Allgemein wird davon ausgegangen, dass bei Neonaten, die von Säugetieren abstammen, die pulmonale Funktion innerhalb der 1. bis spätestens zur 12.
Lebensstunde ihr Optimum erreicht hat. Vereinzelt wurde diese Feststellung insbesondere für den bovinen Neonaten auf Grund von sonographischen, röntgenologischen und auch histologischen Untersuchungen in Zweifel gezogen.
Ziel dieser Arbeit war es daher, die Entwicklung der Lungenfunktion beim vitalen bovinen Neonaten durch spezielle Messungen mittels Computertomographie, ergänzt durch die Bestimmung des arteriellen Blutgas und Säure Basen - Status sowie partiell auch durch histologische Untersuchungen von Lungengewebsproben, zu überprüfen. Damit sollte der Zweck erreicht werden, den Zeitpunkt für die umfassende pulmonale Funktion bei unter physiologischen Bedingungen geborenen Kälbern innerhalb der 1. und 2. Adaptationsperiode besser definieren zu können.
Für die Untersuchungen standen insgesamt 28 Kälber der Rasse HF SB aus verschiedenen landwirtschaftlichen Betrieben zur Verfügung. Dieses Probandenkollektiv wurde in vier Gruppen aufgeteilt:
A n = 15 (6 x ♂, 9 x ♀) Kälber aus komplikationslosen Geburten mit einem APGAR Wert > 7. Voraussetzung für den Verbleib in dieser Gruppe war, dass der einzelne Proband über den Untersuchungszeitraum hinweg gesund blieb und sich körperlich progressiv entwickelte.
B n = 3 (2 x ♂, 1 x ♀) Bovine Neonaten, deren Exitus entweder kurz vor oder während der Geburt eingetreten war. Sie hatten keinen Atemzug getätigt und wiesen somit eine nicht aktiv beatmete Lunge auf. Sie dienten als Kontrollgruppe für die Computertomographie.
C n = 4 (2 x ♂, 2 x ♀) Kälber aus komplikationslosen Geburten mit physiologischer Lungenfunktion. Diese Tiere wiesen angeborene, aber den Atmungstrakt nicht beeinträchtigende Missbildungen auf und mussten deswegen
euthanasiert werden. Deren Lungen standen für histologische Untersuchungen zur Verfügung.
D n = 6 (4 x ♂, 2 x ♀) Eine weitere Kontrollgruppe, die aus eutrophen, maturen und vitalen Tieren bestand, um einen eventuell bestehenden Einfluss wiederholter Sedationen, die in Gruppe A präinvestigativ notwendig waren, überprüfen zu können. Zwei der Probanden wurden zur 12. Lebensstunde und die anderen 4 Probanden zur 1. Lebenswoche computertomographisch untersucht.
Die Messung der Röntgenstrahlenabsorption im Tracheal- und Thoraxbereich geschah mit einem Computertomographen der Firma Picker (Typ PQ 2000). Die Blutprobenentnahmen für die Analyse des Blutgasstatus wurden aus dem Ramus intermedius medialis der Arteria auricularis caudalis vorgenommen. Für die dann folgende Bestimmung der arteriellen Blutgas und Säure Basen Parameter bei den Kälbern der Gruppe A stand ein Stat Profile pHOx Blutgasanalysator zur Verfügung. Zusätzlich erfolgte neben der fortlaufenden klinischen auch die hämatologische Überwachung der Probanden der Gruppe A. Für die histologischen Untersuchungen von Lungenparenchymproben (Gruppe C) fanden die
Hämatoxylin Eosin beziehungsweise die Elastica van Gieson Färbung Anwendung. Die Probanden der Gruppe A wurden zur 1., 6. und 12. Lebensstunde sowie am 7.,14. und 21. Lebenstag computertomographisch vermessen. Vor jeder Untersuchung erhielten sie 0,09 mg/ kg Körpergewicht Xylazin 2 %, um sie in ruhiger, aufrechter Sternallage während des Messvorganges zu halten. Die Totgeburten der Gruppe B wurden einmalig untersucht, ebenso die Probanden der Gruppe D.
