Zugl.: Magdeburg, Univ., Diss., 2008

Frankfurt (Main), University, Diss., 2009. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2008.

During fetal development, the lung is filled with fluid that is secreted by an active Cltransport promoting lung growth. The basolateral Na+,K+,2Cl- cotransporter (NKCC1) participates in Cl- secretion. The apical Cl- channels responsible for secretion are unknown but studies suggest an involvement of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). CFTR is developmentally regulated with a high expression in early fetal development and a decline in late gestation. Perinatal lung transition is triggered by hormones that stimulate alveolar Na+ channels resulting in fluid absorption. Little is known on how hormones affect pulmonary Cl- channels. Since the rise of fetal cortisol levels correlates with the decrease in fetal CFTR expression, a causal relation may be assumed. The aim of this study was to analyze the influence of glucocorticoids on pulmonary Cl- channels. Alveolar cells from fetal and adult rats, A549 cells, bronchial Calu-3 and 16HBE14o- cells, and primary rat airway cells were studied with real-time quantitative PCR and Ussing chambers. In fetal and adult alveolar cells, glucocorticoids strongly reduced Cftr expression and channel activity, which was prevented by mifepristone. In bronchial and primary airway cells CFTR mRNA expression was also reduced, whereas channel activity was increased which was prevented by LY-294002 in Calu-3 cells. Therefore, glucocorticoids strongly reduce CFTR expression while their effect on CFTR activity depends on the physiological function of the cells. Another apical Cl- channel, anoctamin 1 showed a glucocorticoid-induced reduction of mRNA expression in alveolar cells and an increase in bronchial cells. Furthermore, voltage-gated chloride channel 5 and anoctamine 6 mRNA expression were increased in alveolar cells. NKCC1 expression was reduced by glucocorticoids in alveolar and bronchial cells alike. The results demonstrate that glucocorticoids differentially modulate pulmonary Clchannels and are likely causing the decline of CFTR during late gestation in preparation for perinatal lung transition.

No description available.

Alveolar fluid clearance is driven by vectorial Na+ transport and promotes postnatal lung adaptation. The effect of insulin on alveolar epithelial Na+ transport was studied in isolated alveolar cells from 18–19-day gestational age rat fetuses. Equivalent short-circuit currents (ISC) were measured in Ussing chambers and different kinase inhibitors were used to determine the pathway of insulin stimulation. In Western Blot measurements the activation of mediators stimulated by insulin was analyzed. The ISC showed a fast dose-dependent increase by insulin, which could be attributed to an increased ENaC (epithelial Na+ channel) activity in experiments with permeabilized apical or basolateral membrane. 5-(N-Ethyl-N-isopropyl)amiloride inhibition of ISC was not affected, however, benzamil-sensitive ISC was increased in insulin-stimulated monolayers. The application of LY-294002 and Akti1/2 both completely blocked the stimulating effect of insulin on ISC. PP242 partly blocked the effect of insulin, whereas Rapamycin evoked no inhibition. Western Blot measurements revealed an increased phosphorylation of AKT after insulin stimulation. SGK1 activity was also increased by insulin as shown by Western Blot of pNDRG1. However, in Ussing chamber measurements, GSK650394, an inhibitor of SGK1 did not prevent the increase in ISC induced by insulin. The application of IGF-1 mimicked the effect of insulin and increased the ENaC activity. In addition, an increased autophosphorylation of the IGF-1R/IR was observed after insulin stimulation. We conclude that insulin rapidly increases epithelial Na+ transport by enhancing the activity of endogenous ENaC through activation of PI3K/AKT in alveolar cells.

