Feststellung des irreversiblen Hirnfunktionsausfalls unter ECMO/ECLS

Im Rahmen der sich immer weiter spezialisierenden Intensivmedizin ist es möglich, durch apparative Verfahren eine zunehmende Zahl von Organversagen zu kompensieren. Dies gilt im Speziellen für den Ausfall der Funktion von Nieren, Lunge und Herz. Für das Gehirn steht kein Organersatzverfahren zur Verfügung. Der irreversible Ausfall der Hirnfunktionen („Hirntod“) stellt ein sicheres Todeszeichen dar. Die Feststellung des irreversiblen Hirnfunktionsausfalls (IHA) wird durch eine gesonderte Richtlinie – verfasst vom wissenschaftlichen Beirat der Bundesärztekammer (BÄK) – geregelt [1]. In seiner letzten Aktualisierung (2022) hob der wissenschaftliche Beirat der BÄK die Besonderheiten der IHA-Feststellung bei Patientinnen und Patienten mit kardio-pulmonalen Organersatzverfahren wie extracorporal membrane oxygenation (ECMO) und extra-corporal life-support (ECLS) in einem eigenen Abschnitt hervor.

Alle Schädigungen, die über eine Erhöhung des intrakraniellen Drucks zu einem zerebralen Perfusionsstillstand führen, können letztlich in einen IHA münden [2]. Für Patientinnen und Patienten, die sich unter ECMO befinden, umfassen diese Schädigungen in erster Linie die durch den initialen Herz-/Kreislaufstillstand induzierte hypoxisch-ischämische Enzephalopathie (HIE). Hinzu kommt ein erhöhtes Risiko für intrakranielle Blutungen infolge von Thrombozytenverbrauchs- oder -funktionsstörungen, Fibrinogenmangel sowie die häufig bestehende therapeutische Antikoagulation im Rahmen der ECMO-Therapie [4].
In den letzten Jahren beobachten wir eine deutlich zunehmende Anwendung von ECMO-Verfahren [6] und damit gleichzeitig auch eine wachsende Zahl von Patientinnen und Patienten, für die eine IHA-Feststellung unter ECMO-Therapie angezeigt ist.
Daten der internationalen Extracorporeal Life Support Organization (www.elso.org) verzeichnen einen Anstieg der ECMO-Anwendungen von n = 1.862 im Jahr 2000 auf n = 20.520 im Jahr 2023. In Deutschland entfielen davon im Jahr 2023 eine Gesamtzahl von n = 6.768, die sich auf 593 Zentren verteilten. In den letzten 10 Jahren kam es je nach ECMO-Verfahren zu einer Steigerung der Anwendungen zwischen 30–40 %. Weltweit kam es seit Beginn des Jahres 2025 bereits zu etwas mehr als 7.500 ECMO-Anwendungen (www.elso.org, www.ecmo-dash.de).

ECMO-Typen

Die Begriffe ECMO/ECLS umfassen unterschiedliche extrakorporale Organ-Ersatzverfahren. ECMO ist ein Überbegriff für alle extracoporalen Membranoxygenierungsverfahren. Die veno-arterielle ECMO ist eine Form, welche als extracorporaler Lifesupport (ECLS) bezeichnet wird. Die ECMO ist ein extrakorporales, pumpengetriebenes Verfahren zur temporären Unterstützung bei schwerem pulmonalen, kardialen oder kombiniert kardio-pulmonalen Organversagen. Sie stellt keine kausale Therapie dar, sondern dient zur Überbrückung bis zur Erholung von Herz- und/oder Lungenfunktion oder bis eine definitive Behandlung greift, z. B.: eine antiinfektive Therapie bei erregerbedingtem ARDS, thrombolytische/interventionelle radiologische Thrombektomie bei Lungenarterienembolie oder Rekanalisierung bei Myokardinfarkt. Die ECMO-Verfahren lassen sich in folgende Typen unterteilen (▶ Abb. 1):

• Veno-venöse ECMO (vv-ECMO): Einsatz bei rein pulmonalem Versagen, z. B. schwerem ARDS.
• Veno-arterielle ECMO (va-ECMO oder ECLS): Anwendung bei kardialem Versagen, etwa bei kardiogenem Schock nach Myokardinfarkt oder im Rahmen einer prolongierten Reanimation.
  • am häufigsten ist die Anwendung einer sog. peripheren va-ECMO.
  • eine chirurgische oder zentrale va-ECMO (Anlage via Thorakotomie mit Entnahme direkt aus rechtem Vorhofohr und Rückgabe in Aorta ascendens) kommt selten zur Anwendung.
  • Veno-arteriell-venöse ECMO (vav-ECMO): Kombination bei kardiopulmonalem Versagen.