Folgende Resultate waren zu erzielen:
1. Gruppe B - Totgeburten -
Durch die Röntgenstrahlenabsorptionsmessungen konnte für die Trachea eine Gasfüllung von - 920 (Hounsfield Einheiten) sowie für die Bronchien 664 (rechts) und 751 (links) HE ermittelt werden. Die Lungen lagen allseits den Thoraxwänden an, wobei das nicht belüftete Lungenparenchym eine Röntgendichte knapp unterhalb des Referenzwertes für Wasser aufwies. Dies bedeutet, dass sich unmittelbar p. n. bei den toten Kälbern die Trachea und die Bronchien passiv mit Luft füllten. Die bislang geltende Annahme, dass dafür ein aktiver Eröffnungsdruck notwendig sei, lässt sich für den bovinen Neonaten demnach nicht aufrecht erhalten.
2. Gruppe A - Hauptgruppe mit vitalen bovinen Neonaten -
2.1 Trachea und Stammbronchien
Über den gesamten Untersuchungszeitraum hinweg verfügten die Trachea
(1. h p. n. 940 HE ; 3. Lebenswoche - 959 HE) und die Bronchien
( 1. h p. n. : re. 671 / li. 756 HE; 3. Lebenswoche: re. 790 / li. - 853 HE) über eine sehr gute Gasfüllung . Zu jedem Messzeitpunkt konnte für sie ein freies Lumen und das Fehlen von pathologischem Inhalt ermittelt werden. Die linken Bronchien wiesen stets eine etwas geringere Röntgenstrahlenabsorption auf als die rechten. Mit dem Erreichen der 1. Lebenswoche war das Optimum der Gasfüllung erreicht. In der Folgezeit waren keine wesentlichen Veränderungen mehr festzustellen.
2.2 Lungenparenchym
1. Lebensstunde: Zwischen der 1. Lebensminute - ausgehend von den Messdaten der tot geborenen Kontrolltiere - und der 1. Lebensstunde konnte in allen Lungenabschnitten der Probanden die höchste Minderung der Röntgenstrahlenabsorptionen nachgewiesen werden. Dorsal bestand im Lungenparenchym zu diesem Zeitpunkt eine deutlich höhere Gasfüllung als ventral (p ≤ 0,0001). Ebenso markant ist dieser Unterschied auch zwischen den cranialen besser luftgefüllten und caudalen Lungensektoren (p ≤ 0,001). Bezogen auf die optimale Gasaustauschfläche, die ab der 2. Lebenswoche erreicht war, lagen für craniodorsal/ cranioventral Luftfüllungsgrade von 80 % / 54 % und für caudodorsal/ caudoventral von 74 % / 52 % vor.
6. Lebensstunde: Es kam im gesamten Lungenparenchymbereich zu weiteren progressiven Veränderungen innerhalb des Zeitraumes von der 1. zur 6. h p. n.. Die Minderung der Röntgenstrahlenabsorption konnte für alle Sektoren gesichert werden (p ≤ 0,001). Die schon in der 1. Lebensstunde beobachteten Unterschiede in der Gasfüllung hinsichtlich dorsal zu ventral und cranial zu caudal bestanden bis zur 6. Lebensstunde weiter fort (p ≤ 0,01). Damit lässt sich postulieren, dass bis zur 6. Lebensstunde noch nicht alle Lungenparenchym- bezirke in den Gasaustauschprozess einbezogen worden sind (dorsal 91 %; ventral 74 %).
