Experimentelle und numerische Untersuchung strömungsinduzierter Belastung durch Schubspannungen am Epithel in pulmonalen Alveolen unter Berücksichtigung der Kopplung zwischen Struktur, alveolärer Flüssigkeit und Atemluft

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Nikolaus Andreas Adams; Professorin Dr. Thea Koch
• Subject Area: Fluid Mechanics ; Medical Physics, Biomedical Technology
• Term: from 2005 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 13062145

• Final Report Year: 2012

Final Report Abstract

Das Verständnis über die Funktion der Lunge unter normalen und krankhaften Bedingungen ist trotz aller Fortschritte im Bereich der medizinischen Bildgebung immer noch lückenhaft. Dies gilt insbesondere für Vorgänge auf der Größenskala der Alveolen, da die etablierten Bildgebungsverfahren entweder eine zu geringe Auflösung erreichen oder für eine dreidimensionale Darstellung der dynamischen Veränderungen des Lungengewebes nicht geeignet sind. Die unzureichende Kenntnis über diese Vorgänge macht die Entwicklung von behutsamen oder protektiven Beatmungsstrategien schwierig, da nicht kurzzeitige Erfolge, etwa in Form einer besseren Oxygenierung, wichtig sind, sondern das langfristige Ziel, eine höhere Überlebensrate der Patienten zu sichern, bisher aufwendige multizentrische klinische Studien erfordert. Um zielgerichteter protektive Beatmung entwickeln zu können, streben wir ein besseres Verständnis der Lungenfunktion auf alveolärem Niveau an, um dann in Computermodellen Strategien entwickeln zu können. Gleichzeitig sind für solche Modelle Informationen über zellschädigende Mechanismen notwendig. Deshalb werden Lungenzellen in Kultur dem Stress durch Strömung und Dehnung ausgesetzt, der bei Beatmung in der Lunge zu erwarten ist, und ihre Antwort in Form der Ausschüttung von Entzündungsmarkern wird beobachtet. Um neue Informationen über die dynamischen Veränderungen in der Lunge zu erhalten, wurde im Rahmen dieses Projektes nicht nur die Optische Kohärenztomografie (OCT) auf dem Gebiet der alveolären Bildgebung etabliert, sondern auch neue Erkenntnisse über das Verhalten der Alveolen während der mechanischen Beatmung erzielt. Zu Beginn der Förderphase wurde die OCT zur Bildgebung an isolierten Lungen eingesetzt, wobei eine dreidimensionale OCT-Bildgebung nur an fixierten Organen möglich war. Durch die stetige Weiterentwicklung der OCT, insbesondere der Aufnahmegeschwindigkeiten, ist jetzt eine 4D (3D + Zeit) Bildgebung von Lungengewebe möglich. Die Entwicklung neuartiger Tiermodelle erlaubte es, das alveoläre Verhalten während mechanischer Beatmung in vivo dynamisch in drei Dimensionen zu erfassen. Die 4D Bildgebung in vivo von Lungengewebe auf alveolärer Ebene stellt ein Novum auf dem Gebiet der Lungenbildgebung dar, da es zum Zeitpunkt der Antragstellung keine Bildgebungsmethode gab, welche diese Untersuchungen zuließ. Für die Quantifizierung der alveolären Geometrie- bzw. Volumenveränderungen wurden sowohl isolierte Lungen als auch in vivo Tiermodelle eingesetzt. Die Bildgebung an isolierten Lungen ist experimentell einfacher, da eine ausreichende Oxygenierung auch bei geringer Dynamik sichergestellt werden kann, entspricht aber, wegen des fehlenden Thorax und fehlender anderer physiologischer Prozesse, nicht der in vivo Situation. Die Dynamik der Alveolen wurde während mechanischer Beatmung einerseits in gesunden und andererseits in geschädigten Lungen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass es zu einer erheblichen Volumenzunahme der Alveolen mit steigendem Beatmungsdruck kommt. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Elastizität des Lungengewebes in geschädigten Lungen deutlich geringer ist, was einer Versteifung der Lunge gleichkommt und einen dadurch bedingten unzureichenden Gasaustausch bewirkt. Die gewonnenen Daten wurden genutzt, um die Compliance einzelner Alveolen zu berechnen. Aus diesen Ergebnissen folgt, dass die Compliance der Alveolen einen ganz wesentlichen Bestandteil der Compliance der Lunge darstellt. Die mechanische Beatmung induziert im Alveolarraum mechanischen Stress, der zu einem beatmungsinduzierten Lungenschaden führen kann, deshalb wurde bei den Experimenten im Rahmen dieses Projektes besonderes Augenmerk auf die Geometrieveränderung der Alveolen während der mechanischen Beatmung gelegt. Aus den alveolären Geometrieveränderungen kann zum einen der auf die Epithelzellen wirkende mechanische Stress in Form einer Dehnung der Basalmembran bestimmt werden und zum anderen können daraus die durch den Gasstrom bedingten Scherkräfte berechnet werden. Die Kenntnisse über den mechanischen Stress für Zellen in der Lunge wurden auf ein Experiment in der Zellkultur (Prinzipexperiment) übertragen. Dieses Prinzipexperiment ergibt genaueren Aufschluss über die zellphysiologischen Vorgänge verursacht durch den induzierten mechanischen Stress in den Zellen. Die Ergebnisse dieses Prinzipexperiments zeigen erstmals eine scherkraftabhängige Zytokinfreisetzung an unterschiedlichen Linien alveolärer Epithelzellen, die zu der Entstehung des beatmungsinduzierten Lungenschadens beitragen und für die zukünftige Entwicklung protektiver Beatmungsformen wichtig sind. Die Kombination der OCT mit der Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht es, neben den Informationen über die Volumenänderungen, auch Informationen über das Verhalten der elastischen Fasern im Lungenparenchym zu generieren. Diese Information erleichtert das Erstellen von Computermodellen der Lunge und erlaubt den Vergleich zwischen experimentellen und berechneten Deformationen der Lunge. Die neuen Ergebnisse werden dazu beitragen die mechanische Beatmung weiter zu verbessern. Die gezeigten Ergebnisse unterstützen die Entwicklung protektiver Beatmungsformen, welche den mechanischen Stress im Alveolarraum verringern und somit die Beatmung für den Patienten schonender gestalten. Ziel der zukünftigen Arbeiten ist es, aufbauend auf den Erfahrungen und Ergebnissen des DFG-Verbundprojektes „Protective Artificial Respiration (PAR)", die Kenntnisse über die Lungenmechanik und -dynamik auf alveolärer Ebene zu erhöhen. Die Schwerpunkte liegen einerseits auf der detaillierten Charakterisierung alveolärer Geometrieveränderungen und fluiddynamischer Parameter mittels Bildgebung und andererseits auf der makroskopischen Erfassung der Lungenparameter durch Lungenfunktionsmessungen. Beide Schwerpunkte sollen für gesundes und geschädigtes Lungengewebe während der mechanischen Beatmung verfolgt werden. Dabei wird untersucht, inwieweit die extrapolierten mikroskopischen Parameter (Resistance und Compliance des Alveolargewebes) mit den makroskopischen Parametern (Resistance und Compliance der Lunge) korrelieren. Die im Rahmen des Projektes gewonnenen Erkenntnisse über die Lungendynamik während der mechanischen Beatmung können genutzt werden, um die mechanische Beatmung weiter zu optimieren. Die mechanische Beatmung muss einerseits so gestaltet werden, dass die Beatmung selbst kein Lungenversagen hervorruft und andererseits geschädigte Lungenareale nicht noch weiter geschädigt werden. Die hier gewonnenen Erkenntnisse über die alveoläre Dynamik werden genutzt, um den Zellstress während der Atmung zu berechnen. Die Aussagen über den Zellstress während der mechanischen Beatmung können helfen, die Beatmung noch schonender für den Patienten zu gestalten. Die gewonnenen Informationen über die alveoläre Dynamik und die elastischen Eigenschaften des Lungengewebes dienen als Eingangsgrößen für numerische Lungenmodelle. Derartige Modelle ermöglichen neue protektive Beatmungsstrategien zu erproben und zu optimieren.

