Verteilungen der spezifischen tidalen Ventilation der Lunge aus N₂-Auswaschzeitkonstanten, Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie und Computertomographie beim akuten Lungenversagen

In dieser Dissertation wird als interdisziplinäre Arbeit ein Verfahren zur Bestimmung der Zeitkonstanten der Sprungantwort beim Inertgasauswasch aus der Lunge weiterentwickelt. Die Bestimmung der Zeitkonstanten der Sprungantwort erfolgt über die Berechnung der Transportfunktion der Lunge und Atemwege. Die Transportfunktion wird durch Entfaltung mit Hilfe der Approximation einer Modellfunktion mit einem Regularisierungsverfahren berechnet. Dazu wird eine Methode zur Regularisierung, die bei Anwendung auf Relaxationspektren in der Kernphysik verwendet wurde, weiterentwickelt. Das neue Berechnungsverfahren ist in der Lage, durch Verwendung einer geeigneten Gewichtsfunktion mit variablen Eingangdaten umzugehen. Damit können ein variables Atemhubvolumen und nichtideale inspiratorische Konzentrationsverläufe nach Beginn des Inertgasauswasches, wie sie beim Einsatz von Beatmungsgeräten in der Praxis auftreten, verwendet werden. Das Berechnungsverfahren wurde mit Simulationen getestet und bei Messungen am Lungenmodell mit fünf verschiedenen Beatmungsverfahren mit Spontanatmung wurde gezeigt, dass das Verteilungsvolumen unabhängig vom verwendeten Beatmungsverfahren gut mit dem realen Volumen des Modells übereinstimmt. Das Verteilungsvolumen wird dabei aus der mittleren Residenzzeit eines Stickstoffmoleküls aus der Transportfunktion berechnet. Diese Übereinstimmung wurde bei Messungen an 22 Schweinen mit einem tierexperimentellen Modell eines akuten Lungenversagens und bei 22 Patienten mit akutem Lungenversagen bestätigt. Unabhängig vom verwendeten Beatmungsverfahren wurde eine gute Wiederholbarkeit der Messungen des Verteilungsvolumens und der ersten beiden zentralen Momente der Verteilung der Zeitkonstanten der Sprungantwort beim Verfahren des Inertgasauswaschs gezeigt. Bei Messungen bei einer Untergruppe der Patienten konnte nur exemplarisch ein Zusammenhang zwischen Verteilungen der Zeitkonstanten und kardiorespiratorischen Parametern hergestellt werden, da sich die untersuchten Beatmungsverfahren für diese nicht signifikant unterschieden. Im genannten Tierexperiment wurden bei Messungen mit Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie (SPECT) und Computertomographie (CT) Häufigkeitsverteilungen für lokale Volumenelemente mit einem Verhältnis von tidaler Ventilation (Atemzugvolumen) und Volumen erstellt. Es wurde gezeigt, dass diese Häufigkeitsverteilungen der Ventilation aus den physikalisch vorhandenen Volumenelementen mit den Verteilungen der spezifischen tidalen Ventilation aus den Messungen des Inertgasauswaschs im Rahmen der gegebenen räumlichen Auflösung der beiden bildgebenden Verfahren gut übereinstimmten. Die Verteilungen der Zeitkonstanten waren sensitiv für die Verschlechterung der Lungenfunktion nach Induktion eines Lungenschadens. Beim Vergleich von zwei Beatmungsverfahren mit und ohne Spontanatmung konnte gezeigt werden, dass sich die Verteilungen der Auswaschzeitkonstanten zwischen den Beatmungsverfahren unterschieden, und dass die Ventilation für zwei Moden der Verteilung bei Spontanatmung in verschiedene Bereiche der Lunge geht. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass das vorgestellte Verfahren des Inertgasauswaschs, aus Methoden aus anderen Bereichen der Physik weiterentwickelt, bettseitig bei Beatmung mit einem normalen Beatmungskreislauf als Monitoringverfahren beim akuten Lungenversagen geeignet ist

Spontaneous breathing with airway pressure release ventilation favors ventilation in dependent lung regions and counters cyclic alveolar collapse in oleic-acid-induced lung injury: a randomized controlled computed tomography trial

INTRODUCTION: Experimental and clinical studies have shown a reduction in intrapulmonary shunt with spontaneous breathing during airway pressure release ventilation (APRV) in acute lung injury. This reduction was related to reduced atelectasis and increased aeration. We hypothesized that spontaneous breathing will result in better ventilation and aeration of dependent lung areas and in less cyclic collapse during the tidal breath. METHODS: In this randomized controlled experimental trial, 22 pigs with oleic-acid-induced lung injury were randomly assigned to receive APRV with or without spontaneous breathing at comparable airway pressures. Four hours after randomization, dynamic computed tomography scans of the lung were obtained in an apical slice and in a juxtadiaphragmatic transverse slice. Analyses of regional attenuation were performed separately in nondependent and dependent halves of the lungs on end-expiratory scans and end-inspiratory scans. Tidal changes were assessed as differences between inspiration and expiration of the mechanical breaths. RESULTS: Whereas no differences were observed in the apical slices, spontaneous breathing resulted in improved tidal ventilation of dependent lung regions (P < 0.05) and less cyclic collapse (P < 0.05) in the juxtadiaphragmatic slices. In addition, with spontaneous breathing, the end-expiratory aeration increased and nonaerated tissue decreased in dependent lung regions close to the diaphragm (P < 0.05 for the interaction ventilator mode and lung region). CONCLUSION: Spontaneous breathing during APRV redistributes ventilation and aeration to dependent, usually well-perfused, lung regions close to the diaphragm, and may thereby contribute to improved arterial oxygenation. Spontaneous breathing also counters cyclic collapse, which is a risk factor for ventilation-associated lung injury

CD66b Overexpression and Loss of C5a Receptors as Surface Markers for Staphylococcus aureus-Induced Neutrophil Dysfunction.

