Klinischer Hintergund: Patienten mit akutem Lungenversagen (Acute respiratory distress syndome, ARDS) bedürfen intensivmedizinischer Behandlung. Die maschinelle Beatmung spielt dabei eine zentrale Rolle. Um einer zusätzlichen ventilatorassoziierten Lungenschädigung (ventiator induced lung injury, VILI) vorzubeugen, wird vom ARDS network die Beatmung mit niedrigem Atemzugvolumen empfohlen. Das Zulassen von Spontanatmung und Variabilität in der Druckunterstützung sind weitere Beatmungsstrategien, welchen in verschiedenen Studien positive Effekte im Bezug auf pulmonale Entzündungsreaktion, Schädigung des Lungengewebes und Gasaustausch zugeschrieben werden. Eine weit verbreitete Form der assistierten Spontanatmung ist die druckunterstützte Beatmung (Pressure Support Ventilation, PSV), bei der jede inspiratorische Atembemühung mit stets demselben Druck unterstützt wird. Es resultiert eine relative geringe Atemvariabilität. Eine weitere häufig angewandte Form der assistierten Spontanatmung ist die proportionale Druckunterstützung (Proportional Assist Ventilation, PAV). Hier verhält sich das Maß der Druckunterstützung proportional zu den inspiratorischen Bemühungen des Patienten. Entsprechend führt PAV, abhängig von der intrinsischen Variabilität des Patienten, zu einer höheren Variabilität an Atemzugvolumen und Atemfrequenz. Eine neuere Form der assistierten Spontanatmung ist die variable druckunterstützte Beatmung (noisy PSV), welche ebenfalls die Variabilität von Atemzugvolumen und Atemfrequenz erhöht. Im Unterschied zu PAV ist die Variabilität der Druckunterstützung extrinsisch und wird durch das Beatmungsgerät vorgegeben. Fragestellung /Hypothesen: Die vorliegende Studie untersucht die Therapieeffekte von noisy PSV, PAV und PSV auf pulmonale Entzündungsreaktion, Schädigung des Lungengewebes sowie Ventilationsverteilung im ARDS-Modell Surfactant depletierter Schweinelungen. Folgende Hypothesen wurden dazu formuliert: 1. Unter Noisy PSV zeigt sich eine Umverteilung der regionalen Ventilation von ventral nach dorsal. 2. Unter Anwendung von noisy PSV kommt es zu einer geringeren Schädigung des Lungengewebes im Vergleich zu PAV und PSV. 3. Noisy PSV kann die Entzündungsreaktion gegenüber PAV und PSV senken. Material und Methoden: 24 Jungschweine mit einem mittleren Körpergewicht von 31,3 kg (26,8 – 34,4 kg) wurden anästhesiert, intubiert und mechanisch beatmet. Die Lungenschädigung wurde mittels wiederholter Kochsalzlavagen herbeigeführt bis ein stabiles Verhältnis von arteriellem Sauerstoffpartialdruck zur inspiratorischen Sauerstofffraktion von unter 200 mmHg erreicht war. Dies entspricht der Definition eines moderaten ARDS. Nach Spontanisierung der Atmung folgte die Randomisierung der Versuchstiere zu einer der drei assistierten Beatmungsmodi noisy PSV, PAV oder PSV. Die Beatmung erfolgte jeweils mit einem mittleren Atemzugvolumen von 6 ml /kg KG über einen Zeitraum von sechs Stunden. Es wurden impedanztomographische Messungen zur regionalen Ventilationsverteilung durchgeführt. Untersuchungen zur pulmonalen Entzündungsreaktion und histologischen Schädigung des Lungengewebes wurden post mortem vorgenommen Zusätzlich erfolgten Messungen zu Hämodynamik, Atemmechanik und Gasaustausch. Außerdem wurden Atemmuster und die Variabilität der Atmung analysiert. Die Ergebnisse dieser Messungen sind jedoch nicht Gegenstand dieser Dissertation und werden an anderer Stelle diskutiert. Ergebnisse: PAV, nicht jedoch noisy PSV, führte zu einer Umverteilung der regionalen Ventilation von zentral nach dorsal im Vergleich zu PSV. Für den kumulierten DAD Score ließen sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen nachweisen. In schwerkraftunabhängigen Lungenabschnitten zeigten sich weniger interstitielles Ödem für PAV und noisy PSV im Vergleich zu PSV sowie weniger Hämorrhagie für PAV und PSV im Vergleich zu noisy PSV. Auch ergab sich ein geringeres Maß an Überdehnung für PAV im Vergleich zu PSV. In schwerkraftabhängigen Lungenabschnitten kam es unter noisy PSV zu einer Reduktion von interstitiellem Ödem im Vergleich zu PSV. Insgesamt, für schwerkraftabhängige und schwerkraftunabhängige Regionen zusammen betrachtet, zeigten sich weniger Hämorrhagie für PAV im Vergleich zu noisy PSV sowie weniger interstitielles Ödem für PAV und noisy PSV im Vergleich zu PSV. Unabhängig von der Therapieform war weniger Hämorrhagie in schwerkraftunabhängigen im Vergleich zu schwerkraftabhängigen Lungenabschnitten zu beobachten. Für den Gehalt an mRNA für IL-1, IL-6, IL-8, TNF-α, TGF-ß, Amphiregulin und Tenascin-c im Gewebe sowie für die Konzentration TNF-α und IL-8 im Lungengewebe, TNF-α im Blutplasma sowie IL-8 in den Proben der BAL ließen sich ebenso keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen nachweisen wie für die Proteinkonzentration in der BAL-Flüssigkeit und die Wet-/Dry-Ratio des Lungengewebes. Schlussfolgerungen: In diesem Modell des akuten Lungenversagens am Schwein resultierte eine 6-stündige Beatmungstherapie mit variabler Druckunterstützung, proportionaler Druckunterstützung oder konstanter Druckunterstützung in einer vergleichbaren Schädigung des Lungengewebes ohne wesentliche Unterschiede in der Entzündungsreaktion.

Das akute Lungenversagen (Adult Respiratory Distress Syndrome: ARDS) stellt ein in der Intensivmedizin häufig auftretendes Krankheitsbild dar und weist trotz intensiver Bemühungen nach wie vor eine hohe Letalität auf. Ein wichtiger pathophysiologischer Faktor bei der mit dem ARDS verbundenen schweren Gasaustauschstörung ist der intrapulmonale Rechts-links-Shunt mit daraus resultierender Abnahme des Oxygenierungsindex. Um therapeutisch eine Verbesserung der Oxygenierung zu erreichen, wurde unter anderem von Gallart et al. ein Konzept entwickelt, bei dem durch den kombinierten Einsatz eines intravenös gegebenen pulmonalen Vasokonstriktors (Almitrine) und eines inhalativ gegebenen pulmonalen Vasodilatators (inhalatives Stickstoffmonoxid: iNO) die Shuntfraktion verkleinert wird (Gallart et al. 1998). Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Kombination von iNO mit der intravenösen Gabe von zellfreiem Hämoglobin (Hemoglobin Based Oxygen Carrier, HBOC) als Vasokonstriktor am Tiermodell des akuten Lungenversagens hinsichtlich hämodynamischer Parameter und der arteriellen Oxygenierung untersucht. Die Ergebnisse wurden verglichen mit einer zweiten Versuchsgruppe, in der die Tiere lediglich iNO und Hydroxyethylstärke als Kontrollsubstanz erhielten. In Pilotversuchen wurden dafür ein Tiermodell des akuten Lungenversagens etabliert und die Auswirkungen der Gabe von HBOC bei vorbestehendem Lungenschaden untersucht. Anhand der durchgeführten Versuche konnte gezeigt werden, dass sich durch die HBOC-Gabe sowohl der systemische als auch der pulmonalarterielle Blutdruck signifikant erhöhte. Durch die zusätzliche Gabe von iNO ließ sich dieser Effekt antagonisieren. Ein additiver Effekt auf die arterielle Oxygenierung durch den kombinierten Einsatz von HBOC und iNO -im Vergleich zur alleinigen Gabe von iNO- war nachweisbar, die Unterschiede waren jedoch nicht signifikant. Weitere Untersuchungen werden zeigen müssen, ob sich dieser Effekt bei größerer Fallzahl als signifikant erweist, oder ob dieser tatsächlich nicht vorhanden sein sollte.

