Verteilung der mechanischen Energieintensität während maschineller Beatmung: Eine Untersuchung zu den Mechanismen von beatmungsinduziertem Lungenschaden

• Antragsteller: Professor Dr. Marcelo Gama de Abreu
• Fachliche Zuordnung: Anästhesiologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438791011

Die maschinelle Beatmung erfordert die Einstellung von Lungendehnungsdruck, Tidalvolumen, Atemgasfluss (oder Inspirations-zu-Exspirationsverhältnis), Atemfrequenz und positivem end-esxpiratorischen Druck (PEEP). Diese Variablen tragen gemeinsam zu der mechanischen Energie bei, die vom Beatmungsgerät pro Atemzug auf das respiratorische System übertragen wird. Abhängig von dieser mechanischen Energie, welche in den Lungen gespeicherten wird, kann eine sog. beatmungsinduzierte Lungenschädigung (VILI) entstehen. Die derzeitigen Methoden zur Berechnung der mechanischen Leistung, d.h. der mechanischen Energie pro Zeit, beinhalten aufgrund der Einbeziehung eines PEEP-Terms eine Ungenauigkeit. Andererseits bewirkt PEEP eine Verschiebung der Volumen-Druck-Kurve des respiratorischen Systems und führt zur statischen Dehnung, welche wesentlich zur VILI beiträgt. Außerdem wird meist vernachlässigt, dass die VILI regional unterschiedlich sein kann, je nach lokaler Energieverteilung in der Lunge, der sog. Energieintensität. Die beiden in diesem Antrag vorgeschlagenen Projekte sollen diese Wissenslücke schließen. Das erste Projekt beschäftigt sich mit dem innovativen Konzept der mechanischen Energieintensität und ihrer Verteilung über die Lunge bei verschiedenen protektiven Beatmungseinstellungen in einem tierexperimentellen Modell des akuten Lungenversagens (ARDS) am Schwein. Das zweite Projekt befasst sich mit dem isolierten und dem kombinierten Beitrag von PEEP (ohne und mit tidaler Ventilation) zur mechanischen Energieintensität und VILI im gleichen experimentellen Modell des ARDS, wobei der Einsatz einer extrakorporalen Lungenunterstützung erforderlich ist, um die notwendigen mechanischen Beatmungseinstellungen zu ermöglichen. Beide Projekte beinhalten eine Kombination von komplexen pulmonalen Bildgebungsverfahren, welche die Bestimmung der regionalen Lungenmechanik und -Entzündung ermöglichen, nämlich Computertomographie (CT) und Positronen-Emissions-Tomographie (PET) mit mathematischer Modellierung der Kinetik der 18F-Fluordesoxyglucoseaufnahmerate (18F-FDG, ein Entzündungsmarker). Darüber hinaus werden state-of-the-art Messungen von Inflammation und Lungenschäden mittels molekularbiologischen und histologischen Methoden durchgeführt. Theoretisch könnte durch die Lösung der Ungenauigkeiten der Berechnung der mechanischen Leistung und insbesondere durch die Erweiterung des Konzepts um die statische und dynamische Energie sowie die statische und dynamische Intensität, sowohl global als auch regional, ein einheitlicher Mechanismus der VILI-Entstehung aufgedeckt werden. Durch die Bestimmung des Beitrags von PEEP zur mechanischen Energieintensität können auch die aktuellen protektiven Beatmungsstrategien entscheidend verbessert werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden daher einen wesentlichen Fortschritt in der Grundlagen- und translationalen Forschung der mechanischen Beatmung darstellen, was sich auch auf die klinische Praxis auswirken wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien, Italien, Niederlande
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Paolo Pelosi; Professorin Dr. Patricia Rieken Macêdo Rocco, Ph.D.; Professor Marcus Schultz, Ph.D.; Professor Dr. Ary Serpa Neto
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Jörg Kotzerke