Das 3-Phasen-Modell des plötzlichen Herzstillstands

Der Weg vom plötzlichen Herzstillstand zum Tod folgt einem pathophysiologischen Prozess, der die Wirksamkeit der Maßnahmen beeinflusst. Zahlreiche Studien zeigen, dass die verfügbaren Maßnahmen zeitabhängig wirken. Um die Wahrscheinlichkeit eines Spontankreislaufs zu maximieren, sollten die Interventionen daher an die jeweilige Phase angepasst werden. Die aktuellen Leitlinien berücksichtigen dies bislang nicht, abgesehen von der Empfehlung, bei beobachtetem Herzstillstand mit defibrillierbarem Rhythmus sofort zu defibrillieren. Der Grund ist, dass es keine praktikable Möglichkeit gibt, die Phase zu bestimmen, in der sich der Patient befindet. Dieses Kapitel baut auf Die Physiologie der kardiopulmonalen Reanimation auf.

Die drei Phasen nach einem plötzlichen Herzstillstand wurden 2002 von Weisfeldt und Becker beschrieben. Auf Grundlage von Physiologie, Beobachtungsstudien und experimentellen Untersuchungen beschrieben sie Phasen, die unterschiedliche Behandlungsstrategien erfordern, um das Überleben zu maximieren (Tabelle 1).

Tabelle 1. Das 3-Phasen-Modell des plötzlichen Herzstillstands nach Weisfeldt et al (2002).

Die Existenz dieser Phasen wird durch eine Vielzahl experimenteller und klinischer Studien gestützt. Die elektrische und die zirkulatorische Phase lassen sich durch zelluläre Veränderungen im Myokard erklären. Die letzte Phase ist multifaktoriell und wird durch globale Ischämie, Azidose, Inflammation, Hypoxie und Reperfusionsschaden verursacht. Die Zeitgrenzen sind Näherungswerte. Sie gelten für den Herzstillstand mit Kammerflimmern und sind je nach Ausgangssituation (z. B. Alter, Vorerkrankungen, Temperatur, vorherige Perfusion durch eine Tachykardie) verschoben.

Sauerstoffbedarf des Myokards

Das Myokard kann nur unter aeroben Bedingungen dauerhaft arbeiten: Für die Synthese von Adenosintriphosphat (ATP, der primären Energiequelle aller Zellen) wird Sauerstoff benötigt. Das Herz setzt täglich etwa 6 kg ATP um (Neubauer et al). Das entspricht dem 20- bis 30-Fachen seines Eigengewichts. Möglich ist dies, weil Mitochondrien nahezu 30% des Zellvolumens der Kardiomyozyten einnehmen und so die Bildung derart großer ATP-Mengen erlauben (Page et al). Die hohe Mitochondriendichte ermöglicht eine vollständige Erneuerung des ATP-Pools innerhalb von etwa 10 Sekunden (Fell et al, Houtkooper et al). Der größte Teil des gebildeten ATP wird für den Kontraktionsapparat und die Funktion der Ionenkanäle verbraucht.

Neumar et al untersuchten, wie die ATP-Konzentration während Kammerflimmern (VF) abnimmt. Dazu wurden nach Induktion von VF serielle Myokardbiopsien entnommen. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, fallen die ATP-Konzentrationen rasch ab. Nach 5 Minuten VF waren noch etwa 50% des ATP vorhanden.

Abbildung 1. Myokardiale ATP-Konzentration nach Induktion von Kammerflimmern (Herzstillstand).

Mit sinkender ATP-Konzentration fallen kritische Zellfunktionen aus. Membranpotenzial, Aktionspotenzial, Erregbarkeit und Kontraktionsfähigkeit werden durch den ATP-Mangel beeinträchtigt. Eine Myokardnekrose (Infarkt) beginnt innerhalb von 20 Minuten nach dem Kreislaufkollaps.

