Clinical analysis and preoperative predictors of survival in children after ventricular assist device implantation

Abstract

Background: To assist the failing heart in infants and small children, mechanical circulatory support with a variety of devices has been routinely applied in pediatric patients with end-stage heart disease, aiming at bridge to transplantation or myocardial recovery. Although extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) and centrifugal pumps have been widely and successfully used since the development of pediatric cardiac surgery, their applications are largely limited by the short-term support and immobilization of the patient. Several adult-sized ventricular assist devices (VADs) could be implanted in larger adolescent patients, but they could not provide circulatory support in small children with weight less than 20 kg. Current experience with the use of pediatric-specific VADs in children is limited, and previous studies were mostly based on either adult-sized VADs or relatively small patient numbers. We describe our recent 10-year experience with long- term mechanical circulatory support in small children and young adolescents with intractable heart failure, using Berlin Heart EXCOR Pediatric VAD (Berlin Heart AG, Berlin, Germany), which is designed specifically for all age groups of the pediatric population, and further define the potential risk factors for postimplantation mortality in children. Methods: Between 01/1999 Jan and 12/2009 Dec, 73 children were implanted with the Berlin Heart EXCOR pediatric ventricular assist device at the Deutsches Herzzentrum Berlin. We conducted a retrospective, non-randomized study by obtaining patient data from the ventricular assist device registry database of our institution. The following clinical data were collected and analyzed: (1) patient characteristics: age, sex, body surface area, body length, weight, body mass index, temperature, pulse oxygen saturation, causes of heart failure, prior sternotomy, history of comorbidities, VAD type, year of implantation; (2) medical and device therapy for heart failure: preimplantation cardiac pulmonary resuscitation, intravenous inotropes, vasopressor, vasodilators, diuretics, antiarrhythmic therapy, other mechanical circulatory support before EXCOR implantation; (3) measures of hemodynamic severity of heart failure: LVEF, blood pressure (systolic, diastolic, mean), heart rate, rhythm, pulse oxygen saturation, central venous pressure, pulmonary artery pressure (systolic, diastolic, mean), pulmonary capillary wedge pressure, cardiac output and index; (4) laboratory data (< 24 hours before VAD implantation): serum sodium concentration, serum potassium concentration, serum glucose concentration, hemoglobin, white blood count, hematocrit, platelet count, international normalization ratio, partial thromboplastin time, alanine and aspartate aminotransferase activity, lactate dehydrogenase, creatine kinase-MB, γ-glutamyl transpeptadase, total bilirubin concentration, albumin concentration, total protein, blood urea nitrogen, serum creatinine concentration, serum C-reactive protein; (5) clinical outcomes: duration of ventilation, period of ICU stay, duration of EXCOR support, causes of EXCOR explantation, cause of death, posttransplantation survival, and adverse events. Results: The etiology of end-stage myocardial failure included non- congenital (72%) and congenital heart disease (27%); the median age at implantation was 4 years (12 days to 17 years), and the median support time was 59 days (1 to 432 days). Thirty-three patients were bridged to heart transplantation, 14 were explanted following myocardial recovery, 2 continued to receive support, and the other 24 died on support. The accurate rate of survival at 30 days and 1 year after EXCOR implantation was 80.3% and 55.5%, respectively. For the subset of 56 children listed for transplantation, 77% survived during the support period. No differences in clinical outcomes between small children with BSA < 1.2 m2 and larger children were observed, except that there was a higher incidence of stroke in small recipients. Patients supported with a biventricular assist device had significantly higher postimplantation mortality as compared to children with UniVAD. Lower postimplantation survival was also observed in patients with congenital cardiac disease compared with children with a non-congenital diagnosis. Our multivariate analysis revealed that congenital diagnosis and CVP > 17 mmHg were independent risk factors for survival after EXCOR implantation. For patients without any of these factors, the 30-day and 1-year survival after EXCOR implantation was 92.2%±4.4% and 75.9%±8.3%; for the combined group with at least 1 risk factor, it was 75.9%±8.3% and 29.7%±10.4%, respectively. Conclusions: (1) The Berlin Heart EXCOR pediatric VAD provides efficient and reliable mechanical circulatory support in both small children and larger adolescents suffered from end-stage heart disease, with encouraging clinical outcomes comparable to those in adult VAD patients; (2) UniVAD recipients had significantly better survival, as compared with patients supported with BiVAD. The overall survival to transplantation, recovery of ventricular function, or ongoing device support for patients with congenital heart disease were also significantly lower than in children with a non-congenital diagnosis; (3) Incidences of certain complications (such as cerebralvascular accident) in our study remained high (especially in small pediatric patients), which might emphasize the need of further improvement in anticoagulation therapy for children after VAD implantation; (4) The presence of congenital heart disease and CVP > 17 mmHg were independent risk factors for postimplantation survival of children supported with EXCOR VAD. Further analysis demonstrated that the high-risk patient group was associated with significantly elevated mortality as compared to those recipients without any risk factor. (5) Of note, age- dependent factors were not correlated with different patient survival outcomes after implantation, even in our initial univariate analysis, which supported our point that EXCOR can provide satisfactory support and has comparable clinical outcomes in both small children and larger adolescent patients.