Die in diesem Artikel dargestellten Besonderheiten zur IHA-Diagnostik unter ECMO beziehen sich auf die periphere va-ECMO (ECLS).

Generell kommt es bei allen ECMO-Verfahren zur Entnahme von venösem Blut über eine großlumige Kanüle (meist in der V. femoralis). Das venöse Blut wird mithilfe einer Pumpe über die Kanüle in die ECMO-Schlauchsysteme geführt und gelangt so zur ECMO-Membran- dem sog. Herzstück. Beim Durchfließen der Membran kommt es zur Oxygenierung und CO2-Elimination des Blutes.

Nach der Passage der Membran wird das Blut je nach Verfahren entweder venös (vv-ECMO), arteriell (va-ECMO) oder kombiniert (vav-ECMO) in den Körper zurückgeführt.

Die Steuerung der Oxygenierung und CO2-Elimination erfolgt über den Blutfluss (l/min) sowie den Gasfluss (l/min). Bei va-ECMO-Systemen ist zusätzlich der O2-Anteil im Gasfluss regelbar. Übliche Werte für den Gasfluss sind 1–6 l/min, für den Blutfluss 3–5 l/min.

Für das Verständnis der Besonderheiten bei der IHA-Diagnostik während laufender va-ECMO-Therapie ist von Bedeutung, dass die Rückgabe des oxygenierten und decarboxylierten Blutes ins arterielle System über die A. femoralis führt und es somit zu einem retrograden bzw. aszendierenden Blutfluss über die Aorta zum Herzen kommt.

Harlekin Phänomen

Von besonderer Relevanz ist das Auftreten eines sog. Harlekin-Syndroms (auch North South-Syndrome, u. a.). Dieses tritt bei jenen Patientinnen und Patienten unter va-ECMO-Therapie auf, bei denen das Herz noch eine residuale oder wieder restituierte Eigenauswurfleistung hat.

Das aus dem linken Ventrikel in die Aorta transportierte Blut hat in der Regel eine schlechtere Oxygenierung und Decarboxylierung als jenes aus der ECMO in die Aorta gepumpte Blut. Ursächlich hierfür ist u. a. die durch die kardiale Dysfunktion konsekutiv reduzierte Perfusion im pulmonalen Kreislauf.

Unter laufender va-ECMO und bei erhaltenem oder wiederkehrendem linksventrikulärem Auswurf kann es daher zur Vermischung von sauerstoffarmem Blut aus dem linken Ventrikel mit dem retrograd fließenden, oxygenierten „ECMO-Blut“ kommen. Diese Ströme treffen an der sogenannten „Wasserscheide“ in der Aorta ascendens, dem Aortenbogen oder der Aorta descendens aufeinander (▶ Abb. 2).

Je nach Lage dieser Wasserscheide kann es zu unterschiedlich oxygenierten und decarboxylierten Blutanteilen in der rechten und linken bzw. oberen und unteren Zirkulation der Patientinnen und Patienten führen. Liegt die Wasserscheide beispielsweise distal des Truncus brachiocephalicus, kann das rechtshemispherielle Gefäßsystem über die rechte A. carotis interna und A. vertebralis und der rechte Arm mit schlechter decarboxylierten und oxygenierten Blut versorgt werden als die linke Körperhälfte, inkl. der linken A. carotis interna und A. vertrebralis.

Dieses Phänomen wird als Harlekin-Syndrom bezeichnet.

IHA Diagnostik allgemein:
Die Feststellung des IHA gliedert sich in drei Stufen:

• Prüfung der Voraussetzungen
• Klinischer Untersuchung inkl. Apnoe-Test
• Nachweis der Irreversibilität

Auch unter laufender ECMO/ECLS wird an diesem 3-stufigen Verfahren der IHA-Feststellung festgehalten.

