxygenationsverfahrens legte. Fünfzehn Jahre später konnte diese Oxygenierung durch arterialisiertes, mit Sauerstoff angereichertes Blut erfolgen.8 1885 beschrieben M. von Frey und M. Gruber den ersten geschlossenen extrakorporalen Kreislauf,9 welcher bereits mit Thermometer, Luftfallen und Druck­messungen ausgestattet war. Carl Jacobi vereinfachte dieses Prinzip 1890 und führte erstmalig den pulsatilen Fluß mittels rhythmisch komprimiertem Gummiballon ein.10 Hierdurch waren die Grundlagen für den klinischen Einsatz der extrakorporalen Zir­kulation in den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts bereits frühzeitig geschaffen.11, 12

In einer Abhandlung über die arterielle Durchströmung von Organen schilderte O. Zeller im Jahre 1908 die Vision, dass eine künstliche Perfusion des Menschen im Notfall Leben retten könnte und nimmt damit die Extrakorporale Membranoxy­genierung (ECMO) um etwa 65 Jahre gedanklich vorweg:

„ Während der Herzmassage und künstlichen Atmung wird der Apparat mit hirudinhaltiger Kockescher Flüssigkeit und Aderlaßblut gefüllt, mit Sauerstoff durchströmt, schnell eine Arteria brachialis freigelegt und mit einer Kanüle armiert. Die andere obere Extremität wird abgebunden und die Aorta abdominalis komprimiert, um das Durchströmungsgebiet zu verkleinern, eine Vene zum Aderlaß vorbereitet. Kostbare Zeit wird inzwischen vergangen sein. Nur um einen letzten Versuch kann es sich also handeln. Eher schon wäre eine Einwirkung denkbar bei Operationen, bei denen man auf Verblutung, auf Herzstillstand gefasst sein muß, bei denen man sich also auf ein solches Ereignis von vornherein einrichten kann, ...... Ob freilich dann das entfliehende Leben zu retten sein wird, mag die Zukunft lehren.“ 13


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Tab. 1: Meilensteine in der Entwicklung extrakorporaler Zirkulation in der Anwendung am Menschen

    

Jahr

Autoren

Ref.

Pionierleistung

    

1953

JH Gibbon

14

Erfolgreiche Operation mit HLM bei 18j. Mädchen mit ASD

1954

CW Lillehei

15

Cross circulation, an den Kreislauf eines Elternteiles angeschlossen

1966

M DeBakey

16

Implantation des ersten VAD, Entwöhnung nach 10 Tagen erfolgreich

1967

C Barnard

17

Erste Herztransplantation beim Menschen

1973

RH Bartlett

18

ECMO bei Neugeborenen mit schwerem Lungenversagen

1982

WC DeVries

19

Jarvik 7: Implantierbares Kunstherz, 112 Tage überlebt

1986

ES Bücherl

20

Erster Einsatz des Berliner Kunstherzens, 4 Tage überlebt

1992

R Hetzer

21

Miniaturisiertes pneumatisches VAD für Säuglinge und Kinder

1994

 

22

FDA Zulassung des pneumat. LVAD zur Überbrückung zur HTx

2001

 

23

Abiocor: Elektrisch angetriebenes vollimplantierbares Kunstherz

für Erwachsene

Abk.: ASD, Vorhofseptumdefekt; FDA, Food- and Drug-Administration

3.2. Fragestellung

Die Vorstellung, ausfallende Herzfunktion bei einem Kind durch mechanische Systeme ganz oder teilweise zu ersetzen, ist für viele Menschen nur schwer nachzuvollziehen. Selbst in Fachkreisen gibt es derzeit durchaus keinen Konsens, dass eine mechanische Kreislaufunterstützung bei Kindern jenseits des Operationssaales überhaupt gemacht werden sollte. Die vorliegende Untersuchung stellt sich daher die folgenden Fragen:

  1. Welchen Stand hat die Entwicklung von Kreislaufunterstützungs­systemen für Kinder?
  2. Wie beeinflusst der Blutkontakt mit Fremdmaterial das Kapillarleck­Syndrom beim Kind?
  3. Welche Erfahrungen gibt es mit pulsatilen Ventrikelunterstützungs­systemen bei Kindern?
  4. In welchen Situationen profitieren Kinder von einer mechanischen Kreis­lauf­­unterstützung?


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3.3. Mechanische Kreislaufunterstützung im Kindesalter

3.3.1. Voraussetzungen

Chronisches Herzversagen führt bei einigen Kindern trotz intensiver medikamentöser Therapie in einen nicht beherrschbaren kardiogenen Schock mit myokardialem Versagen und Tod. Diese Verläufe sind bekannt bei Kindern mit Kardiomyopathie, akut fulminanter Myokarditis und vereinzelt nach HLM-Operationen oder bei Kindern mit angeborenen Herzfehlern, bei denen nach mehrfachen Operationen keine chirurgische Option auf Verbesserung der Situation besteht (sog. End-stage-congenital heart defect).24,25Einige dieser Kinder befinden sich auf der Warteliste zur Herztransplan­tation und können akut versterben, wenn nicht schnell genug ein Spenderherz angeboten wird. Wenn alle operativen und medikamentösen Optionen ausgeschöpft sind und die terminal herzinsuffizienten Kinder im kardiogenen Schock verbleiben oder reani­mationspflichtig werden, steht als letzte Behandlungsmöglichkeit die mechanische Kreislaufunterstützung (MCS) zur Verfügung. Dies ist eine drastische Therapie mit ungewissem Ausgang, immer die Perspektive einer Herztransplantation einschließend.

