Veränderungen der mikrovaskulären Permeabilität und der inflammatorischen Reaktion nach koronarer Bypassoperation mit und ohne Verwendung der Herz-Lungen-Maschine

Die konventionelle Herzbypassoperation mit Herz-Lungen-Maschine
(HLM) ist immer noch der am häufigsten durchgeführte
kardiochirurgische Eingriff. Dieser gilt als sicher und effektiv.
Die Verwendung der HLM, der kardiopulmonale Bypass, kann jedoch
beim Patienten eine komplexe pathophysiologische Reaktion auslösen.
Hierbei kann es zu einer generalisierten Entzündungsreaktion mit
der Freisetzung proinflammatorischer Mediatoren kommen, die eine
massive Verschlechterung der mikrovaskulären Perfusion und Erhöhung
der Permeabilität hervorrufen können. Bei einigen Patienten kann
der verstärkte Flüssigkeitsaustritt („capillary leakage syndrome”)
aus dem intravasalen Raum in das Intersitium zu einer ausgeprägten
Ödembildung im Gewebe und in Organen führen. Mögliche Folgen sind
kardiozirkulatorische und pulmonale Dysfunktionen, einschließlich
einer erhöhten Morbiditäts- und Mortalitätsrate der Patienten. Bei
Herzbypassoperationen am schlagenden Herzen, ohne Verwendung der
HLM, scheint es zu einer weniger stark ausgeprägten
Entzündungsreaktion, einer verminderten Freisetzung von Zytokinen
und einer geringeren Expression von Adhäsionsmolekülen zu kommen.
Die Folge ist ein besserer klinischer Verlauf und eine niedrigere
perioperative Komplikationsrate im Vergleich zu Patienten, bei
denen ein Eingriff mit HLM durchgeführt wird. Obwohl bereits
bekannt ist, dass Patienten, die mit HLM operiert werden, eine
signifikant höhere Flüssigkeitsbilanz aufweisen, konnte bisher noch
nicht nachgewiesen werden, dass es bei Herzbypassoperationen mit
HLM zu einer stärkeren Flüssigkeitsfiltration kommt als bei
Patienten, bei denen der gleiche Eingriff ohne HLM durchgeführt
wird. Ziel der Studie war es daher, die Auswirkungen der
Herz-Lungen-Maschine auf die mikrovaskuläre Perfusion und
Permeabilität zu erfassen, den möglichen mikrovaskulären Schaden
mit konsekutivem Flüssigkeitsaustritt ins Interstitium zu
quantifizieren und hinsichtlich dessen Korrelation mit
Entzündungsparametern zu überprüfen. Zusätzlich sollte in Erfahrung
gebracht werden, ob die Entzündungsreaktion, der mikrovaskuläre
Schaden und die konsekutive Ödembildung nach koronarer
Bypassoperation mit Herz-Lungen-Maschine stärker ausgeprägt ist als
bei Patienten, die ohne HLM operiert werden. Die venöse
Kompressionsplethysmographie (VKP) ist eine nicht-invasive
Untersuchungsmethode, mit der es möglich ist, mikrovaskuläre
Parameter zu bestimmten. Mit Hilfe von speziellen
Blutdruckmanschetten wird am Oberschenkel der Patienten eine venöse
Abflußstauung erzeugt, die zu einer Volumenzunahme der distalen
Extremität führt. Diese Volumenänderung wird mit hochsensitiven
Sensoren kontinuierlich erfasst und mittels Computer aufgezeichnet.
Eine computergestützte „Off-line“-Analyse erlaubt die Berechnung
der mikrovaskulären Flüssigkeitsfiltrationskapazität (FFK), die die
Permeabilität der Kapillaren im Untersuchungsgebiet wiedergibt.
Außerdem kann der isovolumetrische venöse Druck (Pvi), der das
Gleichgewicht zwischen den hydrostatischen und den
kolloidosmotischen Kräften widerspiegelt, und der arterielle
Blutfluss (Qa) in den Extremitäten berechnet werden. In die hier
vorliegende prospektive, klinische Studie wurden insgesamt 38
Patienten, die sich einer elektiven Herzbypassoperation unterziehen
mussten, eingeschlossen. Von diesen wurden 25 Patienten mit
(on-pump) und 13 Patienten ohne Herz-Lungen-Maschine (off-pump), am
schlagenden Herzen operiert. Beide Gruppen waren hinsichtlich des
Alters und Geschlechts der Patienten, des Ausmaßes der koronaren
Herzkrankheit, der linksventrikulären Ejektionsfraktion und der
präoperativen Klinik vergleichbar. Die Patienten der On-pump-Gruppe
erhielten signifikant mehr koronare Bypässe, das chirurgische
Trauma, der operative Zugangsweg zum Herzen, erfolgte aber bei
allen Patienten mittels medianer Sternotomie und auch die
durchschnittliche Operationsdauer und Anästhesiezeit unterschied
sich in beiden Gruppen nicht. Die Messungen der venösen
Kompressionsplethysmographie erfolgten am Abend vor der Operation
auf der herzchirurgischen Normalstation (T1), eine Stunde nach der
Operation auf der herzchirurgischen Intensivstation (T2) und am 5.
postoperativen Tag (T3). Gleichzeitig wurde den Patienten Blut
entnommen, um die Konzentrationen der Zytokine Interleukin-6 (IL-6)
und Tumornekrosefaktor-α (TNF-α) im Serum und die Expression der
Adhäsionsmoleküle (Beta-2-Integrine (CD18/CD11b) und L-Selektine
(CD62L)) auf der Oberfläche polymorphkerniger neutrophiler
Leukozyten (PMNL) zu bestimmen, aus denen sich das Ausmaß der
Entzündungsreaktion abschätzen lässt. Es konnte gezeigt werden,
dass in der On-pump-Gruppe die Flüssigkeitsfiltrationskapazität
(FFK) postoperativ signifikant zunimmt und am 5. postoperativen Tag
immer noch signifikant erhöht ist. Die postoperative Zunahme der
FFK korrelierte dabei signifikant positiv mit der Aortenklemmzeit
und der Dauer des kardiopulmonalen Bypasses. Der isovolumetrische
venöse Druck (Pvi) zeigte eine Tendenz zum postoperativen Anstieg.
