35pädiatrische praxis 2017 Band 88 / 1

Fetale Zirkulation – Fehlbildung – Pathophysiologie – Intervention

pädiatrische praxis 88, 35–41 (2017) Mediengruppe Oberfranken – Fachverlage GmbH & Co. KG

Fetaler Kreislauf

Physiologie, Pathophysiologie und Intervention

D. Schranz

Hessisches Kinderherzzentrum Gießen und Marburg

� Einleitung

Die fetale Zirkulation (FC) ist eine Faszination der Natur. Im Gegensatz zur seriell geschalteten Zirkulation des Erwachsenen entspricht die FC einem parallel geschalteten Herzkreislaufsystem [1]. Ein offenes Foramen ovale (FO) mit regu-lärem Rechts-links-Shunt garantiert bei einem morphologisch normal entwickelten Herzen ein hohes Sauerstoff-Angebot (DO2 = CaO2 x HZV; Sau-erstoffangebot = Sauerstoffgehalt x Herzzeitvolu-men) für die wachsenden Organe einschließlich der Koronar- und Zerebralzirkulation. Die rechte Herzkammer, die intrauterin eine geringere Com-pliance aufweist als der linke Ventrikel, trägt in etwa 60 % für das Gesamtherzzeitvolumen bei. Im Gegensatz zu den dehnbaren Kammern eines adulten Herzen ändert sich das fetale Herzzeit-volumen aufgrund der kardialen Steifigkeit (ca. 40 % interstitielle und nutritive Masse) beider Ventrikel nicht mit einer Erhöhung des Schlag-volumens, sondern vorwiegend mit der Herzfre-quenz (Abb. 1). Daher sind sowohl eine Bra-dykardie (60/min) als auch eine unbehandelte Tachykardie mit Frequenzen 240/min Ursachen eines intrauterinen Hydrops fetalis. Ein angebo-rener AV-Block III° findet sich oftmals assoziiert mit einer kongenital korrigierten Transposition der großen Gefäße (ccTGA) oder als intrauterin erworbene Form infolge von übertragenen Au-to-Antikörpern der Mutter, die möglicherweise von einer phänotypisch noch nicht erkannten Autoimmunerkrankung betroffen ist.

CMEcm

e.mgo -fachverlage

.de

Abkürzungsverzeichnis

AVB AV-Block

DA Ductus Arteriosus

ECMO Maternale extrakorporale Membranoxygenierung

FC Fetale Zirkulation

FO Foramen ovale

HLHS Hypoplastisches Linksherz-Syndrom

HZV Herzzeitvolumen

LCO Low cardiac output

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Mischung mit dem Systemvenenblut des Feten. Bildlich entspricht dies dem Amazonas-Phäno-men in Manaus, Brasilien, wo sich Rio Negro und Rio Solomaes als Amazonas kilometerweit nicht mischen. Zusätzlich fördert die Eustachi-us-Klappe am Vorhof zur Vena cava inferior den charakteristischen Flow mit Rechts-links-Shunt des bevorzugt oxygenierteren Blutes auf Vor hof-ebene und damit verbunden des desoxygenier-teren Blutes auf Ductus-Ebene. Neben der pla-zentaren Prostaglandin-Produktion, dem hohen Prostaglandin-Rezeptorbesatz (PGE- und I-Re-zeptoren) am Endothel des DA trägt die niedrige Sauerstoffsättigung im rechts-links-shuntenden DA, das saure Blutmilieu und die noch nicht produzierte Prostaglandin-Dehydrogenase in den komprimierten Lungen zum intrauterin weit offenen DA bei. Die Vorbereitung der pulmona-len Zirkulation beginnt intrauterin mit etwa der zweiten Schwangerschaftshälfte. Auf eine ma-ternale Oxygenierung, die nur geringfügig und vor allem für den Feten nicht toxisch den paO2 zu erhöhen vermag, beginnen die Lungengefäße mit einer Vasodilatation zu reagieren [2]. Mitt-lerweile wird auf Basis dieser physiologischen Kenntnisse die maternale Oxygenierung meist während den letzten 10 Schwangerschaftswo-chen therapeutisch genutzt. Die Steigerung der mit der Oxygenierung verbundenen Zunahme der Lungenperfusion erhöht die linksventrikuläre Vorlast bei »Borderline«-Strukturen der linken Herzhälfte und lässt sie damit wachsen [3].