Ehrliche und verständliche Elterngespräche, Familienbetreuung und “informed consent” sind vor der Durchführung der mechanischen Kreislaufunterstützung unerläßlich.

Die verschiedenen MCS Formen bergen neben der Infektionsgefahr zwei wesentliche Komplikationsquellen. Zum einen ist es die Gefahr der Gerinnungsentgleisung, da bei jedem der Systeme eine Antikoagulation mit genauester Steuerung notwendig ist, um den schmalen Grat zwischen Thromboembolie und Blutung zu meistern.26,27 Zum anderen besteht die Gefahr eines Kapillarlecksyndromes (CLS), welches insbesondere bei kleinen Kindern mit HLM-Operation oder ECMO-Unterstützung limitierend wirken kann.28,29

3.3.2. Herzlungenmaschine

Die Komponenten der Herzlungenmaschine (HLM) für die intraoperative Kreislauf­unter­stützung bei Säuglingen und Kleinkindern unterscheiden sich wesentlich von der HLM für Erwachsene. Das liegt zum einen an den sehr kleinen Körperverhältnissen, zum anderen an den sehr unterschiedlichen hämodynamischen und anatomischen Gegebenheiten der Kinder. Das kleinste Frühgeborene, welches im Deutschen [Seite 11↓]Herzzentrum Berlin (DHZB) mittels HLM erfolgreich operiert worden war hatte ein Körpergewicht von 1730 Gramm. Damit der Fremdoberflächenkontakt des Blutes möglichst klein gehalten werden kann, müssen möglichst kurze Schlauchverbindungen und ein möglichst geringes Priming-Volumen angestrebt werden. Gewichts- und blutflußabhängige Kinderoxygenatoren werden ebenso von der Industrie angeboten, wie flexible venöse Kinderreservoire und sogenannte High-flow-Kanülen. Aus anatomischer Notwendigkeit heraus müssen manche Kinder mit komplexen Vitien, die insbesondere die Aorta ascendens und den Aortenbogen mit betreffen, in tiefer Hypothermie mit Kreislaufstillstand operiert werden. Es sind speziell diese Säuglinge, die neben der Hypothermie mit Kreislaufstillstand oftmals auch lange Bypasszeiten zur Operation benötigen, die nicht selten postoperativ ein augeprägtes Kapillarlecksyndrom entwickeln, welches in den ersten Tagen auf der Intensivstation unterschiedliche Probleme verursacht. Das sogenannte Postperfusionssyndrom ist ein Sammelbegriff für verschiedene Komplikationen nach HLM, der neben der gesteigerten Zellmembranper­meabilität mit CLS auch die Leukozytose, Fieber, Hämolyse und periphere Vasokon­striktion beinhaltet.

3.3.3. Extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO)

Die ECMO wurde im Jahre 1974 durch den Chirurgen R. H. Bartlett eingeführt und seither an über 15000 Neugeborenen mit schwerem Lungenversagen eingesetzt.18,30 Zur Kanülierung werden in der Regel die rechts­seitigen Halsgefäße gewählt. Ist nur die partiell ausgefallene Lungenfunktion zu unterstützen, so kann veno-venöse ECMO genutzt werden. Muss zusätzlich die Kreislauffunktion ersetzt werden, so wird veno-arterielle ECMO eingesetzt. Von 1990 bis 2002 wurden im Deutschen Herzzentrum Berlin mehr als 70 Kinder bis 17 Jahre mit ECMO behandelt. Durch die 12-jährige Zeit­spanne und den erheblichen Alters- und Indikationsunterschied weisen die eingesetzten ECMO-Kreislaufsysteme eine große Modifikationsbreite auf. Die Grundbestandteile des Systems sind in Abb. 1 dargestellt. Oft wurde in der Vergangenheit ein Kardio­tomie­­reservoir mit Saugung und integrierter Retransfusion für Mediastinaldrainagenblut oder ein Vent-Sauger zur Entlastung des linken Vorhofes zwischengeschaltet.

Für Säuglinge bis zu fünf Kilogramm Körpergewicht enthielten unsere ECMO-Kreisläufe einen ¼“ venösen Abfuhrschlauch, ein kollabierbares venöses Reservoir [Seite 12↓](Jostra, Hirrlingen, Deutschland oder Medtronic, Anaheim, CA, USA), einen 50 cc Zentrifugalpumpenkopf (Medtronic, Eden, Prairie, MN, USA) ein ¼“ flow probe (Medtronic), einen ¼“ arteriellen Zufuhrschlauch und einen Kinderfilter (Dideco D 736, Dideco, Mirandola, Italien).

Für Kinder zwischen fünf und 15 kg Körpergewicht enthielten die Kreisläufe einen 3/8“ venösen Abfuhrschlauch, Kinder mit einem Körpergewicht oberhalb von 15 kg erhielten einen 80 cc Zentrifugalpumpenkopf, eine 3/8“ flow probe, einen 3/8“ arteriellen Zufuhrschlauch und einen arteriellen Kinderfilter (Dideco D 734).

Wenn eine aktive linksatriale Vent-Entlastung oder mediastinale Retransfusion nötig war, wurde ein heparinbeschichtetes Reservoir (Jostra oder Medronic) dazu geschaltet.