Spezielle Aspekte der IHA-Diagnostik unter va-ECMO

Das oben beschriebene Harlekin-Phänomen hat in erster Linie für die praktische Durchführung des obligatorischen Apnoe-Testes Bedeutung.

Der Apnoe-Test dient zum Ausschluss eines Eigenatemantriebes im Rahmen der IHA-Feststellung. Dabei wird geprüft, ob bei steigendem CO₂-Partialdruck (paCO2) und abfallendem pH-Wert eine Spontanatmung einsetzt – als Ausdruck einer noch erhaltenen Funktion der Medulla oblongata. Der paCO2 wird hierbei primär über die Steuerung des ECMO-Gasflusses reguliert. Dies erfordert Erfahrung und sollte stets in enger Abstimmung mit ECMO-erfahrenem Fachpersonal erfolgen.

Vor Beginn des Apnoe-Tests erfolgt eine Präoxygenierung mit 100 % O₂ über die Beatmung sowie den ECMO-Gasfluss. Wie sonst beim Apnoe-Test auch, muss auch unter ECMO-Therapie der Ausgangs-paCO2 temperaturkorrigiert zwischen 35–45 mmHg liegen. Aufgrund des potentiellen Harlekin-Phänomens erfolgen die arteriellen Blutgasanalysen (BGA) zur Bestimmung des paCO2 sowohl aus dem rechten als auch dem linken arteriellen Katheter der oberen Extremität, in der Regel aus der A. radialis. Alternativ kann bei anatomischen Schwierigkeiten für die arterielle Kanülierung am linken Arm, auch ein simultanes BGA-Monitoring an der post-membranösen Blutentnahme-Stelle am ECMO-Gerät zusammen mit jener am rechten Arm entnommen werden. In einer eigenen Studie konnte gezeigt werden, dass die simultane Abnahme am rechten und linken Arm zu bevorzugen ist [5], da die paCO2-Differenzen hier geringer sind, der Apnoe-Test nicht unnötig lange dauert und somit potentielle Risiken wie Hypoxämie und hämodynamische Instabilität gemindert werden können.

Während des Apnoe-Tests bleibt der Sauerstoffanteil (FiO₂) im ECMO-Gasfluss bei 100 %. Das Ansteigen des paCO2 wird über den ECMO-Gasfluss geregelt. Empfohlen werden Gasfluss-Reduktionen auf 0,5–1,0 l/min [7, 8]. Der weitere Ablauf des Apnoe-Tests in Bezug auf das Handling am Beatmungsgerät verläuft identisch zur Durchführung des Apnoe-Tests bei Patientinnen und Patienten ohne ECMO-Therapie. Nach 2–3 min kann eine erste Kontroll-BGA aus dem linksseitigen arteriellen Katheter erfolgen. Sollte bereits ein paCO2 von > 60 mmHg temperaturkorrigiert vorliegen, muss dies rechtsseitig bestätigt werden. Ist der paCO2 < 60 mmHg, wiederholt man die BGA-Kontrolle nach weiteren 1–2 min. Liegen an beiden Entnahmestellen die paCO2-Werte über 60 mmHg und die zu untersuchende Person zeigt keine Eigenatmung wird die kontrollierte Beatmung wieder gestartet, der Gasfluss sowie die FiO2 an der ECMO und dem Beatmungsgerät wieder auf die vorherigen Einstellungen zurückgestellt. Die hier beschriebene Durchführung des Apnoe-Testes gilt für alle ECMO-Verfahren. Die simultane paCO2-Bestimmung ist allerdings nur bei va- und vav-ECMO notwendig.

Irreversibilitätsnachweis

Neben der Durchführung des Apnoe-Tests gibt es bei der IHA-Feststellung unter ECMO/ECLS eine weitere relevante Anpassung, die den Nachweis des Irreversibilitätsnachweis betrifft und in der aktuell gültigen 5. Fortschreibung der BÄK-Richtlinie neu geregelt ist [1]. Von besonderer Relevanz ist auch hier die Anwendung einer va-ECMO. Unter laufender va-ECMO können gemäß der aktuellen IHA-Richtlinie die bildgebenden Verfahren zur Darstellung des zerebralen Perfusionsstillstandes (CT-Angiographie, trans- und extra-
kranieller Doppler/Duplex, Perfusionsszintigraphie) nicht zum Irreversibilitätsnachweis genutzt werden. Begründet wird dies mit unzureichender Validierung oder fehlender Eignung der Verfahren unter va-ECMO.

