Transkutanes CO2-Monitoring
zum Schutz von Gehirn und Lunge bei Frühgeborenen
Dieses Whitepaper hinterfragt, welche Massnahmen Klinikerinnen und Kliniker auf der neonatologischen Intensivstation ergreifen, um die empfindlichen, unterentwickelten Organe wie das Gehirn und die Lunge von Frühgeborenen im Rahmen der intensivmedizinischen Versorgung zu schützen. Das CO2 spielt hier im Hinblick auf die Hirndurchblutung und die mechanische Beatmungsunterstützung eine entscheidende Rolle. Ein wesentlicher Bestandteil davon ist die kontinuierliche Überwachung der CO2Werte.
Bradley Sexauer, MBA, RRT-NPS
DIESE PATIENTEN SIND EXTREM FRAGIL, UND IHR ZUSTAND KANN SICH AUF DER NICU SCHNELL VERÄNDERN.
Zwischen 21% und 47% aller Einweisungen auf der neonatologischen Intensivstation (NICU) weisen eine respiratorische Komponente auf.1,2 Die möglichen Ursachen dafür sind vielfältig und reichen bei Frühgeborenen von Atemnotsyndrom (NRDS), Pneumonie, Pneumothorax, Lungenblutungen und Aspiration bis zu chronischer Lungenerkrankung. Termingeborene werden unter Umständen zusätzlich mit anderen Erkrankungen wie der Mekonium-Aspiration oder dem Surfactant-Protein-Mangelsyndrom auf der NICU vorstellig.
Weltweit sind etwa 11% der Geburten vorzeitig.3 In den USA ist der Anteil der Frühgeburten mit 12% noch etwas höher.4 Die Verfügbarkeit moderner Behandlungsansätze und die zunehmende Komplexität der Versorgung auf der NICU ermöglichen Frühgeborenen heute realistische Überlebenschancen ab der 22.-23. Schwangerschaftswoche.3 Diese Patienten sind extrem fragil, und ihr Zustand kann sich auf der NICU schnell verändern.
CO2 und das Gehirn
Der CO2-Wert im Blut ist von hoher klinischer Bedeutung, denn er ist der wichtigste beeinflussende Faktor für den zerebralen Blutfluss (CBF) eines Patienten: “PaCO2 ist der stärkste akute Regulator des CBF”, betonen Wissenschaftler 2014 in Acta Paediatrica.5
Aufgrund ihres unterentwickelten Gefässsystems sind Frühgeborene gegebenenfalls nicht in der Lage, einen gleichmässigen Blutfluss aufrecht zu erhalten. Die unterentwickelten Gefässe der Keimmatrix reagieren weniger stark auf physiologische Veränderungen wie Blutdruckschwankungen oder veränderten CO2-Gehalt, bleiben daher passiv und sind somit anfällig für Verletzungen.6
Eine Hyperkapnie (die den zerebralen Blutfluss erhöht), Hypokapnie (die den zerebralen Blutfluss senkt) sowie starke Schwankungen der CO2-Werte (die zu einem starken Anstieg des Blutstroms zum Gehirn führen können) sind problematisch, da sie Komplikationen wie intraventrikuläre Blutungen (IVH) und periventrikuläre Leukomalazie (PVL) verursachen können. Sowohl kurz- als auch langfristig können diese Erkrankungen schwerwiegende Folgen für das Gehirn des Neugeborenen haben.
Die intraventrikuläre Blutung, eine Blutung in den Gehirnventrikeln, stellt ein grosses Risiko für Frühgeborene dar, insbesondere für Patienten mit einem Gewicht von weniger als 1’500 Gramm.7,8 Sie ist multifaktoriell, wobei Faktoren, die den zerebralen Blutfluss beeinflussen, besonders probematisch sind. Sowohl Hyperkapnie und Hypokapnie, als auch Schwankungen der CO2-Werte erhöhen die Inzidenz von intraventrikulären Blutungen.9,10,11,12,13
Die Prognose bei IVH verschlechtert sich mit zunehmender Stärke der Blutung (Abb. 1). Eine schwerwiegende IVH kann bleibende Schäden am Gehirn verursachen und zu neurokognitiven Beeinträchtigungen führen.6
Wie die IVH ist auch die periventrikuläre Leukomalazie eine Folge des instabilen Zustands von Frühgeborenen. Eine PVL zeigt sich durch Erweichen oder Absterben der weissen Substanz um die Ventrikel und tritt gehäuft bei Säuglingen auf, die bereits unter einer intraventrikulären Blutung leiden.