� Konsequenzen der Fetalen Zirkulation

Unter Berücksichtigung der Physiologie der fe-talen Zirkulation, ihrer Parallel-Schaltung bzw. der Versorgung des systemischen Kreislaufs durch beide Herzkammern werden nahezu alle kardio-vaskulären Fehlbildungen kompensiert. Ein systemischer »low cardiac output (LCO)« wird erst dann evident, wenn ein ausgeprägtes fetales Rückwärtsversagen (atrio-ventrikuläre Klappeninsuffizienz), eine myokardiale Schwä-che (Myokarditis, Kardiomyopathie, Ischämie) oder eine brady- oder tachykarde Arrhythmie entsteht. Ein fetaler LCO sollte jedoch unter dem Aspekt beurteilt werden, dass postnatal keine

Für den fetalen Gasaustausch werden die Lungen nicht benötigt, sie werden nur nutritiv versorgt. Etwa 10 % des rechtsventrikulären Herzzeitvolu-mens (HZV) perfundiert die Lungen. Der überwie-gende Blutfluss passiert bei einem pulmonal-vas-kulären Widerstand, der den des systemischen Gefäßwiderstandes übersteigt, den Ductus Ar-teriosus (DA). Mit den physiologischen Rechts-links-Shunts auf Vorhofebene und DA-Ebene wird mit der dadurch determinierten Parallelschaltung der systemische Kreislauf mit nahezu 80–90 % des Gesamtherzzeitvolumens garantiert. Ein ent-scheidender Faktor, der zusammen mit dem in-trauterin typischen Milieu der Thermoneutralität, der leichten Blutazidose (pH = 7,3), dem fetalen Hämoglobin, der Links-Verschiebung der Sau-erstoffsättigungskurve und dem Haldane-Effekt (verbesserte O2-Abgabe) die relative Hypoxämie des Feten bei Weitem kompensieren lässt.

Abbildung 2 und 3 fassen die pränatale Zir-kulation und die dazugehörenden Funktions-zustände zusammen. Der plazenta-abhängige Sauerstoffpartialdruck von etwa 32 mmHG (!) garantiert eine maximale O2-Sättigung von etwa 80–82 % im Koronar- und Zerebral-Kreislauf. Dies entspricht bei normaler Anatomie auch dem prä-ductalen Systemkreislauf. Garantiert wird diese bevorzugte Zirkulation durch Flow-Cha-rakteristika des Umbilikalvenenblutes durch den Ductus venosus und die nur geringgradige

Füllungsdruck des rechten Ventrikels

Schl

agvo

lum

en

fetal

erwachsen

Abb. 1 | Unterschiede in den Füllungsdrucken und Schlagvolumina des fetalen vs. adulten rechten Ventrikles (nach [10])

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medikamentöse Herzinsuffizienztherapie die gleiche Effizienz erzielen kann, wie sie intrau-terin mit einem extrem niedrigen systemischen Gefäßwiderstand physiologischerweise vorliegt [4]. Der Anschluss der Umbilikalarterien an die Plazenta erlaubt niedrigst-mögliche systemische Gefäßwiderstände ohne die koronare Perfusion zu gefährden. Durch den Nabelanschluss zur Pla-zenta besteht darüber hinaus eine »maternale extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO)« des Feten ohne die Komplikationsrate einer artifiziellen ECMO postnatal. Somit gibt es nur ganz wenige Indikationen eine Schwangerschaft zu beenden, damit ein Kind extrauterin eine bes-sere Behandlung erfahren kann. Meist ist eine solche Indikation mit dem Ziel gegeben, eine mögliche Progredienz einer kardialen Fehlbil-dung zu beeinflussen; in einer solchen Situation ist dann auch eine fetale Intervention als bes-sere Alternative zu diskutieren (weiterführende Literatur siehe [5]).

