High-Flow-Therapie und -Befeuchtung: Zusammenfassung der Wirkungsmechanismen,

Technologie und Forschung

Thomas Miller, Ph.D.Director, Clinical Research and Education

Vapotherm, Inc. Research Assistant Professor für Pädiatrie

Jefferson Medical College

EinlEitung

Vapotherm, Inc. ist der Marktführer auf dem Gebiet

temperaturkontrollierter High-Flow-Befeuchtungssysteme

für die respiratorische Therapie. Diese medizinischen Geräte

werden derzeit in Krankenhäusern, Einrichtungen für subakute

Fälle sowie im Heimbereich bei Patienten im Säuglings-,

Kinder- und Erwachsenenalter eingesetzt und dienen

dazu, dem Atemgas warme Feuchtigkeit zuzusetzen. Die

Vapotherm-Geräte sind für die Zufuhr von Atemgasen über

eine Nasenkanüle bei Durchflussraten von bis zu 8 l/Min. bei

Säuglingen und 40 l/Min. bei Erwachsenen zugelassen. Dies

wird auch als High-Flow-Therapie (HFT) bezeichnet.

Was ist diE HigH-FloW-tHErapiE (HFt)? Die High-Flow-Therapie (HFT) arbeitet mit Durchflussraten, die größer sind als die inspiratorischen Durchflussraten des Patienten bei verschiedenen Atemminutenvolumen. Bisher wurden für die HFT Gesichtsmasken eingesetzt, wobei die hohen Durchflüsse das Maskenvolumen durchspülen und so für hohe inspiratorische Sauerstoffkonzentrationen sorgen. Die Maskentherapie ist zwar effektiv bei der Unterstützung der Oxygenierung, sie unterliegt jedoch Einschränkungen durch Faktoren wie die Unfähigkeit, zu essen/trinken und zu kommunizieren, sowie klaustrophobische Gefühle. Diese führen zu einer schlechten Patientencompliance.

Eine Alternative ist die herkömmliche Nasenkanüle, mit der sich eine bessere Compliance sowie höherer Patientenkomfort erreichen lassen. Die Kanülen führen zusätzlichen Sauerstoff zu, lassen sich über lange Zeit bequem tragen und erlauben es den Patienten, ohne Unterbrechung der Therapie zu essen und zu sprechen. In der konventionellen Therapie mit Nasenkanüle sind jedoch höhere Durchflüsse (über 2 l/Min. bei Neugeborenen oder 6 l/Min. bei Erwachsenen), die zur Erfüllung der inspiratorischen Anforderungen ohne Einströmen von Raumluft erforderlich sind, nicht möglich. Diese Einschränkung der konventionellen Kanülentherapie ist

Folge der Beschwerden und Reizungen, die durch die Zufuhr kalten, trockenen Atemgases in die Nasenwege hervorgerufen werden12. Die Technologie von Vapotherm hat die konventionelle Kanülentherapie durch die optimale Konditionierung des Atemgases grundlegend transformiert. Unsere patentrechtlich geschützte Erwärmungs- und Befeuchtungstechnologie erlaubt es, Atemgase bei hohen Durchflussraten zuzuführen und gleichzeitig auf Körpertemperatur und bis zu 99,9 % relative Feuchtigkeit zu halten3.

atEmpHysiologiE und alvEolarvEntilationZum Verständnis der Mechanismen, die der HFT zugrunde liegen, sollten wir uns einige Grundsätze der Atemphysiologie ins Gedächtnis rufen. Unter normalen Atembedingungen entfallen etwa 30 % des eingeatmeten Atemzugvolumens auf den anatomischen Totraum. Zu Beginn der Inspiration füllt sich dieser Totraum mit endexspiratorischem Gas, das von der letzten Exspiration

vapotherm-nasenkanülen

Stirnhöhle Nasenmuschel Keilbeinhöhle

Nasen-Rachenraum

InnereNasenöffnung

Äußere Nasenöffnung

MittlereNasenmuschel

MittlereNasenmuschel

nasE und nasEnHöHlEn

Die Nasenhöhle ist so aufgebaut, dass zum Konditionieren des eingeatmeten Gases eine maximale Oberfläche zur Verfügung steht

High-Flow-Therapie und -Befeuchtung: Zusammenfassung der Wirkungsmechanismen, Technologie und Forschung

2

Oberer Atemtrakt

Unterer Atemtrakt

Nasen-Rachenraum

Primärbronchien

Lunge

Luftröhre

Rachen

Kehlkopf

Bronchiolen

verblieben ist. Dieses anatomische Totraumvolumen spielt zwar eine grundlegend wichtige Rolle

1. zur Erwärmung und Befeuchtung des inspiratorischen Gases und

2. zum Transport des Gases zum Thorax und zur Verteilung in die Lungenregionen. Der Anteil des Totraums (endexspiratorischen Gases) an einem neuen Atemzug wirkt sich jedoch auf die Atemeffizienz aus.

