Überwachung mittels PreSens optischer Sensoren in isoliertem perfundiertem Herz Versuchsstand

Jedes Jahr sterben ca. 600.000 Patienten an Lungenerkrankungen in der EU, wovon mehr als die Hälfte der Todesfälle auf "chronisch obstruktive Lungenerkrankungen" (COPD) zurückzuführen sind. Gegenwärtig sind 210 Millionen Menschen weltweit von dieser Krankheit betroffen und die Zahl steigt stetig an.
Sobald konventionelle Therapie bei Patienten mit akut lebensbedrohlichen Atemfunktionsstörungen versagt, wird meistens eine ECMO durchgeführt. Die ECMO übernimmt die Funktion des Herzens und der Lunge und unterstützt somit den Patienten, wodurch dem Herz-Kreislaufsystem mehr Zeit gegeben werden kann, sich zu erholen. Die ECMO-Therapie wurde ursprünglich für die Kurzzeitanwendung entwickelt. In der klinischen Anwendung zeigt sich der Trend, die ECMO langzeitig für akut lungenkrante Patienten anzuwenden, wobei entsprechende Komplikationen wie vermehrte Koagulation, Hämolyse, Infektion und Blutungsneigung auftreten können.
Das Ziel dieser Studie ist es zu untersuchen, ob die Ursache der Komplikationen in der notwendigen Blutpumpe oder im Oxygenator selbst entsteht. Deshalb wird ein medizinischer ECMO Prüfstand mit einem iolierten perfundierten Herz als Blutpumpe entwickelt. Dieser Prüfstand ermöglicht die Differenzierung des Entstehungsortes der Schäden. Da das Herz über Jahrhunderte perfekt von der Natur optimiert worden ist, kann davon ausgegangen werden, dass unter diesen physiologischen Bedingungen keine Schäden entstehen. Sofern unter diesen Versuchsbedingungen vermehrt Hämolyse auftritt und Blutungsneigung nachgewiesen werden kann, ist dies mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Indiz dafür, dass die Strömungssituation im Oxygenator nicht optimal ist.

Drei Schweineherzen (Abb. 3) wurden in den hier beschriebenen Experimenten verwendet, da sie eine große anatomische und physiologische Ähnlichkeit zu einem humanen Herzen habe, und eine gute experimentelle Alternative darstellen. Darüber hinaus, sind Schweineherzen leicht zu beschaffen, da sie in Schlachthäusern oft als Abfallprodukt behandelt werden.
Um das Schweineherz für die Versuche vorzubereiten, wurde es unmittelbar nach der Schlachtung nach den aktuellen Leitlinien für transplantierbare Herzen behandelt. Dies erforderte eine umgehende Kühlung auf 4 °C und ein Spülen der Herzgefäße mit kardiopleger Lösung. Durch das schnelle Abkühlen (sogenannte Warm-Ischämie Zeit) wird der Stoffwechsel und somit auch der Sauerstoffverbrauch des Herzens erheblich reduziert, wobei insgesamt eine Ischämie Zeit, also eine Zeit ohne Blutversorgung, von bis zu 4 Stunden toleriert werden kann.
Im Labor wurde das Herz anschließend für das Experiment vorbereitet. Dabei wurden die Koronararterien vorsichtig am Ansatz frei präpariert und von der Aorta abgetrennt. Die dadurch offenen Gefäßgänge (Ostien) wurden zugenäht und die linke Seite des Herzens konnte als Pumpe für einen separaten, eigenständigen Testkreislauf verwendet werden. Die Koronararterien wurden über eine Oxygenator (als Lungenersatz) mit der rechten Seite des Herzen kurzgeschlossen. Mit der Unterstützung einer mechanischen Pumpe und des Oxygenators (Abb. 1 A) wurde 37 °C warmes und sauerstoffreiches Blut dem Herz zugeführt (Abb. 1 C).
Das Herz erwärmt sich und der Myokardmuskel beginnt wieder autonom, initiiert vom Herz-eigenen Erregungssystem, dem Sinusknoten, zu kontrahieren. Unter Umständen entsteht beim Wiedereinsetzen der Herzaktivität eine Arhythmie, sogenanntes Herzkammerflimmern, welches mit Hilfe eines Defibrillators behandelt werden kann. Der Defibrillator erzeugt dabei eine elektrische Entladung, wodurch das Herz synchronisiert wird und der Sinusknoten wieder einen physiologischen Takt vorgeben kann.
Damit sichergestellt ist, dass das Herz wieder kontrahiert, muss das Blut auf physiologische Werte eingestellt werden. Besonders wichtig dabei sind die Partialdrücke von Sauerstoff und Kohlendioxid, sowie die Temperatur und der Glukosespiegel. Die Normwerte sind in Tabelle 1 aufgelistet.