Das auch gegenwärtig noch mit einer hohen Letalität behaftete Krankheitsbild des akuten Lungenversagens (ARDS) wird heutzutage mit einer Vielzahl von einzelnen oder kombinierten Therapieansätzen wie drucklimitierter Beatmung mit PEEP, permissiver Hyperkapnie, ECMO oder NO-Inhalation behandelt. Die partielle Flüssigkeitsbeatmung (PLV) mit PFC, ein tierexperimenteller und vereinzelt am Patienten erprobter Therapieansatz, wurde in dieser Studie in Kombination mit additiver NO-Inhalation zur Behandlung des ARDS evaluiert. Bei 12 Schweinen wurde mittels saliner Lungenlavagen ein akutes Lungenversagen (ALI) induziert und eine PLV mit 30 ml PFC/kgKG initiiert. Im Anschluß wurden - jeweils zwischen zwei Kontrollphasen - 1 und 10 ppm NO dem Inspirationsgas zugemischt. Bezüglich der Effekte auf das Gesamtkollektiv kam es unter PLV zu einem signifikanten Anstieg des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes, des pulmonalarteriellen und des arteriellen Mitteldruckes, des arteriellen Sauerstoffgehaltes, des arteriellen Kohlendioxidgehaltes und der arteriellen Sauerstoffsättigung des Hämoglobins. Signifikant gesenkt wurden die venöse Beimischung und das Herzzeitvolumen. Die additive NO-Therapie bewirkte bezogen auf das Gesamtkollektiv lediglich zwei signifikante Veränderungen; so wurde die venöse Beimischung unter 10 ppm NO signifikant gesenkt und der inspiratorische Spitzendruck stieg bei den letzten drei Meßzeitpunkten signifikant an. Alle übrigen untersuchten Parameter änderten sich innerhalb des Gesamtkollektives nicht signifikant. Bei Betrachtung der einzelnen Tiere fiel auf, daß 7 Tiere mit einer deutlichen Verbesserung des Gasaustausches unter PLV reagierten (Responder) und 5 Tiere diese Optimierung nicht zeigten (Nonresponder). So stiegen bei den Tieren der Responder-Gruppe der arterielle Sauerstoffpartialdruck, Sauerstoffgehalt und die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins sowie der pulmonalarterielle Mitteldruck signifikant an; die venöse Beimischung fiel signifikant ab. Bei den Nonrespondern stieg der pulmonalarterielle Mitteldruck signifikant und deutlich stärker als bei den Respondern an, der Gasaustausch blieb unverändert schlecht. Bei den Tieren der Responder-Gruppe führten die NO-Gaben zu einer weiteren, abermals signifikanten Steigerung des arteriellen Sauerstoffpartialdruckes sowie zu einer signifikanten Senkung des pulmonalarteriellen Mitteldruckes unter 10 ppm NO. In der Nonresponder-Gruppe kam es unter den NO-Inhalationen zu keinen Veränderungen, die signifikant waren. Alle weiteren Parameter zeigten in den beiden Untergruppen keine signifikanten Veränderungen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die partielle Flüssigkeitsbeatmung nicht bei allen Tieren mit lavageinduziertem Lungenversagen die arterielle Oxygenierung bessert. Eine additive NO-Inhalation verbessert jedoch bei den Tieren, die unter PLV einen Anstieg des PaO2 zeigen, den Gasaustausch und reduziert die pulmonale Hypertension. Somit ermöglicht die Kombination zweier experimenteller Therapieansätze - partielle Flüssigkeitsbeatmung und additive NO-Inhalation - ein neues, vielversprechendes therapeutisches Konzept. Allerdings erscheinen weitere Untersuchungen notwendig, um mehr über Wechselwirkungen mit anderen Organsystemen, chemische Reaktionen der beiden Substanzen sowie über Kurz- und Langzeitnebenwirkungen dieses kombinierten Therapieansatzes herauszufinden. / Background: Partial liquid ventilation (PLV) can improve PaO2 and pulmonary arterial pressure (PAP) in acute lung injury (ALI). To determine whether NO can further augment this effect we combined PLV and NO in a saline lung lavage model of ALI. Methods: ALI was induced in twelve pigs (25±5kg BW). After instillation of FC 3280®, 1 and 10 ppm NO were administered for 20 minutes each (on-phase), interrupted by 20 minutes without NO inhalation (off-phase). Changes due to NO were calculated as the difference between the on-phase values and the mean of the off-phase values. Results: Following PLV PaO2 increased from 52.1±16.9 mmHg to 134.7±107.8 mmHg (P£ 0.05). Subsequent inhalation of NO led to a significant improvement in PaO2 only in 7 animals who had responded to PLV with an increase in PaO2 ³ 25 mmHg (responder - 1 ppm NO: 181.4±110.5 mmHg vs. 217.5±123.8 mmHg, P£ 0.05; 10 ppm NO: 160.4±115.4 mmHg vs. 209.5±110.9 mmHg, P£ 0.05). Mean PAP increased from 24.8±5.1 mmHg to 32.0±7.4 mmHg (P£ 0.05) following initiation of PLV and decreased during inhalation of both NO doses (1 ppm NO: 32.4±6.8 mmHg vs.30.6±6.0; 10 ppm NO: 34.3±6.8 mmHg vs. 30.0±6.8 mmHg) with a significant improvement only after inhalation of 10 ppm NO when analyzing the responder group separately. Conclusions: PLV may not always improve PaO2 in ALI. Additional inhalation of NO can decrease PAP and further increase oxygenation in animals which demonstrated an improvement in PaO2 with PLV alone.

