Hjerteoutput hos hjertesvigtpatienter med mekaniske pumper

Hjertesvigt er en ødelæggende sygdom, som påvirker omkring 6 millioner individer alene i USA. Fem-års overlevelse blandt alle-kommere med HFrEF er ~50%, og der er associerede reduktioner i funktionsevne og sundhedsrelateret livskvalitet (HRqOL). Mens guideline-styret medicinsk behandling såsom betablokkere, angiotensinogenkonverterende enzymhæmmere, mineralokortikoidreceptorantagonister og angiotensinreceptor-neprilysinhæmmere forbedrer overlevelse, HRqOL og funktionel kapacitet, går mange patienter videre til slutstadiet, avanceret HFrEF, som har en fem- års overlevelse på kun til 20% og er forbundet med reduktioner i funktionskapacitet og HRqOL. Mens ortotopisk hjertetransplantation er guldstandardbehandlingen for avanceret HFrEF, er der kun cirka 3.000 donororganer tilgængelige om året i USA og cirka 5.000 om året på verdensplan. Som sådan opvejer efterspørgslen udbuddet, da det skønnes, at mindst 50.000 individer på verdensplan er kandidater til transplantation eller lider af alvorlig HFrEF og er transplanterede af en række forskellige årsager (f. ukontrolleret diabetes mellitus eller perifer vaskulær sygdom eller diagnosticering af kræft inden for de seneste 5 år). For at afhjælpe denne ulighed er LVAD'er dukket op som et attraktivt alternativ og bruges enten som en bro-til-transplantation for at stabilisere og støtte patienter, indtil transplantation er mulig, eller som destinationsterapi for transplantationsuegnede patienter. HFrEF-patienter lider ofte af forhøjet hjertefyldningstryk og reduceret hjertevolumen (Qc) under hvileforhold. LVAD'er normaliserer disse hæmodynamiske abnormiteter - i det mindste under hvileforhold - gennem et roterende pumpehjul, der driver blod fra venstre ventrikel (LV) ind i den ascenderende aorta (figur 1). Total Qc bestemmes derfor af: 1) LVAD, som giver hovedparten af ​​flowet til kroppen under hvileforhold; og 2) det oprindelige hjerte, som stadig kan levere blod til kroppen ved at udstøde blod gennem aortaklappen, når hjertet trækker sig sammen.

Hjertesvigtpatienter lider af vedvarende hjertesvigtssymptomer og svækkelse af funktionsevne efter LVAD-implantation. Det er tidligere blevet påvist, at LVAD-patienter har alvorligt nedsat funktionsevne, målt ved serielle vurderinger af maksimal iltoptagelse (VO2Max), mere end et år efter implantation af enheden.27 Specifikt forbliver VO2Max, når det vurderes før LVAD-implantation, 3-6 måneder, 1 år og mere end 1 år efter implantation af enheden, under 14 ml/kg/min. Submaksimal træning, målt ved seks-minutters hall walk-score (6MHW), forbedres beskedent efter implantation af enheden, men forbliver i gennemsnit kraftigt reduceret ved ca. 300-350 m og falder i lighed med VO2Max-værdier observeret hos disse patienter inden for et område, der er observeret blandt patienter med fremskreden HFrEF. Omkring halvdelen af ​​patienterne rapporterer vedvarende HFrEF-relaterede symptomer 6-12 måneder efter implantation af enheden. Disse vedvarende reduktioner i VO2Max-, 6MHW- og HRqOL-vurderinger indikerer alle, at LVAD-patienter lider af vedvarende hjertesvigt, som viser sig ved forsøg på at træne. For eksempel anses HFrEF-patienter for at være berettigede til en hjertetransplantation, når deres VO2Max falder til under 12-14ml/kg/min.