Purpose: Adolescents have significantly higher rates of diagnosed anterior cruciate ligament (ACL) injuries compared to adult cohorts. Approximately two-thirds of ACL injuries are non-contact scenarios that occur while performing “high-risk” maneuvers. Less than 50% of adolescents are able to return-to-activity, with females specifically having a lower activity level post-injury (Hewett, Di Stasi, & Myer, 2013; Schmale, Kweon, Larson, & Bompadre, 2014). Identifying the quantitative demand of a task used to assess return-to-activity will help establish its role in evaluating the knee stabilization strategies based on muscular coactivations and biomechanical outputs. Therefore, the aim of this study was to (1) assess the neuromuscular and biomechanical quantitative outputs of the lunge and drop-vertical jump (DVJ) in healthy adolescent male and females athletes and (2) to examine the muscular coactivation strategies of adolescent male and female athletes with and without an ACL injury. Methods: A total of 68 uninjured adolescent male and female athletes between the ages of 10 to-18 were used to identify the quantitative demand of the lunge and DVJ. Neuromuscular and biomechanical quantitative outputs included mean peak knee flexion (PKF), integrated knee excursion (iKEXC) in the sagittal and frontal planes, integrated knee joint power (iJP), and integrated electromyography (EMG) were used to assess the within (task) and between (sex) interactions. An additional 17 male and 37 female adolescents with an ACL injury were included to assess the impact of an ACL injury on the knee stabilization strategies (coactivations) used to maintain dynamic knee joint stability (frontal plane knee excursion). Ethics was approved by the University of Ottawa Research Ethics Board (uOttawa REB H09/17/10) (CHEO REB 17/74X). Results: Quantitative data for uninjured groups indicated that the lunge produced greater peak knee flexion, knee excursion, and quadriceps activation values than the DVJ. Conversely, the DVJ produced greater joint power, biceps femoris, gastrocnemii, and gluteus medius values. As for knee stabilization strategies, during the DVJ female ACL injured groups produced greater symmetry and higher muscular activations between anterior-posterior and medial-lateral muscular coactivations, which resulted in increased stability compared to uninjured female groups. Males with an ACL injury indicated similar knee stabilization strategies however decreased stability compared to males without an ACL injury. Conclusion: Results of this thesis identified differences in quantitative data between the lunge and DVJ, indicating differing demand requirements for each task. Results of the second study indicate that uninjured females use knee stabilization strategies that do not restrict their degrees of freedom through asymmetrical coactivations, while females with an ACL injury have increased coactivations in both anterior-posterior and medial-lateral muscle groups, resulting in increased dynamic knee joint stability as evidenced by reduced frontal plane knee excursion motion. Males, however, failed to show a difference between groups in dynamic knee stability, suggesting that those with an ACL injury compensated in a way to perform the DVJ efficiently and similarly to the uninjured group, while maintaining dynamic knee joint stability. In a clinical setting, these findings may help in understanding the direction of use of the lunge and DVJ tasks in a rehabilitation setting. As well as provide insight into the differing male and female adolescent knee stabilization strategies used to maintain dynamic knee joint stability during functional tasks.

