Extrakorporaler Membranoxygenator zur Unterstützung erkrankter Lungen

Überwachung der Gasaustausch-Kapazität von Hohlfasern mit VisiSens™

Die Funktion einer erkrankten Lunge kann durch die Anwendung eines extrakorporalen Membranoxygenators (ECMO) unterstützt werden. Ziel dieser Studie ist es, die Hämokompatibilität der ECMO Gasaustausch-Hohlfaseroberfläche durch Beschichtung mit verschiedenen bioaktiven Komponenten zu verbessern. Die Beschichtung darf die Gasdurchlässigkeit nicht negativ beeinflussen, so dass das Blut des Patienten richtig mit Sauerstoff angereichert wird. Das VisiSens System wurde auf seine Anwendbarkeit getestet, um als Überwachungsinstrument zu dienen und die Gasaustausch-Kapazität beschichteter Hohlfasern zu quantifizieren. Das System erlaubte es, die Sauerstoffsättigung direkt an der Stelle der Diffusion zu messen und okkludierte Fasern, in denen keine Sauerstoffanreicherung stattfand, konnten identifiziert werden.

Für Patienten mit einer Lungenerkrankung im Endstadium gibt es kaum medizinische Möglichkeiten zur Wiederherstellung der Organfunktion. In den meisten Fällen bleibt eine Lungentransplantation die einzige Behandlung. Da es zunehmend weniger potenzielle Organspender als Organempfängern gibt, ist die Sterblichkeitsrate von Patienten auf der Warteliste sehr hoch. Zur Überbrückung der Zeit bis zur Lungentransplantation kann die Funktion der erkrankten Lunge durch die Anwendung eines extrakorporalen Membranoxygenators unterstützt werden. Dieses System besteht aus einer Vielzahl von Hohlfasern, die Sauerstoff über Diffusion durch die Fasermembran an das Blut des Patienten abgeben. Da die Oberfläche der künstlichen Fasern dadurch in direkten Kontakt mit dem Blut kommt, können sich  mit der Zeit Thromben bilden und Infektionen auftreten, was zum Versagen dieser Vorrichtung führt. In den meisten Fällen können solche Vorrichtungen nicht länger als etwa 30 Tage angewendet werden. Um den Zeitraum der Applikation zu verlängern, wird die Hämokompatibilität der ECMO-Hohlfaseroberfläche bei Beschichtung mit bioaktiven Komponenten getestet. Diese Beschichtungen dürfen die Gasdurchlässigkeit der Hohlfasern nicht beeinträchtigen. Daher wurde das VisiSens™ System zur Sauerstoffüberwachung direkt am Ort der Diffusion eingesetzt. Ein aus Gasaustauschhohlfasern bestehendes Geflecht (Faserdurchmesser: 380  µm) wurde zwischen zwei Glasobjektträgern angebracht. Die VisiSens™ Sensorfolie, die mit Silikonkleber am oberen Glasobjektträger befestigt war, stand in direktem Kontakt mit den Fasern. Dubliersilikon wurde verwendet, um die Gitterprobe von der Umgebungsatmosphäre zu isolieren. Ein eingebetteter Silikonschlauch ermöglichte die Perfusion der Hohlfasern mit einem Gasgemisch.