Kardiale Fehlbildungen per se führen bei suffi-zienter Vorhof- und DA-Kommunikation nicht zu einer Entwicklungsbeeinträchtigung des Feten. Dies gilt sowohl für eine alleinige Hypoplasie der

rechten oder linken Herzhälfte als auch einzelner Herzstrukturen, sowie der Fehlbildung einer aor-to-pulmonalen Transposition [6]. Eine Orientie-rung an den »Herz«-Kindern mit dem besten Out-come, die der Entwicklung eines Normalkollektivs entsprechen, sollte Anlass geben, pauschale oder gar statistische Aussagen zu Kindern mit einer kardialen Fehlbildung zu relativieren. Es besteht bei bestimmten Formen einer kardio-vaskulä-ren Fehlbildung, die ein hypoplastisches Links-herz-Syndrom (HLHS) einschließt, möglicher-weise eine höhere Vulnerabilität, entsprechend einer geringeren Kompensationsfähigkeit, aber keine generelle Ursache einer Entwicklungs-störung. Erst kürzlich hat Abraham M. Rudolph (University of California, San Francisco) in einem Letter in Circulation 2016 einen wichtigen Satz geprägt: »I strongly recommend that the time has come for us to consider specific cardiovas-cular malformations when recommending thera-peutic ap proaches.« In der Summe (Abb. 4) ist demzufolge festzuhalten: Eine Fehlbildung ist keine Krankheit! Eine Fehlbildung kann zu einer Erkrankung, entsprechend einer klinischen Beeinträchtigung führen: Eine prophylaktischen Behandlung kann sinnvoll werden.

Lunge10 %

Leber

SVC

AAO / 45 %

DV

PVIVC

IVC / 70 %RV

UV

LV

24

2818

19

UA / 55 %DAO / 70 %

paO2 32Placenta

Abb. 2 | Plazenta-abhängige Sauerstoffpartialdruck- und

Sättigungswerte (%) und Flow-Charakteristika mit Rechts-

links-Shunts auf Vorhof- und Ductus-Ebene. AAO: aszendieren-

de Aorta, DAO: deszendierende Aorta, DV: Ductus venosus, IVC:

Vena cava inferior, LV: linker Ventrikel, paO2: Sauerstoffparti-

aldruck, PV: Pfortader Venen-fluss, RV: rechter Ventrikel, SVC: Vena cava superior, UA: Umbili-kalarterien, UV: Umbilikalvene

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dien kommen meist Antiarrhythmika (Digitalis, Flecainid, Sotalol, selten sogar Amiodaron) zur Anwendung, der transmaternale Applikationsweg wird normalerweise dem der direkten Applika-tion, zum Beispiel über die Nabelschnur, be-vorzugt. Ein hoher Behandlungserfolg bedeutet

� Fetale Interventionen

Die Therapiemöglichkeiten des Feten erstrecken sich von einer medikamentösen Intervention bis hin zur Ballondilatation von Herzstrukturen oder auch einer »Device«-Applikation. Bei Tachykar-

ZusammenfassungPränatale Zirkulation• Sauerstoff-, Substratversorgung erfolgt transplazentar• Fluss über Umbilikalvene – Ductus venosus – PFO-LA/LV-AAO• Fluss der fetalen Systemvenen – RV – PA – DA – DAO

Funktion• Fetal: physiologischer R/L-Shunt über PFO und DA• Ductus-Öffnung durch plazentares PGE bei hohem PGE-Rezeptorbesatz des DA

relative Hypoxämie relative Azidose

• Pulmonalarterielle Vasokonstriktion rel. Hypoxämie/Azidose• Systemarterielle Gefäßwiderstands-Reduktion

Plazenta-Anschluss• Kaum Mischung des fetalen Hohlvenenblutes mit Umbilikalblut (Amazonas)

Abb. 3 | Verlauf und Funktion der pränatalen Zirkulation. AAO: aszendierende Aorta, DA: Ductus Arteriosus, DAO: des-zendierende Aorta, LA: linker Vorhof, LV: linker Ventrikel, PA: Pulmonalarterie, PGE: Prostaglandin-E, PFO: persistieren-des Foramen Ovale, R/L: rechts-links, RV: rechter Ventrikel

Zusammenfassung IIBotschaft: Fehlbildung ist keine Krankheit per se

Pränatale Zirkulation garantiert 95 % ein normales Wachstum des Feten• Parallele Schaltung vs. serielle Schaltung• AV-Klappen-Kompetenz!!!• Keine Rhythmusstörungen (SVT oder AVBIII°)