Ziel dieser dreiteiligen Arbeit war die Entwicklung und Beschreibung einer Methode zur Messung und Auswertung der Respirationsgeräusche von Pferden. Beim Vergleichsversuch bestand das Ziel in der Feststellung der Messtauglichkeit des Systems der Fa. Meditron und der Darstellung verschiedener Auswertungsmöglichkeiten der Respirationsgeräusche. Unter standardisierten Umgebungsbedingungen und an festgelegten Messpunkten werden einmal mit dem Messsystem der Universität Marburg und einmal mit dem Meditron-System bei sieben Pferden Respirationsgeräuschaufnahmen angefertigt. Die Aufnahmen gelangen zur akustischen Auswertung, die hinsichtlich des Auftretens von Respirationsgeräuschen, von Artefakten, von Giemen und von Rasseln erfolgt. Es werden weiterhin die Amplituden-Hülle der Trachealgeräusche beschrieben, Frequenzspektren dargestellt und die Frequenzspektren beider Systeme einander gegenübergestellt. Bei der akustischen Auswertung bestand der einzige statistisch gesicherte Unterschied in den Häufigkeiten der Artefakte über der Lunge zwischen beiden Systemen, deren Ursache durch den störempfindlichen Koppler des Meditron-Systems bedingt ist. Die Amplitudenhülle konnte in 14 von 22 Aufnahmen nachgezeichnet werden - der klinische Nutzen ist allerdings fraglich. Die Frequenzen werden bei beiden Systemen sowohl für die Trachealgeräusche als auch für die Lungengeräusche dargestellt. Die gemessenen Frequenzen der Trachealgeräusche befinden sich im Bereich der Literaturangaben. Optisch können im Frequenzspektrum Artefakte, Giemen und Rasseln dargestellt werden. Im Frequenzspektrum zeichnet sich Giemen als Schlieren ab und Rasselereignisse stellen sich als Peaks dar. In der vergleichenden Darstellung der Frequenzspektren beider Systeme wird verdeutlicht, dass beide in ähnlichen Frequenzbereichen detektieren und daher das Meditron-System zur Aufzeichnung von Respirationsgeräuschen des Pferdes geeignet ist. Der Vorversuch diente der Festlegung der optimalen Aufnahmebedingungen für Respirationsgeräuschaufnahmen von Pferden. Bei sechs Pferden wurden Messungen unter verschiedenen Messbedingungen (unrasiertes Fell, rasiertes Fell, Ruheatmung, Atmungsvertiefung mittels Atmungsbeutel, nach einer Lobelininjektion und nach zehn-minütiger Trabbelastung) durchgeführt. Die Messtechnik der Fa. Meditron wurde verwendet und es erfolgte eine akustische Auswertung der Aufnahmen. Die Trabbelastung lieferte eine ausreichende Atmungsvertiefung für die Aufzeichnung von Respirationsgeräuschen und wurde daher für die nachfolgenden Untersuchungen herangezogen. Der Hauptversuch mit den Messungen an Pferdepatienten diente der Beschreibung der Respirationsgeräusche lungenkranker Pferde. Anhand der Ergebnisse der klinischen Untersuchung konnten vier Pferde der gesunden, 14 Pferde der geringgradig lungenkranken und neun Pferde der hochgradig lungenkranken Gruppe zugeordnet werden. Pferde der hochgradig lungenkranken Gruppe wurden in Ruhe, alle anderen nach 10-minütiger Trabbelastung gemessen. Es erfolgte eine akustische Auswertung und die Aufschlüsselung der Lokalisation von Giemen und Rasseln. Bei der akustischen Auswertung traten Respirationsgeräusche in der geringgradig lungenkranken Gruppe signifikant häufiger auf als in der gesunden Gruppe, was mit dem regelmäßigerem Atmungszyklus bei kranken Tieren im Zusammenhang steht. Bei der hochgradig lungenkranken Gruppe ist Rasseln signifikant häufiger als in der geringgradig lungenkranken Gruppe festzustellen. Hinsichtlich der Lokalisation der zusätzlichen Geräusche kann kein signifikanter Unterschied festgestellt werden, so kann man nicht davon ausgehen, dass diese besonders im Spitzenlappenbereich der Lunge auftreten. Zwischen klinischem Score und Giemen des jeweiligen Pferdes besteht ein hochsignifikanter Zusammenhang. Somit ist erwiesen, dass Giemen beim Pferd als Indikator des Schweregrades der Lungenerkrankung gelten kann. Zwischen klinischem Score und Rasseln des jeweiligen Pferdes besteht ebenfalls ein hochsignifikanter Zusammenhang, so dass man davon ausgehen kann, dass die Anzahl der Rasselkomponenten als Ausdruck des Schweregrades der Erkrankung gewertet werden kann. Zwischen interpleuraler Druckdifferenz und Giemen und zwischen interpleuraler Druckdifferenz und Rasseln bestehen hochsignifikante Zusammenhänge, so dass man bei erhöhter interpleuraler Druckdifferenz vermehrt mit Giemen bzw. Rasseln rechnen muss.

