Pathophysiologie der Ateminsuffizienz: Atmungsregulation, Atemlast und Muskelkapazität Free

Hyperkapnische Ateminsuffizienz (hypercapnic respiratory failure, HRF) tritt auf, wenn das Atmungssystem nicht in der Lage ist, das beim Stoffwechsel anfallende Kohlendioxid abzutransportieren und den Kohlendioxid-Partialdruck in den Arterien (PaCO₂) im Normbereich zu halten (Abb. 1). Die muskuläre Atempumpe (d.h. die Thoraxwand und Atemmuskulatur, die bewirken, dass die Lunge sich dehnt und zusammenzieht) sorgt gemeinsam mit neuronalen Prozessen im Cortex und Hirnstamm dafür, dass über dynamische Homöokinetik-Rückkopplungsmechanismen die CO₂-Homöostase aufrechterhalten wird. In der klinischen Praxis wird HRF üblicherweise als PaCO₂-Wert tagsüber von >45 mm Hg (6 kPa) definiert. Bei chronischen Erkrankungen lässt sich jedoch eine Ateminsuffizienz typischerweise zuerst in der REM (rapid eye movement)-Schlafphase erkennen, was auf den in dieser Phase physiologischerweise herabgesetzten Atemantrieb und die Atonie der Atemmuskulatur mit Ausnahme des Zwerchfells zurückzuführen ist. Als nächstes wird die Insuffizienz während des Nicht-REM-Schlafs sichtbar und erst dann auch im Wachzustand [1,2]. Umgekehrt übt die Ateminsuffizienz zugleich einen schädlichen Einfluss auf die Schlafstruktur aus; sie kann zu kürzerem oder ganz ausbleibendem Tiefschlaf und REM-Schlaf führen [3]. Bemerkenswert ist auch, dass Schlafentzug [4] die CO₂-Antwort der Atemaktivität reduziert, einen der Surrogatmarker für den Atemantrieb [5]. Schlafentzug und die mit Ateminsuffizienz einhergehende veränderte Schlafstruktur können somit zu einer Hyperkapnie beitragen, indem sie die Sensitivität der zentralen Chemorezeptoren weiter verringern.

Da man den Atemantrieb nicht direkt messen kann, beurteilt man ihn in der klinischen Praxis und in physiologischen Studien anhand von Surrogatparametern wie der CO₂-Antwort der Atemaktivität, dem P0.1 (Okklusionsdruck nach 100 ms), der CO₂-Antwort des P0.1, der Elektromyographie (EMG) der Einatemmuskeln oder der Veränderung des intrapleuralen oder transdiaphragmatischen (Pdi) Drucks in bestimmten Situationen. Die CO₂-Antwort der Atemaktivität kann zwar theoretisch durch eine schwere Atemwegsobstruktion oder eine stark herabgesetzte Compliance des Atemapparats beeinträchtigt werden, dennoch wird sie häufig als Indikator oder Surrogat für den Atemantrieb bei HRF-Patienten mit oder ohne nicht invasive Beatmung (non-invasive ventilation, NIV) verwendet.

In dieser Arbeit geben wir einen Überblick darüber, wie Wechselwirkungen zwischen der Atmungsregulation, der Atembelastung und der Muskelkapazität zu Ateminsuffizienz führen können.

Die Atmung ist bei Säugetieren eine autonome Funktion, die nicht vollständig durch automatische intrinsische Prozesse des betroffenen Organsystems kontrolliert werden (Abb. 2). Während die Automatik der Herzaktivität auf einem Zellnetzwerk als intrakardialem Schrittmacher beruht, wird die Regulation der Alveolarventilation auch durch höhere Steuerungssysteme (Atemzentren im Hirnstamm) mitbestimmt. Diese Systeme sind von entscheidender Bedeutung für die präzise, sequenzielle, koordinierte Kontraktion der Muskeln, die auf die oberen Atemwege, die Glottis, den Brustkorb und das Zwerchfell einwirken.

