MUDr. Michal Otáhal Biomechanický model interakce oběhu a ventilace za podmínek UPV Abstract: Conventional mechanical ventilation provides gas exchange in conditions of respiratory failure by application positive airway pressure in the respiratory system. Due to the significant change in pressure conditions inside the thorax during conventional artificial ventilation the circulation can be significantly affected. Recruitment maneuver (RM) techniques can be a part of ventilation strategy in patients with the Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS), that are used to re-aerate collapsed parts of the lung parenchyma. During these RMs a significantly higher airway pressure is used than in protective ventilation strategy, which can limit the flow through the lung capillary network and can significantly affect the systemic hemodynamics of the patient. The aim of this work was to develop an optimized animation model of ARDS, then to compare the influence that has the application of different types of recruitment maneuvers on hemodynamics and to create a biomechanical simulation model of interaction and blood circulation and its verification with data obtained during the implementation of different types of RM in the experimental animal ARDS model. Results from the experimental animal model and simulations...

Le Syndrome de Détresse Respiratoire Aiguë (SDRA) est une maladie inflammatoire courante en service de réanimation qui touche environ 10% des patients. Une augmentation pathologique de la rigidité et/ou de l'adhésion des leucocytes des patients atteints du SDRA semble être un des facteurs déclenchants majeurs de la maladie. Nous avons utilisé la microfluidique pour mimer le passage des cellules dans les capillaires pulmonaires. L'observation du passage de cellules modèles (lignée monocytaire humaine THP-1) dans des constrictions microfluidiques (H=12µm et W=6µm) a permis de mesurer leur temps d'entrée. Ensuite nous avons incubé des cellules dans des sérums issus de malades et étudié leurs caractéristiques de passage dans des constrictions microfluidiques en fonction du temps d'incubation et de la concentration en sérum. Ces résultats sont ensuite comparés à la composition des sérums en cytokines (IL-1β, IL-6, IL-8, IL-10, IL-17, TNF-α, TGF-β et INF-γ). Des corrélations entre l'IL-8, IL-1β, le TNF-α et le temps d'entrée ont été trouvés. Ces deux cytokines peuvent jouer un rôle dans la rigidité cellulaire lors de cette maladie. En incubant ainsi nos cellules avec les recombinants humains (IL-8, IL-1β et Tnf-α), nous avons constaté une augmentation de la rigidité des cellules. D'un point de vue médical nous avons montré que l'utilisation d'anticorps bloquants anti IL-8, anti IL-1β et anti TNF-α permet de protéger les cellules. / The project consists in using microfluidic devices to test human leukocyte behavior in microcirculation. Adult Respiratory Distress Syndrome (ARDS) is a disease that affects numerous patients in intense care services with a rate of death 50%. It is triggered to the sequestration of neutrophils within the lung microvasculature. There is neither diagnostic nor efficient treatment now. We study the properties of the passage of THP-1, and real neutrophils in micro-channels of width 6µm. In order to improve the understanding of SDRA, we also incubate models cells in patient's serums who are suffering from ARDS and diagnostic tools are being developed in collaboration with the hospitals of Marseille.