12. Lebensstunde: Die Veränderungen der Gasfüllung in den Lungensektoren vollzogen sich zwischen der 6. und 12. Lebensstunde deutlich abgeflachter. Dorsocranial nahm die Röntgenstrahlenabsorption geringfügig ab, während für den dorsocaudalen Sektor sogar eine leichte Zunahme zu registrieren war. Das dorsoventrale Gefälle der Gasfüllung blieb auch in diesem Untersuchungsab-
schnitt weiter bestehen, trotz einer signifikante Zunahme der Luftfüllung im ventralen Lungenparenchym (p ≤ 0,03). Auch nach Erreichen der 12. h p. n. war festzustellen, dass noch nicht alle Lungenareale voll beatmet waren. Dies betraf den dorsocaudalen, vor allem aber die cranialen und caudalen ventralen Lungensegmente.
1. Lebenswoche: Dorsal ergaben sich zwischenzeitlich (12. zur 168. Lebensstunde) keine deutlichen Veränderungen in der Gasfüllung. Ventral nahm dagegen die Röntgenstrahlenabsorption zwar etwas mehr ab, brachte aber keine signifikanten Zunahmen hinsichtlich der Luftfüllung im Lungenparenchym. Bisher festgestellte Unterschiede zwischen cranial und caudal beziehungsweise dorsal und ventral bestanden weiterhin (p ≤ 0,001). Bis zum Ende der 1. Lebenswoche (168. Lebensstunde) waren demnach dorsal erst 93 % und ventral 85 % der Lungenalveolarfläche am Gasaustausch beteiligt.
2. Lebenswoche: Die Gasfüllung des Lungengewebes nahm erneut progressiv zu, was sichtbar wurde an einer ausgeprägten Minderung der Absorptionen der Röntgenstrahlen in beiden Lungenhälften (p ≤ 0,002 und p ≤ 0,0001). Insgesamt ergab sich in diesem Untersuchungsabschnitt offenbar eine nochmalige Intensivierung in der Erweiterung der Gasaustauschfläche.
3. Lebenswoche: Zwischen der 2. und 3. Lebenswoche kam es zu keiner weiteren signifikanten Veränderung in der weiteren Luftfüllung.
Nach den vorliegenden computertomographischen Lungenmessungen ist davon auszugehen, dass der Prozess der vollständigen Funktionsaufnahme der vorhandenen, fetal präformierten Alveolarfläche erst zum Ende der 2. Lebenswoche seinen vorläufigen Abschluss erreicht und sich dabei kaskadenähnlich aufgebaut hat. Die in den Untersuchungen festgestellten Unterschiede in der Belüftung der dorsocranialen zu den ventrocranialen, aber auch für die dorsocaudalen zu den ventrocaudalen Parenchymsegmenten bestanden auch in der 3. Lebenswoche fort (p ≤ 0,001).
Im Vergleich der rechten zur linken Lungenhälfte gab es schon seit der Erstuntersuchung deutliche Unterschiede (p ≤ 0,001) in der Gasfüllung des Gewebes. Dorsocranial links bestand immer die beste Luftfüllung (p ≤ 0,001), während ventral nicht immer ein seitenabhängiger Unterschied gesichert werden konnte.
3. Vergleichsgruppe (Gruppe D)
In dieser Gruppe wurden Tiere, analog zu denen der Gruppe A, zur
12. Lebensstunde und am 1. Lebenstag einmalig computertomographisch untersucht. Es wurden jeweils die gleichen HE Messwerte vorgefunden wie bei den Tieren der Gruppe A. Die notwendigen wiederholten Sedationen der Probanden der Gruppe A mittels Xylacin 2 % hatte demnach keinen negativen Einfluß auf die Entwicklung der Gasaustauschfläche in Abhängigkeit zur Untersuchungszeit.