Funktion• Pulmonalarterielle Vasokonstriktion ab 30. SSW reagibel

Therapie der materno-fetalen Hyperoxigenierung zur PBF-Erhöhung• Systemarterielle Gefäßwiderdstandsverhältnisse

Fetaler Stress = feto-maternale oder feto-fetale »Transfusion« = SVR-Anstieg Maternaler/Plazentarer Stress = placento-fetaler Shift oder Malnutrition

Abb. 4 | Entscheidende Punkte der pränatalen Zirkulation und Funktion. AVB: atrio-ventrikulärer Block, PBF: pulmo-naler Blutfluss, SSW: Schwangerschaftswoche, SVR: systemvaskulärer Widerstand, SVT: supraventrikuläre Tachykardie

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laufs kommt es bei normaler kardiovaskulärer Morphologie bei Setzen der Nabelklemme nicht nur zur transienten Hintereinanderschaltung des kleinen und großen Kreislaufs, sondern mit dieser Kreislaufumstellung auch zum sofortigen Anstieg des systemischen Gefäßwiderstandes und mit der Lungenexpansion zum Abfall des Lungengefäßwiderstandes. In der Regel ver-schließt sich auch die intrauterin doch sehr bedeutsame Kommunikation auf Venen- (Ductus

aber trotzdem nicht eine letalitätsfreie Behand-lung, sondern einen möglichen Fruchttod mit einer Prävalenz von etwa 10 %. Liegt schon eine manifeste Herzinsuffizienz vor (Hydrops) steigt die Letalität signifikant. Eine fetale Bradykardie infolge AV-Block (AVB) III°, Sinusknotendys-funktion, bei vagaler Dominanz des Feten, aber auch einfacher intrauteriner Stress sind dage-gen, wenn nicht kausal, dann schwieriger zu be-handeln. Medikamentös kommt ein eventueller Therapieversuch mit Dexamethason vor allem als prophylaktische Maßnahme bei Nachweis eines AVB II° in Frage, um möglicherweise einen AVB III° zu vermeiden. Eine Vielzahl von Ursachen, einschließlich Herztumoren, sollte differenzial-diagnostisch geklärt werden.

Offene Herzoperationen am Feten sind Einzel-institutionen vorbehalten. Auch geschlossene, perkutane Interventionen mittels Katheter-Tech-niken werden zurzeit ebenfalls nur an relativ wenigen Zentren vorgenommen. Die fetale Aor-tenvalvuloplastie ist dabei eine der häufigsten Interventionen, gefolgt von einer Pulmonal-klappendilatation und einer Vorhofseptumper-foration oder Dilatation bzw. Stenteinlage. The-oretisch sind sogar Klappenverschlüsse mit miniaturisierten Materialien möglich (Abb. 5), wie sie als Heilversuch bei absent-pulmonary valve syndrome bei Hydrops fetalis und schwerer Bronchomalazie zur möglichen Beeinflussung der intrauterinen Krankheitsprogression vorgenom-men wurden. In naher Zukunft werden sicherlich Maßnahmen, wie die der maternalen Hyperoxie oder der non-invasiven Struktur-Behandlung mit der Technik einer Histotrypsie, bestimmend, letztere Technik, wie sie von Zhen Xu [9] schon 2010 beschrieben wurde, indem er Gewebe durch Ultraschall zertrümmerte.

� Die perinatale Kreislaufumstellung

Der Übergang von der fetalen zur schließlich adulten Zirkulation ist mit Abklemmung der Na-belschnur eine der größten und dazu noch eine der abruptesten Änderungen im menschlichen Dasein. Mit der postnatal notwendigen Inte-gration der Lunge und somit des kleinen Kreis-

Abb. 5 | Fetus mit Absent-Pulmonary Valve Syndrome. Transventrikuläre ADOII-Implantation in der 25. SSW: Verschluss der PA Effekt auf Kardiomegalie

Postnatales ECHO:ADO im PA-Anuliús

Röntgen-Thorax: lateral ADO-II

okkluder

ZusammenfassungPostnatale Kreislaufänderung

Abnabelung• Akuter Anstieg des systemischen

Gefäßwiderstandes• Verschluss des Ductus venosus (D. Arantii)• Kreislaufumstellung von parallel nach

seriell

Lungenexpansion• Abfall des Lungengefäßwiderstandes• Anstieg des pulmonalen Blutflusses (PBF)• Verschluss des Foramen ovale

