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Matthias Felten

• Die lungenprotektive Beatmung reduziert die Mortalität bei Patienten mit Acute Respiratory Distress Syndrom (ARDS). Um den beatmungsinduzierten Lungenschaden (Ventilator Induced Lung Injury (VILI)) zu minimieren, werden Tidalvolumina limitiert, hohe Plateaudrücke vermieden und ein positiv endexspiratorischer Druck entsprechend der Leitlinien angewandt. Doch der Einfluss spezifischer Beatmungsschemata auf den VILI ist nicht genau definiert. Die Erhöhung der Inspirationszeit und somit des Verhältnisses zwischen Inspiration und Exspiration kann die Oxygenierung zwar verbessern, erhöht jedoch auch die Zeit der Einwirkung von Stress und Strain auf die Lunge. Die Hypothese dieser Arbeit ist, dass die Erhöhung der Inspirationszeit und damit des Verhältnisses von Inspiration zu Exspiration (I:E) sich besonders im ARDS schädlich auf die Lunge auswirkt und VILI weiter verstärkt. VILI wurde im murinen Experimentalmodell durch Beatmung mit hohen Tidalvolumina (HVT: 34ml/kg) induziert. Die Beatmung mit niedrigen Tidalvolumina (LVT 9ml/kg) wurde als Kontrolle benutzt. In allen Gruppen erfolgte die Beatmung mit 50 % Sauerstoffkonzentration in der Einatemluft (FiO2) und einem PEEP von 2 cmH2O. HVT- und LVT-Mäuse wurden mit einer I:E-Ratio von 1:2 oder 1:1 für eine Gesamtdauer von 4 Stunden oder bis zum einem alternativen Endpunkt, definiert durch einen Blutdruckabfall unter 40mmHg, beatmet. Eine dynamische Hyperinflammation bedingt durch ein erhöhtes I:E-Verhältnis wurde in einer separaten Gruppe ausgeschlossen. Ausgewertet wurden das Überleben bei Beatmung über 4 Stunden, die Lungencompliance, Oxygenierung, sowie nach Versuchsende die pulmonale Permeabilität, die Konzentrationen gängiger Mediatoren der pulmonalen und der systemischen Inflammation (Leukozytendifferenzierung in Lunge und Blut; Messung von IL-6, IL1-ß, KC, MCP-1 in BAL und Blut) und histopathologische Veränderungen des Lungengewebes. In den Kontrollgruppen mit protektiver Beatmung (LVT 1:2 und LVT 1:1) wurden keine VILI typischen Veränderungen festgestellt und alle Tiere überlebten die Beatmungsdauer. Die HVT 1:2-Gruppe zeigte im Vergleich eine verringerte Lungen-Compliance, eine vermehrte Expression von entzündungstypischen Zytokinen und Einwanderung von neutrophilen Granulozyten, sowie deutliche histologische Zeichen des Lungenschadens. Auch hier überlebten alle Tiere die Beatmung von 4 Stunden. Die Tiere der HVT 1:1-Gruppe zeigten eine signifikant schlechtere Oxygenierung, Lungen-Compliance und eine vermehrte Expression proinflammatorischer Zytokine, sowie eine erhöhte Anzahl neutrophiler Granulozyten in Blut und Lunge. In der HVT 1:1-Gruppe kam es zu einer signifikant höheren Mortalität aufgrund der mechanischen Beatmung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erhöhung der Inspirationszeit und damit das I:E-Verhältnis den mit der maschinellen Beatmung assoziierten Lungenschaden bei Mäusen signifikant verschlimmert. Daraus lässt sich ableiten, dass das Produkt aus Stress/Strain und Inspirationszeit ein entscheidender Faktor in der Pathogenese des VILI im ARDS ist und somit so gering wie möglich gehalten werden sollte. Dementsprechend sollte jeder Anlass bei der Beatmung eines Patienten, die Inspirationszeit zu erhöhen, kritisch hinterfragt werden.
• Lung-protective ventilation reduces mortality in acute respiratory distress syndrome (ARDS). To minimize ventilator-induced lung injury (VILI), tidal volume is reduced, high plateau pressures are avoided, and positive end-expiratory pressure (PEEP) is applied. However, how specific ventilatory patterns affect the pathogenesis of VILI is not well defined. Increasing inspiratory time and thereby the inspiratory/expiratory ratio (I:E ratio) may improve oxygenation, but may also be harmful as the absolute stress and strain over time increase. We thus hypothesized that increasing inspiratory time and I:E ratio contributes to the pathogenesis of VILI. To induce VILI, mice were subjected to high tidal-volume ventilation (HVT 34 ml/kg). Control animals were ventilated at low tidal-volume (LVT 9 ml/kg). PEEP was set to 2 cm H2O and FiO2 was 0.5 in all groups. HVT and LVT mice were ventilated with either I:E of 1:2 (LVT 1:2, HVT 1:2) or 1:1 (LVT 1:1, HVT 1:1) for 4 hours or until an alternative end point, defined as mean arterial blood pressure decrease below 40 mm Hg. Dynamic hyperinflation due to the increased I:E ratio was excluded in a separate group of animals. Survival, lung compliance, oxygenation, pulmonary permeability, markers of pulmonary and systemic inflammation (leukocyte differentiation in lung and blood, pulmonary interleukin-6, interleukin-1β, keratinocyte-derived chemokine, monocyte chemoattractant protein-1), and histopathologic pulmonary changes were analyzed. LVT 1:2 or LVT 1:1 had no impact on lung function and all animals survived the ventilation period. HVT 1:2 decreased lung compliance, increased pulmonary neutrophils and cytokine expression, and evoked marked histologic signs of lung injury. All animals survived. HVT 1:1 caused further significant worsening of oxygenation, compliance and increase of pulmonary proinflammatory cytokine expression, and pulmonary and blood neutrophils (compared to HVt 1:2). In the HVT 1:1 group, significant mortality during mechanical ventilation was also observed. The results indicate that the increase of inspiratory time and I:E ratio significantly aggravates VILI in mice, suggesting an impact of a “stress/strain × time product” on the pathogenesis of VILI. Thus, increasing the inspiratory time and I:E ratio should be critically revised in patients with ARDS.