Zur Oxygenierung wurden entweder Flat sheet Oxygenatoren (Jostra M 16, SciMed 1500, 2500, Ultrox I oder III) oder heparinbeschichtete Kapillar-Membran-Oxygenatoren (Minimax, Maxima) genutzt (Jostra AG, Hirrlingen, Deutschland oder Medtronic, Anaheim, CA, USA oder Avecor, Plymouth, MN, USA).

Abb. 1: Grundbestandteile einer veno-arteriellen ECMO: Das System besteht aus einem venösen Abfuhrschlauch, dem venösen Reservoir, dem Zentrifugalpumpenkopf, dem Oxygenator mit integriertem Wärmeaustauscher, dem arteriellen Filter und dem arteriellen Zufuhrschlauch. Mit Ausnahme des Silikon-Membran-Oxygenators sind alle Teile Heparin-beschichtet.

Die Maschine wurde vor dem Anschluss des Patienten mit Human Albumin 20 %, Frischplasma, Erythrozytenkonzentrat und Natriumbikarbonat gefüllt. Es wurde ein [Seite 13↓]Hämatokrit von 30 %, ein onkotischer Druck von mehr als 15 mmHg und eine physiologische Elektrolytkonzentration angestrebt. Heparin wurde hinzugefügt, um eine ACT (activated clotting time) von etwa 200 Sekunden zu erreichen.

Wenn die ECMO angeschlossen wurde, weil die Entwöhnung von der HLM nicht gelang, wurden die kardialen Kanülen intrathorakal belassen. Bei überwiegend pulmona­ler Indikation oder wenn eine kurzzeitige Entwöhnung von der HLM gelungen war, wurde eine rechts-zervikale Kanülierung vorgenommen und der Thorax ver­schlossen. Der absolute ECMO-Fluß lag zwischen 0,2 und 3,5 l/min, welches einem Fluss von 60 bis 250 ml/kg KG/min entsprach und in Abhängigkeit der residuellen Herzleistung gesteuert wurde.

Abb. 2: ECMO-Einheit (links) und zwei-jähriges Kind, welches postoperativ unter ECMO in das Herzkatheterlabor gebracht wurde (rechts). Mit den dortigen Mitteln konnte das Problem erkannt und durch Stentimplantationen behoben werden. Die Oxygenierung wurde dadurch möglich und die ECMO-Entwöhnung gelang wenige Tage später.

Blutungen und Plättchendestruktion an den Fremdflächen erfordern die regelmäßige Zufuhr von Thrombozytenkonzentraten, um die Plättchenzahl über 100/nl zu halten. Wegen des häufigen Kapillarlecksyndromes ist eine ausgeglichene oder negative [Seite 14↓]Flüssigkeitsbilanz unter ECMO oftmals schwierig. Komplikationen wie Krampfanfälle, zerebrale Embolien, Nierenversagen, Verbrauchskoagulopathie sind in der Literatur leider nicht selten beschrieben. Kinder haben in etwa 15% sensorineurale Ausfälle und in bis zu 20% eine retardierte Entwicklung.26,31 In der Kinderkardiologie wurde ECMO insbesondere zur postoperativen Unterstützung bei schwerer kardialer Dysfunktion, z.B. nach Herz­transplantation oder Norwood-Operation eingesetzt.32-34 Bei jungen Säuglingen mit shuntabhängiger Zirkulation wurde eine verbesserte Überlebensrate durch postoperatives ECMO berichtet. Es sind Überlebensraten von bis zu 61 % nach Postkardiotomie-ECMO beschrieben.35 Entscheidend für den Erfolg einer derartigen Behandlung ist der rechtzeitige Beginn der Kreislaufunterstützung vor der endgültigen Endorganschädigung oder auf der Intensivstation vor dem Eintreten des Herzstill­standes.36 Bei guter Lungenfunktion kann die Roller- oder Kreiselpumpe des ECMO-Systems ohne den Oxygenator verwendet werden. Das Bild, das aus Veröffentlichungen einzelner Autoren mit Bestleistungen entsteht, ist jedoch für die Durchschnittsbe­völkerung wenig repräsentativ. Nachfolgend sind die Daten von 3282 kardial begrün­deten ECMO- Behandlungen aus dem ELSO-Register zusammengefasst. Selbst hier werden die Ergebnisse wohl noch überdurchschnittlich gut sein, da sich Zentren mit unzu­reichenden Ergebnissen möglicherweise nicht an dem freiwilligen Register beteiligten.

Tab. 2: Zusammenfassung der 3282 ECMO Behandlungen, die aus kardialer Indikation zwischen 1989 – 2000 erfolgten und an das internationale Register gemeldet wurden. ( ECLS Registry Report 2000 ).

     
 

n

Zeit (h)

mean

Zeit (Tg)

maximal

Überleben

%

     
     

Angeborener Herzfehler

2358

114

49

38

Herzstillstand

81

101

22

20

Kardiogener Schock

90

115

37

36

Kardiomyopathie

206

154

47

46

Myokarditis

102

193

35

59

Sonstiges

445

133

39

39


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Folgende Komplikationen wurden aus dem oben beschriebenen Kollektiv (n = 3282) berichtet: Chirurgische Blutung 29,5 %, Oxygenator Versagen 7,9 %, Kanülierungs­probleme 6,4 %, kultur-positive Infektionen 10,9 %, Hämolyse 6,8 %, Hirntod 6,2 %.

