Untersuchungen zu protektiver und forcierter Beatmung in Bezug auf die Beatmungsassoziierte Lungenschädigung an der Ratte

Dr. med. Susanne Adam

AutorIn

Dr. med. Susanne Adam

Titel

Untersuchungen zu protektiver und forcierter Beatmung in Bezug auf die Beatmungsassoziierte Lungenschädigung an der Ratte

Zitierfähige Url:

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1053927

Übersetzter Titel (EN)

Research on protective and aggressive ventilation in relation to Ventilator-Associated Lung Injury in rats

Erstveröffentlichung

2026

Datum der Einreichung

31.10.2025

Datum der Verteidigung

09.06.2026

Abstract (DE)

Hintergrund Der Einsatz von Beatmungsgeräten kann zu ventilatorinduziertem Lungenschaden (VILI) führen, eine Sonderform des akuten Lungenversagens (ARDS). Als Hauptursachen gelten Baro-, Volu- und Atelektrauma sowie alveoläres Ödem und Biotrauma. Diese führen zu erhöhtem mechanischem Stress und Strain, zur Freisetzung inflammatorischer Mediatoren und zur Beeinträchtigung der alveoloepithelialen Barrierefunktion. Die lungenprotektive Beatmung, die auf niedrige Tidalvolumina (Vt) und begrenzte Atemwegsspitzendrücke (Ptrans) abzielt, hat sich als vorteilhaft erwiesen und konnte die ARDS-assoziierte Mortalität senken. Die Ergebnisse mehrerer Forschungsarbeiten legen nahe, dass der Compliance (Crs) und dem Driving Pressure (∆P) eine größere Bedeutung zukommen als bisher angenommen. Methoden In dieser Studie wurden 28 männliche Wistar-Ratten in vier Gruppen randomisiert. Die Hälfte der Tiere wurde mit Lipopolysaccharid (LPS) vorgeschädigt. Nach inhalativer Narkoseeinleitung erfolgte die tracheale Kanülierung zur Atemwegssicherung sowie die Anlage eines arteriellen Zugangs. Während der Versuche wurden die Tiere intravenös sediert. Nach der Stabilisierung wurden sie einem der beiden Beatmungsmodi (protektiv oder forciert) zugewiesen und die Beatmungsparameter entsprechend angepasst. Während der Beatmung wurden Lungenmechanik und Gasaustausch kontinuierlich erfasst. Am Ende des Experiments erfolgte die Exsanguination und Entnahme von Gewebeproben. Ein Lungenlappen wurde histologisch aufbereitet und der Alveolarschaden mittels eines Scores quantifiziert. An einem weiteren Lungenlappen wurde das Nass-zu-Trockenverhältnis (WD-Ratio) bestimmt. Die Konzentrationen von Interleukin-6 (IL-6), Interleukin-10 (IL-10), MIP-2 (Macrophage Inflammatory Protein-2) und Tumornekrosefaktor alpha (TNF-α) wurden mittels enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) aus homogenisiertem Lungengewebe bestimmt. Die statistische Auswertung erfolgte über ungepaarte t Tests sowie ein- und zweifaktorielle Varianzanalysen. Ergebnisse Bei den Kreislaufparametern zeigten sich keine relevanten Unterschiede. Unter protektiver Beatmung kam es häufiger zur respiratorischen Azidose, während vorgeschädigte Tiere bei forcierter Beatmung eher eine metabolische Azidose entwickelten. In der vorgeschädigten, forciert beatmeten Gruppe verschlechterten sich die mechanischen Lungenparameter deutlich: erhöhter Atemwegsdruck, gesteigerte Gewebesteifigkeit und erhöhter Widerstand. Gesunde Tiere unter protektiver Beatmung zeigten dagegen nur eine höhere pulmonale Elastance (Ers) mit moderater Belastung. Eine Störung der alveolokapillären Barriere ließ sich nicht nachweisen. Histologisch fanden sich bei LPS-vorbehandelten Tieren mehr entzündliche Infiltrate ohne weitere signifikante Unterschiede. Die inflammatorische Antwort war in der vorgeschädigten, forciert beatmeten Gruppe durch höhere IL-6-Spiegel geprägt, auch MIP-2 war hier erhöht. Die intratracheale Heparingabe konnte die schädlichen Effekte der nicht-protektiven Beatmung nicht abschwächen. Schlussfolgerung Diese Arbeit untersuchte den Einfluss protektiver und forcierter Beatmung auf gesunde und vorgeschädigte Lungen. Die Ergebnisse zeigen, dass protektive Beatmung, vor allem bei Vorschädigung, die Lungenfunktion besser erhält und strukturelle Schäden reduziert. Gesunde Tiere könnten hingegen von forcierter Beatmung profitieren, während sie bei vorgeschädigter Lunge kontraproduktiv wirkt. Dies unterstreicht die Notwendigkeit individualisierter Beatmungsstrategien. Unsere Daten legen nahe, dass Ers und Crs die Effekte protektiver Beatmung beeinflussen und eine an ΔP orientierte Beatmung eine vielversprechende Alternative darstellen könnte. Die Zytokinprofile deuten auf einen synergistischen Effekt mechanischer und inflammatorischer Reize hin. Künftige Studien sollten untersuchen, inwieweit eine ΔP-gesteuerte Beatmung in Kombination mit antiinflammatorischen Therapien das Risiko für VILI weiter senken kann.

