Herzzeitvolumen bei Patienten mit Herzinsuffizienz mit mechanischen Pumpen

Herzinsuffizienz ist eine verheerende Krankheit, von der allein in den USA etwa 6 Millionen Menschen betroffen sind. Die Fünf-Jahres-Überlebensrate bei All-Comers mit HFrEF liegt bei etwa 50 %, und es gibt damit verbundene Einschränkungen der Funktionsfähigkeit und der gesundheitsbezogenen Lebensqualität (HRqOL). Während leitliniengerechte medikamentöse Therapien wie Betablocker, Angiotensinogen-Converting-Enzym-Hemmer, Mineralokortikoid-Rezeptor-Antagonisten und Angiotensin-Rezeptor-Neprilysin-Hemmer das Überleben, die HRqOL und die Funktionsfähigkeit verbessern, kommt es bei vielen Patienten zu einem fortgeschrittenen HFrEF im Endstadium, das fünf bis fünf Die Jahresüberlebensrate beträgt nur 20 % und ist mit einer Verringerung der Funktionsfähigkeit und HRqOL verbunden. Während die orthotope Herztransplantation der Goldstandard für die Behandlung fortgeschrittener HFrEF ist, stehen in den USA nur etwa 3.000 Spenderorgane pro Jahr und weltweit etwa 5.000 pro Jahr zur Verfügung. Daher übersteigt die Nachfrage das Angebot, da Schätzungen zufolge weltweit mindestens 50.000 Personen für eine Transplantation in Frage kommen oder an schwerer HFrEF leiden und aus verschiedenen Gründen (z. B. unkontrollierter Diabetes mellitus oder periphere Gefäßerkrankung oder Krebsdiagnose innerhalb der letzten 5 Jahre). Um diese Ungleichheit zu beseitigen, haben sich LVADs als attraktive Alternative herausgestellt und werden entweder als Brücke zur Transplantation zur Stabilisierung und Unterstützung von Patienten bis zur möglichen Transplantation oder als Zieltherapie für Patienten, die für eine Transplantation nicht in Frage kommen, eingesetzt. HFrEF-Patienten leiden häufig unter erhöhten Herzfüllungsdrücken und verringertem Herzzeitvolumen (Qc) im Ruhezustand. LVADs normalisieren diese hämodynamischen Anomalien – zumindest unter Ruhebedingungen – durch ein rotierendes Flügelrad, das Blut vom linken Ventrikel (LV) in die aufsteigende Aorta befördert (Abbildung 1). Der Gesamt-Qc wird daher bestimmt durch: 1) den LVAD, der im Ruhezustand den Großteil des Flusses zum Körper liefert; und 2) das natürliche Herz, das den Körper weiterhin mit Blut versorgen kann, indem es bei der Kontraktion des Herzens Blut durch die Aortenklappe ausstößt.

Herzinsuffizienzpatienten leiden nach der LVAD-Implantation unter anhaltenden Herzinsuffizienzsymptomen und Einschränkungen der Funktionsfähigkeit. Es wurde bereits gezeigt, dass LVAD-Patienten länger als ein Jahr nach der Implantation des Geräts eine stark eingeschränkte Funktionsfähigkeit haben, gemessen durch serielle Bewertungen der maximalen Sauerstoffaufnahme (VO2Max).27 Insbesondere bleibt der VO2Max, wenn er vor der LVAD-Implantation, 3–6 Monate, 1 Jahr und mehr als 1 Jahr nach der Implantation des Geräts beurteilt wird, unter 14 ml/kg/min. Submaximales Training, gemessen anhand der Sechs-Minuten-Hall-Walk-Werte (6MHW), verbessert sich nach der Implantation des Geräts geringfügig, bleibt aber im Durchschnitt bei etwa 300–350 m stark reduziert und liegt ähnlich wie die bei diesen Patienten beobachteten VO2Max-Werte in einem Bereich, in dem dies der Fall ist bei Patienten mit fortgeschrittener HFrEF beobachtet. Etwa die Hälfte der Patienten berichtet über ein Fortbestehen der HFrEF-bedingten Symptome 6–12 Monate nach der Implantation des Geräts. Diese anhaltenden Verringerungen der VO2Max-, 6MHW- und HRqOL-Bewertungen weisen alle darauf hin, dass LVAD-Patienten an einer anhaltenden Herzinsuffizienz leiden, die sich bei Versuchen, Sport zu treiben, manifestiert. HFrEF-Patienten kommen beispielsweise für eine Herztransplantation in Frage, wenn ihr VO2Max unter 12–14 ml/kg/min fällt.