Neutrophil granulocytes constitute the main component of innate immunity in the clearance of bacterial infections. However, during systemic inflammation, immunoparalysis may occur resulting in neutrophil dysfunction. This study presents a new in vitro model for analyzing the dysfunction of human peripheral blood neutrophils resulting from the interaction with Staphylococcus aureus components in whole blood. After induction of a massive complement activation by S. aureus supernatant, the neutrophils exhibit a reduced phagocytic capacity resulting in a dramatic reduction of the antibacterial activity similar to that of neutrophils isolated from septic patients. The number of phagocytozing neutrophils is drastically reduced as well as the phagocytic capacity designated by a significantly lower number of ingested microbes. This dysfunction correlates with the loss of complement component 5a receptor 1 from the neutrophil cell surface and can be further characterized by a C5a-induced CD66b overexpression. The presented in vitro model offers a new platform for preclinical testing of immunosuppressive drugs and delivers new information for the understanding of neutrophil dysfunctions under the conditions described

Phagocytosis of peripheral blood neutrophils after stimulation with SaS.

<p>A 15 min preincubation with M (media control), fMLF (2 x 10^-8M) or SaS A-C (1%) was performed prior the functional studies. (A) Phagocytosis of BCECF-labelled ATCC52359. Analyzed timepoint: 30 min. X-axis is presenting the BCECF intensity (absolute values), y-axis is presenting the CD66b expression (absolute values). (B) Number of phagocytozing cells (% of whole cell population). Analyzed timepoints: 3, 6, 10, 15, 30 min (experimental series 1; n = 6) and 60, 120, 180 min (experimental series 2; n = 7). (C) BCECF-fluorescence intensity of the BCECF-positive cell populations. Analyzed timepoints: 3, 6, 10, 15, 30 min (experimental series A; n = 6) and 60, 120, 180 min (experimental series B; n = 7). Values are presented as the relative mean of fluorescence in comparison with the negative control. (D) Number of phagocytozed bacteria of single cells and cell doublets. Analyzed timepoint: 30 min. The number of ingested bacteria was calculated per cell which means that values obtained for doublets were divided by 2. Analysis was done by using Image Stream^x (Amnis, Seattle, WA, USA) in combination with the Spot-Count-function of the IDEAS-software (for more detail information see <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0132703#sec002" target="_blank">Material and Methods</a>). n = 6. (E) Image selection of neutrophil single cells after phagocytosis (30 min) and preincubation with M, fMLF or SaS. All photos were taken with a 40 x objective (Image Stream^x, Amnis, Seattle, WA, USA), analyzed by IDEAS software (Amnis, Seattle, WA, USA) and illustrated in a channel series, including the BF (bright field) mode; the fluorescence channels imaging the staining for ATCC52359 (BCECF / Channel 2), CD11b (PE / channel 3) and an overlay of channel 2 and channel 3. Error bars indicate ± SD *<i>P</i> < 0.05 **<i>P</i> < 0.01 compared to fMLF.</p

Oxidative burst in human neutrophils and whole blood bactericidal assay after stimulation.

<p>A 15 min preincubation with M (media control), fMLF (2 x 10^-8M) or SaS A-C (1%) was performed prior the functional studies. (A) The oxidative burst was determined at timepoint A 0 min and after 30 min. (B) Values are presented as the relative mean of fluorescence in comparison with the negative control after 30 min. Error bars indicate ± SD *<i>P</i> < 0.05 compared to fMLF. (C) Whole blood bactericidal assay after stimulation. 15 min preincubation with M (media control), fMLF (2 x 10^-8M) or SaS A-C (1%) was performed prior the functional studies. ATCC52953 was incubated with whole blood and the decline of vital bacteria was determined at a defined timepoint. Analyzed timepoint: 180 min. The decline of vital bacterial cells was illustrated on the y-axis as the change in log CFU / ml of the respective inoculum (for more detail information see <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0132703#sec002" target="_blank">Material and Methods</a>). n = 6. Error bars indicate ± SD *<i>P</i> < 0.05 **<i>P</i> < 0.01 compared to fMLF.</p

Impact of C5aR1 antagonist W-54011 on CD66b:CD11b expression and phagocytosis.

<p>A 15 min preincubation with M (media control) or SaS A (1%) was performed prior the functional studies. The timepoint after 15 min of incubation is defined as A 0 min. (A) Impact of W-54011 (= C5a RA) on the CD66b:CD11b expression. Analyzed timepoint: A 0 min. Values are presented as the relative mean of fluorescence in comparison with the negative control. C5a RA n = 5; SaS A, SaS A + C5a RA n = 7. Error bars indicate ± SD *<i>P</i> < 0.05 ***<i>P</i> < <0.001 compared so SaS A. (B) Impact of W-54011 (C5a RA) on phagocytosis. “% Phagocytosis”—number of phagocytozing cells compared to whole population, “mean fluorescence BCECF”–mean fluorescence intensity of BCECF-positive cell population (phagocytic capacity). Values are presented as the relative mean of fluorescence in comparison with the negative control. %Phagocytosis: n = 8; Mean Fluorescence BCECF: n = 11. Abbr: C5a RA = C5aR1 antagonist W-54011.</p