Die Kontraktion der Atemmuskulatur wird vom Gehirn und Hirnstamm aus gesteuert. Die Hirnstamm-Mechanismen sind notwendig und ausreichend [6], um die Atmungsaktivität zu veranlassen und an die stoffwechselspezifischen Bedürfnisse des Organismus anzupassen. Der arterielle CO₂-Partialdruck (PaCO₂) ist der wichtigste Einflussfaktor für diesen dynamischen Prozess [7]. Darüber hinaus sind höhere kortikale Netzwerke in motorischen und prämotorischen Hirnregionen an der Atmungsregulation im Rahmen willkürlicher und unwillkürlicher komplexer Abläufe beteiligt. Die Priorität der kortikalen Steuerung beim ruhigen, entspannten Atmen ist es, die Koordination zwischen Atmung und anderen motorischen Funktionen wie Sprechen [8], Kauen, Schlucken oder Gehen zu ermöglichen. Gehen gilt als automatische Funktion, doch je nach Umständen können auch übergeordnete spezifische kortikale Regionen und kognitive Funktionen eingreifen [9]. Aktuelle Studien deuten darauf hin, dass die kortikalen Netzwerke [10,11], die an der Reaktion auf inspiratorische Belastung beteiligt sind, auch bei komplexen motorischen Aufgaben mit kognitivem Input aktiviert werden, zum Beispiel beim Gehen. Einer Hypothese zufolge ist der Wettbewerb um kortikale Ressourcen der Grund für die Atmungs-Kognitions-Interferenz [12,13]. Gegenstand zunehmenden Interesses ist außerdem die Interaktion zwischen Atmung und haltungsbezogenen Reflexen, die auch als «postural-respiratorische Synchronisation» bezeichnet wird und eine wichtige Rolle für das Gleichgewicht bei körperlicher Aktivität spielt [14].

Die Befehle für die Atemaktivität werden im Hirnstamm erzeugt, gesteuert und moduliert [14] und an die spinalen Motoneurone, Atemnerven und Atemmuskeln übertragen. Jegliche strukturelle Schädigung des Nervensystems in dieser Kette kann eine HRF verursachen oder dazu beitragen (Tab. 1). Atemdepression und Tod nach Opiat-Überdosis sind derzeit in verschiedenen Industrieländern eine häufige Ursache für HRF; in den USA hat dies bereits epidemische Ausmaße erreicht (>63 000 Menschen starben hier nach Angaben der Centers for Disease Controll and Prevention (CDC) im Jahr 2016 an einer Überdosis Opiate). Die Unterdrückung des Atemantriebs kann auch durch die Anwendung von Betäubungs- oder Beruhigungsmitteln begünstigt werden, wenn eine der hochprävalenten Komorbiditäten vorliegt, die bekanntermaßen zu HRF führen können (z.B. chronisch-obstruktive Lungenerkrankung, COPD; Adipositas; obstruktive Schlafapnoe, OSA; und Herzinsuffizienz) [16].

Atmung ist keine «top-down» gesteuerte Funktion. Die Atmungssteuerung stützt sich unter anderem auf ein komplexes neurosensorisches System, das mit Dehnungsrezeptoren in der Brustwand, vagalen C-Fasern und Chemorezeptoren permanent den Zustand des Atmungssystems überwacht und afferente Informationen über den Hirnstamm (genauer: den Nucleus tractus solitarii) an höhere kortikale Zentren übermittelt. Weitere kortikale und subkortikale Regelkreise (sogenannte Korollarentladungen) sorgen für einen ständigen Abgleich der efferenten und afferenten Signale aus dem Bronchopulmonalsystem [17]. Wenn eine Abweichung zwischen den gemäß Output des zentralen Nervensystems erwarteten und den tatsächlichen Luftströmen und/oder Thoraxbewegungen auftritt, wird dies als Atemnot/Dyspnoe interpretiert [18].