Die Untersuchung organspezifischer Funktionsstörungen erlangt zunehmende Bedeutung für die moderne Intensivmedizin. Das akute Lungenversagen gehört dabei zu den wichtigsten Vitalfunktionsstörungen. Besonders bei entzündlichen Lungenschädigungen kann es zu Veränderungen des pulmonalen Sauerstoffmetabolismus kommen. In der vorliegenden klinischen Untersuchung sollte geprüft werden, ob der intrapulmonale Sauerstoffverbrauch durch methodenbedingte Unterschiede bei der Bestimmung des globalen Sauerstoffverbrauchs des Organismus, zwischen der indirekten Kalorimetrie und dem Fick´schen-Prinzip, repräsentiert wird und ob es beim akuten Lungenversagen zu einer Erhöhung des intrapulmonalen Sauerstoffverbrauchs kommt bzw. inwieweit diese Veränderungen von der Genese der akuten Lungenschädigung (ALI, ARDS, Pneumonie) abhängig sind. Darüberhinaus wurde geprüft, ob es einen Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der pneumonischen Infiltrate und dem intrapulmonalen Sauerstoffverbrauch gibt und ob Korrelationen zu funktionellen Größen wie alveolär-arterielle Sauerstoffgehaltsdifferenz (AaDO2), intrapulmonaler Shunt (QS/QT), transpulmonaler Laktat- bzw. Glukosefluß, Differentialzytologie in der BAL-Flüssigkeit (Bronchoalveoläre Lavage) und Lungenschädigungs-Score (Murray) bestehen. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Untersuchung wurden die Verfahren zur Bestimmung des intrapulmonalen Sauerstoffverbrauchs und zur Ermittlung der transpulmonalen Gradienten für Laktat und Glukose bei lungengesunden Patienten evaluiert. Auf diese Weise sollte die Reproduzierbarkeit der genannten Meßverfahren geprüft werden. Gegenstand des zweiten Untersuchungsabschnittes waren Art und Ausmaß der pulmonalen Stoffwechselveränderungen bei Patienten mit akutem Lungenversagen sowie deren ungeklärte diagnostische und prognostische Bedeutung. Anhand der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, daß der intrapulmonale Sauerstoffverbrauch sowohl bei Lungengesunden als auch bei Patienten mit akutem Lungenversagen durch den methodenbedingten Unterschied zwischen der indirekten Kalorimetrie und dem Fick´schen-Prinzip repräsentiert wird. Bei einer vorliegenden Infektion des Lungenparenchyms (Pneumonie) kam es zu einer hochsignifikannten (p / The examination of specific organ dysfunctions are of increasing importance for the modern intensive care medicine. The acute lung injury is one of the most frequent impairments in organ function in critically ill patients. Pulmonary oxygen consumption (VO2 pulm) is believed to be increased in patients with acute lung injury. In the present study, VO2 pulm was estimated in both patients with and without impaired lung function from the difference between total oxygen consumption measured by indirect calorimetry (VO2 cal) and oxygen consumption assessed by the reverse Fick method (VO2 Fick). In addition VO2 pulm was correlated to various parameters of impaired lung function. To assess the metabolic function of the lung, arterial-mixed venous concentration differences of lactate and glucose were determined and transpulmonary lactate flux as well as glucose flux was calculated. For within-patient measurements of VO2 pulm, a sufficient reproducibility was achieved for patients with as well as without impaired lung function. Compared to VO2 pulm in patients without lung infection (pneumonia), VO2 pulm was significantly increased in patients with pneumonia (p

