03. Dezember 2020

Fakten statt Mythen

Aerosole bei Sauerstoff- und Beatmungstherapie von Covid-19-Patienten

Grundsätzlich kann es durch die bei der Anwendung von Sauerstoff- und Beatmungstherapie entstehenden Aerosole zur Übertragung von SARS-CoV-2 auf das Krankenhauspersonal kommen. Doch was bedeutet dies für die Klinik?

Lesedauer: 4 Minuten

Der folgende Beitrag von Dr. Jörn Grensemann, Prof. Stefan Kluge und Prof. Bernd Schönhofer stammt aus dem DIVI Jahrbuch 2020/2021“ und erscheint hier in gekürzter Fassung mit freundlicher Genehmigung der Medizinisch Wissenschaftlichen Verlagsgesellschaft (MWV). Redaktion: Marina Urbanietz

Erkenntnisse aus der SARS-CoV-1-Pandemie im Jahr 2003

Durch die Anwendung von Sauerstoff- und Beatmungstherapie kann es zur Übertragung von SARS-CoV-2 auf das Krankenhauspersonal kommen. Diese Erkenntnis beruht im Wesentlichen auf der SARS-CoV-1-Pandemie im Jahr 2003, die zu einer beträchtlichen Anzahl von Infektionen des Krankenhauspersonals mit hoher Mortalitätsrate führte.

Retrospektiv ließen sich als Risikofaktoren aerosolgenerierende medizinische Maßnahmen (AGMPs), vor allem die endotracheale Intubation und nicht-invasive Beatmung (NIV), identifizieren. Es folgten eine Reihe experimenteller Untersuchungen zur Messung der Verteilung von Aerosolen durch unterschiedliche AGMPs. Auf der Basis dieser Messergebnisse wurde auch bei der durch SARS-CoV-2 ausgelösten Pandemie zunächst empfohlen, aerosolbildende Maßnahmen, wie z.B. High-Flow-Sauerstofftherapie oder NIV bei respiratorischer Insuffizienz infolge SARS-CoV-2 zurückhaltend einzusetzen, da hierdurch mutmaßlich das Infektionsrisiko für das Krankenhauspersonal steigt.

Die Empfehlung gilt jedoch nicht uneingeschränkt, weil der Einsatz der vermeintlich sichereren invasiven Beatmung mit relevanten Komplikationen einhergehen kann und die High-Flow-Sauerstofftherapie bzw. NIV unter Berücksichtigung des Schweregrades der respiratorischen Insuffizienz und bei Einhaltung der gebotenen Vorsichtsmaßnahmen sehr effektiv sind. Auch geht die für eine invasive Beatmung erforderliche endotracheale Intubation mit einer relevanten Aerosolbildung einher. Dennoch sollten Patienten mit schwerer Hypoxie (PaO2/FiO2 ≤ 150 mmHg) und Tachypnoe – abgesehen von begründbaren individuellen Fällen – vorzugsweise invasiv beatmet werden, da eine kritische Verzögerung der Intubation die Prognose verschlechtert.

Können Aerosole SARS-CoV-2 übertragen?

Auch wenn eine aktuelle Publikation zu dem Ergebnis kommt, dass die Reproduktionszahl von SARS-CoV-2 mit ca. 2–3 zu gering ist, um von einer Aerosolübertragung auszugehen, wurde für SARS-CoV-1 eine Assoziation von SARS-Erkrankungen beim Personal und AGMPs nachgewiesen. Des Weiteren wird als Argument gegen eine Aerosolübertragung angeführt, dass die vor einer Aerosolübertragung schützenden N95 Atemschutzmasken (Schutzstufe analog FFP2) gemäß einer Metaanalyse keinen Vorteil gegenüber chirurgischen Mund-Nasen-Schutz-Masken haben, wobei hier keine direkten Vergleichsstudien zwischen beiden Maskentypen eingeschlossen wurden.