Da die Hypokapnie den zerebralen Blutfluss ebenso stört und dessen Dysregulation verstärkt, kann sie hypoxisch-ischämische Schäden der weissen Substanz verschlimmern, was wiederum zur Entwicklung einer PVL beiträgt.14
Mit zunehmender Verschlechterung wird die PVL für das Neugeborene immer gefährlicher. Wie die IVH kann auch die PVL dauerhafte Hirnschäden verursachen und somit zu langfristigen Beeinträchtigungen in der körperlichen und geistigen Entwicklung führen. Da es keine Behandlungmöglichkeiten gibt, ist die Prognose einzig von der Schwere der erlittenen Schädigung abhängig.15 Daher ist es enorm wichtig, den CO2-Wert im Blut in einem sicheren Bereich zu
Laterale Ventrikel Keimmatrix Gehirnparenchym
Blutung beschränkt auf die Keimmatrix
Intraventrikuläre Ausdehnung mit <50% Ventrikelbeteiligung
Ausdehnung der Blutung zu einem dilatierten Ventrikel
Intraventrikuläre Ausdehnung mit >50% Ventrikelbeteiligung oder
Ausdehnung der Blutung in das umliegende Parenchym
halten, um eine Hyperkapnie zu vermeiden und das Gehirn vor Schädigungen zu schützen. Die Einflussnahme auf die CO2-Werte wird hauptsächlich über die maschinelle Beatmung gesteuert. Auch hier wird eine Balance angestrebt, die ohne weitere Komplikationen nur schwer aufrechtzuerhalten ist.
CO2 und die Lunge
Während die Beatmungsunterstützung entscheidend ist, um das Gehirn sowohl vor Hyper- und Hypokapnie, als auch vor CO2-Schwankungen zu schützen, kann die Ventilation gleichzeitig selbst Lungenschäden verursachen, wenn sie nicht korrekt eingestellt wird. Wird nicht genügend Volumen zugeführt, kann dies zu Derecruitment und Atelektasen führen; wird zu viel zugeführt, besteht die Gefahr einer Überdehnung und eines Volutraumas.
Insofern entsteht bei dem Versuch, sowohl Gehirn als auch Lunge zu schützen, ein ständiges Spannungsverhältnis. Was das eine schützt, kann das andere schädigen. Um die Lunge zu schützen und potenziell schädlichen Druck in den Atemwegen zu vermeiden, kann eine permissive Hyperkapnie erzeugt werden, die dazu beitragen kann, den Plateaudruck in einem sicheren Bereich zu halten. Dies kann gleichzeitig das Gehirn gefährden. Zum Schutz des Gehirns können höhere Beatmungseinstellungen nötig sein, die wiederum die Lunge schädigen können. In diesem Szenario kann das kontinuierliche CO2-Monitoring ein wirksames, wenn nicht sogar lebenswichtiges Instrument sein, um beiden Prioritäten gerecht zu werden. Da der sichere Bereich der Beatmungsunterstützung für jeden Patienten anders ist, kann der kontinuierlich verfügbare CO2-Wert dabei helfen, die Beatmung und somit den Gasaustausch des Patienten so individuell, sanft und effizient wie möglich einzustellen.
CO2-Überwachung auf der NICU
Die Priorisierung der CO2-Überwachung kann ein wichtiger Faktor der Versorgungsstrategie auf der NICU sein, um sowohl das Gehirn als auch die Lunge der empfindlichsten Patienten zu schützen. Für die CO2-Messung stehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur Verfügung: Blutentnahmen und die transkutane Überwachung.
