Lunge und Herz sind in ihren Sauerstoff- und CO2-Transportfunktionen unwiderruflich miteinander verbunden. Eine Funktionsbeeinträchtigung der Lunge wirkt sich häufig auf die Herzfunktion aus, und eine Funktionsbeeinträchtigung des Herzens wirkt sich häufig auf die Lungenfunktion aus. Bei Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz (CHF) ist Belastungsdyspnoe ein häufiges Symptom, und die Beatmungsanstrengung ist bei einer bestimmten Arbeitsbelastung trotz normaler arterieller Blutgase erhöht. In dieser Ausgabe von Circulation wird berichtet, dass die erhöhte Ventilation bei Herzinsuffizienz prognostische Informationen enthält, die über die maximale Sauerstoffaufnahme (V̇o2max), die linksventrikuläre Auswurffraktion oder die NYHA-Funktionsklassifikation hinausgehen.1 Ihre Daten weisen darauf hin, dass die Steilheit, mit der die Ventilation im Verhältnis zur CO2-Produktion während der inkrementellen Belastung zunimmt, entweder allein oder in Kombination mit V̇o2max, der linksventrikulären Auswurffraktion und der NYHA-Klassifikation ein empfindliches Instrument zur Vorhersage des ereignisfreien Überlebens von Patienten mit Herzinsuffizienz sein kann. Ein solches Instrument kann wichtig sein, um die Notwendigkeit einer Herztransplantation zu beurteilen oder die Wirksamkeit therapeutischer Maßnahmen zu verfolgen; es kann bei submaximalen Arbeitsbelastungen evaluiert werden und ist einfacher zu messen als V̇o2max.

Die hohe Ventilation (V̇e) im Verhältnis zur CO2-Produktion (V̇co2) bei CHF ist keine neue Beobachtung,23456 aber ihr potenzieller Nutzen als prognostisches Instrument zur Beurteilung des Schweregrads der CHF ist relativ neu. Vielleicht noch wichtiger ist jedoch, was die Studien von Kleber et al.1 unter Verwendung dieses Instruments über den gestörten Gasaustausch bei Herzinsuffizienz und seine Beziehung zu einem gestörten Gasaustausch bei Lungenerkrankungen aussagen.

Da das hohe Niveau des Beatmungsantriebs bei Herzinsuffizienz das Überleben vorhersagen kann, muss es wichtige Informationen darüber enthalten, wie die linksventrikuläre Dysfunktion entweder die Lunge oder die Beatmungskontrolle beeinflusst. Als erstes müssen wir also untersuchen, welche grundlegenden Informationen in der Steigung der Beziehung zwischen Ventilation (V̇e) und CO2-Produktion (V̇co2) enthalten sind. Die modifizierte Alveolargleichung7 beschreibt prägnant die Determinanten der Steilheit, mit der V̇e im Verhältnis zu V̇co2 ansteigt:

Die Beziehung zwischen V̇e und V̇co2 nach Gleichung 1 ist über einen weiten Bereich linear, und ihre Steigung wird durch nur zwei Faktoren bestimmt: (1) das Verhalten der arteriellen CO2-Spannung während des Trainings und (2) das Vd/Vt-Verhältnis. Wenn Paco2 durch einen hohen Ventilationsantrieb von peripheren Chemorezeptoren oder von Ergorezeptoren im Skelettmuskel nach unten getrieben wird, nimmt die Steigung der V̇e/V̇co2-Beziehung zu, oder wenn Vd/Vt hoch ist, nimmt die V̇e/V̇co2-Steigung zu. Eine erhöhte Chemorezeptorenverstärkung wird häufig bei schwerer Herzinsuffizienz beobachtet,8 z. B. bei Patienten mit Cheyne-Stokes-Atmung, aber eine erhöhte Chemorezeptorenverstärkung allein führt nicht zu einer Senkung des Paco2-Wertes, es sei denn, der Sollwert, um den der Paco2-Wert kontrolliert wird, ist erniedrigt oder der Hypoxie- oder Ergorezeptorantrieb ist hoch. Die meisten Studien deuten darauf hin, dass die Blutgase bei Patienten mit Herzinsuffizienz4 normal sind und dass der Paco2-Wert von der Ruhephase bis zur Spitzenbelastung entweder gleich bleibt oder nur geringfügig abnimmt, nicht anders als bei normalen Kontrollpersonen. Es gibt 2 mögliche Ursachen für ein hohes Vd/Vt-Verhältnis: (1) ein niedriges Tidalvolumen (Vt) in Bezug auf einen normalen anatomischen Totraum oder (2) ein abnorm hoher physiologischer Totraum. Patienten mit Herzinsuffizienz haben oft ein reduziertes Tidalvolumen bei schwerer Belastung, was das Vd/Vt-Verhältnis erhöhen würde; es wurde jedoch geschätzt, dass nur ≈33 % der erhöhten Totraumventilation bei Herzinsuffizienz durch ein niedriges Vt erklärt werden kann.25