Bei gesunden Menschen ist die alveoläre Sauerstoffkonzentration niedriger als die der Umgebungsluft, während die alveoläre Kohlendioxidkonzentration höher ist als die der Umgebungsluft. Dieser Unterschied zwischen Umgebungsgas und alveolärem Gas ist abhängig von der Alveolarventilation sowie dem Blutgasgehalt. Die Alveolarventilation unterscheidet sich vom häufiger verwendeten Begriff des Atemminutenvolumens in Bezug auf die Abhängigkeit vom Totraum.

Basierend auf der Beziehung zwischen den Ventilationsparametern führt eine Reduktion des Totraumsvolumens dazu, dass für eine adäquate Alveolarventilation ein geringeres Atemminutenvolumen erforderlich ist. Somit hat das Totraumvolumen, selbst bei gesunden Menschen, direkten Einfluss auf das Atemzugvolumen und/oder die Anforderungen an die Atemfrequenz und in der Folge auf die Atemanstrengung. In dieser Hinsicht ist die HFT über eine Kanüle in der Lage, durch Flutung des nasopharyngealen anatomischen Totraums und Unterstützung der Atemarbeit die Atemeffizienz zu erhöhen. Zuerst muss jedoch für eine optimale Atemgaskonditionierung gesorgt werden.

BEdEutung dEr atEmgasErWärmung und -BEFEucHtung Das Schleimhautgewebe im Nasen-Rachenraum hat die Funktion, Atemgas vor Eintritt in den unteren Atemtrakt zu erwärmen und anzufeuchten4. Dies wird anatomisch über eine große Oberfläche erreicht, die mit dem

rEspiratoriscHEs systEm

Atemminutenvolumen = Atemzugvolumen x Atemfrequenz

Atemminutenvolumen = (Atemzugvolumen - Totraum) x Atemfrequenz

HFT über eine Kanüle ist in der Lage, durch Flutung des naso-pharyngealen ana-tomischen Totraums und Unterstützung der Atemarbeit die Atemeffizienz zu erhö-hen. Zuerst muss jedoch für eine optimale Atemgaskonditionierung gesorgt werden.

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inspiratorischen Gas interagiert. Folglich kann es zu einer Überbeanspruchung des Gewebes im Nasen-Rachenraum kommen, wenn der Gasfluss des Atemminutenvolumens höher ist als normalerweise und das Gas eine Temperatur unterhalb der Körpertemperatur hat sowie ungesättigt (d. h. mit weniger als 100 % relativer Feuchtigkeit) ist. Eine solche Überbeanspruchung des Gewebes im Nasen-Rachenraum führt zu einer signifikanten Dysfunktion, Austrocknung und Schädigung der Nasenschleimhaut5 – 8, was zudem mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Staphylokokkensepsis beiträgt9. Selbst bei geringen Durchflüssen ist die konventionelle Therapie mit Nasenkanüle unbequem und führt zu zahlreichen Patientenbeschwerden, insbesondere in Bezug auf Nasen- und Mundtrockenheit10.

Idealerweise sollte das inspiratorische Gas auf Körpertemperatur (37 °C) erwärmt und auf 100 % relative Feuchtigkeit angefeuchtet werden11,12. Zudem führt eine Befeuchtung mit Dampf im Gegensatz zu Wasseraerosol mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu einer Verletzung der Atemwege und Lunge, da es nicht zu einem latenten Wärmeverlust und Ablagerung von Wassertröpfchen kommt12. Die Membrantechnologie von Vapotherm ermöglicht den Übertritt von Wasser in das Atemgas als Dampfphase und, wie in einem Laborversuch durch Waugh und Granger bewiesen, stellt Atemgase bei Körpertemperatur und mit 99,9 % relativer Feuchtigkeit über den gesamten Durchflussbereich bis zu 40 l/Min. bereit3.

diE tEcHnologiE HintEr EinEr optimalEn atEmgaskonditioniErungDie Vapotherm-Geräte beinhalten ein patentiertes System mit Dampfübertragungspatrone, über die Wasserdampf in den Atemgasstrom diffundiert, während das Gas gleichzeitg auf die verschriebene Temperatur (in der Regel 37 °C) erwärmt wird. Dieses System unterscheidet sich wesentlich von den herkömmlichen Befeuchtersystemen mit Heizplatte. Die Vapotherm-Geräte nutzen zudem einen Zufuhrschlauch mit Triple-Lumen-Hülle und firmeneigene Nasenkanülen, die für die Aufrechterhaltung der Temperatur und zur Minimierung der Kondensation (Ausregnung) optimiert sind. Diese beiden letzteren Merkmale schützen das Atemgas, sodass das Gas den Patienten mit derselben Temperatur und Feuchtigkeit erreicht, die in der Membranpatrone erzeugt wurden.