Nedsættelser i HRqOL og funktionel kapacitet skyldes en manglende evne hos LVAD til at forbedre kardiovaskulær hæmodynamik under træning. For at forstå, hvordan LVAD'er påvirker hjertefyldningstrykket i hvile og under træning, har vi tidligere evalueret patienter før og efter LVAD-implantation ved invasiv kardiopulmonal træningstest (CPET) med Swan-Ganz-kateterisering under opretstående cyklusergometri før og efter LVAD-implantation (COMIRB #16-1635). I denne undersøgelse (figur 2) blev tre besøg gennemført: 1) Besøg 1: baseline træningsvurdering fire uger før LVAD-implantation. 2) Besøg 2: post-LVAD træningsvurdering med patienten, der træner ved konstant LVAD-pumpehastighed. 3) Besøg 3: vurdering efter LVAD træning, men med trinvise stigninger i LVAD rotorhastighed under træning, for at afgøre, om yderligere flow gennem enheden forbedrer træningskapaciteten. Adskillige nye indsigter resulterede fra dette arbejde (figur 2):

1. Kardiopulmonær ydeevne forbliver stærkt begrænset efter implantation af enheden. Sammenlignet med præ-LVAD CPET (besøg 1), er der ingen forbedring i VO2Max efter LVAD-implantation, når patienter træner til frivillig udmattelse ved enten konstant pumpehastighed (besøg 2) eller med trinvise stigninger i pumpehastigheden (besøg 3).
2. LVAD flow øges minimalt under træning. Uanset om LVAD-patienter træner ved konstant pumpehastighed eller med trinvise stigninger i hastigheden, kan LVAD'er kun øge flowet med ca. 1 l/min over hvileniveauer. Som sådan bestemmes hjertevolumen under træning - og dermed VO2Max - af kontraktil reserve af den oprindelige ventrikel i modsætning til selve LVAD.
3. Anstrengende pulmonale arterielle og hjertefyldningstryk forbedres ikke efter LVAD-implantation. Pre-implantationsanstrengelsespåfyldningstrykket (besøg 1) er alvorligt forhøjet i indstillingen af ​​avanceret HFrEF, og interessant nok er der ingen væsentlig forbedring efter implantation af enheden, når der trænes ved en fast LVAD-hastighed eller med trinvise stigninger i pumpehastigheden.

Der er mangel på data vedrørende virkningen af ​​ændringer i hæmodynamikken på LVAD-funktionen i den menneskelige krop. Virkningerne af ændringer i afterload, preload og kontraktilitet i det normale hjerte er godt beskrevet. For eksempel indikerer venstre ventrikel (LV) trykvolumenanalyse (gylden-standard-metrikken til beskrivelse af ventrikulær funktion), at der er et omvendt forhold mellem afterload og Qc, således at stigninger i afterload fører til reduktioner i Qc og omvendt. Preload er imidlertid direkte relateret til Qc, således at stigninger i hjerte-preload fører til en stigning i Qc gennem Frank-Starling-mekanismen. In vitro undersøgelser af LVAD'er tyder på, at - i det mindste i det kontrollerede miljø af en "mock-loop" (figur 3), har LVAD'er en reduceret preload-følsomhed end det normale hjerte. F.eks. er LVAD preload følsomhed ca. halvdelen af ​​niveauerne observeret i det normale hjerte (LVAD v. heart, 0,105±0,092 v. 0,213±0,003 L/min/mmHg). Men lignende mock-loop undersøgelser tyder på, at LVAD'er har en meget højere afterload-følsomhed - cirka tre gange - den for det normale hjerte (LVAD v. heart 0,09±0,034) v. 0,03±0,01 L/min/mmHg). Hovedbegrænsningen med disse mock-loop undersøgelser er imidlertid, at for variabler som preload og afterload, som alle bidrager til ændringer i flow - ændres disse variabler isoleret (f.eks. stigende forbelastning, mens afterload holdes konstant), hvorimod alle variabler i den menneskelige krop ændres samtidigt under aktivitet. Som sådan beskriver disse mock-loop-studier ikke tilstrækkeligt - eller forklarer, LVAD-flowadfærd under træning, hvor preload stiger, afterload falder og kontraktilitet øges, men LVAD flow øges minimalt eller slet ikke (punkt #2 ovenfor). Det er tidligere blevet understreget, at en detaljeret forståelse af træningsfysiologi i denne patientpopulation er nødvendig for at forbedre HRqOL og træningstolerance i denne patientpopulation. Derfor er det primære formål med denne undersøgelse at evaluere LVAD-ydeevne som reaktion på ændringer i belastningsforhold (preload, afterload, contractility) hos HFrEF-patienter understøttet af disse enheder og karakterisere determinanterne for LVAD-flow og Qc under aktivitet/træning.