Hintergrund Durch die Entwicklung neuer in vivo Bildgebungsmethoden, z.B. der Computertomographie (CT) und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET), konnte in den letzten Jahren das Verständnis über die Pathophysiologie des akuten Lungenversagens (acute respiratory distress syndrome, ARDS) maßgeblich verbessert werden. So zeigten PET/CT-Messungen, dass beim ARDS pathophysiologische Veränderungen von Lungenbelüftung und -durchblutung zu einer Störung des Gasaustausches beitragen. Die deshalb erforderliche mechanische Beatmung kann allerdings zu einer weiteren Schädigung der Lunge führen (ventilator induced lung injury, VILI). Bisher konnten weder die exakten pathophysiologischen Mechanismen des ARDS noch der potentiell schädigende Einfluss der mechanischen Beatmung vollständig geklärt werden. Fragestellung In dieser Doktorarbeit wurden PET/CT-Bildgebungstechniken für die Quantifizierung der pulmonalen Belüftung, neutrophilischen Inflammation und Perfusion im experimentellen Modell des ARDS verwendet. Hierfür wurden zwei Substudien durchgeführt. Ziel der ersten Substudie war es, in einem tierexperimentellen Modell des ARDS den relativen Einfluss der beiden wesentlichen Mechanismen von VILI, das zyklische Öffnen und Schließen von Alveolen (Atelektrauma) und die alveoläre Überdehnung (Volutrauma), auf die pro-inflammatorische Antwort der Lunge zu untersuchen. Die zweite Substudie hatte das Ziel, die Anwendung von Fluoreszenz-markierten Mikrosphären für Messungen der pulmonalen Perfusionsverteilung in akut geschädigten Lungen zu validieren. Es sollte geprüft werden, ob ex vivo Messungen mittels Fluoreszenz-markierten Mikrosphären alternativ zu in vivo PET/CT-Messungen mittels Gallium-68 (68Ga)-markierten Mikrosphären im experimentellen Modell das ARDS herangezogen werden können. Material und Methoden Es wurden zwei Substudien in analgosedierten, intubierten und mechanisch beatmeten Schweinen durchgeführt. Die Induktion des ARDS erfolgte durch repetitives, bronchoalveoläres Lavagieren mit isotonischer Kochsalzlösung. In der ersten Substudie erfolgten Untersuchungen an 10 Tieren. Nach Rekrutierung beider Lungen wurde eine absteigende Titration des positiven, end-exspiratorischen Drucks (positive end-expiratory pressure, PEEP) durchgeführt. Es folgte eine randomisierte Zuordnung der Versuchstiere zu einer vierstündigen Beatmungstherapie der linken, VILI Lunge zur Induktion eines Atelektraumas oder Volutraumas. In beiden Versuchsgruppen wurde ein vergleichbares Tidalvolumen von 3 ml/kg Körpergewicht appliziert. Zur Induktion von Volutrauma wurde ein hoher PEEP gewählt (2 cmH2O oberhalb des Levels, an dem sich die dynamische Compliance während der PEEP-Titration um mehr als 5 % erhöht). Zur Induktion von Atelektrauma wurde ein niedriger PEEP appliziert (PEEP, bei dem eine mit Volutrauma vergleichbare Atemwegsdruckdifferenz (Differenz aus Spitzendruck und PEEP) auftritt). In der rechten Lunge, welche als Kontrolllunge diente, wurde ein kontinuierlicher, positiver Atemwegsdruck von 20 cmH2O aufrechterhalten. Der Gasaustausch, insbesondere die Eliminierung von Kohlenstoffdioxid, wurde extrakorporal unterstützt. Nach vierstündiger Beatmung der linken, VILI Lunge erfolgte die Bildgebung. Für die Quantifizierung von Ausmaß und regionaler Verteilung der pulmonalen Inflammation wurde 2-deoxy-2-[18F]fluoro-D-glucose (18F-FDG) intravenös injiziert und die Aktivität mittels dynamischen PET/CT-Aufnahmen erfasst. Die Erfassung der Lungenperfusion erfolgte mittels intravenös injizierten, 68Ga-markierten Mikrosphären und statischen PET/CT-Aufnahmen. Anschließende CT-Aufnahmen während Atemmanövern am Ende der Inspiration, Exspiration und am mittleren Atemvolumen dienten der Bestimmung von Lungenbelüftung, zyklischer Überdehnung und Rekrutierung. In der zweiten Substudie wurde in 7 Schweinen die Perfusion der linken und rechten Lunge untersucht (n = 14 Lungen). Nach jeweils einstündiger mechanischer Beatmung mittels zweiphasigem, positivem Beatmungsdruck überlagert mit einem Anteil an Spontanatmung am Minutenvolumen von 0 % oder > 60 % wurden Fluoreszenzmarkierte und 68Ga-markierte Mikrosphären intravenös injiziert. Unmittelbar im Anschluss erfolgten PET/CT-Messungen der Verteilung der 68Ga-markierten Mikrosphären. Für die Analyse der Verteilung der Fluoreszenz-markierten Mikrosphären wurden die Lungen am Versuchsende entnommen, getrocknet, in