Die elektrische Phase: Defibrillieren

Vermutlich wird die Mehrzahl der Herzstillstände durch ventrikuläre Tachykardie (VT) und Kammerflimmern (VF) ausgelöst. Die Defibrillation ist in den ersten Minuten dieser Arrhythmien äußerst effektiv. Dies zeigen randomisierte Studien und Beobachtungsstudien zur Wirksamkeit implantierbarer Kardioverter-Defibrillatoren (ICD). Ein ICD ist so programmiert, dass er VF/VT erkennt und innerhalb von 10 bis 20 Sekunden defibrilliert. Studien zeigen, dass ICD VF/VT in 98% der Fälle terminieren (Zipes et al, Volosin et al). Ebenso können bei Patienten, die sich zum Zeitpunkt des Herzstillstands im Krankenhaus befinden, VF/VT rasch erkannt und defibrilliert werden. Das Überleben beträgt etwa 70%, wenn innerhalb von 3 Minuten nach dem Kollaps defibrilliert wird (Hessulf et al). Beim außerklinischen Herzstillstand (OHCA) ist die Zeit vom Kollaps bis zur Defibrillation deutlich länger. Die mediane Eintreffzeit des Rettungsdienstes beträgt in Europa und Nordamerika 10 bis 15 Minuten, sodass das Überleben bei defibrillierbarem Rhythmus bei Eintreffen des Rettungsdienstes etwa 30% beträgt (Rawshani et al).

Tabelle 2. Zeitabhängige Wirksamkeit der Defibrillation.

Mit jeder Minute nimmt die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Defibrillation ab, und das Risiko steigt, dass das VF in eine Asystolie übergeht. Abbildung 2 zeigt, wie das Überleben von 42% auf 29% sinkt, wenn die Reanimation nach 1 Minute beziehungsweise nach 5 Minuten begonnen wird (OHCA mit VF; Valenzuela et al).

Abbildung 2. Wirkung der Defibrillation auf das Überleben in Abhängigkeit von der Zeit bis zum Beginn der Reanimation.

Zweifellos ist die Wirkung der Defibrillation in den ersten Minuten des Kammerflimmerns sehr hoch. In dieser Zeit (0 bis 4 Minuten) sind Kompressionen vermutlich von geringem oder keinem Nutzen (Niemann et al). Der Elektroschock ist daher die geeignetste Erstmaßnahme in der elektrischen Phase.

Praxistipp: Steht ein Defibrillator unmittelbar zur Verfügung, etwa bei beobachtetem Herzstillstand im Krankenhaus oder bei Monitorüberwachung, wird so früh wie möglich defibrilliert. Bis der Defibrillator angeschlossen ist, werden die Thoraxkompressionen fortgesetzt, und die Pause vor der Schockabgabe wird so kurz wie möglich gehalten (siehe Erweiterte Reanimationsmaßnahmen (ALS)).

Die zirkulatorische Phase: Komprimieren und Beatmen

In den 1940er-Jahren zeigten Gurvich et al, dass die Wahrscheinlichkeit, ein VF nach mehreren Minuten erfolgreich zu defibrillieren, stieg, wenn der Defibrillation Thoraxkompressionen vorausgingen. Wie in Abbildung 2 zu erkennen ist, nimmt die Wirksamkeit der Defibrillation mit zunehmender Verzögerung des Beginns der Kompressionen ab. Die zirkulatorische Phase beginnt etwa nach 4 Minuten, und in dieser Phase ist die Defibrillation deutlich weniger effektiv. Kompressionen sind für die Myokardperfusion entscheidend, die nötig ist, damit das Myokard für eine Defibrillation empfänglich wird. Die Wahrscheinlichkeit, VF erfolgreich zu defibrillieren, steigt, wenn in dieser Phase Kompressionen vorausgehen. Dies wurde in mehreren Tierstudien gezeigt:

• Yakaitis et al zeigten, dass die Defibrillation die wichtigste Erstmaßnahme ist, wenn sie innerhalb von 3 Minuten nach dem Kollaps erfolgt. Nach 5 Minuten VF war die Defibrillation nur in 30% der Fälle erfolgreich, gegenüber 70%, wenn der Defibrillation Kompressionen vorausgingen.
• Niemann et al zeigten, dass bei 7 Minuten anhaltendem VF die Defibrillation dreimal so wirksam war, wenn zuvor Kompressionen durchgeführt wurden.
• Menegazzi et al zeigten, dass bei 8 Minuten anhaltendem VF die Defibrillation dreimal so wirksam war, wenn zuvor Kompressionen und Antiarrhythmika gegeben wurden.
• Garcia et al zeigten, dass die Defibrillation unwirksam war, wenn das VF 6 Minuten angehalten hatte.