Dyspnoe ist definiert als «subjektiver Eindruck von Atembeschwerden, der sich aus Empfindungen unterschiedlicher Art und Intensität zusammensetzen kann» [19,20]. Bei Vorliegen von Dyspnoe können im spezifischen Elektroenzephalogramm (EEG) kortikale prä-inspiratorische Potenziale an der Quelle erfasst werden, die sich als Korrelate des Atemantriebs interpretieren lassen. Bei gesunden Personen, die ruhig atmen, ist hingegen keinerlei atmungsbezogene kortikale Aktivität zu erkennen. Der Inspiration vorausgehende Potenziale treten bei experimenteller Belastung des Atmungssystems auf und spiegeln die Aktivierung kortikal-subkortikaler Netzwerke wider, an denen auch das supplementäre motorische Areal beteiligt ist [10]. Solche Bereitschaftspotenziale wurden auch im Wachzustand bei Patienten mit schwerer OSA beobachtet und als zentraler kompensatorischer Mechanismus für eine intrinsische Belastung des Atmungssystems interpretiert (verringerte Querschnittsfläche und hochgradig kollabierbare obere Atemwege) [21]. Bei schwerer Adipositas kann die vermehrte Atemarbeit nicht nur auf eine verminderte Compliance des Atmungssystems zurückzuführen sein, sondern auch auf die zusätzlich Last, die aufgrund des intrinsischen positiven endexspiratorischen Drucks (intrinsic positive endexpiratory pressure, PEEPi) in Rückenlage auf das Zwerchfell wirkt [22]. Eine kortikale Aktivierung zur Steigerung des Atemantriebs ist auch bei Patienten mit amyotropher Lateralsklerose (ALS) und damit verbundener Muskelschwäche und Dyspnoe zu beobachten. Georges et al. [23] stellten die Hypothese auf, dass die kortikale Aktivierung zur Aufrechterhaltung der Atmung nicht nur eine Dyspnoe verstärken, sondern auch die kognitive und sogar die motorische Leistung beeinträchtigen kann. In ihrer Studie waren die Bereitschaftspotenziale bei NIV abgeschwächt.

Eine weitere Option für die semiquantitative Beurteilung des Atemantriebs und der neuronalen Signale an die Atemmuskulatur ist die Elektromyographie (EMG). In spezialisierten Zentren können EMG-Signale mit hoher Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit aufgezeichnet werden, was quantitative intra- und interindividuelle Vergleiche in verschiedenen physiologischen Situationen ermöglicht. Die Aktivierung des Zwerchfells lässt sich bei COPD-Patienten unter NIV ohne Übergewicht durch gängige Typ-II-Schlafaufzeichnung überwachen [24] (Abb. 3). In diesem speziellen Setting kann die Beobachtung des neuronalen Outputs dem Arzt dabei helfen, die NIV-Einstellungen so anzupassen, dass eine Asynchronität von Patient und Beatmungsgerät verhindert wird. Um exakte, nicht verfälschte EMG-Aufzeichnungen vom Zwerchfell als Marker für den Atemantrieb zu erfassen, ist jedoch eine Ösophagussonde erforderlich, was die breite Anwendbarkeit dieses Verfahrens einschränkt. Die parasternalen Interkostalmuskeln sind obligate Atemmuskeln, die gleichzeitig mit dem Zwerchfell aktiviert werden, und da sie nicht von anderen Strukturen überlagert werden, kann man ihre elektrische Aktivität mittels Oberflächen-EMG messen. Der Nutzen dieser nicht invasiven Technik ist sowohl im experimentellen als auch im klinischen Setting bei gesunden [25] und erkrankten Personen [26,27,28] nachgewiesen worden.

Da die Dyspnoe etwas subjektiv Erlebtes ist, kann nur die betroffene Person selbst sie mit entsprechenden Instrumenten beurteilen. Einfache eindimensionale Instrumente wie die Borg-Skala bieten verbale Deskriptoren ergänzend zur klassischen visuellen Analogskala an, um die Intensität der Dyspnoe von «gar nicht» bis «maximal» zu beschreiben. So ist ein Borg-Score von >3 eine wertvolle Hilfe, um Muskelschwäche (sniff nasal inspiratory pressure, SNIP <40 cm H₂O) bei ALS-Patienten zu prognostizieren [29]. Aktuelle Forschungsarbeiten setzen zur Beurteilung der Dyspnoe verstärkt auf multidimensionale Instrumente, die neben dem Intensitätsdeskriptor auch qualitative und emotionale Komponenten enthalten - ein Modell, das in der Schmerzforschung bereits weit verbreitet ist. Zu den am häufigsten validierten Instrumenten zählen der Dyspnea-12-Fragebogen [30] und das Multidimensional Dyspnea Profile [31]. Obwohl hochgradig subjektiv, kann die Selbstbeurteilung der Dyspnoe durch den Patienten hilfreich sein, um z.B. herauszufinden, ob es sich um einen Fall von «will nicht atmen» oder von «kann nicht atmen» handelt.