3.3.4. Pneumatisch Pulsatiles Ventricular Assist Device (VAD)

Pneumatisch pulsatile Unterstützungssysteme sind seit Mitte der 80er Jahre bei Erwachsenen mit terminalem Herzversagen im Einsatz. Die klinische Einführung des Berlin-Heart-Systemes erfolgte 1988 zunächst nur mit standardisierten Erwachsenen-Systemen mit einem Mindestschlagvolumen von 50 ml und Kippscheibenklappen. Aufgrund fehlender kindgerechter Systeme wurden diese Erwachsenensysteme auch bei Kindern und Jugendlichen eingesetzt.37,38 Der erste erfolgreiche Einsatz bei einem Kind unter 30 kg Körpergewicht wurde 1990 von Warnecke beschrieben. Der achtjährige Junge konnte nach 8 Unterstützungstagen erfolgreich transplantiert werden.39 Versuche zur Miniaturisierung der verschiedenen pulsatilen VAD`s scheiterten an der geforderten hohen Schlagfrequenz, dem hohen Kanülenwiderstand und der hohen Turbulenz und den vermehrten Scherkräften an der Grenzfläche; allesamt Probleme, die mit grosser Thrombosegefahr verbunden waren.40 Eine Miniaturisierung war nur mit weiterer Forschung und Weiterentwicklung der Pumpen, der Kanülen und des Antriebes möglich. Ferner darf nicht verschwiegen werden, dass die meisten Firmen an der aufwendigen Forschung und Produktion unterschiedlich grosser Kinderpumpen wenig Interesse hatten, da diese Patientengruppe nur einen kleinen Markt darstellt. Bis heute ist von der FDA kein pneumatisch pulsatiles VAD für Kinder zugelassen. In Deutschland entwickelten seit Anfang der 90er Jahre die Firmen BerlinHeart21 und Medos 41 pulsatile VAD's für Kinder mit Schlagvolumina von 10 bis 60 ml. Die Details über die Kinderversion der Berlin Heart folgen in einem eigenen Kapitel (siehe 3.4.).

3.3.5. Andere Unterstützungssysteme

Die Intraaortale Ballonpumpe (IABP) besteht aus einem pulsatilen Antrieb und einem Ballon, welcher in die Aorta descendens eingebacht wird und sich pulssynchron nach dem Prinzip der Counterpulsation füllt und entleert. Diese Methode stellt ein Standardverfahren in der Erwachsenenintensivmedizin dar. Die Anwendung bei Kindern hat erhebliche Einschränkungen: Im Gegensatz zu den Erwachsenen erfolgt die [Seite 16↓]Implantation bei Kleinkindern nicht transkutan über die Arteria femoralis, sondern nur direkt mittels Thorakotomie. Die physiologischen Unterschiede zwischen Kindern und Erwachsenenen, wie z.B. die höhere Elastizität der Aorta reduzieren den Kreislaufeffekt bei kleinen Kindern. Nach wie vor existieren nur wenige Berichte über IABP im Kindesalter. Das grösste Kollektiv wurde von Hawkins beschrieben und umfasst 43 Patienten im Alter von 5 Tagen bis 18 Jahren und weist eine erfolgreiche Entwöhnung von 51% bei 42 % Langzeitüberlebenden auf.42 Andere Arbeiten berichten über 14 bis 29 Kinder, die Überlebensraten liegen zwischen 57 und 74 %.43,44 Bei den Komplika­tionen ist u.a. die mesenteriale Ischämie zu nennen.

Von den vier in unserer Klinik mit IABP behandelten Kindern konnte nur bei einem 10-jährigen Mädchen mit LV-Versagen nach HTx durch eine 7-tägige IABP Behandlung eine wesentliche hämodynamische Verbesserung gesehen werden. Sie ist jetzt vier Jahre später in unserer regel­mässigen ambulanten Betreuung und weist keinerlei Residual­defekte auf. Bei einem dreijährigen Kind verschlechterte sich unter IABP die Kreislaufsituation, so dass die Pumpe nach einer Stunde wieder entfernt werden mußte. Ein anderes Unter­stützungs­­system kam bei florider Sepsis und abszedierender Aorten­klappen­­endokarditis zu diesem Zeitpunkt nicht in Frage. Bei zwei anderen Kindern verschlechterte sich unter IABP die Kreislaufsituation progredient, so dass auf ein anderes Kreislaufunter­stützungssystem umgestellt wurde.

Die Zentrifugalpumpe, wie z.B. Bio-Medicus Biopump stellt bei intakter Lungen­funktion auch für Säuglinge und Kleinkinder die Alternative zu dem Berlin Heartoder dem Medos-System dar. Dabei handelt es sich um eine nicht-pulsatil arbeitende Zentrifugalpumpe (bis 5000 rpm; 0.5-8 l/min) ohne Klappen oder Diaphrag­ma, die auch ein miniaturisiertes Schlauchsystem für Neugeborene bereit hält. Die Schlauchsysteme sind heparinbeschichtet und die Blutkontaktfläche ist altersabhängig gering gehalten. Eine interne Batterie erlaubt Transport-Mobilität für ca. 45 Minuten.