In einer randomisierten Crosssover-Studie bewerteten Woodhead und Kollegen die Auswirkung von Vapotherm im Vergleich zur konventionellen HFT auf die Nasenschleimhaut von Frühgeborenen nach der Extubation13. Dreißig Säuglinge wurden 24 Stunden lang entweder mit Vapotherm oder konventioneller HFT behandelt und dann für weitere

24 Stunden auf die jeweils andere Behandlungsform umgestellt (konventionelle oder Vapotherm). Anhand eines verblindeten Bewertungssystems, das nasales Erythem, Ödeme, Schleimhautverdickung und Blutung auf einer Skala von 2 bis 10 berücksichtigt, wurde festgestellt, dass die Verträglichkeit bei Säuglingen unter Vapotherm-Therapie verglichen zur konventionellen Befeuchtung wesentlich höher war (2,7 ± 1,2 vs. 7,8 ± 1,7; p < 0,001).

WiE Wirkt sicH HFt auF diE atmung aus?

Da es mithilfe der Vapotherm-Technologie möglich ist, dem Patienten Atemgas genau bei Körpertemperatur und gesättigt zuzuführen, lässt sich nun über eine Nasenkanüle ein hoher Durchfluss erzielen. In dieser Hinsicht ist HFT aufgrund einer Reihe grundlegender physiologischer Mechanismen effektiv. Diese Mechanismen verbessern die Atemeffizienz, unabhängig von einer bestimmten Erkrankung.

CO2-VenTilATiOn

Durch die Zufuhr von Flüssen, die über den Bedürfnissen des Patienten liegen, führt HFT zu einer Auswaschung des nasopharyngealen Totraums. Wie jede Reduktion des anatomischen oder physiologischen Totraums trägt diese Therapie dazu bei, höhere Konzentrationen an alveolären Gasen in Bezug auf Kohlendioxid und Sauerstoff zu erreichen14. Während also die Low-Flow-Therapie mit Nasenkanüle nur für eine Oxygenierung sorgt, wirkt sich die HFT zudem auf die Eliminierung des CO

2 aus.

Das Fluten des Totraums in der Nasen-Rachenhöhle trägt zur Verbesserung der Alveolarventilation bei.

WarmesWasser

Warmes Wasser

Fluss Rückfluss

Atemgas

Atemgas

Querschnitt desschlauchs

Vapotherm, Inc. Dampfübertragungspatrone

(aufgeschnittene Darstellung)

Vapotherm, Inc. Erwärmter Triple-Lumen-Zufuhrschlauch

(aufgeschnittene Darstellung)

High-Flow-Therapie und -Befeuchtung: Zusammenfassung der Wirkungsmechanismen, Technologie und Forschung

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effizienTe Oxygenierung

Die HFT über eine Nasenkanüle arbeitet mit denselben Prinzipien wie die HFT über eine Gesichtsmaske, um durch Verhindern des Einströmens von Raumluft während der Inspiration eine hohe inspiratorische Sauerstoffkonzentration zu erzielen. Da jedoch bei der HFT über eine Nasenkanüle der anatomische Totraum durch Nutzung des Nasen-Rachenraums als Gasreservoir verkleinert wird, hat diese Therapieform, basierend auf der Gleichung für die Alveolarventilation, das Potenzial, eine höhere alveoläre Sauerstoffkonzentration als durch eine Maskentherapie zu erzielen. Auf diese Weise können Patienten im Vergleich zur konventionellen Therapie mit Maske oder Kanüle oftmals eine bessere Oxygenierung aufrechterhalten oder benötigen eine geringere FiO

2.

ATemArbeiT

Die Dehnbarkeit der Nasenschleimhaut, die die physiologische Atemgaskonditionierung ermöglicht, führt außerdem zu einem signifikanten Widerstand bei der Inspirationsanstrengung im Verhältnis zur Exspirationsanstrengung15. Da der in der HFT erzeugte Durchfluss ausreichend ist, um dem inspiratorischen Durchfluss eines Patienten zu entsprechen oder diesen zu übertreffen, minimiert die HFT mit hoher Wahrscheinlichkeit den inspiratorischen Widerstand im Nasen-Rachenraum. Diese Änderung des Widerstands führt zu einer Änderung der Atemwiderstandsarbeit.