Material & Methoden

Das Hohlfasergitter und der VisiSens™ Sensor wurden wie oben beschrieben aufgebaut. Ein Sauerstoffmischer (Sechrist) und ein EKG-Patientenmonitor (Datex, Cardiocap II) wurden angeschlossen, um die Sauerstoffsättigung und den angelegten Gasdruck einstellen zu können. Die VisiSens™ Kamera (Detektoreinheit DU01) wurde über dem Fasergitterkonstrukt angeordnet, um die Sauerstoffsättigung an der Faseroberfläche zu überwachen. Unbeschichtete Gasaustausch-Hohlfasermembranen wurden verwendet, um diese Methode zu überprüfen. Vor jeder Messung wurde für 30 Minuten 99 % CO₂ mit einem Druck von 20 mmHg durch die Hohlfasern gepumpt, um den verbleibenden Sauerstoff im Probensystem zu beseitigen. Zur Messung der Sauerstoffsättigung über die Zeit, wurde mit der VisiSens AnalytiCal 1 Software eine Zeitreihenmessung durchgeführt, wobei alle 5 Sekunden Bilder aufgenommen wurden. Bei jeder Messung wurden insgesamt 60 Bilder aufgenommen (n = 3). Die Messung wurde mit 21 % O₂ bei einem Druck von 22 mmHg durchgeführt. Als Kontrolle wurden die Hälfte der überwachten Fasern in einem frisch montierten Gitter absichtlich mit Silikonkleber verschlossen. Für dieses Experiment wurden die gleichen Einstellungen wie zuvor angewendet, außer für die Dauer der Messung (nur 20 Bilder jeweils 5 s). Die Bilder wurden mit der VisiSens AnalytiCal 1 Software verarbeitet und ausgewertet. Der Sauerstoffsättigungswert von 0 % wurde mit einem Bild eingestellt, das direkt nach der O₂-Beseitigung durch CO₂-Perfusion aufgenommen wurde. Für den 100 % Wert wurde ein Bereich des letzten Bildes aus der Zeitreihenmessung mit Sauerstoffperfusion gewählt. Zur Messung der mittleren Sauerstoffsättigung pro Zeit wurde über den gesamten überwachten Bereich die VisiSens AnalytiCal 1 „z-axis profile“ Funktion angewendet.

Überwachung der Hohlfasern

Nach dem Entfernen des restlichen O₂ im System durch CO₂-Perfusion wurden für 300 Sekunden 21 % O₂ mit einem Druck von 22 mmHg durch die Gasaustausch-Hohlfaser geleitet und alle 5 Sekunden Bilder aufgenommen. Die Messung wurde 3 mal wiederholt. Nach der Kalibrierung und Auswertung mit der z-axis profile Funktion wurde ein Graph erstellt, der die drei verschiedenen Datensätze (Abb. 3) enthält und die mittlere Sauerstoffsättigung pro gemessenem Zeitpunkt zeigt. Es konnte beobachtet werden, dass bei jeder Messung der Sauerstoffanstieg nach 50 Sekunden begann. Die Zunahme der Sauerstoffsättigung war nahezu linear und die Steigungen der 3 verschiedenen Regressionslinien waren nicht stark voneinander abweichend. Der zweite Versuchsaufbau sollte sicherstellen, dass die zuvor beobachtete Zunahme der Sauerstoffsättigung tatsächlich durch die Diffusion durch die Hohlfasern entstanden ist, da es möglich sein hätte können, dass die Kammer kleine Lecks hatte. Aus diesem Grund wurde die Sauerstoffsättigung über dem Gitter mit den zur Hälfte verschlossenen Fasern untersucht. Die nach 50 Sekunden O₂-Perfusion gewonnenen Auswertungsbilder zeigten zwei getrennte Bereiche über dem Fasergeflecht mit signifikant unterschiedlicher Sauerstoffsättigungsperfusion (Abb. 4, unten). Im oberen Bereich wurde eine Sättigung von 43,8 % O₂ gemessen, während im unteren Bereich nur 26,1 % O₂-Sättigung nachgewiesen werden konnte. Der Bereich mit geringerer Sättigung korrelierte mit dem Bereich der okkludierten Fasern.

Zusammenfassung

Mit dem VisiSens™ System konnte die Sauerstoffsättigung direkt am Ort der Diffusion überwacht werden, d. h. an der Hohlfasermembranoberfläche. Drei verschiedene Messungen mit der gleichen Versuchsanordnung führten zu vergleichbaren Ergebnissen. Mit dem Sensorsystem konnten okkludierten Fasern detektiert werden, die nicht an der Oxygenierung beteiligt waren. Daher könnte das VisiSens™ zu einem essentiellen Werkzeug für die Charakterisierung und Bewertung unterschiedlich beschichteter Oxygenator-Hohlfasermembranen werden, indem man sie auf ihre Oxygenierungs-Kapazität untersucht.