Würfel gesägt und die emittierende Fluoreszenz sowie das Gewicht jedes Würfels gemessen. Die in vivo PET-Aktivitätsmessungen wurden auf die mittels CT bestimmte Lungenmasse normalisiert (QRM). Die QRM-Daten wurden auf die Auflösung der Fluoreszenzmessungen herunterskaliert (QRM,downscaled). Die Analyse der ex vivo Fluoreszenzmessungen erfolgte durch Normalisierung auf die Masse der Lungenwürfel (QFM,Mass), auf deren Volumen (QFM,Volume) und auf Würfelmasse und -volumen (QFM,Mass,Volume). Die Auflösung und die äußeren Konturen der Lungen wurden zwischen ex vivo und in vivo Messungen verglichen. Lineare Regressionen von Perfusion und axialer Verteilung jedes Lungenvolumenelementes dienten der Bestimmung von Perfusionsgradienten entlang der ventro-dorsalen und kranio-kaudalen Achse. Die Anstiege der Regressionsgeraden wurden zwischen den Messmethoden verglichen. Für jede Lunge wurde die globale und regionale Perfusionsheterogenität bestimmt und zwischen den Messmethoden verglichen. Ergebnisse In der ersten Substudie verdeutlichten PET/CT-Messungen, dass, trotz vergleichbarer Perfusion, Volutrauma im Vergleich zu Atelektrauma zu einer höheren spezifischen Aufnahme von 18F-FDG in den beatmeten, VILI Lungen führte. Dieser Effekt trat hauptsächlich in zentralen Lungenregionen auf. Weiterhin führte Volutrauma, aber nicht Atelektrauma, zu einer höheren spezifischen 18F-FDG-Aufnahme in den beatmeten, VILI Lungen im Vergleich zu den nicht-ventilierten Kontrolllungen. CT-Aufnahmen verdeutlichten, dass Atelektrauma einen höheren Anteil an nicht belüfteten Lungenkompartimenten und mehr zyklische Rekrutierung zur Folge hatte. Volutrauma bedingte hingegen höhere Anteile an überblähten und normal belüfteten Lungenarealen und mehr zyklische Überdehnung. Die Atemwegsdruckdifferenzen waren anfänglich zwischen den Gruppen vergleichbar, stiegen im Verlauf bei Atelektrauma, aber nicht bei Volutrauma, an. In der zweiten Substudie verdeutlichten sowohl ex vivo QFM,Volume-Messungen, als auch in vivo QRM-Messungen die Existenz von Perfusionsgradienten entlang der ventrodorsalen und kranio-kaudalen Achsen, trotzdem QFM-Messungen eine 21-fach geringere Auflösung aufwiesen und die erforderliche Lungenentnahme und -trocknung eine Lungendeformation bedingte. Beide Messverfahren zeigten stärkere Perfusionen dorsaler und kaudaler im Vergleich zu ventraler und kranialer Lungenareale. Im Vergleich zu QRM,downscaled-Messungen wiesen QRM-Messungen höhere globale Perfusionsheterogenitäten auf. Verglichen mit QRM,downscaled-Messungen wiesen sowohl QFM,Volume-Messungen, als auch QFM,Mass,Volume-Messungen vergleichbare regionale Perfusionsheterogenitäten auf. Schlussfolgerungen In der ersten Substudie führte Volutrauma im Vergleich zu Atelektrauma, trotz vergleichbarem Tidalvolumen, geringerer Atemwegsdruckdifferenz und vergleichbarer Perfusion, zu einer höheren pulmonalen Inflammation. Dies deutet darauf hin, dass in diesem Modell des ARDS die mit Volutrauma assoziierten hohen statischen Drücke im Vergleich zu dynamischen Einflüssen die schädlicheren Mechanismen von VILI sind. Die zweite Substudie verdeutlichte, dass ex vivo Messungen der Verteilung von Fluoreszenz-markierten Mikrosphären bei Volumennormalisierung, trotz geringerer Auflösung und auftretenden Lungendeformationen, vergleichbare Messergebnisse hinsichtlich der Existenz und des Ausmaßes von Lungengradienten mit in vivo PET/CTMessungen aufzeigen. Eine Anpassung der Auflösung der in vivo Perfusionsmessungen an die der ex vivo Messungen verringerte sowohl die globale, als auch die regionale Perfusionsheterogenität. Bei gleicher Auflösung zeigten ex vivo QFM,Volume-Messungen vergleichbare globale und regionale Perfusionsheterogenitäten wie in vivo Messungen. Die Studienergebnisse deuten darauf hin, dass für die Quantifizierung von pulmonalen Perfusionsgradienten ex vivo QFM,Volume-Messungen alternativ zu in vivo PET/CTMessungen durchgeführt werden können.