Probleme bei der CT-Angiographie können v. a. die veränderte Hämodynamik und Flusskinetik (d. h., laminärer Fluss), die Kanülenlage und die Lokalisation der möglichen Wasserscheide darstellen, welche die Kontrastmittelverteilung und das Timing der Kontrastmittelgabe beeinflussen können. Inwieweit die Bedenken zur Durchführung von CT-Angiographie, Perfusionsszintigraphie und trans- und extrakraniellen Doppler/Duplex-Verfahren zum Irreversibilitätsnachweis wirklich berechtigt sind, muss durch zukünftige Studien wissenschaftlich geprüft werden.

Wie ist der Irreversibilitätsnachweis unter ECMO/ECLS möglich?

Für Patientinnen und Patienten mit vv-ECMO stehen für die Durchführung des Irreversibilitätsnachweises prinzipiell die gleichen Verfahren zur Verfügung wie für Patientinnen und Patienten ohne ECMO. Für Patientinnen und Patienten unter va-ECMO bleiben je nach individueller Konstellation entweder eine 2. klinische Untersuchung der IHA-Kriterien oder elektrophysiologische Verfahren wie die Elektroenzephalographie (EEG) oder evozierte Potentiale (SSEP, AEP) verfügbar. Beide Verfahren sind auf einer Intensivstation mit der Interferenz vieler elektrischer Geräte meist sehr Artefakt-anfällig. Ein meist nicht zu behebendes Problem stellen dabei insbesondere IMPELLA-Pumpen als Artefakt-Quelle dar. (▶ Abb. 3).

IMPELLA-Pumpen stellen Herzunterstützungssysteme dar, die häufig in Kombination mit va-ECMO Verfahren angewendet werden. Es handelt sich um eine kleine Axialpumpe, welche meist via A. femoralis ins linke Herz vorgeschoben wird, um Blut aus dem linken Ventrikel in die Aorta zu pumpen. Bei nicht zu behebenden Artefakten durch IMPELLA-Pumpen oder andere Geräte bleibt in entsprechenden Konstellationen nur noch die Durchführung einer 2. klinischen Untersuchung nach definierter Wartezeit. Bei primär supratentoriellen Hirnschäden beträgt die Wartezeit mindestens 12 Stunden und bei sekundären Hirnschäden mindestens 72 Stunden. Dabei unterscheiden sich die Vorgaben für Patientinnen und Patienten mit oder ohne ECMO/ECLS nicht.

In den allermeisten Fällen kann die IHA-Feststellung auch unter laufender ECMO/ECLS abgeschlossen werden. Allerdings können durch die aktuellen Richtlinien-Vorgaben potenziell Situationen entstehen, in denen die IHA-Feststellung unter laufender va-ECMO nicht möglich ist:

1.) Infratentorielle Hirnschädigung, va-ECMO und Artefakte: bei infratentoriellen Hirnschäden ist eine apparative Zusatzdiagnostik obligat. Diese beschränkt sich bei va-ECMO wie oben ausgeführt auf die elektrophysiologischen Verfahren. Besteht gleichzeitig die Notwendigkeit einer IMPELLA-Pumpentherapie und lassen sich die dadurch verursachten Artefakte nicht beheben – oder liegt eine andere, nicht zu beseitigende Artefaktquelle vor, können die elektrophysiologischen Verfahren nicht durchgeführt und die Irreversibilität des Hirnfunktionsausfalls nicht objektiviert werden.