Die Anzahl der in einem Aerosolpartikel enthaltenen Viren hängt von der Partikelgröße ab. Dabei beeinflusst die Größe das Volumen bzw. die daraus resultierende Masse in der dritten Potenz. So hat beispielsweise ein 10 μm großer Partikel im Vergleich zu einem 1 μm großen Partikel die 1.000-fache Masse. Daraus auf die enthaltene Virenzahl zu schließen ist jedoch nicht direkt möglich, da beispielsweise bei der Bildung von Tröpfchenkernen nur Wasser evaporiert und die ursprüngliche Virenzahl gleichbleibt. Auch wenn es für Coronaviren hierzu keine Daten gibt, ließ sich für Influenzaviren zeigen, dass 99% der Viren in Partikeln enthalten sind, die mehrere Stunden in der Luft verweilen. Dementsprechend wird auch im mathematischen Model die Aerosolübertragung als Hauptübertragungsweg angenommen.

In Analogie hierzu wurden in der Umgebungsluft von Patienten Coronaviren nachgewiesen. Auch für andere RNA-Vieren wie Influenza, Respiratory Syncycial Virus und Rhinoviren konnte Virus-RNA aus ausgeatmeten Partikeln (≤ 5 μm) isoliert werden, sodass grundsätzlich außer Frage steht, dass Aerosole viral beladen sind. Die Stabilität für SARS-CoV-2 ist ausreichend, um Infektionen über Aerosole zu übertragen, die Halbwertzeit beträgt in artifiziell generierten Aerosolen (Partikelgröße < 5 μm) ca. 1 h, die Infektiosität mindestens 3 h. Daher ist grundsätzlich davon auszugehen, dass SARS-CoV-2 über Aerosole auf den Menschen übertragen werden kann.

Unklar bleibt zurzeit, welche Virenlast und Vitalität (Überlebenszeit) von SARS-CoV- 2 erforderlich ist, um Aerosol-basierte Infektionen des Menschen zu verursachen. Ob es in Patientenräumen zu einer kritischen Konzentration von Viren kommen kann, hängt weiterhin von der Viruslast des Patienten (Low- oder Superspreader), dem Atemminutenvolumen, der Größe des Raumes und der Belüftung ab. Insgesamt ist die Übertragung von Viren durch Aerosole gesichert.

Wie viel Aerosol entsteht bei der Sauerstofftherapie und Beatmung?

Diese Fragestellung wurde überwiegend in experimentelle Studien untersucht, es liegen nur wenige Untersuchungen an Patienten vor, die unter viralen Erkrankungen litten. Bereits bei der konventionellen Sauerstoffinsufflation über eine Nasenbrille konnte experimentell eine Aerosolbildung gezeigt werden. Dabei steigt die Ausbreitung der Aerosole mit höheren Sauerstoffflüssen an. Gleiches gilt für die Sauerstoffapplikation über eine Gesichtsmaske, bei der die Ausatemluft als Jet entweichen kann und potenziell infektiöse Aerosole in den Raum abgibt.

Ist eine konventionelle Sauerstoffinsufflation nicht ausreichend, wird beim hypoxämischen Lungenversagen oft eine High-Flow Sauerstofftherapie angewendet. Interessanterweise geht diese mit einer geringeren Aerosolbildung als bei der konventionellen Sauerstoffgabe einher, was auf eine höhere Dichtigkeit der High-Flow Kanüle zurückgeführt wird. Dieses konnte in Simulationen mit exspirierten Rauchpartikeln gezeigt werden. Solange die Nasenkanüle korrekt platziert war, verteilte sich die Exspirationsluft weniger als 20 cm in der Umgebung des Patienten. Kam es jedoch zur Dislokation der High-Flow Kanüle, war die Exspirationswolke noch in 60 cm Entfernung des Patienten nachweisbar. In einer weiteren experimentellen Untersuchung der High-Flow Sauerstofftherapie konnte für größere Partikel (> 50 μm) ebenfalls keine Verteilung über 60 cm gezeigt werden.

Ähnliche Ergebnisse konnten für eine High-Flow-Therapie über eine Venturi-Maske gezeigt werden, bei der für eine inspiratorische Sauerstofffraktion von 0,6 (entsprechend Flüssen von ca. 40–50 L/ min) in 20 cm Abstand vom Patienten keine erhöhten Aerosolkonzentrationen gefunden werden konnten. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass bei der High-Flow Sauerstofftherapie auch kleine Partikel entstehen, die nicht sedimentieren und somit über die initiale Verteilung hinaus im Raum verbleiben können. Dieses gilt insbesondere, wenn die Therapie nicht in Räumen mit einem geregelten Luftaustausch mittels RLT durchgeführt wird. Nach fluiddynamischen Computerberechnungen reduziert die gleichzeitige Verwendung eines Mund-Nasen-Schutzes die Aerosolbildung um den Patienten um über 80%.