Einleitung: Trotz jahrzehntelanger Forschung bleibt die lungenprotektive Beatmung bei Menschen mit Lungenkontusion und daraus resultierendem ARDS ein kontrovers diskutiertes Thema. Als bisheriger Goldstandard gilt das ARDSnet Protokoll. Es zeichnet sich durch ein niedriges Tidavolumen (6ml/kg), einen maximal zu erreichenden Plateaudruck von 30cmH2O und tabellarisch festgelegten Kombinationen von Positivem Endexspiratorischen Druck (PEEP) und Inspiratorischer Sauerstoffkonzentration (FiO2) aus. Die Generierung einer akzeptablen Oxygenierung bei minimaler Volu- und Barotraumabelastung ist das Ziel. Im Gegensatz dazu steht das OPEN LUNG Konzept (OLC), bei welchem zu Beginn der Therapie ein Rekrutierungsmanöver zum Öffnen aller Alveolen durchgeführt wird. Anschließend erfolgt die Beatmung mit titriertem, hohem PEEP Niveau, sodass die Lunge offen gehalten werden kann. Tidalvolumen und Sauerstoffpartialdruck werden so gering wie möglich eingestellt. Ziele der Arbeit: Ein Ziel dieser Arbeit war es, auf histologischer Basis zu evaluieren, ob es einen beatmungsassoziierten Unterschied der Lungenschädigung nach experimentell erfolgtem Thoraxtrauma am Modell Schwein gibt. Darüber hinaus sollten als zweites Ziel dieser Arbeit zwei histologische Analysemethoden in ihrer Anwendbarkeit überprüft und miteinander verglichen werden. Tiere, Material und Methoden: Als Versuchstiere gingen 17 weibliche, 10-12 Wochen alte Schweine der Deutschen Landrasse in den Versuch ein. Nach experimentell induziertem Thoraxtrauma (Fallrohr-assoziiert) wurden die Tiere in zwei Beatmungsgruppen randomisiert und über 24 Stunden nach ARDSnet oder OLC Protokoll beatmet. Nach erfolgter Euthanasie der Tiere am Ende des Versuches wurden Lungenproben aus insgesamt 9 Arealen der Lobi caudales (rechts dorsal, rechts medial, rechts ventral, rechts Kontusion, rechts Randkontusion, links dorsal, links medial, links ventral und links Contre Coup) gewonnen und fixiert. Als Analysemethoden standen der DAD Score (semiquantitative Analyse) und ein für diese Arbeit entwickelter Grid Score, der an Hand eines Punktegrids die Auswertung der Präparate erweitern und verfeinern sollte, zur Verfügung. Die statistische Auswertung des Datenpools erfolgte durch die Anwendung des Kolmororov-Smirnov-Tests, gefolgt von dem Mann-Whitney-U-Test (p<0,05). Für die Analyse der Interobserver- und Intraobserver-Übereinstimmung wurde die Bland-Altman-Methode genutzt. Ergebnisse: Es konnte ein klarer Unterschied im histologischen Schädigungsbild zwischen den Beatmungskonzepten OLC und ARDSnet in beiden Analysemethoden detektiert werden. Dieser beschränkte sich auf den Bereich „rechts dorsal“. In allen Kriterien des DAD Scores (intraalveoläres Ödem, Hämorrhagie und Inflammation) zeigte sich ein signifikant geringeres Schädigungsbild der Lunge im OLC verglichen mit dem ARDSnet Protokoll (Mittelwerte der Scoringpunkte für intraalveoläres Ödem: 1,2 im OLC und 4,2 im ARDSnet; Hämorrhagie: 1,2 im OLC und 3,3 im ARDSnet; Inflammation: 3,3 im OLC und 7,5 im ARDSnet). In der Grid Score Methode wurde diese Aussage bei den Kriterien „Luft“ (51,2% im OLC und 17,9% im ARDSnet), „Zellen“ (24,6% im OLC und 41,2% im ARDSnet), „Blut“ (1,9% im OLC und 12,5% im ARDSnet), „Ödem-Blut-Gemisch“ (2% im OLC und 9% im ARDSnet) und „Gewebe gesamt“ (48,8% im OLC und 82,1% im ARDSnet) bestätigt. Das Kriterium „Hyaline Membran“ wurde im OLC signifikant häufiger ermittelt (0,9% im OLC und 0,3% im ARDSnet). Im Kriterium „Ödem“ des Grid Scores konnte kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Beatmungskonzepten evaluiert werden (19,6% im OLC und 19,3% im ARDSnet). Schlussfolgerung: Der histologisch sichtbare Lungenschaden nach Thoraxtrauma ist nach 24 Stunden OLC-Beatmung signifikant geringer als mit ARDSnet-Beatmung. Damit bietet das OLC die bessere Möglichkeit