Publications

• „Determination of Alveolar Geometry by Optical Coherence Tomography to Develop a Numerical Model of the Fluid Dynamics In the Pulmonary Acinus," in Proceedings in Physics 114: Advances in Medical Engineering, Ed.: T.M. Buzug, D. Holz, S. Weber, J. Bongartz, M. Kohl-Bareis, U. Hartmann, Springer, Berlin, 337 - 342 (2007)
  S. Meißner, A. Krüger, M. Wendel, L. Knels, A. Heller, T. Koch, and E. Koch
  
• "Automatic Lung Segmentation of Helical-CT Scans in Experimental Induced Lung Injury", IFMBE Proceedings (22), S. 764 - 767 (2008)
  M. Cuevas, P.M. Spieth, A.R. Carvalho, M. Gama de Abreu, E. Koch
  
• „Innovative Anwendungen der Optischen Kohärenztomografie", In XXII. Messtechnisches Symposium, Ed.: J. Czarske, Shaker Verlag, Aachen, S. 239-250 (2008)
  S. Meißner, G. Müller, L. Knels, J. Walther, M. Mehner, A. Krüger, M. Cuevas, M. Wendel, M. Mertens, A. Tabuchi, W. M. Kübler, H. Morawietz, E. Koch
  
• "Improved 3D Fourier Domain Optical Coherence Tomography by index matching in alveolar structures". Journal of Biomedical Optics, 14(6), 064037 (2009)
  S. Meissner, L. Knels, E. Koch
  