Hintergrund: Um das versagende Herz von Babys und Kleinkindern zu unterstützen, werden bei Pädiatriepatienten mit Herzerkrankungen im Endstadium routinemäßig verschiedene Geräte angewandt, was eine Zwischenlösung bis zur Transplantation oder Myokarderholung darstellt. Obwohl extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) und Zentrifugenpumpen seit der Entwicklung der Chirurgie am Kinderherzen häufig und erfolgreich eingesetzt werdern, ist ihr Einsatz doch stark durch ihre nur kurzwährende Unterstützung und die Immobilisation des Patienten eingeschränkt. Verschiedene Herzunterstützungssysteme (Ventricular assist device, VAD) für Erwachsene könnten in größere Jugendliche implantiert werden, aber sie können keine Kreislaufunterstützung bei kleineren Kindern unter 20 Kilogramm bieten. Derzeit sind die Erfahrungen von dem Einsatz von VADs in Kindern begrenzt, und bisherige Studien beziehen sich hauptsächlich entweder auf VADs für Erwachsene oder auf eine recht kleine Patientenzahl. Wir beschreiben unsere Erfahrungen mit mechanischer Langzeit-Kreislaufunterstützung bei Kindern und jungen Heranwachsenden mit beständigem Herzversagen über die letzten zehn Jahre. Dabei verwandten wir Berlin Heart EXCOR VAD (Berlin Heart AG, Berlin, Germany) das speziell für alle Alter und Gruppen pediatrische Patienten entwickelt wurde. Ausserdem erläutern wir potentielle Risikofaktoren für postimplantative Sterblichkeit von Kindern. Methoden: Zwischen Januar 1999 und Dezember 2009 wurde 73 Kindern am Deutschen Herzzentrum Berlin das Berlin Heart EXCOR VAD implantiert. Wir betrieben eine retrospektive, nicht-zufällige Studie anhand von Patientendaten von der VAD-Registratur der Datenbank des Deutschen Herzzentrums Berlin. Folgende klinische Daten wurden gesammelt und analysiert. (1) Patientenkenndaten: Alter, Geschlecht, Körperoberfläche, Körperlänge, Gewicht, Body Mass Index, Körpertemperatur, Sauerstoffsättigung, Ursache für das Herzversagen, zuvorige Sternotomie, Krankengeschichte von Nebenerkrankungen, VAD-Typ, Jahr der Implantierung; (2) medizinische und apparative Behandlung des Herzversagens: Präimplantative Herz- Lungenreanimation, intravenöse Inotrope, Vasopressoren, Vasodilatoren, Diuretika, antiarrhythmische Therapie, andere mechanische Kreislaufunterstützung vor EXCOR Implantierung; (3) Hämodynamische Messung des Schweregrades des Herzversagens: Linksventrikuläre Ejektionsfraktion, Blutdruck (systolisch, diastolisch, mittlerer), Herzfrequenz, Rhythmus, Sauerstoffsättigung, zentralvenöser Druck, pulmonalarterieller Druck (systolisch, diastolisch, mittlerer), pulmonalkapillärer Druck, Herzauswurfvolumen und Index; (4) Labordaten (< 24 Stunden vor VAD Implantation): Serum Natrium-, Kalzium- und Glukosekonzentration, Hämoglobin, Leukozytenzählung, Hämatokrit, Plättchenzählung, INR, partielle Thromboplastinzeit, Aktivität von Alanin- und Aspartat-Aminotransferase, Laktatdehydrogenase, Kreatinkinase-MB, γ-Glutanyltranspeptidase, Gesamtbilirubinkonzentration, Albuminkonzentration, Gesamtprotein, Harnstoff- Stickstoff im Blut, Serum Kreatininkonzentration, Serum C-reaktives Protein; (5) klinische Erfolge: Beatmungsdauer, Dauer der intensivmedizinischen Behandlung, Dauer der Unterstützung durch EXCOR, Gründe für die Entnahme des EXCOR, Todesursache, posttransplantäres Überleben und ungünstige Vorfälle. Ergebnisse: Die Ethiologie