Wie weiter oben erwähnt, wird die alveoläre Ventilation so reguliert, dass der arterielle PaCO₂ und der pH-Wert innerhalb ihrer sehr engen Zielbereiche gehalten werden, und der Schlüssel zu dieser genauen Regulation sind zentrale und periphere Chemorezeptoren [32]. Die Reaktivität dieser Chemorezeptoren kann bei chronischer HRF verändert sein. So zeigen Patienten mit chronischer Ateminsuffizienz oft eine verminderte CO₂-Antwort der Atemaktivität. Dieser Mechanismus, der zu einer erhöhten Toleranz gegenüber Hyperkapnie und zur Persistenz der alveolären Hypoventilation beiträgt, ist bei Patienten mit neuromuskulären Erkrankungen (NME) [33], Kyphoskoliose [34], OSA-Syndrom [35] und Obesitas-Hypoventilations-Syndrom (OHS) [36] eindeutig dokumentiert. Ebenso wurde nachgewiesen, dass die NIV die CO₂-Antwort der Atemaktivität bei Patienten mit Kyphoskoliose, NME und COPD [37,38] verbessert (Abb. 4), und auch für die PaCO₂-Korrektur scheint die NIV ein wichtiger Faktor zu sein, da die nächtliche Anwendung einen Effekt auf die arteriellen Blutgaswerte (ABG) tagsüber ausübt. Interessanterweise ist bei normokapnischen, krankhaft adipösen Personen der Atemantrieb laut EMGdi (Diaphragma-EMG) erhöht [39] und sinkt bei CPAP (continuous positive airway pressure)-Überdruckbeatmung; der Mechanismus ist hierbei, dem PEEPi entgegenzuwirken. Dies veranschaulicht die phänotypischen Unterschiede, die bei krankhafter Fettleibigkeit vorliegen können und jeweils unterschiedliche Implikationen für Atemantrieb und Atemmanagement haben.

Bei COPD-Patienten spiegelt eine effektive Ventilation den neuronalen Atemantrieb nicht adäquat wider, da Veränderungen der Atemmechanik (erhöhter Atemwegswiderstand, statische und dynamische Hyperinflation und PEEPi) den Zusammenhang zwischen Atemantrieb und effektivem Atemfluss verändern (ein Phänomen, das man als neuroventilatorische Entkopplung bezeichnen kann). Dies wurde beispielsweise bei Patienten mit schwerer COPD unter Belastung gezeigt, bei denen die Atemnot eng mit dem EMGdi_{% max} (dem prozentualen Anteil des maximalen EMGdi-Signals, einem Surrogatmarker für den Atemantrieb) korreliert, nicht jedoch mit dem Quotienten aus Atemzugvolumen und Vitalkapazität (tidal volume, VT/vital capacity, VC), da die Steigerung des VT durch dynamische Hyperinflation begrenzt wird. Dies spricht dafür, dass bei schwerer COPD eine HRF vorliegen kann, auch wenn die Atmungsaktivität normal oder erhöht ist, und dass dies auf Veränderungen der Atemmechanik zurückzuführen ist [40].

Bei OHS wurde sowohl im Tiermodell als auch beim Menschen eine enge Wechselwirkung zwischen Leptinresistenz und vermindertem Atemantrieb nachgewiesen [41,42]. Leptin ist ein Adipokin, das an der Steuerung des Energieverbrauchs beteiligt ist. Außerdem wirkt es als Modulator des Atmungsregulationssystems. Leptin-defiziente Mäuse, die spontan eine ausgeprägte Adipositas entwickeln, zeigen eine verminderte Reaktion auf inspiriertes CO₂, die sich jedoch durch exogen zugeführtes Leptin korrigieren lässt [43]. Bei Menschen mit OHS ist oft die Konzentration zirkulierenden Leptins erhöht, was dafür spricht, dass eine Leptin-Resistenz vorliegt und kein Leptin-Mangel [44,45]. Neben dem verringerten neuronalen Antrieb und der erhöhten elastischen Belastung des Atmungssystems, die mit krankhafter Adipositas einhergehen, gibt es einen weiteren umfassend beschriebenen Mechanismus der Hypoventilation im Schlaf, der mit der Dauer der OSA-Episoden zusammenhängt. Die Aufrechterhaltung der Eukapnie im Schlaf bei OSA erfordert ein Gleichgewicht zwischen der CO₂-Aufladung in den Apnoe-Phasen und der CO₂-Elimination zwischen diesen Phasen. Dies lässt vermuten, dass die CO₂-Antwort der Atemaktivität in der Zeit nach einer Apnoe-Phase bei Patienten mit OSA-Syndrom herabgesetzt sein könnte. In ähnlicher Weise besteht ein umgekehrter Zusammenhang zwischen Hyperkapnie tagsüber und dem Verhältnis der Apnoe- zur Interapnoe-Dauer [35,46].