Aktuelle Informationen deuten darauf hin, dass die Hauptursache für eine abnorm steile V̇e/V̇co2-Steilheit bei Herzinsuffizienz eine erhöhte Ungleichmäßigkeit des Ventilations-Perfusions-Verhältnisses (V̇/Q̇) ist, die einen ineffizienten Gasaustausch verursacht. Dennoch ist ein Wort der Vorsicht angebracht. Die obige Schlussfolgerung beruht auf indirekten Beweisen. Es wurden keine direkten Vergleiche von Paco2 und Totraumventilation bei Herzinsuffizienz-Patienten mit und ohne hohe V̇e/V̇co2-Steilheit während der Belastung durchgeführt. Solche Vergleiche sind erforderlich.

Was könnte die Ursache für eine erhöhte Ungleichmäßigkeit der pulmonalen V̇/Q̇-Verhältnisse bei Herzinsuffizienz sein, und warum würde dies prognostische Informationen liefern, die die V̇o2max nicht liefert? Bei den von Kleber et al.1 untersuchten CHF-Patienten waren das Lungenvolumen und die Beatmungsfunktion relativ normal, und die arterielle Blutsauerstoffsättigung bei Spitzenbelastung war normal, wie es bei CHF im Allgemeinen der Fall ist, wenn keine Lungenerkrankung vorliegt. Dieses Muster eines hohen Vd/Vt-Verhältnisses bei normalen arteriellen Blutgasen deutet darauf hin, dass die Ungleichmäßigkeit des V̇/Q̇-Verhältnisses in der Lunge wahrscheinlich eher durch eine erhöhte Ungleichmäßigkeit der Perfusion als der Ventilation verursacht wird. Wenn die ventilatorische Kapazität normal bleibt, kann ein ineffizienter Gasaustausch, der durch eine abnormale Verteilung der Perfusion verursacht wird, während der Belastung in der Regel gut kompensiert werden, indem die Ventilation so weit erhöht wird, dass ein normaler Paco2 und eine normale O2-Sättigung im arteriellen Blut aufrechterhalten werden. Dies gilt nicht für schwere chronisch obstruktive Lungenerkrankungen, bei denen nicht nur Ventilation und Perfusion schlecht aufeinander abgestimmt sind, sondern auch kompensatorische Erhöhungen der Ventilation durch den hohen Widerstand des Luftstroms eingeschränkt werden; während der Belastung steigt Paco2 an und die arterielle O2-Sättigung des Blutes fällt. Bei den von Kleber et al.1 untersuchten Herzinsuffizienz-Patienten mit hohen V̇e/V̇co2-Steigungen waren die mittlere Gesamt-Lungenkapazität (TLC), die Vitalkapazität (VC) und die Lungen-Diffusionskapazität (Dlco) signifikant niedriger als bei Patienten mit einer normalen V̇e/V̇co2-Steigung, wobei die arterielle O2-Sättigung bei Spitzenbelastung normal blieb. Dlco ist in der Regel bei schwerer CHF9101112 reduziert und korreliert signifikant mit der V̇o2max. Eine mäßige Verringerung von Dlco kann eine stärkere Verringerung der wahren Membrandiffusionskapazität (Dmco) widerspiegeln, da die niedrige Dmco bei CHF durch ein hohes pulmonales Kapillarblutvolumen (Vc) ausgeglichen werden kann. Bei Patienten mit schwerer Herzinsuffizienz (NYHA-Klasse III), die von Puri et al.9 untersucht wurden, betrug die Dmco 35 % der Kontrollwerte, während die Dlco aufgrund eines hohen Vc (144 % der Kontrollwerte) nur auf 55 % der Kontrollwerte reduziert war. Die niedrige Dmco impliziert, dass die Sauerstoffdiffusionskapazität (Dlo2) entsprechend reduziert ist, was wiederum die Oxygenierungsrate des Blutes, das die Lungen durchströmt, verringert und, wenn das Herzzeitvolumen hoch genug ist, dazu führt, dass die Sauerstoffsättigung des Blutes, das die Lunge verlässt, während der Belastung sinkt. Einige dieser Veränderungen der Diffusionskapazität und der Totraumventilation sind mit ACE-Hemmern und Diuretika reversibel und spiegeln ein subklinisches interstitielles Lungenödem wider.513 Die Persistenz eines niedrigen Dlco-Wertes nach einer Herztransplantation14 impliziert jedoch zusätzliche strukturelle Veränderungen der Mikrovaskulatur, was durch morphologische Untersuchungen bestätigt wird. Muskelarterien und Arteriolen weisen eine mediale Hypertrophie sowie eine intimale und adventitiale Fibrose mit Verengung der Gefäßlumina auf.15 Matrixproteine sind in den Alveolarwänden vermehrt vorhanden, und die kapillaren Basalmembranen sind verdickt1617 ; diese Veränderungen beginnen wahrscheinlich schon sehr früh als Reaktion auf eine chronische Erhöhung des pulmonalen Kapillardrucks, gleich welcher Ursache.18