Blutgase (arteriell, kapillär & venös)
Die arterielle Blutgasanalyse (BGA) ist der Goldstandard und ein wichtiges Instrument zur Messung einer Vielzahl von Werten, nicht nur des PaCO2. pHWert, Kalium und Glukose werden auf der neonatologischen Intensivstation ebenfalls mittels kapillärer Blutentnahme untersucht.
Für Neugeborene sind Blutentnahmen jedoch mit erheblichen kurz- und langfristigen Risiken verbunden. Dazu gehören Blutverlust, Schmerzen und Infektionen, aber auch der Zeitverlust zwischen der Blutentnahme und dem Vorliegen der Ergebnisse.
Blutentnahmen werden auf der NICU routinemässig oder bei akuter Notwendigkeit durchgeführt. Doch selbst, wenn Blut aufgrund einer klinischen Indikation entnommen wird, kann zum Beispiel eine Hyperkapnie unerkannt bleiben. Eine Fersenblutentnahme bildet nur einen punktuellen Zeitpunkt ab und stellt somit den Verlauf des Patienten nur unzureichend dar.
Auf der NICU ist dies besonders problematisch, da der Zustand von Neugeborenen oft instabil ist, und sich die Bedingungen schnell ändern können. Abb. 2 veranschaulicht den Unterschied zwischen einem einzeln ermittelten CO2-Wert in der BGA und einer Trendlinie im Rahmen der kontinuierlichen CO2-Überwachung. Während die Werte zum Zeitpunkt der Blutentnahme gut übereinstimmen, hat sich der Zustand dieses Kindes danach schnell verändert, ohne dass dies mittels Blutentnahme erkannt werden konnte. Die orangefarbenen Überlagerungen zeigen, wie lange das Kind in einem Zeitraum von zwei Stunden ausserhalb der CO2-Normwerte lag.16
Im Rahmen der neuroprotektiven Versorgung auf der neonatologischen Intensivstation gilt es auch, die Auswirkungen schmerzhafter Behandlungseingriffe zu beachten. Frühgeborene sind besonders anfällig für die weitreichenden negativen Folgen wiederholter Schmerzexposition. Sie
haben weder die Fähigkeit, sich angesichts von Schmerzerfahrungen selbst zu beruhigen, noch, sich an diese Belastungen zu gewöhnen.17,18 Mit Blick auf die langfristige neuronale Entwicklung dieser Kinder sind die Folgen sogar noch drastischer: Wiederholte schmerzhafte Ereignisse in den ersten Lebensjahren eines Kindes – bis hinein ins Schulalter – können zu einem verringerten Thalamusvolumen und IQ, sowie zu Entwicklungsproblemen in den Bereichen Kognition, Motorik und Verhalten führen.19,20,21,22,23,24
Trankutanes CO2-Monitoring (tcPCO2)
Die kontinuierliche transkutane CO2-Überwachung kann dabei helfen, die Anzahl der Blutentnahmen zu verringern, die für die Messung der Blutgase durchgeführt werden. Klinikerinnen und Kliniker werden dabei unterstützt, eine Hyperkapnie, Hypokapnie und gefährliche Schwankungen der CO2-Werte eines Neugeborenen zu verhindern. In einer Studie aus dem Jahr 2016 wurde nachgewiesen, dass die transkutane CO2-Überwachung “die Häufigkeit von Blutgasanalysen bei beatmeten Neugeborenen statistisch verringert”.25
Obwohl die Messung des endtidalen CO2 auf der NICU seine Berechtigung hat, um beispielsweise die Platzierung eines Endotrachealtubus festzustellen, ist sie für die Überwachung von Neu- und Frühgeborenen aufgrund der kleinen Tidalvolumina, undichter Endotrachealtuben und der Wahrscheinlichkeit eines gestörten Ventilations-Perfusions (V/Q)-Verhältnisses oft nicht praktikabel.26,27,28,29
Die transkutane CO2-Überwachung ist für Patienten auf der NICU gut geeignet, da sie nicht an den Atemwegen misst und daher unabhängig vom V/Q-Verhältnis oder der Beatmungsstrategie genau ist (einschliesslich nichtinvasiver Ventilation und spezieller Beatmungsmodi wie oszillierender oder Hochfrequenz-JetVentilation). Durch diese nichtinvasive Überwachungsmethode bleiben die CO2-Werte sichtbar und ermöglichen eine Trendüberwachung, welche bei instabilen Patienten wie Frühgeborenen besonders sinnvoll sein kann.