Bei der ruhigen Spontanatmung gesunder Personen erzeugt das Zwerchfell genug inspiratorischen Druck, um die elastische und resistive Last des Atmungssystems zu überwinden. Wenn die Compliance des Atmungssystems eingeschränkt ist (wie es z.B. bei Thoraxwand- oder parenchymalen restriktiven Lungenerkrankungen der Fall ist) oder wenn der Atemwegswiderstand erhöht ist (z.B. bei obstruktiven Lungenerkrankungen), dann steigt der neuronale Atemantrieb, um die Druckerzeugungskapazität der Einatemmuskeln anzupassen und eine ausreichende alveoläre Ventilation aufrechtzuerhalten. Mehrere Faktoren können die Compliance des Atmungssystems reduzieren und dadurch die Atemarbeit erhöhen: (1) verminderte Compliance der Thoraxwand z.B. bei krankhafter Adipositas (in Industrienationen die häufigste Indikation für NIV im heimischen Umfeld), Erkrankungen der Thoraxwand (Kyphoskoliose), NME, Spondylitis ankylosans, Spätfolgen einer Kollapstherapie (Thorakoplastik) oder Hyperinflation im Zusammenhang mit schwerer COPD [47,48];

(2) verminderte parenchymale und/oder pleurale Compliance z.B. bei fibrotischen Veränderungen des Lungenparenchyms (d.h. den Folgen einer Tuberkulose) oder Pleuraverdickung oder (3) eine Kombination dieser Mechanismen.

Fortgeschrittene interstitielle Lungenerkrankungen sind selten ein Indikator für eine langfristige maschinelle Beatmung. Bei diesen Erkrankungen ist die leitende Anomalie die Hypoxie, wobei der Sauerstoff-Supplementierungsbedarf mit fortschreitendem Krankheitsverlauf zunimmt. Bei idiopathischer Lungenfibrose z.B. tritt Hypoventilation nur in fortgeschrittenen Stadien auf, und eine invasive Beatmung auf der Intensivstation ist durchgängig mit hoher Mortalität assoziiert. Daher wird maschinelle Beatmung bei Lungenfibrose häufig als kontraindiziert betrachtet, kann jedoch im Einzelfall diskutiert werden, wenn eine reversible Ursache für die Ateminsuffizienz festgestellt werden kann [49].

Bei COPD-Patienten mit Hyperinflation müssen die Einatemmuskeln zwei Hürden zusätzlich überwinden, neben der erhöhten resistiven Last infolge der Atemwegsobstruktion und der elastischen Last im Zusammenhang mit der erhöhten funktionellen Residualkapazität (functional residual capacity, FRC). Erstens bringt jede Erhöhung der FRC im Zusammenhang mit Air-Trapping und Hyperinflation das Zwerchfell in eine ungünstigere Position auf der Druck-Volumen-Kurve des Atmungssystems, wodurch die Druckerzeugungskapazität verringert und die Atemarbeit erhöht wird [50]. Zweitens entsteht bei COPD-Patienten mit Hyperinflation und schwerer Atemwegsobstruktion unter PEEPi eine obligate inspiratorische Druckschwelle, die für den Inspirationsfluss überwunden werden muss [50]. Hyperinflation führt zu einer maladaptiven schnellen, flachen Atmung mit einer hohen Ratio von physiologischem Totraum (VD) zu VT. Eine höhere VD/VT-Ratio trägt wiederum zu einem höheren PaCO₂ sowie zu einer umfassenden emphysematösen Zerstörung der Alveolar-Kapillar-Austauschoberfläche bei [51]. Dieses Phänomen hängt potenziell mit Atemnot unter Belastung bei schwerer COPD zusammen, die allgemeinsprachlich als «nach Luft schnappen» [52] oder «keine Luft mehr bekommen» [53] beschrieben wird und nicht als «schwer ausatmen können», wie es bei Patienten mit obstruktiver Lungenerkrankung zu erwarten wäre. Einen Anstieg des PEEPi zu verhindern oder diesen zumindest zu kompensieren, ist wichtig, um das Auslösen des Beatmungsgerätes zu erleichtern und fruchtlose Anstrengung während der maschinellen Beatmung bei COPD-Patienten zu vermeiden [24,54].