Vorangegangene Untersuchungen an Ratten zeigten unter normobarer Hypoxie eine linksventrikuläre systolische Dysfunktion und die Induktion eines Lungenödems. Weitere Analysen waren notwendig, um einerseits die Gründe der Depression des linken Ventrikels (LV) zu erforschen und zum anderen eine Beteiligung inflammatorischer Reaktionen an der Ödembildung in der Lunge nachzuweisen. Zentrale Fragestellungen waren dabei, inwiefern Hypoxie die myokardiale Energieversorgung beeinträchtigt bzw. Anzeichen für eine Inflammation in linkem oder rechtem Ventrikel zu erkennen sind. Im Lungengewebe sollte untersucht werden, ob es neben einer Inflammation zu einem Permeabilitätsödem infolge einer Zerstörung der alveolo-kapillären Barriere unter Hypoxie kommt. Besonderes Augenmerk lag auf der Erkennung frühzeitiger Schädigungsmechanismen unter akuter kurzzeitiger Hypoxieexposition. Adrenerge Mechanismen sind bei der Entstehung verschiedener Lungenödeme, wie das Neurogene Lungenödem (NPE) oder das Lungenödem beim Phäochromozytom, beteiligt. Auch im Tierexperiment verursacht Katecholaminstimulation ein sich sehr schnell entwickelndes Lungenödem unter Beteiligung sowohl α- als auch β-adrenerger Signalwege. Da Hypoxieexposition eine Sympathikusaktivierung hervorruft, stellte sich die Frage, ob Behandlungen mit adrenergen Agonisten oder Antagonisten vor allem die akuten pulmonalen Reaktionen auf Hypoxie abmildern können. Zusätzlich sollte durch die Verwendung unterschiedlicher Applikationsarten der Einfluss einer erhöhten Flüssigkeitszufuhr auf die kardialen und pulmonalen Schädigungen untersucht werden. Ratten wurden einer normobaren Hypoxie (10% O2) über 1,5 oder 6 h ausgesetzt und erhielten 0,9% NaCl oder adrenerge Blocker (Prazosin, Propranolol oder Prazosin und Propranolol) bzw. einen adrenergen Agonisten (Norepinephrin) entweder als Infusion (1 ml/h, erhöhte Flüssigkeitsbelastung) oder Injektion (0,5 ml, reduzierte Flüssigkeitsbelastung). Kontrolltiere verblieben in Normoxie und erhielten eine Infusion oder Injektion von 0,9% NaCl. Nach der Behandlungsdauer erfolgten die hämodynamischen Messungen und die Probenentnahmen von Herz- und Lungengeweben. Nach Gewebeextraktion erfolgte die RNA-Isolation für die mRNA-Anlaysen mittels Real-Time PCR (RT-PCR). Zur relativen Quantifizierung wurde das Housekeeping-Gen cyclic AMP phosphoprotein 19 (ARPP-19) verwendet. Bestimmungen der Gesamtproteinkonzentrationen erfolgten in Seren und bronchoalveolärerer Lavageflüssigkeit. Hämodynamisch induzierte akute Hypoxie eine systolische LV-Depression, vor allem unter Flüssigkeitsinfusion. Unter Injektion trat dieser Effekt deutlich schwächer auf. Die zusätzliche Gabe adrenerger Blocker aggravierte die LV-Funktionsbeeinträchtigung unter Hypoxie weiter, während adrenerge Stimulation sie nicht verhindern konnte. Die Funktion des rechten Ventrikels (RV) hingegen war unter Hypoxie unbeeinträchtigt. In der vorliegenden Arbeit wurden die mRNA-Expression der Hypoxiemarker aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator 1 (ARNT1), hypoxia-inducible factor 1, α subunit (HIF1A), solute carrier family 2 facilitated glucose transporter member 1 (GLUT1), hypoxia-inducible gene domain family member 1A (HIGD1A) und vascular endothelial growth factor A (VEGF) sowie der Inflammationsmarker Interleukin 1α (IL-1α), IL-1ß, IL-6, tumor necrosis factor α-induced protein 1 (TNFAIP) und IL-10 in allen drei Geweben - Lunge, linkem und rechtem Ventrikel – untersucht. Die pulmonale mRNA-Expression inflammatorischer Marker (wie IL-6 oder TNFAIP) sollte Hinweise für die Beteiligung von Inflammationsprozessen am hypoxischen Lungenödem liefern. Mechanismen der Zelladaptation der Kardiomyozyten an Hypoxie sollten anhand der mRNA-Expressionsänderungen von Hypoxiemarkern (wie GLUT1 oder HIGD1A) abgeleitet werden, um mögliche Ursachen der linksventrikulären Funktionsverschlechterung und Aufschluss über die Energieversorgung des Myokards zu erhalten. Proteinkonzentrationen im Serum und in der bronchoalveolären Lavageflüssigkeit sollten Aufschluss über eine gestörte kapilläre Permeabilität in der Lunge liefern. Aus den Ergebnissen der HIF-abhängigen Marker