Die ersten Operationen an den Herzklappen mit Hilfe eines

Z Herz- Thorax- Gefäßchir 20:75–81 (2006)
DOI 10.1007/s00398-006-0532-6
HISTORISCHER ÜBERBLICK
W. Böttcher
V. V. Alexi-Meskishvili
Die ersten Operationen an den Herzklappen
mit Hilfe eines künstlichen Pumpsystems
Eingegangen: 13. März 2006
Akzeptiert: 16. März 2006
The first operations on the valves of the heart with the aid
of an artificial heart pump
" Zusammenfassung Die ersten klinischen Eingriffe an der Mitralklappe und an der Pulmonalklappe mit dem temporären Einsatz der mechanischen Kreislaufunterstützung gelangen dem Detroiter Chirurgen Forest Dewey Dodrill. Dodrill operierte jeweils im Rechts- oder Linksherzbypass. Er setzte dabei eine gemeinsam mit dem Automobilunternehmen General Motors konstruierte Blutpumpe, das „Michigan Heart“
ein, das auch unter der Bezeichnung „Dodrill-GMR“-Herz bekannt wurde. Dodrills Serie von derartigen Eingriffen begann 1952, in dem Jahr
vor dem ersten erfolgreichen Einsatz der Herz-Lungen-Maschine durch
John Heysham Gibbon jr.
" Schlüsselwörter Herzchirurgie – Linksherzbypass –
Rechtsherzbypass – Geschichte
ECCP Wolfgang Böttcher ())
MD PhD Vladimir V. Alexi-Meskishvili
Deutsches Herzzentrum Berlin
Kardiotechnik
Augustenburger Platz 1
13353 Berlin
E-Mail: [email protected]
Einführung
Vor etwa einem halben Jahrhundert, am 6. Mai 1953, gelang es
John Heysham Gibbon jr. in Philadelphia erstmals erfolgreich eine Operation am offenen Herzen
" Summary The first operations on the mitral valve and the pulmonary valve were successfully performed with temporary mechanical circulatory support in 1952 by the Detroit surgeon Forest Dewey Dodrill.
Dodrill operated using right or left heart bypass with a blood pump
that was constructed in cooperation with General Motors, called the
“Michigan Heart”, also known as the “Dodrill-GMR Mechanical Heart”.
Dodrill’s series of clinical cases starts in 1952, the year before a heartlung machine was used successfully for the first time by John Heysham
Gibbon, Jr.
" Key words Cardiac surgery – left heart bypass –
right heart bypasss – history
mit totalem kardiopulmonalen
Bypass am Menschen durchzuführen [13]. Zuvor hatte zwar
schon Clarence Dennis mit Hilfe
seiner
Herz-Lungen-Maschine
zwei Herzoperationen am 5. April
1951 und im Mai des gleichen
Jahres durchgeführt, seine beiden
Patienten überlebten ihre Operationen jedoch nicht [4].
Mit Hilfe der Oberflächen-Hypothermie hatte Floyd John Lewis
am 2. September 1952 erfolgreich
einen Vorhofseptumdefekt unter
Sicht verschlossen [19]. Damit begann die eigentliche Geschichte
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der Chirurgie am offenen Herzen
unter Sicht.
Auch die Geschichte der Herzklappenchirurgie unter Sicht begann im gleichen Jahr. Denn in
jenem Jahr konnte unter Zuhilfenahme einer Form der extrakorporalen Zirkulation ein herzchirurgischer Eingriff an der Mitralklappe sowie eine Pulmonalklappenoperation unter Sicht von beiden Patienten überlebt werden.
Erste Bypasssysteme ohne
einen zusätzlichen Oxygenator
Zu einer Zeit, als mehrere Arbeitsgruppen bereits an der Entwicklung von Herz-Lungen-Maschinen
arbeiteten, aber noch nicht sicher
war, ob der Einsatz eines solchen
Systems zum künstlichen Gasaustausch vom Menschen überhaupt
überlebt werden könne, waren
auch Alternativen zum kardiopulmonalen Bypass in der Planung.
