Einfluss der Hohlfaseranordnung in der Membran auf die CO2-Auswaschung eines ECCO2R-Systems

Abstract

Die Versorgung von Patienten während der Covid-19 Pandemie hat das Gesundheitswesen vor schwere Herausforderungen gestellt. Im intensivmedizinischen Bereich mussten alte Pfade ver-lassen und teilweise neue Wege begangen werden. Bei Schwerstkranken hat sich die ECMO-Therapie weiter etabliert, um Beatmung möglichst protektiv gestalten zu können und die Lunge vor weiteren Schäden durch hohe Beatmungsdrücke zu bewahren. Insbesondere auch der klei-neren Version der ECMO, der ECCO2R Therapie, wird eine immer wichtigere Rolle zuteil. Es ist weitere klinische Forschung notwendig, um zu untersuchen, welche Verfahren zur Protek-tion der Lunge langfristig am besten sind. Unter dem Aspekt der Erforschung valider, tierversuchsunabhängiger Verfahren von effektiven extrakorporalen Lungenersatzverfahren wurde in der vorliegenden Doktorarbeit eine weitere Versuchsreihe unternommen. Hierbei wurden in einem bereits zuvor publizierten neuartigen Versuchsaufbau von zwei zusammengeschalteten Kreisläufen ergonomisch verschieden aufge-baute Membranen gegeneinander getestet. Gemessen an der Kohlendioxidelimination wurden bei unterschiedlichen Blutflüssen (0.3 L/min, 0.9 L/min) und unterschiedlichen Gasflüssen (0.5, 2, 4, 6 L/min) jeweils zwei runde und zwei quadratische Membranen gegeneinander getestet. Hierzu wurden für den Mid-Flow Be-reich zwei aus Polymethylpenten bestehende Membranen (Quadrox iD Pediatric, Minilung), für den Low-Flow Bereich zwei aus Polypropylen bestehenden Membranen (Quadrox i Neona-tal, Hilite 1000) verwendet. Die höchsten Kohlendioxideliminationsraten unter mittlerem und hohem Gasfluß konnte die quadratische Quadrox iD Pediatric Membran erreichen, die beiden runden Membranen (Mini-lung, Hilite 1000) zeigten Vorteile im Niedrigflußbereich von 0.5 L/min. Im Low-Flow Bereich zeigte die Hilite 1000 bei genereller Überlegenheit gegenüber der Quadrox i Neonatal bei einem Gasfluß von 0.5 L/min den signifikantesten Vorsprung. Auch die runde Minilung, die im Ver-gleich zur quadratischen Quadrox iD Pediatric bei mittleren und hohen Gasflüssen signifikant schlechter abschnitt, zeigte Vorteile in der Kohlendioxidelimination im Niedrigflußbereich von 0.5 L/min, wenngleich nicht mit Signifikanz. Insgesamt konnte in dem hier aufgebauten Versuchsmodell ein Vorteil für die runden Memb-ranen im Niedrigflußbereich von 0.5 L/min gezeigt werden, welcher am prinzipiellen Aufbau der Membran liegt. Durch den zirkulären Aufbau und dem daraus resultierenden Kontakt zwi-schen antiparallel fließendem Blut und Spülgas in den Membranmatten kommt es hier zu keiner Shuntbildung innerhalb der Membran. Aus anderen Untersuchungen weiß man jedoch um den höheren Widerstand in runden Membranen, der vermutlich zu einer höheren Hämolyserate führt (Karagiannidis et al., 2020). Der aktuelle Trend der Neuentwicklungen versucht die Vor-teile beider Systeme miteinander zu verbinden, sodass die neueste Generation von Memb-ranoxygenatoren quadratisch mit rund verpotteten Ecken gebaut werden. Hierdurch soll weni-ger Widerstand bei gleichzeitig besserer CO2-Elimination erzielt werden. Ob die Theorie dem Praxisversuch standhalten kann, müssen weitere Versuche zeigen, am besten tierversuchsfrei.

Influence of the hollow fibre arrangement in the membrane on the CO2 leaching of an ECCO2R system The care of patients during the Covid 19 pandemic posed serious challenges for the health care system. In the field of intensive care, old paths had to be abandoned and in some cases new paths had to be taken. ECMO therapy has become more established in critically ill patients in order to make ventilation as protective as possible and to protect the lungs from further damage caused by high ventilation pressures. The “small ECMO“, the ECCO2R, has also gained mo-mentum. Further clinical research is needed to determine which method is best for protecting the lungs in the long term. From the perspective of researching valid, animal-independent methods of effective extracor-poreal lung replacement procedures, a further series of experiments was undertaken in the present doctoral thesis. Here, ergonomically different membranes were tested against each other in a previously published novel experimental set-up of two interconnected circuits. Measured by carbon dioxide elimination, two round and two parallel-plated membranes were tested against each other at different blood flows (0.3 L/min, 0.9 L/min) and different gas flows (0.5, 2, 4, 6 L/min). Two membranes made of polymethylpentene (Quadrox iD Pediatric, Mini-lung) were used for the mid-flow range and two membranes made of polypropylene (Quadrox i Neonatal, Hilite 1000) for the low-flow range. The highest carbon dioxide elimination rates under medium and high gas flow were achieved by the parallel-plated Quadrox iD Pediatric membrane, the two circular membranes (Mini-lung, Hilite 1000) showed advantages in the low flow range of 0.5 L/min. In the low-flow range, the Hilite 1000 showed the most significant advantage with general superiority over the Quadrox i Neonatal at a gas flow of 0.5 L/min. The circular mini-lung, which performed significantly worse than the parallel-plated Quadrox iD Pediatric at medium and high gas flows, also showed advantages in carbon dioxide elimination in the low-flow range of 0.5 L/min, although not with significance. Overall, an advantage for the circular membranes in the low flow range of 0.5 L/min could be demonstrated in the test model set up here, which is due to the principle structure of the memb-rane. Due to the circular structure and the resulting antiparallel flow of blood and sweep gas, there is no shunt formation within the membrane. From other studies, however, we know about the higher resistance in round membranes, which presumably leads to a higher haemolysis rate (Karagiannidis et al., 2020). The current trend of development tries to combine to advantage of both systems creating the latest generation of membrane oxygenators with rounded corners of the aim of this is to achieve less resistance and better CO2 elimination. Whether the theory can stand up to practical testing must be shown in further trials, preferably without animal testing.