Mehrere tierexperimentelle Studien zeigen also, dass die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Defibrillation umso geringer ist, je länger das VF besteht. Dies gilt sicherlich auch für den Menschen. Glücklicherweise lässt sich dem durch Kompressionen und Beatmung entgegenwirken. Die Kompressionen sind entscheidend, um den koronaren Perfusionsdruck (CPP) aufzubauen, der nötig ist, um die elektrischen Potenziale der Myokardzellen zu normalisieren. Nach einigen Minuten reagiert das Myokard so empfindlich auf Perfusionsunterbrechungen, dass schon die Ladezeit des Defibrillators die Mortalität erhöht. Yu et al zeigten dies, indem sie die Defibrillation gezielt um 3, 10, 15 oder 20 Sekunden verzögerten (Pause nach Kompressionen): Alle Defibrillationen waren erfolgreich, wenn die Unterbrechung 3 Sekunden betrug, aber keine war erfolgreich, wenn die Unterbrechung länger als 15 Sekunden dauerte. Nach einer Unterbrechung der Kompressionen dauert es etwa 15 Kompressionen, um den koronaren Perfusionsdruck wieder aufzubauen.

Als Cobb et al den Effekt von 90 Sekunden Kompressionen vor der Defibrillation beim außerklinischen Herzstillstand untersuchten, stieg das Überleben von 17% auf 27% bei Patienten mit VF, deren Rettungsdienst-Eintreffzeit 4 Minuten oder länger betrug (PMID 10199427). Eine norwegische randomisierte Studie mit 200 außerklinischen Herzstillständen zeigte ebenfalls, dass 3 Minuten Reanimation vor der Defibrillation den ROSC von 38% auf 58% und das Überleben bis zur Krankenhausentlassung von 4% auf 22% steigerten, wenn die Eintreffzeit des Rettungsdienstes mehr als 5 Minuten betrug (Wik et al, PMID 12636461).

Spätere Studien konnten diesen Vorteil einer routinemäßigen Reanimationsphase vor der ersten Analyse nicht durchgängig bestätigen. Die ERC-Leitlinien empfehlen daher keine routinemäßige Kompressionsphase vor der Rhythmusanalyse. Die Daten sind jedoch ein starkes Argument dafür, Thoraxkompressionen bei längerem Herzstillstand bis zur Schockabgabe nahtlos fortzuführen und die Pausen zu minimieren.

Abbildung 3. Der natürliche Verlauf von grobem Kammerflimmern (hohe Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Defibrillation) zu feinem Kammerflimmern (niedrige Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Defibrillation). Kompressionen erhöhen die Amplitude der VF-Kurve, indem sie eine Koronarperfusion erzeugen, die elektrische Aktivität im Myokard induziert.

Das EKG spiegelt den pathophysiologischen Prozess wider, der die Defibrillation nach mehreren Minuten Kammerflimmern unwirksam macht. Parallel zur Abnahme der ATP-Konzentration im Myokard nimmt die Amplitude der VF-Kurve ab. Im EKG zeigt sich ein allmählicher Übergang von grobem zu feinem Kammerflimmern. Feines Kammerflimmern geht schließlich in eine Asystolie über, und der Patient stirbt.

Die metabolische Phase

Die meisten Todesfälle ereignen sich in der metabolischen Phase, die etwa nach 10 Minuten beginnt. Der biologische Tod (Hirntod) tritt jedoch bereits nach 6 bis 8 Minuten eines vollständigen Kreislaufstillstands ein. Personen, die einen Herzstillstand mit längerer Dauer überleben, haben besondere Umstände, die die Zeit bis zum biologischen Tod verlängern (z. B. Phasen einer ventrikulären Tachykardie mit Herzzeitvolumen, junges Alter, akzidentelle Hypothermie usw.). Wird die kardiopulmonale Reanimation erst in der metabolischen Phase begonnen, reichen Kompressionen und Defibrillation meist nicht aus, um den Patienten zu retten. Welche Behandlung in dieser Phase optimal ist, ist unklar. Diskutiert werden unter anderem extrakorporale Verfahren (siehe Extrakorporale kardiopulmonale Reanimation (eCPR)) und experimentelle Strategien zur kontrollierten Reperfusion.

