Deposition inhalierter Aerosole: eine biologisch-strömungsmechanische Analyse der Ablagerung von Partikeln in einem Atemtrakt-Modell zur Beurteilung der Ausbreitung inhalierter Erreger und der Effizienz und Toxizität von Wirkstoffen in den oberen und unteren Atemwegen am Beispiel des Allicins

• Antragsteller: Dr. Martin Gruhlke; Dr.-Ing. Michael Klaas
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468940454

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Aerosolablagerung in den menschlichen Atemwegen stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Mithilfe eines kombinierten Ansatzes aus Biologie und Strömungsmechanik wird anhand eines physiologisch korrekten Models des Atemtrakts der Einfluss des Strömungsfeldes auf das Depositionsverhalten genauer untersucht. Die Modelle bilden dabei den vollständigen Atemtrakt inklusive Nase und Mund, bis in die sechste Bifurkationsgeneration ab. Die Oberfläche des Modells wird mit einem Hydrogel beschichtet, in das Bakterien eingebettet sind. Die Hemmung der Bakterien wird durch 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazoliumbromid visualisiert. Das Geschwindigkeitsfeld wird mithilfe von high speed particle-image velocimetry (HS-PIV) in einem brechungsindexangepassten Modell (PIV Modell) gemessen. Anhand von zwei Reynolds Zahlen, die ruhige Atmung bei 5 l min-1 und leicht angeregte Atmung bei 15 l min^-1 entsprechen, wird die Methode gezeigt. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchungen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den numerischen Daten aus der Literatur. Obwohl die Hemmung des Bakterienwachstums für die beiden Volumenströme unterschiedlich ausgeprägt ist, wurden für beide Reynolds Zahlen ähnliche Strömungsstrukturen bei konstanter Inhalation beobachtet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Allicin, the Odor of Freshly Crushed Garlic: A Review of Recent Progress in Understanding Allicin’s Effects on Cells. Molecules, 26(6), 1505.
  Borlinghaus, Jan; Foerster, (née Reiter) Jana; Kappler, Ulrike; Antelmann, Haike; Noll, Ulrike; Gruhlke, Martin & Slusarenko, Alan
  
• Allicin as a Volatile or Nebulisable Antimycotic for the Treatment of Pulmonary Mycoses: In Vitro Studies Using a Lung Flow Test Rig. International Journal of Molecular Sciences, 23(12), 6607.
  Schier, Christina; Foerster, (née Reiter) Jana; Heupel, Monika; Dörner, Philipp; Klaas, Michael; Schröder, Wolfgang; Rink, Lothar; Slusarenko, Alan J. & Gruhlke, Martin C. H.
  
• Seeing the smell of garlic: Detection of gas phase volatiles from crushed garlic (Allium sativum), onion (Allium cepa), ramsons (Allium ursinum) and human garlic breath using SESI-Orbitrap MS. Food Chemistry, 397, 133804.
  Mengers, Hendrik G.; Schier, Christina; Zimmermann, Martin; C., H. Gruhlke Martin; Block, Eric; Blank, Lars M. & Slusarenko, Alan J.
  
• Combined Velocity and Aerosol Deposition Measurements in the Respiratory Tract using HS-PIV and MTT Assay. 15th International Symposium on Particle Image Velocimetry – ISPIV 2023 June 19–21, 2023, San Diego, California, USA
  Johanning-Meiners, B. H., Schier, C., Meyer, T., Dörner, T., Gruhlke, M. C. H., Rink, L., Schröder, W. & Klaas, M.