Weitere kardiale Assist Systeme: In der Erwachsenenmedizin stehen eine Reihe weiterer implantierbarer Blutpumpen zur Verfügung. Das Novacor wurde 1984 und das HeartMate zwei Jahre später in die Klinik eingeführt. Das System Novacor-N100-LVAS (World Heart Inc., Oakland, CA, USA)45 wurde bisher bei mehr als 1200 Erwachsenen und das TCI-Heart-Mate-System (Thoratec Corp., Woburn, MA, USA) [Seite 17↓]bei über 2500 Erwachsenen und einigen Jugendlichen implantiert.46,47,48 Bei beiden Systemen sind die Blutpumpen hinter dem linken Musculus rectus abdominis in einer chirurgisch geschaffenen Muskeltasche gelagert. Es ist jedoch noch die perkutane Ausleitung einer kombinierten Energie- und Steuerungsleitung nötig, die die implantierte Blutpumpe mit den extern am Körper getragenen Kontroll- und Batterie-Einheiten verbindet.

In den letzten vier Jahren fanden weitere Kreislaufunterstützungssysteme Einzug in die klinische Anwendung. Es handelt sich dabei um Axialpumpen, die einen nicht pulsatilen kontinuierlichen Blutfluss liefern und die Blutbewegung durch eine sehr schnell rotierende Schraube (Impeller) liefern. Dazu zählen das Micromed-DeBakey-LVAD (Micromed Technology Inc., Houston, TX, USA),49,50 ferner das Jarvik-2000-LVAD (Jarvik Heart Inc., New York, NY, USA)51-54 und das HeartMate-II-LVAD (Thoratec Corp., Woburn, MA, USA).55 Bei diesen drei Systemen wird das Blut vom Apex des linken Ventrikels direkt in die Aorta descendens (oder je nach Kanülierung auch in die Aorta ascendens) ausgeworfen. Auch bei diesen Systemen ist die perkutane Ausleitung der kombinierten Steuerungs- und Energieversorgungszufuhr notwendig. Diese Systeme sind im Vergleich zu den zuvor genannten deutlich kleiner, so daß eine zukünftige Miniaturisierung für den Kinder-Einsatz durchaus vorstellbar ist. Seit einem Jahr ist ein weiteres Impella System in die klinische Anwendung eingeführt, welches für den pädiatrischen Bereich in Zukunft möglicherweise vielversprechend sein könnte: die Mikroaxialflusspumpe Impella Recover (Impella Cardiotechnik AG, Aachen, Deutsch­land).56,57 Diese miniaturisierte Pumpe mit einem Aussendurchmesser von 6,4 mm liefert einen kontinuierlichen Blutfluss bis zu 4,5 l/min. Bisher ist sie jedoch nur als kurzzeitiges Überbrückungs­system für maximal 7 Tage zugelassen. Dieses System wird retrograd von der Aorta ascendens durch die Aortenklappe in den linken Ventrikel eingeführt. Auch hier ist ein perkutan ausgeleitetes Energie- und Steuerungskabel notwendig. Aufgrund der bisher sehr geringen klinischen Erfahrung ist noch kein abschliessendes Urteil über dieses System möglich. Wenn es sich im Einsatz bei Erwachsenen bewährt, ist eine Konstruktionsveränderung für den Einsatz bei kleinen Kindern vorstellbar. Jedoch wäre dann auch die Möglichkeit einer längerfristigen Unterstützungszeit wünschenswert.

Die ersten pulsatilen vollimplantierbaren Kunstherzen wurden kürzlich im Rahmen klinischer Studien bei Erwachsenen mit dem Ziel des lebenslangen Dauer­einsatzes [Seite 18↓]zugelassen. Das Lion Heart LVAS (Arrow Intl., Reading, PA, USA) und das AbioCor Replacement Heart (Abiomed Inc., MA, USA) sind Systeme, bei denen sowohl die Blutpumpe, als auch die Steuer- und Energieeinheit intrakorporal liegen und die Energiezufuhr mittels eines transkutanen Energietransmissionssystemes per Induktions­spule erfolgt.58,59

3.4. Kinderversion des Berlin Heart

Der Berlin Heart besteht aus einer pneumatisch angetriebenen extrakorporalen Blutpumpe, zwei Silikonkanülen zur venösen und arteriellen Verbindung zwischen Patient und Pumpe und einer Antriebseinheit, die die Blutpumpe mittels Luftinsufflation in Bewegung setzt. Die künstlichen Ventrikel werden durch eine Membran in eine Blut- und eine Luftkammer geteilt. Die kleinste Kunstherzkammer des Berlin Heart für Neugeborene und Säuglinge bis 8 kg Körpergewicht hat ein Schlagvolumen von 10 ml, Kleinkinder mit einem Körpergewicht zwischen 8 und 30 kg erhalten 25 oder 30 ml und die Kammern für größere Kinder und Jugendliche pumpen 50 respektive 60 ml pro Schlag.

Abb. 3: Funktionsprinzip des Berlin Heart:
Links: (Querschnitt) Aufsicht mit gefüllter Blutkammer.
Rechts: (Längsschnitte) Oben: Bluteinstrom in der Diastole. Unten: Blutausstrom in der Systole.