Die kontinuierliche CO2-Überwachung hat sich als wertvolles Hilfsmittel bei der Erzeugung einer permissiven Hyperkapnie erwiesen, da der Patientenzustand genau beobachtet und rasch auf unerwartete Veränderungen oder Schwankungen reagiert werden kann. Ebenso kann die kontinuierliche CO2Überwachung ein wichtiger Bestandteil von Initiativen zur Verringerung von Blutentnahmen und Schmerzbelastungen auf der NICU sein. Darüber hinaus hat sich die Technologie als wirksames Element eines Massnahmenpakets zur Verringerung der Inzidenz von intraventrikulären Blutungen erwiesen.30
Darüber hinaus ist tcPCO2 in den Leitlinien der American Association for Respitory Care (AARC) in der klinischen Praxis für Patienten indiziert, “die entweder keinen arteriellen Zugang haben, oder bei denen eine kontinuierliche Überwachung von O2 und CO2 mit minimalen Blutentnahmen” angezeigt ist, sowie für Patienten, die auf andere bzw. spezielle Beatmungsformen angewiesen sind.31
Schlussfolgerung
Ein erheblicher Teil der Aufnahmen auf der neonatologischen Intensivstation (NICU) weist eine respiratorische Komponente auf. Der Zustand von Säuglingen, die beatmet werden müssen, kann sich schnell ändern. Das Verständnis für die Balance, die für den Schutz von Gehirn und Lunge erforderlich ist, hat bei der Versorgung dieser empfindlichen Patienten einen massgeblichen Einfluss auf die kurz- und langfristige Prognose. Für das Gehirn kann die kontinuierliche CO2-Überwachung eine Rolle bei der Verhinderung einer intraventrikulären Blutung spielen; für die Lunge kann sie ein nützliches Instrument sein, um angemessene Pflegemassnahmen festzulegen und sogar, um die sichere Durchführung einer permissiven Hyperkapnie zu gewährleisten. Mit der Entscheidung für eine kontinuierliche CO2-Überwachung können Pflegeteams die Patientenversorgung individueller gestalten, indem sie einen für jeden Patienten angemessenen Gasaustausch einstellen können, um sowohl Gehirn als auch Lunge zu schützen.
DAS VERSTÄNDNIS FÜR DIE BALANCE, DIE FÜR DEN SCHUTZ VON GEHIRN UND LUNGE BEI DER VERSORGUNG DIESER EMPFINDLICHEN PATIENTEN ERFORDERLICH IST , HAT EINEN MASSGEBLICHEN EINFLUSS AUF DIE KURZ- UND LANGFRISTIGE PROGNOSE.
HINWEIS DER REDAKTION: Die Bezugnahme auf transkutane CO2-Überwachung wird in den Zitaten kontinuierlich als “tcPCO2” geschrieben, wobei im Original meist „tcCO2“ oder „tcpCO2“ steht. Die vollständigen Zitate können über die Links im Referenzteil aufgerufen werden.
REFERENZEN
1. Qian, L., et al. Current status of neonatal acute respiratory disorders: a one-year prospective survey from a Chinese neonatal network. Chin Med J (Engl). 2010.
2. Baseer, K., et al. Risk Factors of Respiratory Diseases Among Neonates in Neonatal Intensive Care Unit of Qena University Hospital, Egypt. Annals of Global Health. 2020.
3. Grillo, M., et al. Prematurity and Low Birth Weight in Neonates as a Risk Factor for Obesity, Hypertension, and Chronic Kidney Disease in Pediatric and Adult Age. Frontiers Med. 2022.
4. Dyer, J. Neonatal Respiratory Distress Syndrome: Tackling A Worldwide Problem. P T. 2019.
5. Noori, S., et al. Effect of carbon dioxide on cerebral blood flow velocity in preterm infants during postnatal transition. Acta Paediatrica. 2014.