Bei Patienten mit einem akuten Lungenversagen (ALI oder ARDS) ist der Sauerstoffverbrauch der Lunge (VO2pulm) durch pathophysiologische Prozesse insbesondere die Ausbildung von Atelektasen stark beeinträchtigt. Aufgrund der Annahme, dass eine Steigerung der Anzahl ventilierter Lungenareale zu einer Erhöhung des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs führt, haben wir den Einfluss eines definierten Rekrutierungsmanövers (PEEP/PEAK + 10 cmH2O) auf den pulmonalen Sauerstoffverbrauch (VO2pulm), pulmonalen kapillären Blutfluss (PCBF), der den nicht geshunteten Anteil am HZV darstellt, und den transpulmonalen Shunt (Qs/Qt) untersucht. In der vorliegenden Studie wurde der VO2pulm als Differenz zwischen dem Sauerstoffverbrauch des gesamten Körpers, gemessen über die indirekte Kalorimetrie (VO2cal), und dem über das inverse Fick`sche Prinzip errechneten Sauerstoffverbrauch (VO2Fick) bestimmt. Im Rahmen einer klinisch-prospektiven Studie konnten nach Annahme des Studienprotokolls durch die zuständige Ethikkommission 13 beatmete Patienten, welche die Consensus-Kriterien eines ALI oder ARDS erfüllten, eingeschlossen werden. Nach Sicherstellung einer adäquaten Volumensituation und Messung der Ausgangsparameter wurde der PEEP um 10 cmH2O erhöht. Um ein stabiles Atemzugvolumen (VT 6-8 ml/kgKG) und damit gleichbleibende Bedingungen für die alveoläre Ventilation bis auf das von uns durchgeführte Rekrutierungsmanöver zu gewährleisten, wurde zeitgleich der Spitzendruck ebenfalls um 10 cmH2O erhöht. Nach 15 und 60 min wurden die Zieldeterminanten pulmonaler Sauerstoffverbrauch (VO2pulm), PCBF und transpulmonaler Shunt erneut bestimmt. Die Messung der indirekten Kalorimetrie (VO2cal) wurde mit dem Deltatrac TM, MBM 200® durchgeführt, VO2Fick über die Thermodilutionsmethode ermittelt, die partielle CO2-Rückatmungsmethode (David®) zur Bestimmung des PCBF genutzt und der transpulmonale Shunt (Qs/Qt) mittels der Formel nach BERGGREN berechnet. Die statistische Auswertung der Daten erfolgte mittels T-Tests für gepaarte Stichproben. Nach dem Manöver konnte eine signifikante Steigerung des PCBF von 4,44 ± 1,15 l/min auf 5,4 ± 1,68 l/min nach 15 min, respektive 5,12 ± 1,67 l/min nach 60 min nachgewiesen werden (p<0,025). Dieser Anstieg wurde von einer signifikanten Reduktion des transpulmonalen Shunts (Qs/Qt) von 0,24 ± 0,08 auf 0,16 ± 0,07 nach 15 min und 0,16 ± 0,07 nach 60 min begleitet (p<0,005). Diese Veränderungen der pulmonalen Hämodynamik gehen mit statistisch relevanten Verbesserungen der Oxygenierung sowie der Atemmechanik einher. Eine signifikante Steigerung des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs konnte für die gesamte Studienpopulation nicht festgestellt werden. In dieser Untersuchung steigt der Sauerstoffverbrauch der Lunge deskriptiv von baseline 10,1 +/- 30,59 ml/min über 11,42 +/- 27,42 ml/min nach 15 min, respektive auf 28,69 +/- 56,75 ml/min nach 60 min an. Die signifikante Steigerung des pulmonal-kapillären Blutflusses und die konsekutive Reduktion des transpulmonalen Shunts schon 15 min nach dem Manöver impliziert einen Anstieg der an der alveolären Ventilation teilnehmenden alveolokapillären Einheiten, was einer Rekrutierung von vorher atelektatischen Lungenabschnitten entspricht. Insbesondere bei ARDS-Patienten und Respondern konnten Rekrutierungs-induzierte Veränderungen detektiert werden, wohingegen die Patienten mit ALI oder Nonresponder keinerlei statistische Unterschiede während der Intervention zeigten. Trotz stattgefundener Wiederbelüftung von Atelektasen konnte ein statistisch relevanter Unterschied bezüglich des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs durch das Rekrutierungsmanöver für die gesamte Studienpopulation nicht festgestellt werden.

