Effect of Left Ventricular Assist Device Pulsatility Mode and Cannula Angle on Aortic Blood Flow Characteristics, Blood Renewal Efficiency, Hemolysis, and Platelet Activation

Herzinsuffizienz ist ein Zustand, bei dem der Herzmuskel zu schwach wird, um genügend Blut in den restlichen Körper zu pumpen. Für viele Patienten mit fortgeschrittener Erkrankung ist die einzige Heilung eine Herztransplantation, aber aufgrund eines schweren Mangels an Spenderorganen müssen die meisten auf eine andere Lösung warten. Hier kommt das linke ventrikuläre Unterstützungssystem, auch bekannt als LVAD, ins Spiel. Man kann es sich als eine mechanische Pumpe vorstellen, die die Arbeit der Hauptkammer des Herzens übernimmt und das Blut in den Körper pumpt. Obwohl diese Geräte unzählige Leben gerettet haben, sind sie nicht perfekt. Die meisten modernen Versionen rotieren kontinuierlich und erzeugen einen stetigen, ununterbrochenen Blutstrom. Dies unterscheidet sich erheblich von einem natürlichen Herzen, das in einem rhythmischen Puls schlägt. Dieser konstante, glatte Fluss kann im Inneren der Hauptschlagader, der Aorta, Probleme verursachen. Er kann zu Blutgerinnseln, Schäden an den Blutzellen und anderen Komplikationen führen, da sich das Blut nicht so bewegt und vermischt, wie es eigentlich sollte.

Forscher der Beihang University und der Chinese Academy of Medical Sciences wollten genau verstehen, wie das Design und der Betrieb dieser Pumpen den Blutfluss in der Aorta beeinflussen. Sie konzentrierten sich auf drei spezifische Dinge: den Winkel, in dem das Schlauchstück der Pumpe mit der Arterie verbunden ist, ob die Pumpe in einem stetigen Strom läuft oder einen Herzschlag nachahmt, und was passiert, wenn das eigene Herz des Patienten wieder stärker wird. Mithusing eines detaillierten Computermodells, das auf der Anatomie eines echten Patienten basiert, simulierten sie, wie sich das Blut unter diesen verschiedenen Bedingungen bewegt. Ihr Ziel war es zu sehen, wie diese Faktoren beeinflussen, wie das Blut die Arterienwände berührt, wie gut altes Blut weggespült wird und wie stark die Blutzellen Schaden nehmen.

Die Studie begann mit der Untersuchung des Winkels des Schlauchs, der die Pumpe mit der Aorta verbindet. Die Forscher testeten fünf verschiedene Winkel, die von einer flachen Neigung bis zu einer scharfen Biegung reichten. Sie fanden heraus, dass dieser Winkel der wichtigste Faktor ist, um zu bestimmen, wie sich der Blutstrahl verhält, sobald er in die Arterie eintritt. Wenn der Schlauch steiler angewinkelt ist, trifft der Blutstrahl härter auf die Innenwand der Arterie und fließt weiter in das Gefäß hinein. Dies erzeugt einen kraftvolleren Fluss, der hilft, das Blut aus dem Herzen in die Verzweigungen des Körpers zu drücken. Ein heftiger Aufprall erzeugt jedoch auch einen spezifischen Punkt, an dem das Blut mit hohem Druck auf die Wand trifft. Wenn der Schlauch flacher angewinkelt ist, neigt das Blut dazu, in einer langsamen, kreisförmigen Bewegung nahe der Oberseite des Herzens zu wirbeln, wodurch ein Bereich entsteht, in dem das Blut zu lange verweilt. Diese Stagnation ist gefährlich, da sie die Bildung von Gerinnseln begünstigt.

Die Forscher verglichen dann zwei Arten, die Pumpe zu betreiben: einen stetigen, kontinuierlichen Fluss und einen pulsatilen Fluss, der schneller und langsamer wird, um einen natürlichen Herzschlag nachzuahmen. Sie entdeckten, dass der pulsatile Modus wie ein periodischer Reset-Knopf für den Blutfluss wirkt. Im kontinuierlichen Modus neigen die langsamen, wirbelnden Bluttaschen nahe der Arterienwand dazu, dort zu bleiben, was zu einer schlechten Reinigung der Gefäßoberfläche führt. Der pulsatile Modus, der durch die ständige Änderung der Geschwindigkeit die Blutmassen besser durchmischt, bricht diese stagnierenden Taschen auf und erzwingt eine gründlichere Durchmischung des Blutes. Dies führt zu einer viel saubereren Arterie, in der altes Blut effizienter durch frisches Blut ersetzt wird. Darüber hinaus war der pulsatile Modus schonender für die Blutzellen. Da sich die Geschwindigkeit ändert, ist das Blut nicht denselben langen, ununterbrochenen Perioden hoher Reibung ausgesetzt, die im stetigen Modus auftreten. Dies reduzierte die Menge der Schädigung der Blutzellen und senkte das Risiko der Aktivierung von Thrombozyten, also jenen Zellen, die den Gerinnungsprozess einleiten.

Schließlich simuliierte das Team, was passiert, wenn das eigene Herz eines Patienten beginnt, sich zu erholen, während es noch durch das Gerät unterstützt wird. Während das natürliche Herz wieder zu pumpen beginnt, schließt es sich der Maschine an. Dies erzeugt eine komplexe Interaktion, bei der zwei Quellen des Blutflusses – die Maschine und das Herz – gegeneinander drücken. Die Studie zeigte, dass diese Erholung die allgemeine Bewegung des Blutes verbessert und dabei hilft, die stagnierenden Bereiche sogar noch besser auszuspülen, als es die Maschine allein könnte. Dies führte jedoch auch eine neue Art von Komplexität ein. Das Zusammentreffen der beiden Flüsse erzeugte mehr Wirbel- und Veränderungsmuster nahe der Basis des Herzens. Während sich die allgemeine Gesundheit des Blutes verbesserte – mit weniger Schäden und besserer Durchmischung –, wurde der Fluss in bestimmten Stellen chaotischer.

Die Ergebnisse legen nahe, dass es nicht die eine perfekte Einstellung für jeden Patienten gibt. Ein steilerer Winkel des Pumpenschlauchs verbessert die Durchblutung des Körpers, erhöht aber die Kraft, die auf die Arterienwand trifft. Ein pulsatiler Modus reinigt das Blut besser und schützt die Zellen, erzeugt aber mehr Variation in der Art und Weise, wie sich das Blut bewegt. Wenn sich das Herz eines Patienten erholt, wird der Fluss zu einer Mischung aus maschineller und menschlicher Kraft, was die Zirkulation verbessert, aber die Bewegungsmuster in der Arterie verändert. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Optimierung dieser Geräte ein Abwägen dieser konkurrierenden Effekte erfordert. Durch die sorgfältige Wahl des Anschlusswinkels und des Rhythmus der Pumpe könnten Ärzte potenziell das Risiko von Blutgerinnseln und Blutschäden verringern und die Behandlung individuell auf die einzigartigen Bedürfnisse der Anatomie und den Genesungsfortschritt jedes Patienten abstimmen.