ARNT1, GLUT1, HIGD1A und VEGF ließen sich frühzeitig keine eindeutigen Hinweise auf einen beeinträchtigen Energiemetabolismus oder eine gestörte mitochondriale Funktion im Myokard unter akuter Hypoxie ableiten. Beispielsweise kann die Herabregulation der GLUT1-Expression unter kurzzeitiger Hypoxie und stärkerer Flüssigkeitsbelastung mit einem schlechten metabolischen Zustand im Myokard in Verbindung gebracht werden. Somit können kausale Zusammenhänge zur hypoxischen LV-Depression vermutet, aber nicht sicher bestätigt werden. Da sich unter kurzzeitiger Hypoxieexposition aus den untersuchten Markern keine eindeutigen Veränderungen des Stoffwechsels oder Energiemetabolismus in den Zellen ableiten ließen, sollten künftige Untersuchungen der myokardialen und pulmonalen Funktion in Hypoxie unter prolongierter Hypoxieexposition und auf der Basis von Proteinanalysen durchgeführt werden. In der Lunge erzeugt alveoläre Hypoxie einen inflammatorischen Phänotyp, wie er auch bei Bergsteigern nach raschem Aufstieg in große Höhen beobachtet werden konnte. Zwar wird das Höhenlungenödem (HAPE) ähnlich wie das hypoxische Lungenödem in dieser Tierstudie vorrangig durch hämodynamische Veränderungen verursacht, aber von inflammatorischen Prozessen begleitet, aufrechterhalten oder gar verschlimmert. Im Gegensatz zum Myokard zeigten frühzeitige Anstiege der proinflammatorischen Zytokine IL-6 und TNFAIP pulmonale Inflammationsprozesse in der Lunge an, die mutmaßlich an der Aufrechterhaltung der hypoxischen Lungenschädigung schon nach 6 h beteiligt sind. Der Inflammationsprozess beinhaltet dabei Norepinephrin-abhängige Mechanismen, über eine Aktivierung der IL-6 Expression, und Mechanismen, die unabhängig von sympathischer Aktivierung über TNF-α Signalwege vermittelt werden. Folglich schwächte adrenerge Blockade — anders als ursprünglich angenommen — das Ausmaß der hypoxischen Lungenschädigung nicht ab. Analysen der Proteinkonzentrationen in Seren und bronchoalveolärer Lavageflüssigkeit lieferten keine Anhaltspunkte für eine erhöhte pulmonale Kapillarpermeabilität und somit für die Ausbildung eines alveolären Ödems und bestätigte die Beobachtungen eines interstitiellen Ödems in der Lungenhistologie. Erhöhte Flüssigkeitsapplikation förderte zusätzlich zur LV-Depression die Entwicklung des Lungenödems. Die hypoxie-induzierte LV-Depression stellt neben der direkten Hypoxiewirkung einen zusätzlichen kausalen Faktor für die Entstehung des Lungenödems durch pulmonale Kongestion dar, welche durch Flüssigkeitsbelastung weiter verstärkt wird. Flüssigkeitsreduktion hatte dagegen protektive Effekte: Die hypoxie-induzierte LV-Depression trat nur bei Infusion auf, dagegen blieb die inotrope LV-Funktion bei geringerer Flüssigkeitsbelastung erhalten. Auch die hypoxische Lungenschädigung (sowohl Lungenödem als auch Inflammation) wurde durch reduzierte Flüssigkeitsbelastung abgeschwächt. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchung kann daher geschlussfolgert werden, dass die hypoxie-induzierte Sympathikusaktivierung einen eher geringen Beitrag zur hypoxischen Lungenschädigung leistet. Dagegen kommt einem angemessenen Flüssigkeitsmanagement eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der kardiopulmonalen Funktion unter Hypoxie zu.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Hypoxie 1 1.1.1 Definition Hypoxie 1 1.1.2 Hypobare und normobare Hypoxie 1 1.1.3 Erkennung von Hypoxämie 1 1.1.4 Anpassung an Hypoxie 2 1.1.4.1 Akute Reaktion des Körpers auf Hypoxie 2 1.1.4.2 Akklimatisierung 3 1.1.4.3 Höhenkrankheiten 4 1.1.4.3.1 Akute Höhenkrankheit und Höhenhirnödem 4 1.1.4.3.2 Höhenlungenödem 5 1.1.4.4 Hypoxiewirkungen auf das Herz 6 1.2 Katecholamin-induzierte Lungenödeme 7 1.2.1 Neurogenes Lungenödem (NPE) 7 1.2.2 Phäochromozytom 8 1.2.3 Medikamentös-induziertes Lungenödem 8 1.2.4 Experimentelles Lungenödem 9 1.3 Fragestellungen unseres Tiermodells 10 1.4 Untersuchte Marker 12 1.4.1 Hypoxiemarker 14 1.4.1.1 HIF1A und ARNT1 14 1.4.1.2 GLUT1 16 1.4.1.3 HIGD1A 17 1.4.1.4 VEGF 18 1.4.2 Inflammatorische Marker 19 1.4.2.1 Proinflammatorische Zytokine 19 1.4.2.1.1 IL-1α und IL-1β 19 1.4.2.1.2 IL-6 19 1.4.2.1.3 TNFAIP 