(LAP-Anstieg, RAP-Abfall)• Verschluss des Ductus ateriosus

(O2-Anstieg, PGE2-Abfall)

Abb. 6 | Entscheidende Punkte der postnatalen Kreis lauf-änderung

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Schranz S:Fetal circulation – physiology, pathophysiology

and intervention

Summary: In contrast to the adult serial circulation, fetal circulation corresponds to a cardiovascular system with shunt curcuit. An open foramen ovale with regular right-left shunt ensures a high oxygen supply for the growing organs including coronary and cerebral circulation in a morphologically developed heart. Taking into account the physiology of the fetal circulation, its shunt circuit and the supply of the systemic circulation through both heart chambers, almost all cardio-vascular malformations are compensated for. A systemic low cardiac output becomes evident only when there is a distinct fetal backward heart failure, a myocardial weakness, or a brady or tachycardiac arrhythmia. A malformation is not a disease! A malformation can lead to a disease, in terms of a clinical impairment: prophylactic treatment can be useful. The therapeutic possibilities of the fetus range from a drug intervention to the balloon dilatation of heart structures or even a device application.

Keywords: Fetal circulation – malformation – pathophysiology – intervention

Literatur

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utero. Methods for studying distribution of blood flow, cardiac

output and organ blood flow. Circ Res 1967; 21: 163–84.

2. Rasanen J, Wood DC, Debbs RH, Cohen J, Weiner S, Huhta

JC. Reactivity of the human fetal pulmonary circulation to

maternal hyperoxygenation increases during the second half of

pregnancy. A randomized study. Circulation 1998; 97: 257–262.

3. Kohl T. Chronic intermittent materno-fetal hyper oxy-

genation in late gestation may improve on hypoplastic cardio-

venosus), Vorhof- (Foramen ovale) und arteri-eller Ebene (Ductus arteriosus). Abbildung 6 fast die wichtigsten Konsequenzen der mit der Abnabelung verbundenen Kreislauftrennung zusammen.

� Zusammenfassung

Im Gegensatz zur seriell geschalteten Zirku-lation des Erwachsenen entspricht die fetale Zirkulation einem parallel geschalteten Herz-kreislaufsystem. Ein offenes Foramen ovale mit regulärem rechts-links Shunt garantiert bei ei-nem morphologisch normal entwickelten Herzen ein hohes Sauerstoff-Angebot für die wachsen-den Organe einschließlich der Koronar- und Zerebralzirkulation. Unter Berücksichtigung der Physiologie der fetalen Zirkulation, ihrer Par-allel-Schaltung bzw. der Versorgung des syste-mischen Kreislaufs durch beide Herzkammern werden nahezu alle kardio-vaskulären Fehlbil-dungen kompensiert. Ein systemischer »low car-diac output« wird erst dann evident, wenn ein ausgeprägtes fetales Rückwärtsversagen, eine myokardiale Schwäche oder eine brady- oder tachykarde Arrhythmie entsteht. Eine Fehlbil-dung ist keine Krankheit! Eine Fehlbildung kann zu einer Erkrankung, entsprechend einer klini-schen Beeinträchtigung führen: Eine prophylak-tischen Behandlung kann sinnvoll werden. Die Therapiemöglichkeiten des Feten erstrecken sich von einer medikamentösen Intervention bis hin zur Ballondilatation von Herzstrukturen oder auch einer »Device«-Applikation.

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Interessenkonflikt: Der Autor erklärt, dass bei der Erstellung des Beitrags kein Interessen-konflikt im Sinne der Empfehlung des Inter-national Committee of Medical Journal Editors bestand.

Prof. Dr. Dietmar SchranzHessisches Kinderherzzentrum

JLU-GiessenFeulgenstr. 1230385 Gießen

dietmar.schranz@paediat.med.uni-giessen.de

vascular structures associated with cardiac malformations in

human fetuses. Pediatr Cardiol 2010; 31: 250–63.

4. Schranz D, Voelkel N. Nihilism of chronic heart failure

therapy in children and why effective therapy is withheld. Eur

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5. Butera G, Cheatham J, Pedra CAC, Schranz D, Tulzer G,

Hrsg. Fetal and hybrid procedures in congenital heart diseases.

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