2.) Fehlende Beurteilbarkeit der klinischen Untersuchungsbefunde bei va-ECMO: unabhängig von der Art der Hirnschädigung kann der Irreversibilitätsnachweis unter laufender va-ECMO immer dann verhindert sein, wenn bei der klinischen Untersuchung (oder der Prüfung der Voraussetzungen) ein Befund nicht ausreichend sicher beurteilt werden kann. Dies betrifft zum Beispiel die Verwertbarkeit des Apnoe-Testes bei Patientinnen und Patienten mit chronischer Hyperkapnie wie bei chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD). Ein anderes Beispiel ist die Beurteilbarkeit der Augen-bezogenen Hirnstammreflexe bei Bulbus-Verletzungen nach Schädelhirn- und Gesichtstrauma, u. a.. In all diesen Konstellationen erlaubt die IHA-Richtlinie bei Patientinnen und Patienten ohne va-ECMO die IHA-Feststellung durch Demonstration des zerebralen Perfusionsstillstandes (CT-Angiographie, trans- und extrakranieller Doppler/Duplex, Perfusionsszintigraphie). Bei laufender va-ECMO sind diese radiologischen Verfahren aktuell nicht zugelassen. Somit kann in diesen sehr speziellen Situationen die IHA-Feststellung nicht zum Abschluss gebracht werden.

Zukünftige Studien können zeigen, inwieweit Prozeduren etabliert werden können, mit denen auch in diesen Situation die IHA-Feststellungen komplettiert werden können.

Literatur:

1. Wissenschaftlicher Beirat der Bundesärztekammer. Richtlinie gemäß §16 Abs. 1 S. 1 Nr. 1 TPG für die Regeln zur Feststellung des Todes nach §3 Abs. 1 S. 1 Nr. 2 TPG und die Verfahrensregeln zur Feststellung des endgültigen, nicht behebbaren Ausfalls der Gesamtfunktion des Großhirns, des Kleinhirns und des Hirnstamms nach §3 Abs. 2 Nr.2 TPG, Fünfte Fortschreibung. Deutsches Ärzteblatt 2022
2. Salih F et al. Intracranial pressure and cerebral perfusion pressure in patients developing brain death. J Crit Care 2016; 34: 1–6
3. Brandt S et al. Erhebung der klinischen Befunde des irreversiblen Hirnfunktionsausfalls („Hirntod“): Voraussetzungen, Durchführung und pathophysiologische Grundlagen. Klin Neurophysiol 2016; 201647: 5–15
4. Lannon M et al. Intracranial hemorrhage in patients treated for SARS-CoV-2 with extracorporeal membrane oxygenation: A systematic review and meta-analysis. J Crit Care. 2023 May 11; 77: 154319
5. Salih F et al. Brain death determination in patients with veno-arterial extracorporeal membrane oxygenation: A systematic study to address the Harlequin syndrome. Journal of Critical Care 2024; 81:154545
6. Christian Karagiannidis et al. Extracorporeal membrane oxygenation: evolving epidemiology and mortality. Intensive Care Med 2016; 42(5): 889–96
7. Winter S et al. Apnoetest beim irreversiblen Hirnfunktionsausfall unter extrakorporaler Zirkulation [Apnea test for assessment of brain death under extracorporeal life support]. Med Klin Intensivmed Notfmed 2019; 114(1): 15–20
8. Harrar DB et al. Clinical Determination of Brain Death in Children Supported by Extracorporeal Membrane Oxygenation. Neurocrit Care 2019; 31(2): 304–11
9. Räpple D. Allgemeine Grundlagen. In: ECMO . Springer, Berlin, Heidelberg 2022

Interessenskonflikte:

C. Ferse und F. Salih erklären, dass bei der Erstellung des Beitrags keine Interessenkonflikte im Sinne der Empfehlungen des International Committee of Medical Journal Editors bestanden.

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Korrespondenzadresse:
Dr. med. Caroline Ferse
Fachärztin für Neurologie und Notfallmedizin
Charité Campus Mitte
Intensivstation der Klinik für Nephrologie und Internistische Intensivmedizin
Charité Campus Virchow Klinikum
caroline.ferse@charite.de

Priv-Doz. Dr. med. Farid Salih
Oberarzt
AG Akut- u. Intensivneurologie
Sprecher der IGNITE/DGNI
Klinik für Neurologie mit
Experimenteller Neurologie
Charité-Universitätsmedizin Berlin
Campus Virchow-Klinikum
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13353 Berlin
Tel.: +49 30 450 660188
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