Warum ist der maximale Sauerstofftransport bei Patienten mit schwerer Herzinsuffizienz angesichts eines abnorm hohen Vd/Vt-Verhältnisses und einer signifikanten Verringerung von Dlo2 nicht teilweise durch einen beeinträchtigten Gasaustausch begrenzt, der mit einem Anstieg von Paco2 und einem Abfall der arteriellen O2-Sättigung während der Belastung einhergeht, wie es bei Lungenerkrankungen mit ähnlichen Anomalien normalerweise der Fall ist? Dafür gibt es 2 Gründe: (1) Die maximale ventilatorische Kapazität ist bei CHF gut erhalten und kann die hohe Vd/Vt kompensieren, so dass der Paco2 bei Spitzenbelastung auf ein normales Niveau sinkt und eine normale oder hohe alveoläre Sauerstoffspannung aufrechterhalten wird. (2) Das maximale Herzzeitvolumen (Q̇max) ist bei CHF stärker reduziert als die Dlo2; daher fällt das Verhältnis von Dlo2/Q̇ während der Belastung nie so weit ab, dass es zu einem Abfall der O2-Sättigung des die Lunge verlassenden Blutes kommt.7

Es ist das niedrige maximale Herzzeitvolumen und die beeinträchtigte periphere O2-Extraktion, die den Sauerstofftransport bei CHF primär beeinträchtigen,419 nicht der pulmonale Gasaustausch; die arteriellen Blutgase bleiben normal. Die reduzierte Effizienz des Gasaustauschs bei CHF, die sich in der steilen Beziehung zwischen V̇e und V̇co2 widerspiegelt, ist jedoch wahrscheinlich eine Hauptursache für die Anstrengungsdyspnoe bei normalen arteriellen Blutgasen.

Die linksventrikuläre Herzinsuffizienz hat also wichtige Auswirkungen auf die Lungenfunktion, ebenso wie Lungenerkrankungen wichtige Auswirkungen auf die kardiovaskuläre Funktion haben. Die Anwendung einer Messung, die die Effizienz des Gasaustauschs während der Belastung als Index für den Schweregrad der Herzinsuffizienz und die Lebenserwartung bei Herzinsuffizienz quantifiziert, unterstreicht die wichtige funktionelle Verknüpfung zwischen Herz und Lunge. Die verwendete Messung ist einfach und kann auch bei geringer Belastung angewendet werden. Es muss jedoch betont werden, dass die Messung, d. h. die Steigung des Verhältnisses zwischen V̇e und V̇co2 während der Belastung, unspezifisch ist und sowohl bei primären Lungenerkrankungen als auch bei Herzinsuffizienz häufig abnorm steil ist, obwohl sie bei Lungenerkrankungen in der Regel mit abnormen arteriellen Blutgasen einhergeht. Daher muss die von Kleber et al1 verwendete Messung im Kontext interpretiert werden. Um dies zu unterstreichen, wird in der Tabelle ein Vergleich der primären Determinanten des beeinträchtigten Gasaustauschs bei CHF, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung und interstitieller Lungenerkrankung mit alveolärem Kapillarblock20 gezeigt.