Durch pneumatischen pulsatilen Antrieb wird das Blut durch die venöse Kanüle in der Blutkammer angesaugt und durch die arterielle Kanüle in den Körper zurückgepumpt. [Seite 19↓]An Ein- und Ausgang der künstlichen Ventrikel sind jeweils Klappen angebracht, die den Reflux verhindern. Bei den Pumpen für erwachsene Patienten handelt es sich um die bekannten mechanischen Kippscheibenprothesen, bei den miniaturisierten Kinder­pumpen um Taschenklappen aus Polyurethan, die den Anforderungen auf dichten Schluß mit nur minimaler Regurgitation und einem geringen Totwassergebiet hinter den Klappentaschen genügen. Der Durchmesser der kleinsten Klappen beträgt 12 mm. Die Pumpkammern sind aus Polyurethan und besitzen seit 1994 eine Heparinbeschichtung nach dem Carmeda-Verfahren. Sie sind durchsichtig, so dass Thromben entdeckt werden können.25

Abb. 4: Miniaturisierte Pumpkammern mit einem Schlagvolumen zwischen 10 und 50 ml.

Der Antrieb mit Computerdisplay zur Steuerung ist fahrbar und verfügt über Batterie­betrieb, wodurch grössere Kinder eine gewisse Mobilität erhalten.


[Seite 20↓]

Abb. 5: Auswahl von Silikonkanülen für Kinder mit einem Innendurchmesser von 3,2 -12 mm, jeweils in 3 verschiedenen Grössen.
Von links:
1 - 3 Zur Kanülierung der großen Gefässe
4 - 6 Vorhofkanülen mit Körbchen verhindern das Wandansaugen
7 - 9 Apikale Kanülen gewährleisten die Entlastung des Ventrikels

Bei den ersten Implantationen der Kinderpumpen standen noch keine speziell entwickelten Kanülen zur Verfügung. Es wurden die venösen und arteriellen HLM-Kanülen verwendet. Diese waren jedoch einerseits zu lang und boten damit zu viel Fremdkontaktfläche, zum anderen war keine sichere End- zu Seitfixierung im Gefäss möglich, die den Langzeitgebrauch bei wachem, mobilisiertem Kind erlaubte. Es wurden die Gefässlumina verengt oder bei kleinen Kindern weitgehend verlegt, so dass ein stufenweises Entwöhnen von der Pumpe bei Myokarderholung nicht möglich war.60 Darüber hinaus war das Material war für die Langzeitanwendung zu steif, es fehlte die inzwischen bewährte Dacronummantelung an der Hautaustrittsfläche und ferner fehlten Kanülen für den apikalen Einsatz. Abb. 5 zeigt einen Teil des Sortimentes der [Seite 21↓]inzwischen im Gebrauch befindlichen Kanülen. Der Innendurchmesser der kleinsten Kanülen beträgt 3,2 mm. Die Kanülierung erfolgt im Operationssaal in Intubations­narkose unter Kreislaufschutz durch die zuvor angeschlossene Herzlungenmaschine. An der Hautdurchtrittsstelle befindet sich um die Kanüle ein Dacronmantel, der das Einsprossen von Fibroblasten fördert und aszendierende Infektionen hemmt, wie sie bei zentralvenösen Verweilkathetern oder ECMO-Kanülen bekannt sind.

3.5. Indikationen zu mechanischer Kreislaufunterstützung im Kindesalter

Der Indikationsstellung zur Kreislaufunterstützung im Kindesalter liegen im Gegensatz zu der Erwachsenenmedizin bisher keine gesicherten Daten, Maße oder Laborwerte zugrunde. Eine prophylaktische Kreislaufunterstützung ist im Kindesalter wegen geringer Erfahrung und unberechenbarer Spontanverläufe derzeit noch nicht gerecht­fertigt. Erst wenn herzinsuffiziente Kinder trotz konservativ medikamentöser Maximal­therapie mit Diuretika, positiv inotropen Substanzen, Nachlastsenkern, Phospho­diesterase­­hemmern, Sedierung, Beatmung, Relaxierung etc. im kardiogenen Schock bleiben, stehen als ultima ratio in einigen Zentren Kreislaufunterstützungs­systeme zur Verfügung. In den meisten Zentren wird in diesem Falle die ECMO genutzt, die jedoch keinen pulsatilen Fluß ermöglicht und sich nur als kurzfristige Über­brückung für ein bis zwei Wochen eignet.61-65

Die Gruppe der kreislaufunterstützten Kinder läßt sich in vier Subgruppen aufteilen:

Kardiomyopathie: Dabei handelt es sich überwiegend um die Form der dilatativen Kardiomyopathie. Im Kindesalter beinhaltet sie eine heterogene Gruppe von Krankheiten mit dem Leitsymptom des myokardialen Versagens bei schlecht kontraktilen und oftmals erheblich dilatierten Ventrikeln. Häufig sind beide Ventrikel betroffen. Ursächl­ich können metabolische Erkrankungen oder chronische Myokar­ditiden sein.66 Nach Ausschluß dieser Ursachen bleibt eine Gruppe „idiopa­thischer“ dilatativer Kardiomyopathien unklassifiziert.67


[Seite 22↓]

Die Myokarditis im Kindesalter kann sehr unterschiedliche Verlaufsformen aufweisen. Das Spektrum reicht von inapparent über verschiedene Grade der Herzinsuffizienz bis hin zum akuten Tod im Herzversagen. In diesen schweren Verlaufsformen hat die mechanische Kreislaufunterstützung eine wichtige und prognostisch günstige Indikation. Bei einigen Kindern mit akuter Myokarditis ist nach Erholung des Myokards die Entwöhnung und erfolgreiche Explantation des MCS gelungen.60,64,68,69

Angeborene Herzfehler (postoperativ): Wenn unmittelbar nach Palliativ- oder Korrekturoperation eine Entwöhnung von der HLM nicht möglich ist, kann eine längerfristig überbrückende Kreislaufunterstützung noch während laufender HLM erwogen werden.70,65,71-74 Hier bietet sich die ECMO als Unterstützungssystem der ersten Wahl an. Sollte sich nach mehreren Tagen abzeichnen, dass es auf eine Langzeit­unterstützung hinaus läuft, kann auf ein pneumatisch pulsatiles System umkanüliert werden.