Abstract (EN)

use of mechanical ventilation can lead to ventilator-induced lung injury (VILI), a specific form of acute respiratory distress syndrome (ARDS). The main causes include barotrauma, volutrauma, atelectrauma, alveolar edema, and biotrauma. These factors result in increased mechanical stress and strain, the release of inflammatory mediators, and disruption of the alveolar-epithelial barrier function. Lung-protective ventilation aiming for low tidal volumes (Vt) and limited peak airway pressures (Ptrans) has proven to be beneficial and has reduced ARDS-associated mortality. Several studies suggest that compliance (Crs) and driving pressure (ΔP) may be of greater significance than previously assumed. Methods In this study, 28 male Wistar rats were randomized into four groups. Half of the animals received a pre-injury via lipopolysaccharide (LPS). Following inhalational induction of anesthesia, tracheal cannulation was performed for airway management, and an arterial line was placed. The animals were sedated intravenously throughout the experiment. After stabilization, they were assigned to one of two ventilation strategies (protective or forced), and the ventilator settings were adjusted accordingly. Lung mechanics and gas exchange were continuously recorded during ventilation. At the end of the experiment, the animals were exsanguinated and tissue samples were collected. One lung lobe was processed histologically, and alveolar damage was quantified using a scoring system. Another lobe was used to determine the wet-to-dry (WD) ratio. Concentrations of interleukin-6 (IL-6), interleukin-10 (IL-10), macrophage inflammatory protein-2 (MIP-2), and (TNF-α) were measured from homogenized lung tissue using enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Statistical analyses included unpaired t-tests as well as one- and two-way ANOVA. Results No relevant differences were observed in the circulatory parameters. Respiratory acidosis occurred more frequently during protective ventilation, while pr-damaged animals tended to develop metabolic acidosis during forced ventilation. In the pre-damaged, forced ventilation group, mechanical lung parameters deteriorated significantly: increased airway pressure, increased tissue stiffness and increased resistance. In contrast, healthy animals under protective ventilation showed only higher pulmonary elastance (Ers) with moderate stress. No disruption of the alveolar-capillary barrier was detected. Histologically, LPS-pretreated animals showed more inflammatory infiltrates without any other significant differences. The inflammatory response in the pre-injured force-ventilated group was characterised by higher IL-6 levels and MIP-2 was also elevated in this group. Intratracheal heparin administration did not mitigate the harmful effects of non-protective ventilation. Conclusion This study examined the effects of protective and forced ventilation in healthy and pre-injured lungs. The results show that protective ventilation, particularly in the context of lung injury, better preserves lung function and reduces structural damage. In contrast, healthy animals may benefit from forced ventilation, whereas it proves detrimental in injured lungs. These findings emphasize the need for individualized ventilation strategies. Our data suggest that Ers and Crs influence the effects of protective ventilation and that ΔP-guided ventilation may offer a promising alternative. Cytokine profiles indicate a synergistic effect of mechanical and inflammatory stimuli. Future studies should explore the extent to which ΔP-guided ventilation, in combination with anti-inflammatory therapies, can further reduce the risk of VILI.

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