4. Blutgas - und Säure Basen - Analysen
Versuchsbedingt konnten die vital geborenen bovinen Neonaten erstmals eine Stunde post natum computertomographisch kontrolliert werden. Ihre Blutgaswerte (pO2 7,1 kPa; pCO2 7,50 kPa; SO2 84,3 %; pH 7,28) lagen im Normbereich für die 1. Lebensstunde. Der Sauerstoffpartialdruck im arteriellen Blut nahm zwischen dem ersten und zweiten Meßintervall leicht zu (von 7,1 ± 1,6 auf 7,5 ± 4,3 kPa). Dementsprechend lag der Grad der Sauerstoffstättigung zur 6. Lebensstunde bei 85,7 ± 12,1 %. Die Protraktion in der Zunahme der Gasaustauschoberfläche zwischen der 6. und 12. Lebensstunde kam auch in den Blutgaswerten in gewisser Weise zum Ausdruck. Die pO2 Werte hatten sich in dieser Zeit nur geringfügig verändert (7,5 ± 2,6 auf 7,9 ± 2,0 kPa, p > 0,05), jedoch hatte sich der O2 - Sättigungsgrad merklich, aber nicht gesichert, verbessert (von 85,7 ± 12,10 auf 90,0 ± 7,80 %). Zwischen dem 1. und 7. Lebenstag lag ein stabiles Säure Basen Verhältnis vor und es waren keine wesentlichen Veränderungen in den Blutgaswerten festzustellen. Die weiteren Untersuchungen zeigten in Parallelität zu den computertomographischen Resultaten, dass ein boviner Neonat seine maximale Lungenbelüftung zwischen der 1. und 2. Lebenswoche erreicht. Der pO2 - Wert lag in diesem Intervall erstmals über 10 kPa. Die Sauerstoffsättigung des Blutes betrug im Mittel 96 %.
5. Thoraxform
Im Verlaufe der Untersuchung konnte eine Veränderung im Querschnitt der Thoraxkonfiguration beobachtet werden. Dessen Form entwickelte sich von spitzoval zu rundoval im cranialen Sektor und von rundoval zu kreisförmig im caudalen Sektor bis zum Ende 3. Lebenswoche. Dies weist darauf hin, dass sich die den Luftraum beengende Knochen Weichgewebe Ummantelung im Rahmen der Wachstumsprozesse erweitert hat und so besonders im ventralen Bereich eine bessere Entfaltungsmöglichkeit für die pulmonalen Alveolen bietet.
3. Histomorphologie (Gruppe C)
In dem zur Verfügung stehenden Probenmaterial konnten die radiologisch gemessenen Werte histomorphologisch weitgehend bestätigt werden. Ausgedehnte nicht belüftete Segmente waren neben belüfteten Lungenparenchymbereichen noch bis zur 1. Lebenswoche nachweisbar. Besonders in den ventralen Lungenabschnitten wurden viele noch nicht am Gasaustausch beteiligte Alveolarbereiche nachgewiesen. Die Progredienz der Luftfüllung innerhalb der Segmente stellte sich durch das Konfluieren von fokalen oder fokal ektatischen Alveolarbereichen dar. Des Weiteren zeigte sich, begrenzt durch Lungensepten, voll belüftetes neben noch nicht belüftetem Lungenparenchym. Ab der 2. Lebenswoche kann der Prozess der Gasfüllung der Alveolen auch histologisch als abgeschlossen bezeichnet werden.