Die Begasung des Oxygenators mit Sauerstoff und CO₂ ist besonders anspruchsvoll, und muss reguliert werden. Für eine schnelle Blutwertanalyse wurden drei PreSens Durchflusszellen mit integrierten Sensoren (FTCs) für Sauerstoff, pCO₂ und Glukose in den Mock Loop zwischen Herz und Oxygenator eingebaut. Zusätzlich wurde ein Temperatursensor, der mit einem der PreSens Messgeräte verbunden war direkt in den Blutstrom eingeführt. Der Glukosesensor wurde bereits beim Metzger mit Blut benetzt. Dadurch hatte der Sensor genügend Zeit (ca. 2 Std.), um sich zu äquilibrieren bevor er in den Mock Loop eingebaut wurde. Die Messungen konnten am Versuchstag live mitverfolgt werden. Zusätzlich wurden mittels eines Blutgasanalyse-Gerätes (BGA) die Daten aufgezeichnet, und die Daten untereinander zu vergleichen und eine Einpunktkalibrierung der PreSens Sensoren zu Beginn des Versuchs durchzuführen. Jedoch nimmt die Messung mittels BGA einige Zeit in Anspruch, weshalb nur alle 3 bis 5 Minuten Daten erhoben werden konnten.

Am 23. Juli 2018 konnten das erst mal die PreSens Sensoren im Versuchsstand an drei Herzen getestet werden (Abb. 2). Alle drei Herzen konnten erfolgreich mit demselben Blut von Herz A reanimiert werden (vgl. Tab. 2). Aufgrund der Tatsache, dass alle Herzen, wenn auch nur für kurze Zeit, erfolgreich reanimiert werden konnten zeigt den Erfolg des Versuches.

Die PreSens Sensoren integriert in Durchflusszellen waren sehr hilfreich und ermöglichten ein schnelles Eingreifen, wenn die Blutgas- und Glukosewerte nicht im optimalen Bereich lagen. Die Messungen mit den pO₂ und pCO₂ Sensoren zeigten einen sehr ähnlichen Verlauf zu den BGA Werten. Obwohl es bei einigen Messungen zu einer starken Abweichung kam (vgl. Minute 30 in Abb. 4) zeigten die übrigen Werte eine plausibel geringe Abweichung. In Abbildung 4 zeigt sich, dass die pO₂ Werte bei BGA grundsätzlich etwas höher waren. Dies könnte daran liegen, dass bei der Messung die Probe zwangsläufig Kontakt mit Umgebungsluft bekommt. Da der pO₂ in der Umgebungsluft meist höher ist als der von Blut kommt es zum Austausch und somit zur Erhöhung des pO₂ im Blut. Dies würde vor allem den Offset in den ersten 15 Minuten in Abbildung 4 erklären. Außerdem wird bei der Messung mittels BGA einige Zeit benötigt, weshalb es zu einer Abkühlung der Blutprobe kommen kann, was wiederum das Ergebnis verfälscht. Weiterhin ist an den zwei Peaks in Abbildung 4 und dem einen Peak in Abbildung 5 zu erkennen, wann dem Blut Sauerstoff bzw. Kohlendioxid zugeführt wurde. Es ist klar zu erkennen, dass das Blut sehr sensibel auf die Zufuhr von Gasen reagiert. Bereits geringe Mengen führen zu einem sprunghaften Anstieg des Partialdrucks. Dank der kontinuierlichen Messungen der PreSens Sensoren konnten im Versuch die Gase rasch zurückgedreht und besonders der pCO₂ auf einem physiologischen Niveau gehalten werden. Der anfängliche Anstieg der Temperatur auf 40 °C und anschließende Abfall auf 37 °C ist auf die Regelung des Thermostats per Hand zurückzuführen. Der Vergleich zwischen Abbildung 6 und Abbildung 5 zeigt, dass die Temperatur den pCO₂ des Blutes stark beeinflusst.
Der Glukose Sensor zeigte ebenfalls seine Funktionstüchtigkeit. Es sind klar zwei starke Anstiege in Abbildung 7 zu erkennen, welche zeitlich mit der Zugabe von 10 ml 20 %iger Glukose-Lösung übereinstimmen. Außerdem ist bei Minute 30 ein starker Abfall an Glukose sichtbar. Dies spiegelt den Verbrauch von Glukose des Herzens wieder, das zu dieser Zeit funktionstüchtig arbeitete. Der darauffolgende Anstieg ist die Folge der kontrollierten Zufuhr von 20 %iger Glukose-Lösung.

Die PreSens Sensoren integriert in Durchflusszellen sind eine große Bereicherung für den Versuchsstand. Diese Sensoren ermöglichen kontinuierliche Datenaufzeichnung und bei Abweichungen von physiologischen Werten kann rasch reagiert werden. Jedoch gibt es noch einige Abweichungen zu den Messungen mit BGA, welche noch geklärt werden müssen. Um statistisch repräsentative Ergebnisse zu erlangen, müssen noch etliche Versuche durchgeführt werden.

Sehen Sie sich unser kurzes Video zu diesen Experimenten an!