Angeborene Herzfehler (end-stage): Zwischen Kindern mit Ventrikelversagen bei primärer Kardiomyopathie und solchen mit Ventrikelversagen nach mehrfach voraus­gegangenen Korrektur- oder Palliativoperationen wegen eines angeborenen Herzfehlers sollte aus folgenden Gründen unterschieden werden: Die Implantation des Kreislauf­unter­stützungssystemes ist wegen Verwachsungen und besonders wegen anatomischer Besonderheiten, wie z.B. bei Senning-, Mustard- oder Fontankreisläufen bei der zweiten Gruppe erheblich schwieriger. Oftmals passen die Standard­kanülen zur Langzeit­unterstützung in Winkel und Form nicht optimal. Zum anderen haben die Kinder wegen Verwachsungen ein erhöhtes Blutungsrisiko. Es ist ferner bekannt, dass

die HTx-Ergebnisse bei Kindern mit angeborenem Herzfehler deutlich schlechter ausfallen, als bei denen mit Kardiomyopathie, wobei in mehreren Studien als höchster Risikofaktor eine vorherige Thorakotomie angesehen wird.75,76


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3.6. Kapillarlecksyndrom nach Kreislaufunterstützung beim Kind

3.6.1. Kontakt- und Komplementsystem

Abb. 6: Kontaktsystem und Aktivierungswege nach Blutkontakt mit Fremdmaterial

Bei jeder mechanischen Kreislaufunterstützung kommt es zu ausgedehntem Kontakt des Blutes mit Fremdmaterial und zu einer Aktivierung des Kontaktsystems, zu dem das Komplementsystem gehört (Abb. 6). Das Komplementsystem setzt sich aus mehr als 30 Plasmaproteinen zusammen, welche sequentiell in einer definierten Kaskade miteinander reagieren. Die Aktivierung dieser immunologisch wirksamen Reaktions­kaskade erfolgt entweder auf dem klassischen oder auf dem alternativen Weg. Das Schlüsselprotein für beide Aktivierungen ist das C3, an dem beide Aktivierungsmodi zusammenlaufen (siehe Abb.7). Der klassische Aktivierungsweg wird durch Antigen-Antikörper-Reaktion, der alternative Weg antikörperunabhängig durch Fremdflächen­kontakt ausgelöst. An den Fremdoberflächen binden sich die C3-Bruchstücke und bilden den aktiven C3Bb-Komplex. Diese Aktivierung ist bei Kindern, insbesondere bei [Seite 24↓]Neugeborenen, stärker als bei Erwachsenen,77 da bei Unreife der meisten Komplement­faktoren der alternative Aktivierungsweg dominant ist. Ausserdem ist bei Säuglingen das Verhältnis von Blutvolumen zur Fremdmaterial-Oberfläche ungünstiger als bei Erwachsenen. Die gemeinsame Endstrecke ist die Bildung des terminalen Komplement­komplexes C5b6789, der letztendlich für die Lyse der Zielzellen verantwortlich ist. Aber auch die freigesetzten Anaphylatoxine C3a und C5a wirken im Rahmen der Entzündungsreaktion direkt auf die Zielzellen im Sinne einer Mediatorwirkung. Ein Teil ihrer vielfältigen Wirkungen ist schematisch in Ab. 7 dargestellt. Ihnen kommt bei der Entstehung des post­ope­rativen Kapillarlecks eine besondere Rolle zu.78

Abb.7: Vereinfachte Komplementkaskade und Wirkung der Anaphylatoxine C3a und C5a auf Zellen und Gewebe. Blutgefäße, glatte Muskulatur, Mastzellen und basophile Granulozyten reagieren auf C3a und C5a. Oligodendrozyten, neutrophile Granulozyten, Monozyten/Makrophagen und Fibroblasten reagieren vorranging auf C5a.


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Die kleinen Säuglinge, die eine besonders komplizierte Operation mit langer HLM-Zeit durchmachen, scheinen von dem CLS besonders betroffen zu sein. Mit jeder HLM-OP geht eine gewisse Gewebeschädigung einher. Es findet ein Fremdkon­takt zwischen dem Blut des Kindes sowohl mit den HLM-Schläuchen, den Filtern und dem Oxygenator, als auch mit freier Luft statt. Die daraus folgende Kontakt- und Komplementaktivierung kann an der CLS-Entstehung Anteil haben.29,79-81 Bekannt sind ferner die HLM-beding­te Freisetzung löslicher Adhäsionsmoleküle wie L- und P-Selectin, ICAM-1 und VCAM.82 Auch die präoperative Aktivität des Komplement­systems beeinflusst das Ausmass des Kapillarlecks nach HLM.83 Klinische Äquivalente dieser systemischen Ent­zündungsreaktion sind Ateminsuffizienz, Nierenversagen, Pankreatitis oder Multiorganversagen.78