Einige Forscher entwickelten Umgehungskreislaufsysteme, die Operationen am Herzen ermöglichen
sollten, ohne den Einsatz eines
mechanischen oder gar biologischen Oxygenators.
Sewell und Glenn hatten am
Ende der 40-er Jahre eine pneumatisch betriebene Pumpe entwickelt, von der sie glaubten, dass
sie später mit einem Oxygenator
zu einer Herz-Lungen-Maschine
kombiniert werden könnte, sobald
das Problem des extrakorporalen
Gasaustausches einmal verbessert
sein würde, wofür sie 1949 schon
Anzeichen sahen. Zunächst aber
sollte mit deren Pumpe das Blut
aus den Hohlvenen direkt in die
Pulmonalarterie gepumpt werden,
um auf diese Weise Operationen
am eröffneten, blutleeren rechten
Herzen zu ermöglichen [21]. Ein
Hund, bei dem am 24. Juni 1949
ein temporärer Rechtsherzbypass
mit dieser Pumpe durchgeführt
wurde, überlebte diesen Eingriff
ein Vierteljahr.
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Auch andere Arbeitsgruppen,
wie die um Leeds, Wesolowski
und Mustard versuchten zu Beginn der fünfziger Jahre mit Hilfe
einer mechanischen Blutpumpe
das rechte Herz zu umgehen. Sewell und Glenn nahmen an, dass
der gleichzeitige Einsatz von zwei
Pumpen beide Herzhälften ersetzen könnte, um dadurch Operationen von Herzfehlern zu ermöglichen. Für viele Operationen
würde aber der Einsatz einer
Pumpe zum Ersatz der jeweiligen
Herzhälfte ausreichen [21].
Etwa zur gleichen Zeit entwickelten die Teams um Sirak, Wesolowski, Clowes sowie die Brüder
Kantrowitz jeweils eigene Blutpumpensysteme, um den linken
Ventrikel temporär zu ersetzen,
damit ein Eingriff beispielsweise
an der Mitralklappe ermöglicht
werden könne [2, 16, 23, 27].
unternehmens General Motors.
Während eines daraufhin verabredeten Treffens präsentierte Dodrill ihm seine Vorstellungen von
einem mechanischen Substitut
des Herzens. Wilson besprach mit
seinem Vizepräsidenten, der einer
Forschungsabteilung vorstand, die
Idee und beide kamen überein,
dass Dodrills Idee in die Tat umgesetzt werden sollte. Wilson engagierte Edward V. Rippingille als
Leiter der Entwicklung einer solchen Blutpumpe bei General Motors. Rippingille äußerte sich später zu dem Projekt: „Wir hatten
bis dahin Öl, Benzin, Wasser und
andere Flüssigkeiten gepumpt, so
schien es nur logisch zu sein,
dass wir auch versuchen sollten,
Blut zu pumpen“ [24]. In den darauffolgenden Monaten wurden
mehrere unterschiedliche Prototypen gebaut und getestet [25, 26].
Dodrill und General Motors
Das „Michigan Heart“
Am Ende des Jahres 1949 sprach
der Detroiter Chirurg Forest Dewey Dodrill (1902–1997) den damaligen Präsidenten der Michigan Heart Association, Warren B.
Cooksey
hinsichtlich
der
Möglichkeiten der Entwicklung
einer mechanischen Pumpe zur
Realisierung offener herzchirurgischer Eingriffe an. Cooksey besprach dieses Anliegen daraufhin
mit Charles E. Wilson. Wilson
war zu jener Zeit nicht nur Board
Chairman der Michigan Heart
Association, sondern auch gleichzeitig Präsident des Automobil-
So wie die von John Heysham
Gibbon jr. erstmals 1953 erfolgreich eingesetzte Herz-LungenMaschine, die damals von den Ingenieuren der Firma International
Business Machines (IBM) entwickelt worden war, aussah, wie
zu jener Zeit die Rechenmaschinen von IBM, so ähnelte die für
Dodrill konstruierte künstliche
Blutpumpe dem eines Cadillac
V-12 Motor des Detroiter Automobilunternehmens [18] (Abb. 1).
