Extrakorporaler Membranoxygenator zur Unterstützung erkrankter Lungen

?berwachung der Gasaustausch-Kapazit?t 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 H?mokompatibilit?t der ECMO Gasaustausch-Hohlfaseroberfl?che durch Beschichtung mit verschiedenen bioaktiven Komponenten zu verbessern. Die Beschichtung darf die Gasdurchl?ssigkeit nicht negativ beeinflussen, so dass das Blut des Patienten richtig mit Sauerstoff angereichert wird. Das VisiSens System wurde auf seine Anwendbarkeit getestet, um als ?berwachungsinstrument zu dienen und die Gasaustausch-Kapazit?t beschichteter Hohlfasern zu quantifizieren. Das System erlaubte es, die Sauerstoffs?ttigung 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 M?glichkeiten zur Wiederherstellung der Organfunktion. In den meisten F?llen bleibt eine Lungentransplantation die einzige Behandlung. Da es zunehmend weniger potenzielle Organspender als Organempf?ngern gibt, ist die Sterblichkeitsrate von Patienten auf der Warteliste sehr hoch. Zur ?berbrückung 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 Oberfl?che der künstlichen Fasern dadurch in direkten Kontakt mit dem Blut kommt, k?nnen sich  mit der Zeit Thromben bilden und Infektionen auftreten, was zum Versagen dieser Vorrichtung führt. In den meisten F?llen k?nnen solche Vorrichtungen nicht l?nger als etwa 30 Tage angewendet werden. Um den Zeitraum der Applikation zu verl?ngern, wird die H?mokompatibilit?t der ECMO-Hohlfaseroberfl?che bei Beschichtung mit bioaktiven Komponenten getestet. Diese Beschichtungen dürfen die Gasdurchl?ssigkeit der Hohlfasern nicht beeintr?chtigen. Daher wurde das VisiSens? System zur Sauerstoffüberwachung direkt am Ort der Diffusion eingesetzt. Ein aus Gasaustauschhohlfasern bestehendes Geflecht (Faserdurchmesser: 380  ?m) wurde zwischen zwei Glasobjekttr?gern angebracht. Die VisiSens? Sensorfolie, die mit Silikonkleber am oberen Glasobjekttr?ger befestigt war, stand in direktem Kontakt mit den Fasern. Dubliersilikon wurde verwendet, um die Gitterprobe von der Umgebungsatmosph?re zu isolieren. Ein eingebetteter Silikonschlauch erm?glichte 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 Sauerstoffs?ttigung und den angelegten Gasdruck einstellen zu k?nnen. Die VisiSens? Kamera (Detektoreinheit DU01) wurde über dem Fasergitterkonstrukt angeordnet, um die Sauerstoffs?ttigung an der Faseroberfl?che 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 Sauerstoffs?ttigung 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 H?lfte der überwachten Fasern in einem frisch montierten Gitter absichtlich mit Silikonkleber verschlossen. Für dieses Experiment wurden die gleichen Einstellungen wie zuvor angewendet, au?er für die Dauer der Messung (nur 20 Bilder jeweils 5 s). Die Bilder wurden mit der VisiSens AnalytiCal 1 Software verarbeitet und ausgewertet. Der Sauerstoffs?ttigungswert 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 gew?hlt. Zur Messung der mittleren Sauerstoffs?ttigung pro Zeit wurde über den gesamten überwachten Bereich die VisiSens AnalytiCal 1 ?z-axis profile“ Funktion angewendet.

?berwachung 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 Datens?tze (Abb. 3) enth?lt und die mittlere Sauerstoffs?ttigung pro gemessenem Zeitpunkt zeigt. Es konnte beobachtet werden, dass bei jeder Messung der Sauerstoffanstieg nach 50 Sekunden begann. Die Zunahme der Sauerstoffs?ttigung 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 Sauerstoffs?ttigung tats?chlich durch die Diffusion durch die Hohlfasern entstanden ist, da es m?glich sein h?tte k?nnen, dass die Kammer kleine Lecks hatte. Aus diesem Grund wurde die Sauerstoffs?ttigung über dem Gitter mit den zur H?lfte verschlossenen Fasern untersucht. Die nach 50 Sekunden O₂-Perfusion gewonnenen Auswertungsbilder zeigten zwei getrennte Bereiche über dem Fasergeflecht mit signifikant unterschiedlicher Sauerstoffs?ttigungsperfusion (Abb. 4, unten). Im oberen Bereich wurde eine S?ttigung von 43,8 % O₂ gemessen, w?hrend im unteren Bereich nur 26,1 % O₂-S?ttigung nachgewiesen werden konnte. Der Bereich mit geringerer S?ttigung korrelierte mit dem Bereich der okkludierten Fasern.

Zusammenfassung

Mit dem VisiSens? System konnte die Sauerstoffs?ttigung direkt am Ort der Diffusion überwacht werden, d. h. an der Hohlfasermembranoberfl?che. 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 k?nnte das VisiSens? zu einem essentiellen Werkzeug für die Charakterisierung und Bewertung unterschiedlich beschichteter Oxygenator-Hohlfasermembranen werden, indem man sie auf ihre Oxygenierungs-Kapazit?t untersucht.