des Myokardversagens im Endstadium umfasste kongenitale (72%) und erworbene Herzerkrankungen (27%); das mittlere Alter zum Zeitpunkt der Implantation betrug vier Jahre (12 Tage bis 17 Jahre) und die mittlere Unterstützungszeit betrug 59 Tage (1 bis 432 Tage). Bei 33 Patienten wurde der Zeitraum bis zu einer Herztransplantation überbrückt, bei 14 Patienten wurde das Gerät nach myokardialer Erholung entnommen, zwei wurden fortbestehend mit dem VAD behandelt und die übrigen 24 Patienten verstarben während der Behandlung. Die genaue Überlebensrate 30 Tagen, bzw ein Jahr nach dem Einsetzen des EXCOR betrug 80,3%, bzw 55,5%. Von den 56 Kindern aus der Gruppe, die auf der Transplantationsliste stehen, konnten 77% die Unterstützungszeit überleben. Zwischen kleinen Kindern mit BSA < 1.2 m2 und größeren Heranwachsenden wurden keine unterschiedlichen klinischen Folgen festgestellt, mit Ausnahme eines höheren Vorkommens von Schlaganfällen bei den kleinen Patienten. Patienten mit einem BiVAD zeigten eine signifikant höhere postimplantative Sterblichkeit gegenüber Kindern mit UniVAD. Eine geringere postimplantäre Überlebensrate wurde auch bei Patienten mit einer kongenitalen Herzerkrankung gegenüber einer nicht ererbten Diagnose beobachtet. Unsere multivariate Statistik macht deutlich, dass eine erbliche Diagnose und ein zentralvenöser Druck über 17 mmHg eigenständige Risikofaktoren für das Überleben einer EXCOR-Implantation sind. Bei Patienten ohne einen dieser Faktoren ergab sich eine Überlebensrate nach 30 Tagen bzw einem Jahr von 92,2%±4,4% bzw 75,9%±8,3%; bei der kombinierten Gruppe mit wenigstens einem Risikofaktor ergaben 75,9%±8,3% bzw 29,7%±10,4%. Fazit: (1) Das Berlin Heart EXCOR VAD leistet eine effiziente und verlässliche Kreislaufunterstützung sowohl bei Kleinkindern, als auch bei größeren Heranwachsenden mit einer Herzerkrankung im Endstadium, mit viel versprechenden klinischen Ergebnissen vergleichbar mit denen erwachsener VAD-Patienten. (2) Empfänger eines UniVAD zeigten eine signifikant höhere Überlebensrate im Vergleich der Empfänger eines BiVAD. Die Gesamtüberlebensrate bis zur Transplantation, Regeneration der Ventrikelfunktion oder fortwährender apparativer Unterstützung war bei Patienten mit einer angeborenen Herzerkrankung signifikant geringer als bei Kindern mit einer erworbenen Diagnose; (3) Das Vorkommen von bestimmten Komplikationen (wie Cerebrovasculärer Unfall) bleibt bei diesen Beobachtungen hoch, besonders bei kleinen pädiatrischen Patienten, was den Bedarf einer weiteren Verbesserung der Antikoagulationstherapie bei Kindern nach einer VAD- Verpflanzung nahe legt; (4) Das Vorhandensein einer kongenitalen Herzerkrankung und eines zentralvenösen Druckes von übe 17 mmHg waren unabhängige Risikofaktoren für die postimplantative Überlebensrate von Kindern mit einem EXCOR VAD. Weitere Auswertungen verdeutlichten, dass die Gruppe der Risikopatienten mit einer signifikant höheren Mortalitätsrate verbunden war als die Patientengruppe ohne Risikofaktor. Interessanterweise waren altersbedingte Faktoren nicht mit unterschiedlichen Überlebensraten nach der Implantation korreliert, genauso wie auch bei unserer früheren Analyse, die unsere Vermutung bestätigte, dass das EXCOR eine zufriedenstellende Unterstützung leistet und vergleichbare klinische Ergebnisse sowohl bei Kleinkindern, als auch bei jugendlichen Patienten.