6. Whitelaw, A. Core Concepts: Intraventricular Hemorrhage. NeoReviews. 2011.
7. Database of VLBW Infants Born in 2012. Vermont Oxford Network. 2013.
8. Ahn, S.Y., et al. Intraventricular Hemorrhage and Post Hemorrhagic Hydrocephalus among Very-LowBirth-Weight Infants in Korea. J Korean Med Sci. 2015.
9. Erickson, S. et al. Hypocarbia in the ventilated preterm infant and its effect on intraventricular haemorrhage and bronchopulmonary dysplasia. J Paediatr Child Health. 2002.
10. Wallin, L., et al. Neonatal intracranial hemorrhage: II. Risk factor analysis in an inborn population. Early Hum Dev. 1990.
11. Resch, B., et al. Episodes of hypocarbia and early-onset sepsis are risk factors for cystic periventricular leukomalacia in the preterm infant. Early Hum Dev. 2012.
12. Fabres, J., et al. Both extremes of arterial carbon dioxide pressure and the magnitude of fluctuations in arterial carbon dioxide pressure are associated with severw intraventricular hemorrhage in preterm infants. Pediatrics. 2007.
13. Van de Bor, M., et al. Perinatal factors and periventricular-intraventricular hemorrhage in preterm infants. Am J Dis Child. 1986.
14. Wong, S.K., et al. Carbon dioxide levels in neonates: what are safe parameters? Pediatr Res. 2022.
15. Boston Children’s Hospital. “Periventricular Leukomalacia.” https://www.childrenshospital.org/ conditions/periventricularleukomalacia
16. van Kaam, A., et al. Incidence of hypo- and hyper-capnia in a crosssectional European cohort of ventilated newborn infants. Arch Dis Child Fetal Neonatal Ed. 2013.
17. Fitzgerald, M. The development of nociceptive circuits. Nat Rev Neurosci. 2005.
18. Rupawala, M., et al. A developmental shift in habituation to pain in human neonates. Current Biology. 2023.
19. Duerden, E., et al. Early Procedural Pain Is Associated with RegionallySpecific Alterations in Thalamic Development in Preterm Neonates. J Neurosci. 2018.
20. Brummelte, S., et al. Procedural pain and brain development in premature newborns. Ann Neurol. 2012.
21. Vinall, J., et al. Invasive procedures in preterm children: brain and cognitive development at school age. Pediatrics. 2014.
22. Chau, C., et al. Hippocampus, Amygdala, and Thalamus Volumes in Very Preterm Children at 8 Years: Neonatal Pain and Genetic Variation. Front Behav Neurosci. 2019.
23. Grunau, R., et al. Neonatal pain, parenting stress and interaction, in relation to cognitive and motor development at 8 and 18 months in preterm infants. Pain. 2009.
24. Doesburg, S., et al. Neonatal painrelated stress, functional cortical activity and visual-perceptual abilities in school-age children born at extremely low gestational age. Pain. 2013.
25. Mukhopadhyay, S., et al. Neonatal Transcutaneous Carbon Dioxide Monitoring—Effect on Clinical Management and Outcomes. Respir Care. 2016.
26. Repetto, J.E., et al. Use of capnography in the delivery room for assessment of endotracheal tube placement. J Perinatol. 2001.
27. Hagerty, J., et al. Accuracy of a new low-flow sidestream capnography technology in newborns: a pilot study. J Perinatol. 2002.
28. Proquitté, H., et al. Current limitations of volumetric capnography in surfactant-depleted small lungs. Pediatr Crit Care Med. 2004.
29. Schmalisch, G. Current methodological and technical limitations of time and volumetric capnography in newborns. Biomed Eng Online. 2016.
30. Travers, C.P., et al. A Quality Improvement Bundle to Improve Outcomes in Extremely Preterm Infants in the First Week. Pediatrics. 2022.
31. Restrepo, R.D., et al. AARC Clinical Practice Guideline: Transcutaneous Monitoring of Carbon Dioxide and Oxygen: 2012. Respir Care. 2012.
RF-013962-_ Erscheinungsdatum: 2023-07 | Ref_Masterkopie: RF-013873-_