In der Tabelle zeigen die Pfeile, die entweder nach oben oder nach unten zeigen, die Richtungsänderung der Schlüsseldeterminanten bei jedem Schritt des Sauerstofftransports für jeden Zustand an. Die Tabelle ist stark vereinfacht, aber konzeptionell nützlich. Bei Herzinsuffizienz wird der Sauerstofftransport in erster Linie durch ein verringertes maximales Herzzeitvolumen (Q̇max) beeinträchtigt, was durch einen fettgedruckten, nach unten gerichteten Pfeil angezeigt wird. Bei Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung wird die primäre Beeinträchtigung des Sauerstofftransports durch eine reduzierte maximale Ventilation (V̇emax) mit ineffizientem Gasaustausch verursacht, und bei Patienten mit interstitieller Lungenerkrankung mit alveolärem Kapillarblock wird die primäre Beeinträchtigung durch eine reduzierte Dlo2 verursacht. Bei all diesen Erkrankungen erhöht eine ungleichmäßige V̇/Q̇-Anpassung das Vd/Vt-Verhältnis und beeinträchtigt die Effizienz der CO2-Ausscheidung aus der Lunge; wenn die Ventilation bei zunehmender Belastung so weit erhöht werden kann, dass ein Anstieg des Paco2 verhindert wird, ist die V̇e/V̇co2-Steilheit sowohl bei Lungenerkrankungen als auch bei Herzinsuffizienz steiler als normal, wie der Term in Klammern in Gleichung 1 zeigt. Bei schweren chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen steigt Paco2 mit zunehmender Belastung an, und die Steigung von V̇e/V̇co2 kann niedrig werden, obwohl Vd/Vt hoch ist.19 Eine gleichzeitig bestehende Lungenerkrankung kann das erwartete Muster des Gasaustauschs bei CHF erheblich verändern. Daher muss darauf hingewiesen werden, dass die Anwendung der V̇e/V̇co2-Steilheit zur Vorhersage des Überlebens, wie sie von Kleber et al.1 vorgeschlagen wurde, ungültig wird, wenn ein Patient mit CHF eine signifikante koexistierende Lungenerkrankung aufweist.

Zusammenfassend deuten die verfügbaren Daten darauf hin, dass chronische CHF strukturelle Veränderungen sowie ein interstitielles Lungenödem in der Lunge hervorruft, die die Effizienz des Gasaustauschs beeinträchtigen; das Ausmaß dieser Veränderungen spiegelt den Schweregrad der CHF und wahrscheinlich auch ihre Dauer wider. Physiologisch äußern sich diese strukturellen Veränderungen durch ein erhöhtes Verhältnis von Totraum- zu Tidalvolumen (Vd/Vt), was zu einer abnorm hohen Ventilation bei Belastung führt. Sie äußern sich in der Regel auch durch eine Verringerung der Diffusionskapazität der Lunge (Dlco), die je nach Schweregrad der Herzinsuffizienz variiert. Obwohl das Ausmaß dieser physiologischen Veränderungen der Lungenfunktion den Schweregrad der Herzinsuffizienz widerspiegeln und ein wichtiger Prädiktor für das Überleben sein kann, ist die Ineffizienz des Gasaustauschs nicht die Hauptursache für die eingeschränkte körperliche Leistungsfähigkeit. Der verringerte maximale Sauerstofftransport bei CHF wird durch ein niedriges maximales Herzzeitvolumen und möglicherweise eine beeinträchtigte periphere Sauerstoffextraktion verursacht; der arterielle Paco2 und die arterielle O2-Sättigung bei Spitzenbelastung bleiben normal. Auch wenn die arteriellen Blutgase normal bleiben, kann ein ineffizienter Gasaustausch eine Hauptursache für Hyperpnoe und Dyspnoe bei Anstrengung sein. Das Muster des abnormalen Gasaustauschs während der Belastung bei CHF unterscheidet sich deutlich von dem bei einer primären Lungenerkrankung; Interpretationsprobleme ergeben sich, wenn CHF und eine primäre Lungenerkrankung nebeneinander bestehen.

Die in diesem Leitartikel geäußerten Meinungen sind nicht unbedingt die der Herausgeber oder der American Heart Association.

Fußnoten