Des Weiteren ist eine adäquate Erwärmung und Befeuchtung der leitenden Atemwege durch Zufuhr von warmem, feuchtem Gas im Vergleich zu trockenem, kälterem Gas assoziiert mit höherer Leitfähigkeit und Lungencompliance16. Fontanari und Kollegen zeigten außerdem, dass Rezeptoren in der Nasenschleimhaut auf kaltes und trockenes Gas reagieren und zum Schutz ein Zusammenziehen der Bronchien bewirken. Dies gilt sowohl für gesunde Probanden 17 als auch für Asthmatiker 18. Somit fördert die Zufuhr von Atemgas bei Körpertemperatur und in gesättigter Form zu einer optimalen mechanischen Reaktion des Atemsystems.

energieAufwAnd zur ATemgAskOndiTiOnierung

Die Nasenwege verbrauchen Energie, um die inspiratorische Luft von Umgebungstemperatur auf 37 °C zu erwärmen und Wasser zur Befeuchtung der einströmenden Luft auf 100 % relative Feuchtigkeit zu verdampfen 4,19,20. Viele der an diesem Prozess beteiligten Faktoren sind zwar noch unklar oder schwer definierbar, unserer Ansicht nach lässt sich jedoch feststellen, dass der Prozess der Atemgaskonditionierung einen signifikanten Energieaufwand erfordert. Dieser Energieaufwand verringert sich, wenn das Atemgas bei Körpertemperatur und gesättigt zugeführt wird.

BEziEHung zWiscHEn durcHFluss und druckVor über fünfzehn Jahren zeigten Dr. Locke und Kollegen, dass bei Anwendung einer Nasenkanüle selbst bei geringen Durchflüssen unbeabsichtigterweise ein Atemwegsüberdruck erzeugt werden kann, wenn die Prongs im Verhältnis zu den Nasenöffnungen relativ groß sind21. Tatsächlich werden Low-Flow-Nasenkanülen auf der Neugeborenenintensivstation häufig zur CPAP-Generierung eingesetzt, wobei relativ große Nasenprongs (im Verhältnis zum Innendurchmesser der Nasenöffnungen) verwendet werden und der Mund des Patienten geschlossen gehalten wird, um einen pharyngealen Druck von bis zu 8 cmH

2O zu erzeugen2. Diese Erfahrungen aus der

Vergangenheit geben Anlass zur Sorge darüber, welcher nasopharyngeale Druck mit High-Flow-Nasenkanülen entstehen könnte.

In einer Reihe von Laboruntersuchungen und klinischen Studien wurde nun geklärt, dass die Druckentwicklung im Nasen-Rachenraum und in den Luftwegen durch Leckage um die Nasenprongs und den Mundbereich herum bestimmt wird22-24. Wenn die Vapotherm-HFT gemäß den Empfehlungen mit Nasenprongs durchgeführt wird, deren Durchmesser höchstens ½ des Durchmessers der Nasenöffnungen beträgt, und der Mund frei geöffnet werden kann, kommt es zu einer allenfalls leichten Druckerzeugung. Dr. Saslow und Kollegen am Cooper University Hospital (Camden, NJ, USA) zeigten, dass bei Säuglingen unter HFT mit bis zu 8 l/Min. die dehnenden Drücke nicht höher waren als die Drücke, die durch CPAP mit 6 cmH

2O erzeugt werden. In manchen Fällen waren

die Drücke sogar signifikant geringer (bei 5 l/Min.; p = 0,03)25,26. Dr. Kubicka und Kollegen zeigten, dass bei 27 Neugeborenen, die Durchflüsse von bis zu 5 l/Min. über eine Kanüle erhielten, der Druck im Mund nie über 5 cmH

2O lag23. Dr. Wilkinson und Kollegen zeigten, dass

die Drücke im Nasen-Rachenraum bei Säuglingen während einer HFT relativ gering und vorhersagbar waren, wenn die Durchflüsse gemäß dem Körpergewicht normalisiert wurden24.

Gleichwohl wurde in Studien zur Bewertung der High-Flow-Therapie mit dem Ziel, einen dehnenden Atemwegsdruck bei geschlossenem Mund zu erzielen, festgestellt, dass in der Regel nur ein leichter Überdruck entsteht 23,27. Die Vapotherm-Geräte sind keine CPAP (Continuous Positive Airway Pressure)-Geräte und nicht dafür konzipiert, einen festgelegten Druck zu applizieren. Die Technologie dient dazu, konditionierte Atemgasflüsse in einem offenen System über eine einfache Nasenkanüle zuzuführen.

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