Die auf den beiden Seiten der
Pumpe aufgereihten sechs „Zylinder“ entsprachen jeweils einer
Tab. 1 Die ersten Operationen im Rechts- und/oder Linksherzbypass mit der General-Motors-Pumpe [25]
3. 7. 1952
1. 8. 1952
21. 10. 1952
18. 11. 1952
4. 12. 1952
3. 2. 1953
18. 2. 1953
26. 2. 1953
41-jähriger Mann
k. A.
16-jähriger Mann
k. A.
k. A.
Frau
59-jährige Frau
18-jährige Frau
Linksherzbypass
Linksherzbypass
Rechtsherzbypass
Linksherzbypass
Rechtsherzbypass
Linksherzbypass
Linksherzbypass
Rechts und Links
Mitralklappe
Mitralklappe
Pulmonalklappe
Mitralklappe
Pulmonalklappe
Mitralklappe
Mitralklappe
Pulmonalklappe
überlebt
verstorben
überlebt
überlebt
verstorben
überlebt
überlebt
verstorben
Die ersten Operationen an den Herzklappen mit Hilfe eines künstlichen Pumpsystems
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Abb. 1 Forest Dewey Dodrill (1902–1997) (aus:
Shumacker HB, Jr. The evolution of cardiac surgery) [22]. Mit freundlicher Genehmigung des Verlages Indiana University Press
Pumpkammer. Die einzelnen
Pumpkammern mussten jeweils
mit einem Ein- und einem Auslassventil versehen werden, um
einen gerichteten Blutfluss zu
gewährleisten. Das Blut wurde
durch pneumatischen Betrieb
mittels Über- und Unterdruck befördert [5].
Jeweils eine Seite mit sechs
Pumpkammern sollte temporär
einen Ventrikel des patienteneigenen Herzens ersetzen. Wahlweise
war auch der Ersatz von nur einer
Herzhälfte vorgesehen. Die Anzahl der eingesetzten „Zylinder“
hing von dem Ausmaß des angestrebten Blutflusses ab, so konnte
ein Hund mit einem Gewicht von
20 kg mit dem Einsatz von nur
drei Pumpkammern suffizient unterstützt werden [5]. Während
des Betriebes der Pumpe mit allen sechs Einheiten konnte ein
maximaler Perfusionsfluss von
5 l/min generiert werden [5].
1951 wurde mit zahlreichen
Tierexperimenten
mit
dieser
Pumpe begonnen; mehr als 80
Hunde verlor man dabei. Dodrill
verbrachte zu jener Zeit allwöchentlich zwei Tage in den Räumen der tierexperimentellen Chirurgie. Mit zunehmender Erfahrung überlebten mehr und mehr
Abb. 2 Das “Michigan-Heart oder „Dodrill-GMR-Herz“ (Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Larry W.
Stephenson, Wayne State University, Detroit, Michigan)
Versuchstiere und schließlich gelang der Linksherzbypass bei acht
konsekutiven Tieren [6].
Ergebnisse
der experimentellen Vorarbeiten
Im März 1952 präsentierte Dodrill seine ersten tierexperimentellen Erfahrungen mit der General-Motors-Pumpe vor dem jährlichen Treffen der American Association for Thoracic Surgery. Er
berichtete von 65 derartigen Experimenten. Bei der einen Gruppe
war Hunden das Blut am rechten
Ventrikel vorbeigeleitet worden.
Dabei zog man die Kanülierung
des rechten Vorhofs einer cavalen
Kanülierung vor, um auch die
Drainage des Blutes aus dem Koronarsinus zu ermöglichen [5].
Bei einer weiteren Gruppe war
der linke Ventrikel umgangen
worden und bei einer dritten
Gruppe ersetzte ein kompletter
kardiopulmonaler Bypass Herz
und Lungen der Versuchstiere,
wobei ein eigenes mechanisches
Oxygenationssystem zum Einsatz
kam [5].