Die Untersuchung der pulmonalen Mechanik ist für den Kliniker aus mehreren Gründen wichtig: (1) um das Fortschreiten der Krankheit bei Patienten mit drohender Ateminsuffizienz zu überwachen und vorauszusehen, wann eine NIV erforderlich wird; (2) um die pathophysiologischen Veränderungen des Atmungssystems zu verstehen, die im jeweiligen Fall zu Ateminsuffizienz führen (Atemwegsobstruktion mit oder ohne Hyperinflation oder Restriktion); und (3) um die Einstellungen des Beatmungsgerätes je nach zugrunde liegender Atemstörung zu optimieren.

Die Beurteilung der respiratorischen Funktion kann ganz unterschiedlich erfolgen - von einer einfachen Messung der Einsekundenkapazität (forciertes Expirationsvolumen in 1 Sekunde, FEV₁) und der forcierten Vitalkapazität mit tragbaren Geräten am Patientenbett bis zur umfassenden Lungenfunktionsprüfung und invasiven Messung der Atemmuskelstärke mit Ösophagus- und Magenballonkathetern. Die Lungenfunktionsprüfung ist zwar unverzichtbar, um die zugrunde liegende Erkrankung zu verstehen, die zur Ateminsuffizienz führt, doch haben dynamische und statische Volumina wenig prognostische Aussagekraft über ABG-Werte oder das Auftreten einer Ateminsuffizienz. In Leitlinien auf der Grundlage von Expertenmeinungen werden lediglich für NME VC-Grenzwerte als Kriterium für die Einleitung einer NIV genannt [55].

Muskelschwäche der Atemmuskulatur kann eine Ursache für eine ungeklärte Dyspnoe sein, wenn sie mit dem klassischen Symptom der Orthopnoe einhergeht. Frühe unspezifische Symptome einer schlafassoziierten Hypoventilation infolge schwacher Atemmuskulatur sind: übermäßige Tagesmüdigkeit, Erschöpfung, morgendliche Kopfschmerzen, kognitive Funktionsstörungen, Depression und Dyspnoe [55]. Auf diese Symptome sollte bei Risikopopulationen regelmäßig geachtet werden. Bei der transkutanen Kapnographie gab es in letzter Zeit Verbesserungen bei der Benutzerfreundlichkeit und der Software. Sie gilt als zuverlässiges Verfahren für die klinische Anwendung und ermöglicht die frühzeitige Erkennung und Quantifizierung nächtlicher Hypoventilation in der pneumologischen Routinepraxis, die ohne im Schlaf entnommene arterielle Blutproben auskommt [56,57]. Die CO₂-Konzentration am Ende des Atemzugs ist ein weiteres nicht invasives Mittel zur Schätzung des PaCO₂. Bei Patienten mit chronischer Atemwegserkrankung gilt diese Methode jedoch als unzuverlässig und wird in diesem Setting nicht empfohlen [58].

Die regelmäßige Untersuchung der Atmungsfunktion und der Kraft der inspiratorischen Muskeln ist essenziell für die Entscheidung, ob elektiv mit einer NIV begonnen werden soll, um ein akutes Atemversagen zu vermeiden, insbesondere bei NME. Die Messung der VC in Rückenlage ist ein empfindlicher Marker für Funktionsstörungen des Zwerchfells [59], und ein Abfall von >15% beim Wechsel von der sitzenden in die liegende Position korreliert gut mit Orthopnoe [60], während eine Abnahme von >20% stark auf eine Zwerchfellfunktionsstörung hinweist. Weitere, speziellere Tests umfassen SNIP und maximalen inspiratorischen Munddruck (maximal inspiratory mouth pressure, MIP) [61], die mit kostengünstigen tragbaren Geräten leicht durchzuführen sind [62]. Der MIP- wird oft als schwieriger als der SNIP-Test empfunden, insbesondere bei ALS-Patienten, und auch bei fortgeschrittener NME scheint er schwierig durchzuführen zu sein [63]. Unseren Erfahrungen nach ist die Übereinstimmung zwischen SNIP und MIP nur mäßig [64,65] (Abb. 5), was dafür spricht, die beiden Tests komplementär anzuwenden, um das Risiko einer Überdiagnose der Atmungsmuskeldysfunktion bei Risikopatienten zu verringern [66]. SNIP und MIP sind nicht invasive, auf Freiwilligkeit beruhende Tests zur Durchführung am Patientenbett, die die Atemmuskelkraft insgesamt bewerten. Daher werden sie auch durch die allgemeine Fitness, die Mitwirkung und die kognitive Funktionsfähigkeit des Patienten beeinflusst. Trotz ihrer vermeintlichen Spezifität für Muskelschwäche des Zwerchfells wurden diese Tests mit einer frühen stationären Wiederaufnahme nach akuter HRF [67] bei COPD-Patienten und/oder adipösen Personen in Verbindung gebracht und könnten insofern dazu beitragen, Risikopatienten für eine erneute stationäre Behandlung zu stratifizieren und schwache/gebrechliche Patienten für eine verstärkte Überwachung und vorrangige Zuführung zu Rehabilitationsprogrammen zu selektieren.

