Zusammenfassung der Habilitationsschrift von Dr. rer. nat. Julia Hentschel mit dem Titel: „Die Bedeutung der oberen Atemwege bei zystischer Fibrose – Pathomechanismen, Monitoring und Therapie“, Universität Leipzig Lange Jahre standen rezidivierende Infekte der Lunge und Gedeihstörung durch Maldigestion als lebensbegrenzende Symptome eines Patienten mit Mukoviszidose (Cystische Fibrose/CF) im Vordergrund. Das Hauptaugenmerk in der Diagnostik und Therapie von CF-Patienten lag daher zumeist auf den unteren Atemwegen bzw. dem Verdauungstrakt. Verbesserte Therapiemöglichkeiten und eine erhebliche Steigerung der Lebenserwartung brachten andere Symptome in den klinischen und wissenschaftlichen Fokus. Seit 2005 untersuchen wir systematisch die Rolle der oberen Atemwege bei Patienten mit CF, indem wir bei jeder Routinevorstellung Material der oberen Atemwege nicht-invasiv gewinnen, analysieren und asservieren. Wir konnten Methoden etablieren, um nasale Lavagen mit wenig Aufwand auch für große Studien einfach und schnell zu gewinnen und zu asservieren. Wir konnten zeigen, dass sich diese nasalen Lavagen eignen, um eine Besiedlung mit Pathogenen zu erfassen und die resultierende inflammatorische Wirtsantwort zu untersuchen. Wir konnten erstmals beweisen, dass die oberen Atemwege ein Keimreservoir darstellen und von dort aus Keime die Lunge (wieder) besiedeln können. Dies fand Eingang in aktuelle Leitlinien zur Mukoviszidosebetreuung und Lungentransplantation und hat Einfluss auf den Erfolg dieses ohnehin schon stark risikobehafteten Eingriffs. CF ist eine Erkrankung, bei der häufig eine überschießende Entzündungsreaktion beobachtet wird. Unsere Studien legten dabei den Schluss nahe, dass in den oberen Atemwegen andere Imbalancen eine Rolle spielen als in den unteren Atemwegen und sich daraus auch unterschiedliche therapeutische Ansätze ergeben könnten. Weiterhin konnten wir verdeutlichen, dass sich auch der Einfluss therapeutischer Interventionen in den Inflammationsmediatoren der oberen Atemwege widerspiegelt. Eine wichtige Erkenntnis daraus war, dass v.a. systemische Antibiosen deutlich langsamer und/oder schlechter in den Nasennebenhöhlen und den oberen Atemwegen wirken als auf die unteren und dass hier ein Umdenken in der antibiotischen Therapie der oberen Atemwege erfolgen muss. Unsere Studien beweisen einmal mehr das Kontinuum der Atemwege von der Nasenspitze über die paranasalen Sinus bis in die distalen Alveolen und dass ein gutes Therapiekonzept immer das große Ganze im Blick haben sollte. Schlussendlich stellt die CF hier ein Modellsystem dar. Viele unserer Erkenntnisse können auch Nicht-CF-Patienten mit Erkrankungen der oberen Atemwege zugutekommen.

Referat: Starre und flexible Endoskopien gehören heutzutage zu den Standarduntersuchungen in der HNO-Heilkunde. Mit der Weiterentwicklung und vermehrten Anwendung von TLM (transoral surgery) und TORS (transoral robotic surgery), gewinnt die präoperative Vermessung von Befunden an Wichtigkeit. Trotz mehrerer wissenschaftlicher Studien konnte bisher noch keine befriedigende standardisierte Methode zur endoskopischen Vermessung der oberen Atemwege gefunden werden. Bisher ließen optische und technische Umstände eine objektive endoskopische Vermessung nicht zu. Ziel dieser Studie ist es, transorale Vermessungen mittels Multipoint-Laser-Endoskop auf Genauigkeit und Anwendbarkeit zu überprüfen. In der vorliegenden Studie wurde ein Multipoint-Laser-Endoskop verwendet, das 49 Laserpunkte (Wellenlänge 639 nm, Leistung < 5 mW) in die optische Achse des Endoskopbildes projiziert. Durch die Erstellung eines 3D-Koordinatensystems können im Endoskopbild sowohl Strecken-, als auch Tiefen- und Flächenmessungen in Echtzeit vorgenommen werden. Nach einem Modellversuch erfolgten endoskopische Vermessungen an neun Leichenpräparaten im Bereich von Larynx und Trachea, die im Anschluss mit CT-Vermessungen verglichen wurden. Sieben der neun Leichenpräparate konnten für die Auswertung genutzt werden. Dabei ergab sich ein optimaler Messabstand von Endoskopspitze zu untersuchtem Objekt von 5-6 cm. Der durchschnittliche Messfehler lag bei 3.26 % ± 2.53 %. Der Vergleich mit den CT-Vermessungen ergab hervorragende Spearman-Korrelationskoeffizienten von 0.95 (p = 0.01) für die Larynxvermessung und 0.93 (p < 0.01) für die Trachealvermessung. Zusammenfassend lässt sich die Multipoint-Laser-Vermessung als eine vielversprechende Methode für den täglichen Einsatz in der diagnostischen und chirurgischen HNO einschätzen.

Referat: Starre und flexible Endoskopien gehören heutzutage zu den Standarduntersuchungen in der HNO-Heilkunde. Mit der Weiterentwicklung und vermehrten Anwendung von TLM (transoral surgery) und TORS (transoral robotic surgery), gewinnt die präoperative Vermessung von Befunden an Wichtigkeit. Trotz mehrerer wissenschaftlicher Studien konnte bisher noch keine befriedigende standardisierte Methode zur endoskopischen Vermessung der oberen Atemwege gefunden werden. Bisher ließen optische und technische Umstände eine objektive endoskopische Vermessung nicht zu. Ziel dieser Studie ist es, transorale Vermessungen mittels Multipoint-Laser-Endoskop auf Genauigkeit und Anwendbarkeit zu überprüfen. In der vorliegenden Studie wurde ein Multipoint-Laser-Endoskop verwendet, das 49 Laserpunkte (Wellenlänge 639 nm, Leistung < 5 mW) in die optische Achse des Endoskopbildes projiziert. Durch die Erstellung eines 3D-Koordinatensystems können im Endoskopbild sowohl Strecken-, als auch Tiefen- und Flächenmessungen in Echtzeit vorgenommen werden. Nach einem Modellversuch erfolgten endoskopische Vermessungen an neun Leichenpräparaten im Bereich von Larynx und Trachea, die im Anschluss mit CT-Vermessungen verglichen wurden. Sieben der neun Leichenpräparate konnten für die Auswertung genutzt werden. Dabei ergab sich ein optimaler Messabstand von Endoskopspitze zu untersuchtem Objekt von 5-6 cm. Der durchschnittliche Messfehler lag bei 3.26 % ± 2.53 %. Der Vergleich mit den CT-Vermessungen ergab hervorragende Spearman-Korrelationskoeffizienten von 0.95 (p = 0.01) für die Larynxvermessung und 0.93 (p < 0.01) für die Trachealvermessung. Zusammenfassend lässt sich die Multipoint-Laser-Vermessung als eine vielversprechende Methode für den täglichen Einsatz in der diagnostischen und chirurgischen HNO einschätzen.

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.

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.