3.6.2. Pathophysiologie und Symptomatik

Das Kapillarlecksyndrom wurde erstmals von Clarkson et al. 1960 als rezidivierendes Auf­treten von generalisierten Ödemen mit begleitendem letal verlaufendem Schock bei einer jungen Frau beschrieben.84Seit den 80er Jahren findet das systemische CLS ver­mehrt Interesse der Forschung, nachdem es in der Intensiv­medizin nach HLM-Opera­tion, Polytrauma, Verbrennung, Knochenmark­transplantation und Interleukin-2 – oder Chemotherapie in der Onkologie, ferner bei Zuständen von Ischämie und Reperfusion und bei Sepsis beschrieben wurde.85-87,88 Das CLS ist gekennzeichnet durch eine mas­sive Flüssigkeits­­­verschiebung vom Intravaskularraum zum Inter­stitium, welche durch einen Anstieg der Kapillarpermeabilität verursacht ist und zu einem hypotensiven Schock führt. Symptome sind generalisierte Ödeme, Aszites, Pleura- und Perikarderguß, starke Gewichtszunahme, Tachykardie und prärenales Nierenversagen. Bei Säuglingen nach HLM-Operation ist die intrathorakale Flüssig­keits­einlagerung gefürchtet, da es zu einer sogenannten „trockenen Tamponade“ mit Einflussstauung beider venösen Syste­me kommen kann. Der Verzicht auf den primären Thoraxverschluss oder das sekundäre Wiedereröffnen des Thoraxes können notwendig werden.89 Für zwei bis zehn Tage wird ein Spreizer zwischen die beiden Anteile des durch Längsinzision eröffneten Sternums geschoben und dadurch Platz für die intrathorakalen Strukturen geschaffen. Der sekun­dä­re Thoraxverschluss erfolgt erst nach Rückbildung des CLS. Während dieser Tage müssen die Kinder sediert und maschinell beatmet bleiben und haben ein erhöhtes Infektionsrisiko.


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Abb. 8: Röntgenaufnahme eines beatmeten Säuglings am dritten Tag nach HLM-Operation mit ausgeprägtem CLS und erheblich verbreitertem Weichteilschatten (siehe Pfeile).

Abb. 9 : Sieben Tage altes beatmetes Neugeborenes nach HLM-Operation. Sternum und Haut sind noch nicht verschlossen, es bestehen generalisierte Oedeme.


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Die Erhöhung der Kapillarpermeabilität kann sowohl durch eine Entzündungsreaktion über frei werdende Mediatoren, als auch durch Hypoxie und Azidose hervorgerufen werden. Die Retraktion der Zytoskelettstruktur der Endothelzellen konnte in-vitro durch verschiedene Zytokine wie Interleukin-1, TNF-α (Tumornekrosefaktor) und Interferon γ für 24 Stunden und durch andere Mediatoren wie Histamin, Serotonin, Bradykinin, Anaphylatoxine, plättchenaktivierender Faktor und Leukotriene für eine Zeitspanne von wenigen Minuten bis einigen Stunden ausgelöst werden.90 Die Wirkung einiger Ent­zün­dungs­mediatoren auf die Endothelzellen beruht auf einer Kontraktion von intra­zellulären kalziumabhängigen Aktinfilamenten im Endothel der Kapillaren und der postkapillaren Venolen, was zu breiteren interendothelialen Spalten führt und den Durchtritt von Proteinen und Flüssigkeit erhöht. Einige dieser Mediatoren beeinflussen zusätzlich die Proteinstruktur und damit die Barrierefunktion der Glycokalix. Andere Mediatoren wie die Anaphylatoxine wirken vorrangig über ihre chemotaktische und adhäsionssteigernde Wirkung auf Leukozyten, die dann auf Endothelzellen wirkende Endmediatoren wie freie Radikale und Interleukine freisetzen. Durch Hypoxie kommt es neben der ebenfalls vorhandenen Mediatorwirkung auch über eine intrazelluläre cAMP-Verarmung zu einer Veränderung der Zytoskelettstruktur der Endothelzellen.91 Einige Autoren beobachten bei Patienten mit CLS eine verminderte Aktivität des C1-Esterase Inhibitors (C1-INH) und eine erhöhte Konzen­tration an Komplementspaltpro­dukten, weshalb eine Aktivierung des Komplement­systemes als eine Ursache diskutiert wird.85,88,92,93 Da die Endothelien über eine grosse reparative Kapazität verfügen, normalisiert sich die Kapillarpermeabilität nach Wegfall der Stimulanzien in der Regel im Verlauf einiger Tage.

3.6.3. Kreislaufunterstützung und Kapillarleck

Bei dem Einsatz von ECMO wurden von verschiedenen Autoren Komplementakti­vierung beschrieben.94-99 Dies hängt unter anderem mit der grossen Fremdoberfläche zusammen, die ähnlich wie bei der HLM durch den Oxygenator und die Schlauch­systeme bedingt ist. Ein begrenzender Faktor für die Fortführung von ECMO über die zweite Therapiewoche hinaus ist das systemische CLS. Könnte man das CLS verhindern, so wären auch mit ECMO deutlich längere Unterstützungszeiten, z.B. zur längeren Überbrückung der Wartezeit bis zur Herztransplantation vorstellbar.


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29.04.2004