Studie mit Modell-Lunge: Forschende klären Grundlagen des Sauerstofftransportes in unteren Atemwegen

Forschende aus dem Fachgebiet der biomedizinischen Strömungsmechanik der TU Bergakademie Freiberg haben eine Möglichkeit vorgestellt, mit der der Sauerstofftransport zwischen Luftröhre und oberem Bronchialbaum genau sicht- und messbar gemacht werden kann.

Die Ergebnisse können der Intensivmedizin wichtige Erkenntnisse zur Optimierung der Sauerstoffversorgung von beatmeten Patientinnen und Patienten liefern.

„Während die Funktionsweise der Lunge bekannt ist, ist das lebenswichtige Organ selbst eine Art Black Box. Wichtige Werte wie die Sauerstoffkonzentration lassen sich nur vor der Einatmung oder im Blut genau messen. Wie genau sich der Sauerstoff auf seinem Weg durch die Lunge verteilt und was das für die intensivmedizinische Beatmung bedeutet, wurde bisher noch nicht untersucht“, sagt Prof. Rüdiger Schwarze. Der Experte auf dem Gebiet der Strömungsmechanik erforscht an der Technischen Universität (TU) Bergakademie Freiberg, wie sich Flüssigkeiten physikalisch verhalten.

Forschende entwickeln Modell-Lunge aus Plexiglas

Im Rahmen eines von 2015 bis 2020 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes (Gesamtfördersumme: 440.000 Euro) haben die Forschenden eine vereinfachte Modell-Lunge aus transparentem Plexiglas entwickelt: „Dank des Modells können wir Licht in die Black Box bringen und den Prozess des Gasaustauschs von der Luftröhre bis zum oberen Bronchialbaum sichtbar machen. In der Studie haben wir den Sauerstofftransport bei einer sogenannten Flüssigkeitsbeatmung untersucht“, erklärt Dr. Katrin Bauer, wissenschaftliche Mitarbeiterin und Autorin des Artikels im Fachmagazin „Scientific Reports“. Bei dieser Beatmungsmethode erfolgt die Versorgung, statt direkt mit Sauerstoff, mit der sauerstoffhaltigen Flüssigkeit Perflourcarbon. Angewendet wurde diese Methode bisher in klinischen Studien bei akutem Lungenversagen sowie zur schonenden Beatmung von Frühgeborenen.

Den Sauerstoff in der Modellflüssigkeit können die Forschenden in der Plexiglaslunge durch einen sauerstoff-sensitiven und fluoreszierenden Farbstoff sichtbar machen und so analysieren, wie genau sich der Sauerstoff während eines simulierten Atemzyklus von der Luftröhre bis zu den oberen Bronchien verteilt. „Konkret haben wir die Konzentrationsverteilung des gelösten Sauerstoffs während der Durchströmung gemessen und mit denen aus vorangegangenen Arbeiten bekannten Geschwindigkeitsfeldern verglichen“, erläutert Mitautor Thomas Janke.

Ergebnisse lassen sich auf Beatmung mit Luft übertragen

Da der Sauerstofftransport in der Lunge im oberen Bronchialbaum von Konvektion und nicht von Diffusion dominiert wird, also ein Transport erfolgt, der durch die Strömung getrieben wird, lassen sich die Ergebnisse prinzipiell von der Flüssigkeitsbeatmung auf die Sauerstoffbeatmung übertragen. „Wir konnten mithilfe des Lungenmodells nachvollziehen, wie genau der Transport des Sauerstoffs in den oberen Lungenästen mit der Zufuhr von frischer Luft, sowie dem Abtransport verbrauchter, sauerstoffarmer Luft abläuft“, erklärt Janke. „Je höher das Atemzugsvolumen, desto schneller verteilt sich der Sauerstoff und desto schneller lässt sich eine höhere Sauerstoffkonzentration erreichen. Eine erhöhte Atemfrequenz hat jedoch keinen Einfluss auf die Sauerstoffkonzentration in den unteren Atemwegen. Wer also schneller atmet, erreicht keine höhere Sauerstoffkonzentration“, ordnet Bauer die Ergebnisse ein.

Grundlagen in vorklinischen Studien einbinden

Um die Ergebnisse der Grundlagenforschung der Ingenieurswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler der TU Bergakademie Freiberg weiter für die Beatmung auf Intensivstationen zu validieren, müssten in weiteren Schritten vorklinische Studien folgen. „Eine konkrete Kooperation gibt es aber derzeit noch nicht“, sagt Prof. Rüdiger Schwarze.