Dodrills Experimente zeigten,
dass es mit dem Einsatz eines
Rechtsherzbypasses regelhaft zu
reflektorischen Blutdruckabfällen
kam. Er erklärte diese damit, dass
durch eine natürliche Dehnung
des rechten Vorhofes die zentrale
Blutdruckregulation
beeinflusst
würde. Diese natürliche Dehnung
entfalle während des Rechtsherzbypasses plötzlich [6]. Außerdem
ließen sich hypotensive Phasen
durch temporäre Anoxie begründen [14]. Für die klinische
Anwendung seiner Blutpumpe erschien ihm deshalb zunächst der
Linksherzbypass als naheliegender, da im experimentellen Linksherzbypass derartige Blutdruckabfälle wesentlich seltener zu
beobachten waren [14]. Dodrill
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plante als zukünftige Einsatzgebiete für den Linksherzbypass
beispielsweise die Entfernung von
Fremdkörpern aus dem linken
Ventrikel, oder aber die Resektion
von Ventrikelaneurysmen, Infarktarealen und Neoplasmen.
Am wichtigsten war ihm jedoch
der Aspekt, dass durch diese
Form des Einsatzes seines mechanischen Herzens sowohl die Mitralklappe als auch die Aortenklappe einer Operation unter
Sicht zugänglich wäre [6].
Der erste klinische Einsatz
Die erste Operation mit dem Einsatz des Linksherzbypasses wurde
am Harper Hospital in Detroit
am 3. Juli 1952 durchgeführt. Bei
dem 41 Jahre alten Henry Opitek,
einem 70 kg schweren Patienten,
der unter Belastung an Kurzatmigkeit und häufigen tachykarden Episoden litt, war ein operativer Eingriff an der Mitralklappe
unter Sicht vorgesehen.
Nach einer lateralen Thorakotomie wurde zunächst die Arteria
subclavia kanüliert und die Kanüle bis in die Aorta vorgeschoben. Anschließend wurde die linke obere Lungenvene kanüliert
und diese Kanüle bis in den linken Vorhof vorgeschoben. Die zuvor bereits gefüllte und entlüftete
Pumpe wurde durch Kunststoffschläuche mit den Kanülen verbunden, gestartet und ein maximaler Perfusionsfluss von 4,5
l/min erzeugt. Damit wurde die
linksventrikuläre Funktion komplett ersetzt. Der Linksherzbypass
wurde über einen Zeitraum von
50 Minuten aufrechterhalten. Die
Operation an der Mitralklappe
konnte jedoch nicht wie beabsichtigt unter Sicht vorgenommen
werden. Somit befand sich über
einen Zeitraum von 14 Minuten
Dodrills Finger in der Mitralklappenregion, um durch Manipulation den Zustand der Klappe zu
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verbessern. Es konnte dabei keine
Mitralklappenstenose sondern eine höhergradige Klappeninsuffizienz ertastet werden. Was genau
Dodrills Finger dort tat, wurde
zunächst nicht beschrieben, was
später Anlass für Diskussionen,
Zweifel und Kritik gab. Anschließend wurde der Finger wieder
aus dem Vorhof gezogen, und das
Loch wurde mit einer Ligatur
wieder verschlossen. Mit der Verringerung des Bypassflusses übernahm gleichzeitig der native Ventrikel seine Funktion und die Maschine konnte abgeschaltet werden. Die Kanülen wurden entfernt
und Protamin hob die Antikoagulation wieder auf. Der Patient
blieb fünf Wochen im Krankenhaus, um besser überwacht werden zu können. Sein Zustand hätte jedoch eine Entlassung nach
zwei Wochen erlaubt. Dodrill berichtete, dass sich der Zustand
des Patienten durch die Operation
gebessert habe.
In einem Zeitungsartikel in der
„Detroit-News“ war zwei Jahrzehnte später zu lesen, dass Opitek
nunmehr allen Aktivitäten nachgehen könne, die für einen 62-jähriger Mann normal wären [24].
Cooleys späterer Kommentar
Cooley bemerkte später, dass Dodrill wohl entdecken musste, dass
sich während der Operation der
pulmonalvenöse Blutstrom nicht
in dem Maße verringern ließ, wie
es noch im Tierexperiment
möglich war. Somit war Dodrill
nur die standardisierte geschlossene Exploration mit einem Finger möglich. Möglicherweise, so
Cooley, sei das was Dodrill mit
seinem Finger bewirken konnte,
eher nutzlos, da in Opiteks Falle
eine
Mitralklappeninsuffizienz
vorlag [3].