Zur Bewertung der Aerosolbildung durch Sauerstofftherapieformen muss berücksichtigt werden, dass die Aerosolwolke nur unter hohen Sauerstoffflüssen über eine Nasensonde höher ist als die, die bereits durch eine physiologische Spontanatmung erzeugt wird. Wache Patienten sollten stets einen Mund-Nasen-Schutz tragen, auch unter Sauerstoffgabe oder High-Flow-Therapie.

Erfolgt als nächste Eskalationsstufe der Atemunterstützung eine CPAP-Therapie oder NIV, hängt die Aerosolbildung maßgeblich vom verwendeten System ab. Grundsätzlich stehen für die NIV-Einschlauchsysteme mit Leckageventil, Einschlauchsysteme mit gesteuertem Exspirationsventil oder Doppelschlauchsysteme zur Verfügung. Bei den Einschlauchsystemen wird die Exspirationsluft patientennah abgegeben, während beim Doppelschlauchsystem die Rückführung der Exspirationsluft zum Beatmungsgerät erfolgt. Dass das verwandte NIV-System einen Einfluss auf die Aerosolausbreitung haben kann, konnte experimentell bestätigt werden.

In Abhängigkeit der an einem Simulator eingestellten Lungencompliance und der verwendeten Beatmungsdrücke konnte für 1 μm große Rauchpartikel eine Verteilung bis zu einem Abstand von 1 m vom Patienten gezeigt werden. Obwohl für dieses Experiment ein Isolationszimmer mit negativem Druck und gerichtetem Luftstrom verwendet wurde, breiteten sich anschließend die Partikel im gesamten Raum aus. Leckagen an der Beatmungsmaske konnten sich bis zu knapp 0,5 m vom Patienten ausbreiten. Auch hier kam es zu einer weiteren Verteilung des Rauches aus dem Leckagejet.

In einer anderen Untersuchung mit einem Einschlauchsystem mit Leckageventil wurde nachgewiesen, dass es nach Beatmungsbeginn zu einer signifikanten Zunahme von Partikeln ab 3 μm kommt. Wurde jedoch die Exspirationsluft über einen Beatmungsfilter geleitet, kam es zu keinem Anstieg der Partikelzahl. Bei der Verwendung eines Doppelschlauchsystems mit einem Beatmungshelm traten je nach eingesetztem Modell keine oder nur geringe Leckagen am Hals des Patienten auf, sodass keine Aerosole im Raum nachgewiesen wurden. Somit müssen bei der NIV zur Vermeidung von Aerosolen virenrückhaltende Beatmungsfilter eingesetzt werden, insbesondere bei der Verwendung von Einschlauchsystemen. Nicht eingesetzt werden sollten Leckage-Masken (Vented-Masken), da hier kein Filter zwischen Patient und Leckageventil platziert werden kann.

Für die invasive Beatmung liegen aktuell keine Daten vor, in wie weit Aerosole sich im Patientenzimmer verteilen. Eine Aerosolbildung ist jedoch nicht auf Maßnahmen zur Atmungsunterstützung beschränkt. Beispielsweise konnte für die Physiotherapie gezeigt werden, dass sie auch zur Erhöhung der Aerosolkonzentration um den Patienten führt. Auch Sprechen, Lachen und Husten führen zur relevanten Erhöhung von Aerosolen.

Wie kann die Aerosolbildung reduziert werden?

Wache Patienten können stets einen medizinischen Mund-Nasen-Schutz tragen, dieser kann zwar kein Aerosol per se filtern, jedoch größere Tröpfchen zurückhalten, die dann wahrscheinlich nicht mehr evaporieren und Tröpfchenkerne bilden können. So wird beispielsweise eine Aerosolbildung selbst unter HFNC zu 80% reduziert. Des Weiteren sollte besonders auf den dichten Maskensitz geachtet werden.