• „Alveolar dynamics in acute lung injury: heterogeneous distension rather than cyclic opening and collapse", Crit Care Med, Vol. 37 {9), S. 2604-11 (2009)
  M. Mertens, A. Tabuchi, S. Meißner, A. Krüger, U. Kertzscher, A.R. Pries, K. Affeld, E. Koch, W.M. Kübler
  
• „Comparison of two in vivo microscopy techniques to visualize alveolar mechanics," J Clin Monit Comput, 23(5), 5. 323-32 (2009)
  J. Bickenbach, R. Dembinski, M. Czaplik, S. Meissner, A. Tabuchi, M. Mertens, L Knels, W. Schroeder, P. Pelosi, E. Koch, W.M. Kuebler, R. Rossaint, R. Kuhlen
  
• „Simultaneous 3D optical coherence tomography and intravital microscopy for imaging subpleural pulmonary alveoli in isolated rabbit lungs". Journal of Biomedical Optics 14(5), 054020 (2009)
  S. Meissner, L Knels, A. Krueger, T. Koch, E. Koch
  
• "3D FD-OCT in vivo imaging of alveolar tissue in the intact thorax using the parietal pleura as window". Journal of Biomedical Optics, 15(1), 016030 (2010)
  S. Meissner, L. Knels, C. Schnabel, T. Koch, E. Koch
  
• "Regional lung aeration and ventilation during pressure support and biphasic positive airway pressure ventilation in experimental lung injury" Critical Care 6;14(2):R34 (2010)
  M. Gama de Abreu, M. Cuevas, P. M. Spieth, A. R. Carvalho, V. Hietschold, C. Stroszczynski, B. Wiedemann, T. Koch, P. Pelosi and E. Koch
  
• "Virtual 4D imaging of lung parenchyma by optical coherence tomography in mice", J of Biomed Opt, 15(3), 036016 (2010)
  S. Meissner, A. Tabuchi, W. M. Kuebler, E. Koch
  
• Anordnung zur Aufteilung von Strahlenbündeln für ein Interferometer zur Bildgebung an stark streuenden Proben geringer Reflexion. DE 10 2007 054 283 (erteilt am 02.09.2010)
  Edmund Koch, Alexander Krüger, Mirko Mehner, Sven Meißner
  
• „Experimentelle und numerische Untersuchung strömungsinduzierter Spannungen an der Grenzfläche Alveolarepithel-Surfactant-Luft; Teilprojekt: Simultane Optische Kohärenztomografie und Laser Scanning Konfokalmikroskopie zur strukturellen Untersuchung der Lunge", In Dresdner Beiträge zur Medizintechnik: 3. Dresdner Medizintechnik-Symposium, J. Füssel, E. Koch, H. Malberg ed., TUDpress, Dresden, S. 65 - 70 (2010)
  M. Gaertner, P. Cimalla, S. Meissner, L. Knels, E. Koch
  
• "Experimental and numerical investigation on the flow induced stresses on the alveolar-epithelial air interface". Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidlsclplinary Design: Fundamental Medical and Engineering Investigations on Protective Artificial Respiration, Vol. 116, M. Klaas, E. Koch, W. Schröder (Eds.), Springer-Verlag, S. 67 - 80 (2011)
  S. Meissner, L Knels, S. Adami, X.Y. Hu, T. Koch, N.A. Adams, E. Koch
  
• "Improved OCT imaging of lung tissue using a prototype for total liquid ventilation". Proceedings of SPIE 8091, 809116, (2011)
  C. Schnabel, S. Meissner, E. Koch
  
• "Investigation of alveolar tissue deformations using OCT combined with fluorescence microscopy". Proceedings of SPIE 8091, 80911P (2011)
  M. Gaertner, P. Cimalla, L. Knels, S. Meissner, C. Schnabel, W. M. Kuebler, E. Koch
  
• "Methods for quantitative evaluation of alveolar structure during in vivo microscopy". Respiratory Physiology & Neurobiology, 176 (3), S. 123-129 (2011)
  M. Czaplik, J. Bickenbach, E. Koch, A. Fahlenkamp, W.M. Kübler, P. Pelosi, R. Roissant
  
• "Optical coherence tomography for imaging of subpleural alveolar structure using a Fourier domain mode locked laser". Proceedings of SPIE 8091, 809118 (2011)
  L. Kirsten, J. Walther, P. Cimalla, M. Gaertner, S. Meissner, E. Koch
  
• „Intravital microscopy of subpleural alveoli via trans-thoracic endoscopy", J Biomed Opt, 16(4), 046002 (2011)
  D. Schwenninger, H. Ruck, S. Schumann, J. Haberstroh, S. Meissner, E. Koch, J. Guttmann
  
• „Optical coherence tomography and confocal fluorescence microscopy as a combined method for studying morphological changes in lung dynamics", Proceedings of SPIE 7893, 789312 (2011)
  M. Gaertner, P. Cimalla, L. Knels, S. Meissner, C. Schnabel, W.M. Kuebler, E. Koch