zur Regeneration. Da sekundäre Schäden bis hin zum Multiorganversagen auf ein Thoraxtrauma folgen können, sollte in weiteren Untersuchungen zusätzlich die Reaktion des gesamten Körpers verglichen werden. In Abhängigkeit des Schädigungsmusters ist dann eine entsprechende intensivmedizinische Behandlung zu wählen. Im Vergleich der Scoringmethoden kann zusammengefasst werden, dass beide Methoden durchaus die histologischen Unterschiede des Lungenschadens beider Beatmungskonzepte quantifizieren konnten, allerdings Vor- und Nachteile bergen. Deutlich wurde im Verlauf der Untersuchungen, dass in der Grid Score Methode einzelne Kriterien genauer definiert werden müssen. Generell verspricht die Grid Score Methode jedoch einen erheblichen Informationszuwachs im Vergleich zum DAD Score.:Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 2 2.1 Anatomie und Physiologie der Lunge 2 2.1.1 Makroskopischer Aufbau und Funktion 2 2.1.2 Histologie des Alveolarraumes 3 2.2 Thoraxtrauma und Lungenkontusion 5 2.2.1 Lungenkontusion 5 2.2.1.1 Definition und Charakter der Lungenkontusion 5 2.2.1.2 Geschichtlicher Hintergrund der Forschung zur Lungenkontusion 6 2.2.1.3 Modellmöglichkeiten zur Nachstellung einer Lungenkontusion in der Forschung 6 2.2.2 Thoraxtrauma und Lungenkontusion in der Tiermedizin- Vorkommen, Häufigkeit und Ursachen 7 2.3 Diffuse Alveolar Damage und Acute Respiratory Distress Syndrome- Definition und histologischer Hintergrund 9 2.3.1 Diffuse Alveolar Damage 9 2.3.2 Acute Respiratory Distress Syndrome 10 2.4 Therapiekonzepte einer Lungenkontusion 12 2.4.1 Das ARDS Netzwerk Protokoll 12 2.4.2 Das Open Lung Concept 13 2.4.3 Beatmungsassoziierte Schäden- VALI/VILI 14 2.4.4 Behandlung einer Lungenkontusion in der Tiermedizin 16 2.5 Histologische Analysen pulmonaler Schädigung 17 2.5.1 Der Diffuse Alveolar Damage Score 17 2.5.2 Der Grid Score zur Quantifizierung histologischer Veränderungen des Lungenparenchyms 19 3 Tiere, Material und Methoden 20 3.1 Versuchstiere 20 3.2 Versuchsablauf 21 3.2.1 Prämedikation und Instrumentierung 22 3.2.2 Ablauf aller Messmanöver eines Messzeitpunktes 25 3.2.3 Thoraxkontusion und Prähospitale Phase 27 3.2.4 Randomisierung und Einstellung der Beatmung 29 3.2.5 Euthanasie des Tieres und Probenentnahme 30 3.2.5.1 Sektion des Versuchstieres 30 3.2.5.2 Probenentnahme 31 3.2.5.3 Probenentnahme aus der Lunge zur histologischen Auswertung – Fokus dieser Arbeit 31 3.3 Aufbereitung des Gewebes für die histologische Auswertung 32 3.3.1 Fixierung und Einbettung 32 3.3.2 Hämatoxylin-Eosin-Färbung 33 3.3.3 Mikroskopie und Digitalisierung der histologischen Präparate 34 3.4 Auswertung der histologischen Schnitte 34 3.4.1 Diffuse Alveolar Damage Score nach SPIETH et al. 2007 und 2011 34 3.4.2 Grid Score 35 3.4.3 Statistische Auswertung 38 4 Ergebnisse 39 4.1 DAD Score Übersicht 39 4.2 Grid Score Übersicht 40 4.3 Parallele Betrachtung des DAD und GRID Scores im dorsalen Bereich des Lobus caudalis dexter (RD) 42 4.4 Ergänzende Betrachtung des dorsalen Bereiches des Lobus caudalis dexter (RD) durch die Grid Score Methode 44 4.5 Ergebnisse der erweiterten Grid Score Methode 46 4.6 Gesamtübersicht des dorsalen Bereiches des Lobus caudalis dexter (RD) 47 4.7 Probleme der Grid Score Methode und Neubewertung der Vorgehensweise 48 4.8 Evaluierung der Scoringmethoden mittels Inter- und Intraobserververgleichen 51   4.9 Ergebnisse der Gebiete „Kontusion- rechte Lunge“, „Randkontusion- rechte Lunge“ und „Contre-Coup Bereich der linken Lunge“ 54 4.10 Entwicklung eines ARDS nach Berlin Definition in den unterschiedlichen Beatmungsgruppen 55 5 Diskussion 57 5.1 Vergleich der Beatmungskonzepte auf histologischer Ebene 57 5.2 Vergleich der Methoden DAD Score und Grid Score 66 6 Zusammenfassung 69 7 Summary 71 8 Literaturverzeichnis 73 9 Anhang 81 10 Danksagung 87