Die vorliegende Studie zeigt auf, dass zum Einen kein Eröffnungsdruck für die Gasfüllung der Trachea und der Bronchien notwendig ist. Tot geborene Kälber weisen nahezu identische Hounsfieldeinheiten (HE) in diesen Segmenten des oberen und unteren Luftweges auf, wie vitale eine Stunde alte bovine Neonaten. Zum Anderen konnte festgestellt werden, dass die Entfaltung der Lunge respektive die Gasfüllung der Alveolarfläche die ersten 2 Lebenswochen in Anspruch nimmt und somit erst am Ende der 2. Adaptationsperiode vollzogen ist. Die vorgelegten Daten aus den computertomographischen Vermessungen der differenten Lungenparenchymabschnitte lassen demzufolge den Schluss zu, dass zumindest für den bovinen Neonaten nicht die allgemeine Ansicht gilt, dass bereits um die 12. Lebensstunde die optimale Lungenfunktion erreicht ist. Vielmehr kommt es bis zum Ende der 2. Adaptationsperiode zu einer kaskadenartigen Zunahme der Gasaustauschfläche, was auch in Konkordanz zu den komplementierenden blutgas-
analytischen und histomorphologischen Untersuchungen steht.Commonly it is assumed that the pulmonary function of mammal neonates reaches its optimum within the first hour, and at the latest within 12 hours post-natum. Based on examinations using sonography, radiography and histology, this hypothesis was sporadically tested, especially in the case of bovine neonates.
The purpose of this research paper was to examine the development of the lung function of vital bovine neonates using computer tomography [CT] which were enhanced by arterial blood-gas and acid-alkaline-values. Partial histological lung tissue samples were also looked at. In doing so the development of the full pulmonary function within the 1st and 2nd period of adaptation of bovine neonates that were born under physiological circumstances should be defined more precisely
Holstein Frisian and German Black Pied calves (n= 28) originating from different farms were divided into four groups:
A n = 15 (6 x ♂, 9 x ♀) bovine neonates born without complications with an APGAR value > 7. Criteria for inclusion in this group were healthiness during the whole study period and progressive physical development.
B n = 3 (2 x ♂, 1 x ♀) bovine neonates, who died either shortly before or during birth. They were unable to breathe and therefore showed no actively ventilated lung. As a result, they represented the control group for the computer tomography.
C n = 4 (2 x ♂, 2 x ♀) calves born without complications with a physiological functioning lung. This group showed congenital malformations which did not affect the respiratory tract and had to be euthanized. The lungs could be examined histologically.
D n = 6 (4 x ♂, 2 x ♀) another control group including eutrophic mature and vital animals in order to examine the possible influence of repeated sedations which were necessary before investigation of group A. Two calves were examined with a CT scan at the 12th hour post natum and the other 4 in the 1st week post natum.
The x-ray-absorption in the tracheal and thorax area was measured with a computer tomograph of the brand Picker (PQ 2000). The blood samples for the analysis of the blood gases were taken from the Ramus intermedius medialis of the Arteria auricularis caudalis. The arterial blood gas and acid alkaline values for group A were examined with a Stat Profile pHOx blood gas analyser. Apart from continuous clinical examinations the neonates of group A were additionally monitored haematologically. Hämatoxylin Eosin or Elastica van Gieson staining was applied for the histological examination of the lung parenchyma samples (group C).
Group A was scanned at the 1st6th and 12th hour post natum as well as at the 7th, 14th and 21st day of life. Prior to each examination they were treated with 0,09 mg / kg bodyweight Xylazine 2 % in order to keep them in a secure upright sternal position during the scan. The dead born (group B) as well as the calves in group D were examined once.
Following results were observed :
1. Group B - born dead-
With the help of the x-ray-absorption-measurement a gas filling of - 920 HU (Hounsfield units) for the trachea as well as 664 (right) and 751 (left) HU for the bronchia were measured. The lungs were attached on all sides to the thorax wall. The non-ventilated lung parenchyma showed x-ray-values marginally below the reference values of water. This indicates that immediately p.n. trachea and bronchia of the dead calves passively filled with air. Up to now it was assumed that an active opening pressure was necessary. Considering the scans, this is now no longer applicable for bovine neonates.
2. Group A - main group with vital bovine neonates -
2.1 Trachea and truncus bronchi
During the whole examination period, the trachea (1 h p. n. 940 HU ; 3rd week p.n. - 959 HU) and the bronchia ( 1 h p. n. : right - 671 / left 756 HU; 3rd week p.n. : right - 790 / left - 853 HU) showed the ability to fill with gas. At each point of analysis they showed free lumen and no pathological content. The left bronchia demonstrated slightly lower x-ray-absorption than the right. At the 1st week p.n. the optimum level of gas filling was reached. Afterwards, no further significant changes occurred.