Bei der NIV ist es wichtig, die Exspirationsluft über einen virenrückhaltenden Filter zu leiten. Wird ein solcher Filter zwischen Maske und Beatmungssystem geschaltet, können auch Einschlauchsysteme verwendet werden. Nicht verwendet werden dürfen Vented-Masken, da der Filter nicht vor dem Leckageventil platziert werden kann, sodass ein aerosolbeladener Leckagejet in den Raum abgegeben wird.

Bei der Beatmung sollte stets ein exspirationsseitiger virendichter Filter verwendet werden, bei der NIV KEINE Masken mit Leckageventil (Vented-Masken) einsetzen!

Die endotracheale Intubation sollte von einem mit Intubation erfahrenen Anwender durchgeführt werden und als „Rapid-Sequence-Induction“ erfolgen, um eine Aerosolbildung durch eine Maskenbeatmung zu verhindern. Des Weiteren ist es entscheidend, Husten während des Intubationsvorgangs zu vermeiden, da hierbei eine Ausbreitung von Tröpfchen bis zu 2 m beschrieben ist. Mithilfe von Intubationsboxen aus Folien oder Acrylglas verbleibt das bei der Intubation entstehende Aerosol zwar überwiegend in der Box, dennoch kommt es zur Aerosolverteilung im Raum durch Öffnungen der Box, obwohl die Aerosolkonzentration wahrscheinlich reduziert ist. Auch wenn dieser Ansatz innovativ erscheint, konnte in einer systematischen Evaluation zum Einsatz der Intubationsbox gezeigt werden, dass Intubationen länger dauern, womit die Hypoxiegefahr steigt und es häufiger zu einer Beschädigung der Schutzausrüstung kam, was mit einer Kontaminationsgefahr für das Personal einhergeht. Der Nutzen von Intubationsboxen ist solange kritisch zu bewerten, bis zusätzliche Daten vorliegen.

Für die Intubation wird eine Videolaryngoskopie empfohlen, um den Abstand zwischen Patient und Arzt zu vergrößern und so die Tröpfchenexposition des Arztes zu reduzieren. Entscheidend ist hierbei, dass eine ausreichende Erfahrung mit dem Einsatz des Videolaryngoskops besteht, um einen Intubationserfolg ohne unnötigen Zeitverzug zu gewährleisten.

Intubation:

  • erfahrener Anwender notwendig
  • Rapid-Sequence-Induction – Maskenbeatmung vermeiden
  • Videolaryngoskop, falls im Umgang eine ausreichende Erfahrung besteht
  • Cave: „Intubationsboxen“ steigern Hypoxiegefahr und Kontaminationsgefahr für Personal

Während einer invasiven Beatmung wird das Aerosol über die üblicherweise verwendeten Doppelschlauchsysteme zurück zum Beatmungsgerät geleitet. Es ist sinnvoll, die aerosolbeladene Exspirationsluft über einen virenrückhaltenden Filter zu leiten, damit die Exspirationsluft nicht ungefiltert in die Umgebungsluft gelangt. Der Filter kann patientennah am Y-Stück oder vor dem Exspirationsventil platziert werden. Allerdings liegen hierfür keine Untersuchungen vor, die eine Aerosolreduzierung belegen. Eine Diskonnektion des Beatmungssystems wie z. B. beim Absaugen sollte unterbleiben. Für das Absaugen über Tubus bzw. Trachealkanüle sollen geschlossene Absaugsysteme angewendet werden.

Bei einer Extubation sollten Husten, Pressen und Recruitmentmaneuver wenn möglich verhindert werden. Weiterhin wird empfohlen, einen virenrückhaltenden Heat and Moisture Exchange (HME)-Filter auf dem Tubus zu belassen und gemeinsam mit diesem zu entsorgen. Dieses setzt voraus, dass eine passive Atemgasbefeuchtung über einen HME Filter erfolgt.

Fazit für die Praxis

Auch wenn es unter Behandlung zu einem relevanten Anstieg einer Aerosolbildung kommt, müssen Patienten mit respiratorischer Insuffizienz bei vorliegender Indikation auf der Basis der aktuellen Empfehlungen eine Sauerstofftherapie bzw. NIV erhalten. Eine invasive Beatmung sollte erst erfolgen, wenn diese aufgrund der Schwere der respiratorischen Insuffizienz indiziert ist. Die Angst vor einer Ansteckung darf kein primärer Intubationsgrund sein.