Eine direkte invasive Messung der Zwerchfellfunktion anhand des Ösophagus-Drucks (esophageal pressure, Pes) oder des transdiaphragmatischen Drucks (transdiaphragmatic pressure, Pdi) ist in einigen spezialisierten Zentren möglich, wenn die Diagnose einer respiratorischen Funktionsstörung unsicher ist. Pes und Pdi werden meist entweder in klinischen/physiologischen Studien oder in der Akutversorgung durchgeführt. Für die Messung des Pdi wird ein Ballonkatheter in den Ösophagus und den Magen eingeführt. Der Pdi ist die Differenz zwischen Magendruck und Pes. Mithilfe elektrischer oder magnetischer Stimulation (Twitch-Pdi) des Nervus phrenicus wird die Muskelkraft des Zwerchfells getestet, ohne dass der Patient bei komplexen Atemmanövern mitwirken muss. Mit einem Twitch-Pdi >18 cm H₂O bei bilateraler Magnetstimulation lässt sich eine klinisch bedeutsame Zwerchfellschwäche ausschließen [66]. Die Normbereiche der verschiedenen Atemmuskel-Funktionstests und in der klinischen Praxis gebräuchliche wichtige Grenzwerte sind in Tabelle 2 aufgeführt. Kliniker müssen sich der möglichen Bandbreite der Ergebnisse unterschiedlicher willensbasierter Tests und deren starker Abhängigkeit von der kognitiven Funktion und Mitwirkung des Patienten bewusst sein. Die Grenzwerte für eine Funktionsstörung der Einatemmuskeln, die in veröffentlichten Empfehlungen und Leitlinien angegeben werden, variieren erheblich; sie sollten daher in der Entscheidungsfindung mit anderen relevanten klinischen Parametern kombiniert werden.

Bei schwerer COPD können niedrige SNIP- und/oder MIP-Werte statt einer inspiratorischen Muskeldysfunktion oder -schwäche auch eine verringerte Druckerzeugungskapazität des Zwerchfells nach einer schweren Hyperinflation und/oder PEEPi widerspiegeln [50]. Wie bereits erwähnt, sind herabgesetzte Werte mit einem erhöhten Risiko für einen erneuten Krankenhausaufenthalt nach einer auf der Intensivstation mit NIV behandelten akuten HRF in Verbindung gebracht worden [67].

Bei normokapnischen Patienten mit krankhafter Adipositas liegt die invasiv gemessene Kraft der Einatemmuskeln im normalen Bereich [39]. Bei Patienten mit OHS hingegen wurden leicht herabgesetzte MIP-Werte gemessen (70 ± 24 cm H₂O [68]; 55 ± 14 cm H₂O [69]). Diese nicht invasiv gemessenen Werte unterschätzen sehr wahrscheinlich die wahre inspiratorische Muskelkraft und spiegeln eher die mechanischen Einschränkungen (verminderte Compliance des Atmungssystems) wider, die die Druckerzeugungskapazität des Zwerchfells beeinträchtigen. Vor diesem Hintergrund können die bei OHS berichteten Werte nicht die einzige Erklärung für das Auftreten chronischer Hypoventilation sein [66,68,69]. Darüber hinaus hat sich in Studien die Atemmuskelkraft nach NIV nicht verbessert, was die Funktionsstörung der inspiratorischen Muskulatur zu einer unwahrscheinlichen Ursache für chronische Hypoventilation bei OHS macht.