20 1.4.2.2 Antiinflammatorisches Zytokin IL-10 20 1.4.3 Gesamtproteinkonzentrationen in Seren und BALF 20 1.5 Eigene Fragestellungen 21 2 Material und Methoden 23 2.1 Material 23 2.1.1 Chemikalien 23 2.1.2 Pharmaka 23 2.1.3 Geräte 24 2.1.4 Software 24 2.1.5 Sonstiges 24 2.2 Methoden 25 2.2.1 Tierversuche 25 2.2.1.1 Versuchstiere 25 2.2.1.2 Behandlung 26 2.2.1.3 Hämodynamische Messungen 27 2.2.1.4 Probengewinnung 28 2.2.2 RNA-Isolation 28 2.2.3 Reverse Transkription 29 2.2.4 Polymerase-Kettenreaktion 29 2.2.5 DNA-Agarose-Gel 32 2.2.6 Proteinbestimmung 33 2.2.7 Statistische Analyse 34 3 Ergebnisse 35 3.1 Veränderungen im Herzen 35 3.1.1 Marker für Hypoxie, Zellstoffwechsel und Angiogenese im LV und RV 35 3.1.2 Pro- und antiinflammatorische Marker im LV und RV 41 3.2 Veränderungen in der Lunge 45 3.2.1 Marker für Hypoxie, Zellstoffwechsel und Angiogenese in der Lunge 45 3.2.2 Pro- und antiinflammatorische Marker in der Lunge 49 3.3 Proteinkonzentrationen im Serum und in der BALF 52 4 Diskussion 53 4.1 Kardiovaskuläre Funktion unter Hypoxie 53 4.1.1 Hämodynamische Veränderungen in unserem Tiermodell 53 4.1.2 HIF-abhängige Marker für zellulären Energiemetabolismus und Angiogenese 54 4.1.2.1 Adaptationen der LV Myozyten an Hypoxie 54 4.1.2.2 Adaptationen der RV Myozyten an Hypoxie 59 4.1.3 Inflammatorische Zytokine 60 4.2 Pulmonale Effekte von Hypoxie, Flüssigkeitsbelastung und adrenerger Behandlung 61 4.2.1 Hypoxie-spezifische Gene in der Lunge 61 4.2.2 Beteiligung inflammatorischer Prozesse am hypoxischen Lungenödem 62 4.2.3 Pulmonale Kapillarpermeabilität 64 4.3 Limitationen 65 4.4 Schlussfolgerungen 66

Mechanical ventilation can be a life saving treatment. However, due to the inhomogeneous and anisotropic behavior of the lung tissue, ventilation can also lead to overdistensions of lung regions whereas other areas remain even collapsed. A first step is a more comprehensive understanding of the flow mechanics under normal breathing conditions in a healthy lung as well as for a diseased, collapsed lung. This is the aim of this work. Therefore, a realistic model of the upper human airways has been generated at which experimental and numerical investigations could be carried out. Experimentally, the flow was analyzed by means of Particle Image Velocimetry (PIV) measurements which revealed new details about the flow patterns occurring during different ventilation frequencies. Numerical results were in good agreement with the experimental results and could provide new details about the three-dimensional flow structure and emerging secondary flow within the upper airways. The study of reopening of collapsed airways has shown that larger frequencies lead to airway reopening without overdistension of already open parts. Higher frequencies also lead to homogenization of mass flow distribution within the human lung. / Künstliche Beatmung ist meist eine lebensrettende Maßnahme. Aufgrund der räumlich anisotropen und inhomogenen Eigenschaften der Lunge kann die Beatmung jedoch auch zu einer Schädigung der Lunge führen. Daraus ergibt sich die Forderung einer „Protektiven Beatmung“. Ein erster Schritt dahingehend ist ein verbessertes Verständnis der Atmung und Beatmung am Beispiel der gesunden sowie kranken, teilweise kollabierten Lunge. Dies ist das Ziel der Arbeit. Hierfür wurde ein realistisches Modell der oberen Atemwege (Tracheobronchialbaum) angefertigt. An diesem Modell können sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen durchgeführt werden. Experimentell wurde die Strömung mittels Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht, wobei neue Details bezüglich der auftretenden Strömungsmuster für unterschiedliche Frequenzen gefunden wurden. Numerische Strömungsberechnungen stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Dreidimensionale Strömungsstrukturen sowie die Entwicklung von Sekundärwirbeln in der Lunge konnten erklärt werden. Eine Studie am kranken, teilweise kollabierten Lungenmodell zeigte, dass mit steigender Frequenz kollabierte Bereiche wiedereröffnet werden können. Höhere Frequenzen führen weiterhin zu einer Homogenisierung der Massenstromverteilung in der Lunge.

