Forschungsvorhaben: Die Lunge vor Schäden durch künstliche Beatmung schützen

Ein Forschungsteam der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) will in einem neuen Forschungsprojekt auf mikromechanischer Ebene untersuchen, auf welche Weise die künstliche Beatmung zu einer weiteren Lungenschädigung beiträgt.

Im Rahmen eines schweren COVID-19-Verlaufes kann es zu einem akuten Atemnotsyndrom (ARDS) kommen. Betroffene müssen dann oft wochenlang über eine Maschine beatmet werden. Doch die mechanische Beatmung ist ein zweischneidiges Schwert: Sie übernimmt zwar die lebensnotwendige Sauerstoffversorgung, schädigt aber gleichzeitig die ohnehin durch das Virus stark angegriffene Lunge. Was bei der künstlichen Beatmung einer vorgeschädigten Lunge in den Lungenbläschen auf mikromechanischer Ebene abläuft und wie das den Lungenschaden negativ beeinflussen kann, untersucht jetzt ein Forschungsteam der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) um Prof. Lars Knudsen am Institut für Funktionelle und Angewandte Anatomie und Prof. Ulrich Maus an der Abteilung Experimentelle Pneumologie. Das Projekt in Kooperation mit Partnern des Deutschen Zentrums für Lungenforschung (DZL) wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über drei Jahre mit 470.000 Euro unterstützt.

Lungenbläschen sind als feines Netz miteinander verbunden

„COVID-19 verursacht bei schwer erkrankten Patientinnen und Patienten ein Chaos in der Lunge“, sagt Knudsen. Die Viren dringen in das Lungenparenchym ein. Dort befallen sie bevorzugt die Verteidiger der Lungenbläschen, die Alveolären Epithelzellen Typ 2 (AE2), welche das Surfactant (Surface active agent) bilden. Dieses spezielle Tensid verringert die Oberflächenspannung. Dadurch können sich die Lungenbläschen problemlos auffalten und bleiben geöffnet, so dass der Gasaustausch möglich ist und die Lunge gleichmäßig belüftet wird.

„SARS-CoV2 schädigt das Alveolarepithel und die AE2-Zellen, wodurch die Surfacant-Funktion gestört wird und die Lungenbläschen in sich zusammenfallen“, erklärt der Facharzt für Innere Medizin und Pneumologie. Weil die Lungenbläschen wie eine Art schlaffer Luftballon aus vielen Falten bestehen und ähnlich wie ein feines Netz aus Gummibändern miteinander verbunden sind, üben die geschrumpften Alveolen auf ihre Nachbarn Zugkräfte aus und dehnen sie übermäßig. Dieser mechanische Stress könnte bei künstlicher Beatmung weiter erhöht werden und die nur wenige tausendstel Millimeter dünnen Wände der Lungenbläschen nachhaltig schädigen.

Beatmungssituationen am Computer nachstellen

Ob ein Lungenschaden durch das Zusammenspiel zwischen kollabierten und offenen Alveolen tatsächlich durch künstliche Beatmung verstärkt wird und die kollabierten Lungenbläschen als Keimzentren dafür sorgen, dass sich die Schäden im Alveolarepithel weiter ausbreiten, will das Forschungsteam nun im Mausmodell untersuchen. „Leider können wir ja nicht den Alveolen bei der Arbeit zusehen, denn unsere bildgebenden Verfahren sind zu ungenau, um die hauchdünnen Wände der Lungenbläschen darzustellen“, sagt Knudsen. Die Untersuchungen stützen sich daher auf Beobachtungen an Gewebeschnitten mittels licht- und elektronenmikroskopischer Techniken.

In vorgeschädigten, beatmeten Lungen sollen mechanische Daten wie Elastizität und Dehnbarkeit des Lungenparenchyms sowie Strukturdaten der Alveolen wie etwa die Anzahl ihrer Falten oder ihr Volumen in Computermodellen zusammengeführt werden, mit denen sich verschiedene Beatmungssituationen simulieren lassen. Da sowohl der Aufbau der Mäuselunge als auch die Mechanismen der Atmung Parallelen mit unserer Lunge aufweisen, lassen sich die Ergebnisse übertragen.

„Beim Menschen spielen natürlich auch noch Gravitation, Alter und Vorerkrankungen eine Rolle“, räumt der Pneumologe ein. Generell ließen sich aber allgemeine Rückschlüsse ziehen, unter welchen Voraussetzungen eine künstliche Beatmung die Lunge am wenigsten schädige. Außerdem will das Forschungsteam testen, ob sich die Lungenbläschen mit Hilfe von fein vernebeltem Surfactant frühzeitig stabilisieren lassen, und so einer zusätzlichen Schädigung durch mechanische Beatmung vorgebeugt werden könnte.