Beeinträchtigungen der HRqOL und der Funktionsfähigkeit resultieren aus der Unfähigkeit des LVAD, die kardiovaskuläre Hämodynamik während des Trainings zu verbessern. Um zu verstehen, wie LVADs den Herzfüllungsdruck im Ruhezustand und während des Trainings beeinflussen, haben wir zuvor Patienten vor und nach der LVAD-Implantation durch invasive kardiopulmonale Belastungstests (CPET) mit Swan-Ganz-Katheterisierung während der aufrechten Zyklusergometrie vor und nach der LVAD-Implantation (COMIRB) untersucht #16-1635). In dieser Studie (Abbildung 2) wurden drei Besuche durchgeführt: 1) Besuch 1: Beurteilung der Grundübungen vier Wochen vor der LVAD-Implantation. 2) Besuch 2: Beurteilung der Belastung nach LVAD, wobei der Patient mit konstanter LVAD-Pumpengeschwindigkeit trainiert. 3) Besuch 3: Bewertung nach dem LVAD-Training, jedoch mit schrittweiser Erhöhung der LVAD-Rotorgeschwindigkeit während des Trainings, um festzustellen, ob ein zusätzlicher Durchfluss durch das Gerät die Trainingskapazität verbessert. Aus dieser Arbeit gingen mehrere neue Erkenntnisse hervor (Abbildung 2):

1. Die kardiopulmonale Leistungsfähigkeit bleibt nach der Implantation des Geräts stark eingeschränkt. Im Vergleich zur CPET vor LVAD (Besuch 1) gibt es nach der LVAD-Implantation keine Verbesserung des VO2Max, wenn Patienten entweder mit konstanter Pumpgeschwindigkeit (Besuch 2) oder mit schrittweiser Erhöhung der Pumpgeschwindigkeit (Besuch 3) bis zur willentlichen Erschöpfung trainieren.
2. Der LVAD-Fluss nimmt während des Trainings minimal zu. Unabhängig davon, ob LVAD-Patienten mit konstanter Pumpgeschwindigkeit oder mit schrittweiser Erhöhung der Geschwindigkeit trainieren, können LVADs den Fluss nur um etwa 1 l/min über dem Ruheniveau steigern. Daher wird die Herzleistung während des Trainings – und damit VO2Max – durch die kontraktile Reserve des nativen Ventrikels und nicht durch den LVAD selbst bestimmt.
3. Belastungsbedingte Lungenarterien- und Herzfüllungsdrücke verbessern sich nach der LVAD-Implantation nicht. Der Belastungsfülldruck vor der Implantation (Besuch 1) ist bei fortgeschrittener HFrEF stark erhöht, und interessanterweise gibt es nach der Implantation des Geräts keine wesentliche Verbesserung, wenn mit einer festen LVAD-Geschwindigkeit oder mit schrittweiser Erhöhung der Pumpengeschwindigkeit trainiert wird.

Es liegen nur wenige Daten über die Auswirkungen von Veränderungen der Hämodynamik auf die LVAD-Funktion im menschlichen Körper vor. Die Auswirkungen von Veränderungen der Nachlast, Vorlast und Kontraktilität im normalen Herzen sind gut beschrieben. Beispielsweise weist die Druck-Volumen-Analyse des linken Ventrikels (LV) (die Goldstandardmetrik zur Beschreibung der ventrikulären Funktion) darauf hin, dass eine umgekehrte Beziehung zwischen Nachlast und Qc besteht, sodass eine Erhöhung der Nachlast zu einer Verringerung des Qc führt und umgekehrt. Die Vorlast steht jedoch in direktem Zusammenhang mit Qc, sodass eine Erhöhung der kardialen Vorlast über den Frank-Starling-Mechanismus zu einem Anstieg von Qc führt. In-vitro-Studien mit LVADs deuten darauf hin, dass LVADs – zumindest in der kontrollierten Umgebung eines „Mock-Loop“ (Abbildung 3) – eine geringere Vorlastempfindlichkeit aufweisen als das normale Herz. Beispielsweise beträgt die LVAD-Vorlastempfindlichkeit etwa die Hälfte der beim normalen Herzen beobachteten Werte (LVAD vs. Herz, 0,105 ± 0,092). v. 0,213 ± 0,003 L/min/mmHg). Ähnliche Mock-Loop-Studien deuten jedoch darauf hin, dass LVADs eine viel höhere Nachlastempfindlichkeit haben – etwa dreimal so hoch wie die des normalen Herzens (LVAD vs. Herz 0,09 ± 0,034). v. 0,03 ± 0,01 L/min/mmHg). Die größte Einschränkung bei diesen Mock-Loop-Studien besteht jedoch darin, dass Variablen wie Vorlast und Nachlast, die alle zu Änderungen im Fluss beitragen, isoliert geändert werden (z. B. zunehmende Vorlast bei konstanter Nachlast), während sich im menschlichen Körper während der Aktivität alle Variablen gleichzeitig ändern. Daher beschreiben oder erklären diese Mock-Loop-Studien das LVAD-Flussverhalten während des Trainings nicht ausreichend, wobei die Vorlast zunimmt, die Nachlast abnimmt und die Kontraktilität zunimmt, der LVAD-Fluss jedoch nur minimal oder gar nicht zunimmt (Punkt 2 oben). Es wurde bereits zuvor betont, dass ein detailliertes Verständnis der Belastungsphysiologie dieser Patientengruppe erforderlich ist, um die HRqOL und die Belastungstoleranz dieser Patientengruppe zu verbessern. Daher besteht das Hauptziel dieser Studie darin, die LVAD-Leistung als Reaktion auf Änderungen der Belastungsbedingungen (Vorlast, Nachlast, Kontraktilität) bei HFrEF-Patienten zu bewerten, die von diesen Geräten unterstützt werden, und die Determinanten des LVAD-Flusses und der Qc während Aktivität/Training zu charakterisieren.