Dodrill selbst beschrieb jedoch
1954, anlässlich der Diskussion
von Gibbons Erfolg, dass eine der
Ursachen einer Mitralklappeninsuffizienz eine Verkürzung der
Chordae tendineae und zuweilen
auch der Papillarmuskeln sei, die
jeweils durch Manipulation derart
verlängert werden könnten, so
dass der Klappenschluss wieder
möglich wäre und die Insuffizienz
entweder gebessert oder ganz behoben würde. So habe Dodrill
auch einem zweiten Patienten auf
diese Art helfen können [14].
Pulmonalklappenoperation
unter Sicht
Wenige Monate nach dem Eingriff
an der Mitralklappe folgte der
erste klinische Einsatz des „Michigan Heart“ im Rahmen einer
Operation im Rechtsherzbypass.
Der 16-jährige Charles Moses
(76,3 kg) war schon seit mehreren
Jahren aufgrund seiner angeborenen Pulmonalklappenstenose bei
geringer Anstrengung kurzatmig.
In seinem rechten Ventrikel konnten Drücke bis zu 190 mmHg gemessen werden [8]. Am 21. Oktober 1952 wurden jeweils der rechte
Vorhof und die Pulmonalarterie
kanüliert. Proximal der Bifurkation wurde die Pulmonalarterie über
einen Zeitraum von 25 Minuten
abgeklemmt.
Währenddessen
konnte das Michigan Heart mit einem maximalen Bypassfluss von
4,5 l/min die Rechtsherzfunktion
übernehmen. So konnte die Pulmonalklappe unter Sicht eröffnet
und eine Valvuloplastie durchgeführt werden [7].
Nach der Operation war der
Patient zunächst dyspnoeisch und
bedurfte zusätzlicher Sauerstoffzufuhr. Die Körpertemperatur des
Patienten war eine Woche lang
erhöht. Zwei Wochen später war
ein zuvor radiologisch diagnostiziertes Lungenödem verschwunden, und dank längerer Antibiotikatherapie konnte auch das Fieber
gesenkt werden. Einen Monat
nach der Operation wurde der
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Bypass beider Ventrikel
ohne Oxygenator
Abb. 3 Auf jeder Seite der General-Motors-Pumpe arbeiteten sechs zylinderförmige Pumpkammern,
ähnlich aussehend wie ein 12-Zylindermotor des Unternehmens, das diese Blutpumpe entwickelte. (Mit
freundlicher Genehmigung von Dr. Larry W. Stephenson, Wayne State University, Detroit, Michigan)
Obwohl der Eingriff mit dem Bypass beider Herzhälften mit dem
Einsatz des „Michigan Heart“ als
technisch schwierig beschrieben
wurde, erfolgte der Versuch einer
solchen Operation nach zufriedenstellenden Ergebnissen im Experiment auch in einem klinischen Fall. Dabei wurde am 26.
Februar 1953 ein Eingriff an einer
stenosierten Pulmonalklappe einer 18-jährigen Patientin vorgenommen und das interventrikuläre Septum dargestellt. Eine
ausgeprägte infundibuläre Stenose
konnte unglücklicherweise nicht
behoben werden. Die Patientin
verstarb am vierten postoperativen Tag aufgrund pulmonaler
Komplikationen [14].
Hypothermie
Dodrill kombinierte den Einsatz
des „Michigan Heart“ auch mit
systemischer Hypothermie. Er
sah den Vorteil der Hypothermie
darin, dass er den Perfusionsfluss
reduzieren konnte und damit
nicht die Ventilation der gesamten Lungen notwendig wäre. Dadurch sollte die Anzahl der Kanülen in den Lungenvenen verringert werden können und der Eingriff weniger technisch kompliziert gestaltet werden.
Herz-Lungen-Maschine
mit „Michigan Heart“
Abb. 4 Die Pumpe im Einsatz während eines herzchirurgischen Eingriffes in den frühen fünfziger Jahren.
(Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Larry W. Stephenson, Wayne State University, Detroit, Michigan)
Patient aus dem Krankenhaus
entlassen. Auch in diesem Fall
wurde erwähnt, dass der Zustand
des Patienten eine frühere Entlas-
sung erlaubt hätte und sein Aufenthalt nur aus Gründen der besseren Beobachtung verlängert
worden war.
Als Dodrill 1953 seine Ergebnisse
von sechs klinischen Einsätzen
mit dem Einsatz der Pumpe berichtete, äußerte er noch seine damalige Überzeugung, dass solange
auch die patienteneigene Lunge ihre Funktion während der Operation ausüben könne, ein künstlicher
Oxygenator wahrscheinlich nicht
ebenso zufriedenstellend arbeiten
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würde. Im folgenden Jahr bemerkte er in einem Diskussionsbeitrag
anlässlich Gibbons erstem erfolgreichen Einsatz einer Herz-Lungen-Maschine, dass die weiteren
Funktionen der Lungen neben
dem Gasaustausch noch nicht ausreichend erforscht seien und daher
die Lungen während der Operation
in ihrer normalen Funktion belassen werden sollten.
Bis 1954 wurden 18 Operationen gezählt, bei denen mit Hilfe eines extrakorporalen Oxygenationssystems operiert wurde. Von
diesen 18 Patienten überlebte nur
Gibbons Patientin [1]. In der zweiten Hälfte des Jahres 1955 begannen mehrere Pioniere der extrakorporalen Zirkulation wie Lillehei
in Minnesota und Kirklin in Rochester mit ihren Programmen
von regelhaften Operationen mit
dem Einsatz einer Herz-LungenMaschine. Kirklins Arbeitsgruppe
entwickelte Gibbons Herz-LungenMaschine weiter, und DeWall aus
Lilleheis Team hatte den ersten
einfachen und preisgünstigen Bubbleoxygenator entwickelt [17, 20].
Im April 1955 schilderte Dodrill
den experimentellen Einsatz seiner
künstlichen Blutpumpe in Verbindung mit einem künstlichen Oxygenationssystem, also einer kompletten
Herz-Lungen-Maschine
[9]. Dabei konnten immerhin drei
Viertel seiner Versuchstiere Operationen am offenen Herzen in Verbindung mit kardiopulmonalem
Bypass überleben.
Im Mai 1956 berichtete Dodrill
schließlich auch von klinischen
Einsätzen dieser Herz-LungenMaschine [10]. Dodrill berichtete
zu jenem Zeitpunkt schon von
bei sechs Patienten verschlossenen Ventrikelseptumdefekten und
einem Fall von Fallot́scher Tetralogie. Die Perfusionszeiten lagen
zwischen 21 und 52 Minuten. Alle
Patienten überlebten den Zeitraum von 48 Stunden postoperativ, die Hälfte seiner Patienten
konnte auch wieder aus dem
Krankenhaus entlassen werden.
Sein erster Patient wurde am 1.
Dezember 1955 operiert. Bei diesem 3-jährigen Patienten wurde
ein VSD verschlossen.
Wenige Jahre später wurde Dodrills Herz-Lungen-Maschine mit
dem integrierten „Michigan Heart“ durch die damals aktuelle
Version einer Mayo-Gibbon-Maschine ersetzt.
Dodrills Methode konnte sich
nicht durchsetzen, da die aufwändige Kanülierung keine Akzeptanz fand und bald darauf die
funktionsfähige Herz-Lungen-Maschine eine einfachere Möglichkeit der Operation am offenen
Herzen offerierte. Charles Drew
präsentierte 1959 seine Möglichkeit mit einer Kombination von
Rechts- und Linksherzbypass sowie tiefer Hypothermie mit Kreislaufstillstand zu operieren [11,
12]. Während der Perfusion übernahm die patienteneigene Lunge
die Aufgabe des Gasaustausches.
Diese Methode wurde als „DrewTechnique“ bekannt und konnte
in ähnlicher Form, jedoch ohne
tiefe Hypothermie und Kreislaufstillstand, seit den achtziger Jahren noch einmal eine Renaissance
erleben, da man auf diese Weise
versuchte während der chirurgischen Koronarrevaskularisation
auf den Fremdoberflächenkontakt
eines künstlichen Oxygenators zu
verzichten [15].
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