2.2 lung parenchyma
1st hour p.n.: From the 1st minute post natum based on the values of the stillborn control group and the 1st hour p.n. all lung areas of this group showed the greatest decline of x-ray-absorption. At this point in time, the gas filling was clearly higher in dorsal regions of the lung parenchyma than in ventral ones (p ≤ 0,0001). Similarly significant is the difference between the better ventilated cranial than caudal lung sections (p ≤ 0,001). Referring to the optimal gas exchange area, which was reached after the 2nd week p.n., the craniodorsal / cranioventral air filling degree was 80 % / 54 % and caudodorsal / caudoventral 74 % / 52 %.
6th hour p.n.: For all regions of the lung parenchyma, progressive changes were shown between the 1st and 6th hour p.n.. Declining values of x-ray-absorption were statistically confirmed for all sections (p ≤ 0,001). The differences in gas filling capabilities already observed in the 1st hour between dorsal and ventral, as well as cranial and caudal, remained until the 6th hour p.n. (p ≤ 0,01). Therefore it is postulated that until the 6th hour p.n. not all lung parenchyma regions are involved in the gas exchange (dorsal 91 %; ventral 74 %).
12th hour p.n.: Changes in gas filling capabilites between the 6th and 12th hour p.n. occurred obviously to a lower level. In dorsocranial sectors the x-ray-absorption decreased marginally, while in the dorsocaudal sectors even a slight increase was measured. Also during this research period, the dorso-ventral decline in gas filling capacity remained despite a significant increase of air filling in the ventral lung parenchyma (p ≤ 0.03). After reaching the 12th h p. n. it was also observed that not all areas of the lungs were fully ventilated. This was found in the dorsocaudal, but mainly in the cranial and caudal ventral lung segments.
1st week p.n.: In the dorsal regions no significant changes in gas filling capabilities took place during this period (12th to 168th hour p.n.). In contrast, the ventral x-ray absorption declined slightly, but did not lead to a significant increase regarding air filling in the lung parenchyma. The observed differences thus far between cranial and caudal respectively dorsal and ventral still persisted (p ≤ 0001). At the end of the 1st week of life (168th hour p.n.) only 93% of dorsal surface of the lung alveoli and 85% of ventral surface participated in gas exchange.
2nd week p.n.: Again, the gas filling capacity in the lung tissue increased progressively, as was demonstrated by a reduction of the absorption of x-rays in both halves of the lungs (p ≤ 0.002 and p ≤ 0.0001). In summary, this research period showed a further increase of the enlargement of the gas exchange surface.
3rd week p.n.: Between the 2nd and 3rd week no further significant changes of air filling capabilities occurred. According to the available lung CT measurements, it can be assumed that the process of full functioning of the fetal preformed alveoli surface reaches its preliminary completion only up to the end of the 2nd week and develops like a cascade. The differences in ventilation observed from not only dorsocranial to ventrocranial, but also from dorsocaudal to ventrocaudal parenchyma segments continued in the 3rd week post natum (p ≤ 0.001).
Comparing the left and the right half of the lung, significant differences in the gas filling capabilities of the tissue were already found in the initial investigation (p ≤ 0001). The dorsocranial left half always revealed the best ventilation (p ≤ 0001) while ventrally not always a difference at the side of the lung could be statistically confirmed.
3. Control group (Group D)
In this group animals were scanned once at the 12th hour p.n. and on the first day of life. In both instances, the same HU values were found for the animals of group A at the same points in time. Therefore, the necessary repeated sedation of the calves in Group A using Xylacine 2% had no negative influence on the development of gas exchange surfaces at eit
