Diagnostik und Verlaufskontrolle von Lungenerkrankungen anhand exhalierter Aerosole (Untersuchung des Exhalats)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ausatemluft des Menschen enthält neben gasförmigen Komponenten feinste Mikrotröpfchen. Diese stellen eine auf nicht-invasivem Wege gewinnbare Mikroprobe aus dem Epithelflüssigkeitsfilm des Respirationstraktes dar und sind daher von herausragendem Interesse für die pneumologische Diagnostik. Aufgrund der bislang nur sehr bruchstückhaft verstandenen Prozesse der Aerosolgenerierung und des Aerosoltransports sowie fehlender systematischer Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften exhalierter Aerosole, insbesondere auch für die kranke Lunge, hat bislang keine Untersuchungsmethode, basierend auf den Eigenschaften exhalierter Aerosolen, Eingang in die klinische Routine gefunden. Für die Gewinnung einer Basis für partikelbasierte Diagnostikverfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit stand die Klärung/Beschreibung folgender Aspekte im Vordergrund: Klärung des Mechanismus und Ortes der endogenen Aerosolentstehung; Physikalische Eigenschaften der generierten Aerosole am Entstehungsort; Transport- und Abscheidungsprozesse der generierten Partikel in der Lunge; Partikelkonzentration und -größenspektren im Exhalat in Abhängigkeit von respirationsphysiologischen Kenngrößen und Lungenfunktionsparametern; Krankheitsbedingte Einflüsse auf die Aerosolgenerierung und den Aerosoltransport Reproduzierbarkeit der Messergebnisse; Eignung der physikalischen und biochemischen Eigenschaften der Partikel für diagnostische Zwecke; Optimierung der Sammlung exhalierter Aerosole für nachfolgende Analysen. Zusammenfassend ist es im Rahmen dieser Arbeit über systematische experimentelle und theoretische Untersuchungen gelungen, ein sehr umfassendes qualitatives und quantitatives Verständnis der Prozesse der Aerosolentstehung und des Aerosoltransports in der Lunge zu generieren sowie eine umfangreiche wissenschaftliche Datenbasis zu den Eigenschaften exhalierter Aerosole sowohl für die gesunde als auch die kranke Lunge zu erstellen. Basierend auf der erstmaligen theoretisch-quantitativen Beschreibung der Partikelgröße endogen generierter Aerosole durch die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Ing.-Seume am Institut für Turbomaschinen und Fluiddynamik der Universität Hannover (TFD), sowie der Untersuchung des Aerosoltransports und der Abscheidevorgänge in den Lungenstrukturen während der Exspirationsphase durch die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Ing.-Schröder Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamischen Institut der RWTH Aachen (AIA) wurde insbesondere die zeitaufgelöste Analyse des exhalierten Partikelgrößenspektrums über den individuellen Exhalationsvorgang (Single Breath Analysis, SBA) als potentiell hochsensitives Verfahren für die Früherkennung krankhafter Lungenveränderungen identifiziert. Konkret lassen sich die gemessenen Größenverteilungen (MHH/Fraunhofer ITEM) aus den Simulationsergebnissen zur Partikelgröße der generierten Tröpfchen (TFD) und sedimentationsbedingten Partikelverlusten in den endständig peripheren Lungenstrukturen beim stationären Transport klären. In den oberen Atemwegen findet entsprechend der Simulationsergebnisse des AIA während des Exspirationsvorgangs keine partikelgrößenabhängige Abscheidung der endogen gebildeten Partikel statt. Somit wurden erstmalig die Voraussetzungen für die Weiterentwicklung und Etablierung der Partikelanalyse im Exhalat als nicht-invasives Verfahren für die routinemäßige klinische Diagnostik, sowohl auf Basis der biochemischen als auch insbesondere der physikalischen Eigenschaften, geschaffen. An dieser Stelle ist die Entwicklung eines neuartigen Detektionsverfahrens für exhalierte Aerosole, das