Die metabolische Phase ist durch ausgedehnten zerebralen Zelluntergang und drohende Myokardnekrose gekennzeichnet. Die myokardialen ATP-Spiegel sind so niedrig, dass die elektrische Aktivität erloschen ist (Asystolie). Das übrige Gewebe hat eine Ischämie mit lokaler und globaler Azidose entwickelt. Effektive Kompressionen können dann einen Reperfusionsschaden verursachen, der die Gewebeschädigung verstärkt. Es gibt Daten, die darauf hinweisen, dass die Reperfusion im Myokard die Myokardnekrose beschleunigt (Vanden Hoek et al). Zudem bestehen ausgeprägte Elektrolytstörungen, die den Erhalt eines ROSC erschweren.

In der metabolischen Phase entstehen Hirnschäden und Myokardinfarkt sowohl durch die Ischämie (die über den Ausfall kritischer Zellfunktionen zum Zelltod führt) als auch durch toxische Wirkungen der Reperfusion (induziert durch die Reanimation). Ein Reperfusionsschaden entsteht, wenn die Sauerstoffzufuhr zum Gewebe zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) führt. Er tritt nur auf, wenn die vorangegangene Ischämie zu lange gedauert hat. Die zeitliche Grenze, ab der die Sauerstoffzufuhr zu Gewebeschäden führt, ist nicht bekannt.

Zusammenfassung für die Praxis

Literatur

Patil KD, Halperin HR, Becker LB. Cardiac Arrest Resuscitation and Reperfusion. Circ Res 2015.

Neubauer S. The failing heart: an engine out of fuel. N Engl J Med 2007;356:1140-1151.

Fell DA, Sauro HM. Metabolic control analysis. The effects of high enzyme concentrations. Eur J Biochem 1990;192:183-187.

Houtkooper RH, Canto C, Wanders RJ, Auwerx J. The secret life of NAD+: an old metabolite controlling new metabolic signaling pathways. Endocr Rev 2010;31:194-223.

Gurvich NL, Yuniev GS. Restoration of heart rhythm during fibrillation by a condenser discharge. Am Rev Sov Med 1947;4:252-256.

Vanden Hoek TL, Shao Z, Li C, Zak R, Schumacker PT, Becker LB. Reperfusion injury in cardiac myocytes after simulated ischemia. Am J Physiol 1996;270:H1334-H1341.

Vanden Hoek TL, Qin Y, Wojcik K, et al. Reperfusion, not simulated ischemia, initiates intrinsic apoptosis injury in chick cardiomyocytes. Am J Physiol Heart Circ Physiol.

Yakaitis RW, Ewy GA, Otto CW, Taren DL, Moon TE. Influence of time and therapy on ventricular defibrillation in dogs. Crit Care Med 1980;8:157-163.

Menegazzi JJ, Davis EA, Yealy DM, et al. An experimental algorithm versus standard advanced cardiac life support in a swine model of out-of-hospital cardiac arrest. Ann Emerg Med 1993;22:235-239.

Menegazzi JJ, Seaberg DC, Yealy DM, Davis EA, MacLeod BA. Combination pharmacotherapy with delayed countershock vs standard advanced cardiac life support after prolonged ventricular fibrillation. Prehosp Emerg Care 2000;4:31-37.

Niemann JT, Cairns CB, Sharma J, Lewis RJ. Treatment of prolonged ventricular fibrillation. Circulation 1992;85:281-287.

Niemann JT, Cruz B, Garner D, Lewis RJ. Immediate countershock versus cardiopulmonary resuscitation before countershock in a 5-minute swine model of ventricular fibrillation arrest. Ann Emerg Med 2000;36:543-546.

Garcia LA, Allan JJ, Kerber RE. Interactions between CPR and defibrillation waveforms. Resuscitation 2000;47:301-305.

Page E, McCallister LP. Quantitative electron microscopic description of heart muscle cells. Application to normal, hypertrophied and thyroxin-stimulated hearts. Am J Cardiol 1973;31:172-181.