Influence of inspiratory and expiratory ventilation patterns on ventilatory associated lung injury

• Applicant: Professor Dr. Stefan Schumann
• Subject Area: Anaesthesiology ; Pneumology, Thoracic Surgery
• Term: from 2014 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 256174044

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Im vorliegenden Projekt wurden verschiedene Beatmungsmuster auf ihre lungenprotektiven Wirkungen in zwei Tiermodellen des akuten Lungenversagens untersucht. Dabei handelte es sich (Tween-Lavage zur Modellierung einer kollapsiblen Lunge und beatmungsinduzierter Lungenschaden zur Modellierung einer ödematösen Lunge) um zwei Modelle, die sich in ihrem dem Lungenschaden unterliegenden Wirkmechanismus grundlegend unterscheiden. Um diese Versuche durchführen zu können, musste zuerst ein spezielles Kleintierbeatmungsgerät entwickelt werden, welches frei kombinierbare Muster für inspiratorische und exspiratorische Beatmungsverläufe generieren kann. Nach erfolgreicher Entwicklung und intensiver Prüfung dieses Kleintierbeatmungsgerätes durch laborexperimentelle Untersuchungen erfolgten tierexperimentelle Studien mit Kleintieren. Es konnte gezeigt werden, dass bei beiden Schädigungsmodellen (Lavage mit Tween und einem Beatmungsassoziierten Lungenschaden) durch die Beatmung mit den zwei neuartigen Beatmungsmodi – FLEX und Sinus – im Vergleich zu den zwei konventionellen Beatmungsmodi – VCV und PCV – die Auswirkungen der mechanischen Beatmung auf den Lungenschaden signifikant reduziert werden konnten. Dies konnte sowohl mit Analysen atemphysiologischer Daten als auch in histologischen Untersuchungen belegt werden. Zudem war bei den neuartigen Beatmungsmustern der Gasaustausch, d.h. die Oxygenierung aber auch insbesondere die CO2-Elimination, trotz geringerer Beatmungsfrequenzen, signifikant verbessert. Die klinisch nach wie vor höchst relevante Frage nach einer lungenprotektiven Beatmung ist bisher keineswegs beantwortet. Der Ansatz einer Beatmung mit optimierten Beatmungsmustern könnte nach Translation in die Klinik einen Paradigmenwechsel von zentraler Bedeutung für künftige Beatmungsstrategien darstellen.

Publications

• A linearized expiration flow homogenizes the compartmental pressure distribution in a physical model of the inhomogeneous respiratory system. Physiological Measurement 2020 May 7;41(4):045005
  Wenzel C, Frey C, Schmidt J, Lozano-Zahonero S, Schumann S
  
• A novel mechanical ventilator providing flow-controlled expiration for small animals. Laboratory Animals 2020 Feb 19:23677220906857
  Lozano-Zahonero S, Schneider M, Spassov S, Schumann S
  
• Sine ventilation in lung injury models: a new perspective for lung protective ventilation. Scientific Reports 2020 Jul 16;10(1):11690
  Spassov S, Wenzel C, Lozano-Zahonero S, Boycheva D, Streicher L, Schmidt J, Schumann S