Bei NME nimmt die inspiratorische Muskelkraft mit dem Fortschreiten der Grunderkrankung ab. MIP und SNIP sind hier hilfreiche und notwendige Ergänzungen zur ABG-Analyse und Lungenfunktionsprüfung, um das Auftreten von Ateminsuffizienz und NIV-Bedarf zu antizipieren [70]. SNIP und MIP scheinen sich in einem stärker linearen Verlauf zu verschlechtern als die VC und ermöglichen daher besser, eine Ateminsuffizienz vorherzusehen [71].

In den meisten Indikationen macht eine chronische HRF eine nicht invasive oder bisweilen auch invasive Langzeit-Beatmungsunterstützung erforderlich. Die drei Hauptindikationen für Langzeit-NIV sind derzeit COPD, OHS und NME. In aktuellen Studien wurde geklärt, wann und wie eine Langzeit-NIV bei schwerer hyperkapnischer COPD erfolgen sollte [72,73,74], nämlich vorzugsweise nicht unmittelbar nach einer akuten Ateminsuffizienzepisode. Die NIV ist indiziert, wenn der Patient in einem chronischen Setting 2-4 Wochen nach der akuten Episode hyperkapnisch ist. In jedem Fall sollte die NIV den PaCO₂ um mindestens 20% gegenüber dem Ausgangswert senken und ihn vorzugsweise bei <6,5 kPa (48,7 mm Hg) stabilisieren [74]. Symptombasierte Indikationen sind weiterführend zu untersuchen, um die gesundheitsbezogene Lebensqualität der Patienten möglichst zu verbessern. Die NIV kann Symptomlinderung bei Patienten bewirken, die moderat hyperkapnisch, aber stark dyspnoeisch sind; die Patienten sollten diesbezüglich klar identifiziert und phänotypisiert werden.

Auch die Rolle der NIV bei OHS wurde u.a. vom Spanish Sleep Network weiter geklärt [75,76]. Nach einer akuten OHS-Episode ist bei hyperkapnischen Patienten mit schwerem OSA-Syndrom eine CPAP-Studie gerechtfertigt, während bei Patienten ohne schwere OSA eine NIV zu bevorzugen ist. Daten zu den langfristigen metabolischen und kardiovaskulären Auswirkungen von CPAP im Vergleich zu NIV liegen bisher nicht vor; dies rechtfertigt künftige randomisierte Studien.

Bei NME ist der Überlebensnutzen der NIV bisher nur für ALS formal nachgewiesen [77]. Umgekehrt wurde für ALS kürzlich nachgewiesen, dass eine frühe Zwerchfellstimulation die Mortalität erhöht [78], was für ein symptomgeleitetes Vorgehen spricht. Die Korrektur nächtlicher Atmungsereignisse und Hypoventilation scheint für die optimale Wirkung der NIV unverzichtbar zu sein. In künftigen Forschungsarbeiten ist zu klären, ob eine frühzeitige NIV die gesundheitsbezogene Lebensqualität der Patienten positiv beeinflussen kann, wie diese Patienten optimal weiterzuversorgen sind und wie die Behandlung von Patienten mit Bulbärparalyse, die eine NIV nicht tolerieren, optimiert werden kann.

Das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen der Atmungsregulation, der Atemlast und der Muskelkapazität im Schlaf- und Wachzustand ist wichtig, um bei der NIV die richtigen Einstellungen für die Physiologie des Atmungssystems des jeweiligen Einzelfalls zu wählen. Darüber hinaus gilt es, die Erkenntnisse aus aktuellen klinischen Studien für bestimmte Indikationen wie COPD oder OHS in die Entscheidungsfindung über die Anwendung einer NIV einzubeziehen. Um diese Ziele zu erreichen, empfehlen die meisten Experten, dass alle Krankenhäuser, die NIV bei Patienten anwenden, einen koordinierten Teamansatz einführen, mit klinischer Leitung, spezialisiertem Pflege- und Atemtherapiepersonal und einem designierten klinischen Bereich, in dem die NIV unter sicheren Bedingungen durchgeführt werden kann.

D. Adler hat keine Verbindungen offenzulegen. J.-P. Janssens hat keine Verbindungen offenzulegen.