Dieser Anstieg verfehlte zwar knapp das Signifikanzniveau,
korrelierte jedoch ebenfalls signifikant positiv mit der
Aortenklemmzeit. In der On-pump-Gruppe wurde zusätzlich eine
signifikante Zunahme der Konzentrationen von IL-6 und TNF-α im
Serum postoperativ beobachtet. Auch die Expression der
Adhäsionsmoleküle CD18/CD11b in der On-pump-Gruppe zeigte eine
Tendenz zur postoperativen Zunahme. Diese Zunahme verfehlte zwar
knapp das Signifikanzniveau, war jedoch verglichen mit der
Off-pump-Gruppe signifikant stärker ausgeprägt und korrelierte
signifikant positiv mit der Dauer des kardiopulmonalen Bypasses und
mit der Erhöhung der FFK. In der Off-pump-Gruppe konnten dagegen
keine Veränderungen hinsichtlich der
Flüssigkeitsfiltrationskapazität, des isovolumetrischen venösen
Druckes, der TNF-a-Serumkonzentration und der
Adhäsionsmolekülexpression postoperativ gefunden werden. Nur die
IL-6-Serumkonzentration nahm ähnlich wie in der On-pump-Gruppe
postoperativ signifikant zu. Zwischen den beiden Gruppen konnten
hinsichtlich des arteriellen Blutflusses (Qa), des
kolloidosmotischen Druckes (KOD), der IL-6-Serumkonzentration, der
Expression des L-Selektins CD62L, der Flüssigkeitsbilanz, der
Herzfrequenz und des mittleren arteriellen Blutdruckes keine
signifikanten Unterschiede beobachtet werden. Es bestanden
ebenfalls keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Dauer
der postoperativen maschinellen Beatmung, des postoperativen
Aufenthalts auf der Intensivstation und im Krankenhaus und der
perioperativen Komplikationsrate. Die in der vorliegenden Studie
beobachtete signifikante Zunahme der
Flüssigkeitsfiltrationskapazität (FFK) bei Patienten der
On-pump-Gruppe könnte durch verschiedene Ursachen ausgelöst worden
sein. Am wahrscheinlichsten scheint hierbei eine generalisierte
inflammatorische Reaktion, bedingt durch den Einsatz der
Herz-Lungen-Maschine zu sein, da die Erhöhung der FFK signifikant
positiv mit der tendenziell erhöhten Expression der
Adhäsionsmoleküle CD18/CD11b korreliert. Sowohl TNF-α als auch
CD18/CD11b, die beide während des kardiopulmonalen Bypasses
verstärkt freigesetzt werden, können direkt bzw. indirekt, über
Granulozyten vermittelt, die Permeabilität erhöhen. Für diese
Hypothese spricht außerdem, dass die postoperative Erhöhung der FFK
signifikant positiv mit der Aortenklemmzeit und der Dauer des
kardiopulmonalen Bypasses korreliert. Eine andere mögliche Ursache
für die Erhöhung der FFK könnte aber auch eine allgemeine
Entzündungsreaktion auf ein chirurgisches Trauma, eine so genannte
„postoperative stress response“ sein. Gegen diese Vermutung spricht
aber, dass in der Off-pump-Gruppe kein FFK-Anstieg, keine vermehrte
Freisetzung von TNF-α und keine gesteigerte Expression von
CD18/CD11b beobachtet wurde, obwohl auch bei dieser Patientengruppe
der operative Zugangsweg mittels medianer Sternotomie erfolgte und
das Ausmaß des chirurgischen Traumas vergleichbar erscheint.
Außerdem könnten Veränderungen der einzelnen Starlingkräfte, wie
beispielsweise ein Abfall des kolloidosmotischen Druckes (KOD), für
eine Erhöhung der FFK verantwortlich sein. Da der KOD aber in
beiden Gruppen postoperativ signifikant vergleichbar abfällt und
sich keine Korrelation zwischen den Veränderungen des KOD und der
FFK findet, ist zu schließen, dass der Abfall des KOD nicht für den
beobachteten Anstieg der FFK in der On-pump-Gruppe verantwortlich
ist. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die
Herz-Lungen-Maschine wohl im wesentlichen die Erhöhung der
mikrovaskulären Permeabilität bedingt, indem sie eine Aktivierung
des Immunsystems auslöst, in deren Verlauf Mediatoren freigesetzt
werden, die einen mikrovaskulären Schaden verursachen. Die venöse
Kompressionsplethysmographie (VKP) ist eine nicht-invasive
Untersuchungsmethode zur Beurteilung der Mikrozirkulation, die eine
frühzeitigere Diagnose einer gesteigerten mikrovaskulären
Permeabilität ermöglicht, was besonders bei kritisch kranken
Patienten hilfreich ist. Außerdem könnten Patienten, die ein
erhöhtes Risiko haben, nach kardiopulmonalem Bypass ein „capillary
leakage syndrome“ zu entwickeln, mit der VKP identifiziert und
überwacht werden.