die Wasserdampfkondensation aus der bereits mit Wasserdampf gesättigten Ausatemluft für das Partikelwachstum ausnutzt, von herausragender Bedeutung (ITEM). Zusammenfassend ermöglichen erst diese Ergebnisse in Kombination mit der Entwicklung eines einfachen gut handhabbaren Sensors für die Partikelanalyse im Exhalat generieren erstmalig die Voraussetzung für die Etablierung der Partikelanalyse im Exhalat als nicht-invasives, hochsensitives Verfahren für die Früherkennung einer Vielzahl von Lungenerkrankungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2009): Exhaled breath particles – a biomarker for detection of lung disease? 28th Annual Conference of the American Association for Aerosol Research, Minneapolis, MN, USA, 26 – 30 October 2009
Schwarz K, Hohlfeld JM, Koch W
- Exhaled breath particles – a biomarker for detection of lung disease? 17th Congress of the International Society for Aerosols in Medicine. Monterey (California, USA), May 10-14, 2009, Abstract in Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery, 22: 180
Schwarz K, Biller H, Windt H, Koch W, Hohlfeld JM
- Exhaled breath particles – a biomarker for detection of lung disease? European Aerosol Conference of the Association for Aerosol Research, 6-11 September 2009, Karlsruhe, Germany, Extended Abstract
Schwarz K, Hohlfeld JM, Biller H, Windt H, Koch W
- (2010): Characterization of exhaled particles from the healthy human lung – A systematic analysis in relation to pulmonary function variables. J. Aerosol Med. Pulm. Drug Deliv. 23: 371-379
Schwarz K, Biller H, Windt H, Koch W, Hohlfeld JM
- (2010): Submicron droplet formation in the human lung. J. Aerosol Sci. 41: 29 – 438
Haslbeck K, Schwarz K, Hohlfeld JM, Seume JR, Koch W
- Der Einfluss der Gravitation auf das Partikelgrößenspektrum endogen generierter exhalierter Partikel. Workshop „Gesundheitsforschung im Raumfahrtprogramm“ des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und der Deutschen Sporthochschule Köln, Köln (Germany), September 27-28, 2011
Schwarz K, Hohlfeld, JM, Koch W
- Exhaled particles as a biomarker. 10. Workshop „Models of Asthma and COPD“, Hannover, Deutschland, 21. – 22. Januar 2011
Hohlfeld JM, Schwarz K
- Physical breath aerosol characterization for particle-based pulmonary diagnostics. 18th Congress of International Society for Aerosols in Medicine. Rotterdam (The Netherlands), June 18-22, 2011. J Aerosol Med Pulm Drug Deliv 24: A-61
Schwarz K, Biller H, Koch W, Hohlfeld J M
- Single Breath Particle Size Characterization – a Technique for Detection of Alterations in Small Airway Physiology? 18th Congress of International Society for Aerosols in Medicine. Rotterdam, Niederlande, 18.-22. Juni 2011. J Aerosol Med Pulm Drug Deliv 24: 8
Schwarz K, Hohlfeld, JM, Koch, W
- Verfahren zur Analyse der Ausatemluft. 102011077772
Schwarz K, Koch W, Windt H, Hohlfeld JM, Biller H, Dunkhorst W, Lödding H
- Characterization Of Exhaled Particles From The Human Lung In Airway Obstruction. American Thoracic Society International Conference, San Francisco, CA, USA, 18. – 23. Mai 2012. Am J Respir Crit Care Med 185: A5747
Biller H, Schwarz K, WIndt H, Koch W, Hohlfeld JM
- Single Breath Particle Characterization to detect small airway alterations. American Thoracic Society International Conference, San Francisco, CA, USA, 18. – 23. Mai 2012. Am J Respir Crit Care Med 185: A5748
Schwarz K, Koch W, Biller H, Hohlfeld JM
- Sampling and analysis of exhaled breath particles. 19th Congress of International Society for Aerosols in Medicine. Chapel Hill, NC, USA, 6.-10. April 2013
Schwarz K, Holz O, Koch W, Hohlfeld JM
- Nutzung des Anzahlstroms endogen generierter Partikeln in der Ausatemluft des Menschen zur Diagnose von Lungenkrankheiten. EP 2248464
Hohlfeld JM, Biller H, Lödding, Dunkhorst W, Schwarz, K, Koch W, Windt H