Reaktive Sauerstoffspezies sind die entscheidenden Faktoren der pulmonalen Toxizität unter Radio-Chemotherapie. Sie induzieren eine akute pulmonale entzündliche Reaktion, unter der es zur Ausschüttung einer sich selbst verstärkenden Zytokinkaskade im Sinne eines multifaktoriellen Zytokinnetzwerkes und in der Folge unter einer persistierenden Zytokinkaskade zur Generierung von sekundären reaktiven Sauerstoffspezies kommt. Die Aktivierung dieser Zytokinkaskade ist noch Monate nach Chemotherapie oder Strahlentherapie auch bei Patienten, die klinisch keine Symptome der Lungenschädigung zeigen, nachweisbar. Dieser Prozeß kann, ähnlich wie bei der fibrosierenden Alveolitis, mit einer Fibrosierung des Lungengewebes und mit Ablagerung von extrazellulärer Matrix einhergehen. Die vorliegende Arbeit hat durch die systematische Analyse an 261 Lavagen von 199 Bronchialkarzinom-Patienten vor, unter und nach zytoreduktiver Therapie die Determinanten des oxidativen pulmonalen Stress untersucht. Als Meßparameter des akuten oxidativen Stress ist die Gesamtzellzahl in der BALF, der Methioninsulfoxidgehalt sowie die Konzentration von Glutathion, IL-1, IL-6 und IL-8, TNF-alpha, weiterhin die VEGF-Konzentration in der ELF geeignet. Erstmalig gezeigt werden konnte hierbei, daß VEGF nicht nur im Rahmen der Neoangiogenese, sondern auch durch reaktive Sauerstoffspezies hochreguliert wird und oxidativen Stress sensitiv anzeigt. Bei manifester Lungenfibrosierung könnte P-III-P ein sensitiver Marker der Fibroblasten-aktivierung und der Produktion extrazellulärer Matrix sein. Die Untersuchungen ergaben zwischen den Folgen der Strahlentherapie und Chemotherapie lediglich quantitative, keine qualitativen Unterschiede. Die vorliegende Arbeit möchte die Grundlage schaffen, dosisintensivierte multimodale Therapien bezüglich der oxidativen pulmonalen Belastungen bei Patienten mit Bronchialkarzinom invasiv zu monitoren. Dies könnte eine individuelle Dosisoptimierung durch die Bestimmung der oxidativen pulmonalen Kapazität, insbesondere der Glutathionkonzentration in der ELF, schaffen. / Induction of reactive oxygen is the main pathway of acute pulmonary injury during radio-chemotherapy. This release of cytokines during inflammation leads to a self perpetuating cytokine cascade as a cytokine network, resulting in the generation of secondary oxidative stress. This cytokine activation is detectable during therapy as well as months after therapy, even if the patient is clinically asymptomatic. This activated cytokine network can be accompanied by the deposition of extracellular matrix (similar as in lung fibrosis). In our study, we analysed 261 bronchoalveolar lavages (BAL) from 199 patients with lung carcinoma under, before and after chemotherapy and / or radiotherapy. The following BAL parameters indicating oxidative stress were found: total cell count, concentration of methionine sulfoxide, gluthatione, IL-1, IL-6, IL-8, TNF-alpha and VEGF. It was shown for the first time that VEGF is also upregulated by oxidative stress. If lung fibrosis is manifest, P-III-P could be a marker of activation of fibroblasts and of the production of extracellular matrix. In general, differences found in measured parameters during chemotherapy or radiotherapy were of quantitative, not of qualitative nature. Our study wants to lay the groundwork in monitoring pulmonary stress invasively in lung cancer patients. This could lead to better individual dose application by defining the antioxidative capacity, especially the gluthatione concentration in the BAL.