Um das Risiko für das Personal auf ein Minimum zu reduzieren, ist das Einhalten der erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen nötig. Hierzu gehören vor allem die Verwendung einer adäquaten persönlichen Schutzausrüstung, die mindestens aus einer Atemschutzmaske der Stufe FFP2 oder höher sowie Kittel, Handschuhen und Schutzbrille bestehen sollte. Gegebenenfalls kann bei besonderen Prozeduren wie der Intubation zusätzlich ein Gesichtsvisier angelegt werden. Sehr wichtig ist der korrekte Umgang mit der Schutzausrüstung, der konsequent geschult werden muss, um beispielsweise eine Kontamination beim Ablegen zu vermeiden.

Der Umgang mit der Schutzausrüstung aus FFP2/3 Maske, Kittel, Schutzbrille und Handschuhen sollte im Behandlungsteam regelmäßig geschult werden.

Des Weiteren sollten Patienten mit Covid-19 idealerweise in Zimmern behandelt werden, die einen negativen Druck aufweisen, sodass keine Aerosole in die Flurbereiche strömen können. Mindestens ein zwölffacher Luftaustausch pro Stunde über eine RLT ist anzustreben, um suspendierte Tröpfchen über den Luftaustausch zu eliminieren.

Sind aufgrund eines hohen Patientenaufkommens keine Patientenzimmer mit RLT verfügbar, besteht vor allem nach aerosolbildenden Prozeduren die Option des regelmäßigen Lüftens des Zimmers durch geöffnete Fenster. Wache Patienten sollten stets einen medizinischen Mund-Nasen-Schutz tragen, um die Anzahl der Tröpfchen und damit der suspendierbaren Tröpfchenkerne zu reduzieren. Dieses gilt auch während der Anwendung einer Sauerstoffinsufflation oder High-Flow-Sauerstofftherapie. Unter strikter Einhaltung dieser Maßnahmen ist eine sichere Behandlung von Patienten mit Covid-19 möglich.

Take home messages:

  • Aerosole sind eine Suspension von Partikeln in Luft, unterhalb einer Partikelgröße von 3 μm findet keine relevante Sedimentierung mehr statt.
  • SARS-CoV-2 kann durch Aerosole übertragen werden, die durch medizinische Maßnahmen freigesetzt werden. Bei einer High-Flow-Sauerstofftherapie ist auf den korrekten Sitz der nasalen Kanüle zu achten, um die Aerosolwolke zu reduzieren.
  • Bei der NIV muss ein exspirationsseitiger virendichter Filter verwendet werden, dieses schließt den Einsatz von Masken mit Leckageventil (Vented-Masken) aus.
  • Bei der invasiven Beatmung sollte ebenfalls ein exspirationsseitiger virendichter Filter verwendet werden.
  • Die Indikation für eine Intubation und invasive Beatmung sollte entsprechend der aktuellen Leitlinien gestellt werden. Die unbegründete Angst des Personals vor Aerosolen darf nicht die Indikation triggern.
  • Wache Patienten sollten stets einen Mund-Nasen-Schutz tragen, auch unter Sauerstoff- oder High-Flow-Therapie.
  • Bei der Behandlung von Covid-19-Patienten sollte die Schutzausrüstung mindestens aus FFP2-Maske oder höher, Kittel, Handschuhen und Schutzbrille bestehen und zuvor der korrekte Umgang geübt werden.
  • Es sollte ein ausreichender Luftaustausch über die RLT oder häufiges Lüften der Räume erfolgen.

Mehr zu diesem und anderen Themen aus dem Bereich Intensiv- und Notfallmedizin finden Sie im DIVI Jahrbuch 2020/2021“. Es werden ausgewählte State of the Art-Beiträge und brandaktuelle wissenschaftliche Arbeiten aus der gesamten Intensiv- und Notfallmedizin präsentiert  – kurz, kompakt und auf den Punkt gebracht.

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Bildquelle: © GettyImages/onurdongel

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