Bei Patienten mit einem akuten Lungenversagen (ALI oder ARDS) ist der Sauerstoffverbrauch der Lunge (VO2pulm) durch pathophysiologische Prozesse insbesondere die Ausbildung von Atelektasen stark beeinträchtigt. Aufgrund der Annahme, dass eine Steigerung der Anzahl ventilierter Lungenareale zu einer Erhöhung des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs führt, haben wir den Einfluss eines definierten Rekrutierungsmanövers (PEEP/PEAK + 10 cmH2O) auf den pulmonalen Sauerstoffverbrauch (VO2pulm), pulmonalen kapillären Blutfluss (PCBF), der den nicht geshunteten Anteil am HZV darstellt, und den transpulmonalen Shunt (Qs/Qt) untersucht. In der vorliegenden Studie wurde der VO2pulm als Differenz zwischen dem Sauerstoffverbrauch des gesamten Körpers, gemessen über die indirekte Kalorimetrie (VO2cal), und dem über das inverse Fick`sche Prinzip errechneten Sauerstoffverbrauch (VO2Fick) bestimmt. Im Rahmen einer klinisch-prospektiven Studie konnten nach Annahme des Studienprotokolls durch die zuständige Ethikkommission 13 beatmete Patienten, welche die Consensus-Kriterien eines ALI oder ARDS erfüllten, eingeschlossen werden. Nach Sicherstellung einer adäquaten Volumensituation und Messung der Ausgangsparameter wurde der PEEP um 10 cmH2O erhöht. Um ein stabiles Atemzugvolumen (VT 6-8 ml/kgKG) und damit gleichbleibende Bedingungen für die alveoläre Ventilation bis auf das von uns durchgeführte Rekrutierungsmanöver zu gewährleisten, wurde zeitgleich der Spitzendruck ebenfalls um 10 cmH2O erhöht. Nach 15 und 60 min wurden die Zieldeterminanten pulmonaler Sauerstoffverbrauch (VO2pulm), PCBF und transpulmonaler Shunt erneut bestimmt. Die Messung der indirekten Kalorimetrie (VO2cal) wurde mit dem Deltatrac TM, MBM 200® durchgeführt, VO2Fick über die Thermodilutionsmethode ermittelt, die partielle CO2-Rückatmungsmethode (David®) zur Bestimmung des PCBF genutzt und der transpulmonale Shunt (Qs/Qt) mittels der Formel nach BERGGREN berechnet. Die statistische Auswertung der Daten erfolgte mittels T-Tests für gepaarte Stichproben. Nach dem Manöver konnte eine signifikante Steigerung des PCBF von 4,44 ± 1,15 l/min auf 5,4 ± 1,68 l/min nach 15 min, respektive 5,12 ± 1,67 l/min nach 60 min nachgewiesen werden (p<0,025). Dieser Anstieg wurde von einer signifikanten Reduktion des transpulmonalen Shunts (Qs/Qt) von 0,24 ± 0,08 auf 0,16 ± 0,07 nach 15 min und 0,16 ± 0,07 nach 60 min begleitet (p<0,005). Diese Veränderungen der pulmonalen Hämodynamik gehen mit statistisch relevanten Verbesserungen der Oxygenierung sowie der Atemmechanik einher. Eine signifikante Steigerung des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs konnte für die gesamte Studienpopulation nicht festgestellt werden. In dieser Untersuchung steigt der Sauerstoffverbrauch der Lunge deskriptiv von baseline 10,1 +/- 30,59 ml/min über 11,42 +/- 27,42 ml/min nach 15 min, respektive auf 28,69 +/- 56,75 ml/min nach 60 min an. Die signifikante Steigerung des pulmonal-kapillären Blutflusses und die konsekutive Reduktion des transpulmonalen Shunts schon 15 min nach dem Manöver impliziert einen Anstieg der an der alveolären Ventilation teilnehmenden alveolokapillären Einheiten, was einer Rekrutierung von vorher atelektatischen Lungenabschnitten entspricht. Insbesondere bei ARDS-Patienten und Respondern konnten Rekrutierungs-induzierte Veränderungen detektiert werden, wohingegen die Patienten mit ALI oder Nonresponder keinerlei statistische Unterschiede während der Intervention zeigten. Trotz stattgefundener Wiederbelüftung von Atelektasen konnte ein statistisch relevanter Unterschied bezüglich des pulmonalen Sauerstoffverbrauchs durch das Rekrutierungsmanöver für die gesamte Studienpopulation nicht festgestellt werden.

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.

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.