Nicht invasive Lungenfunktionsdiagnostik bei kleinen Labortieren
Die Messung der klassischen atmungsmechanischen Parameter Resistance und Compliance wird beim Labornager konventionell an anästhesierten Tieren durchgeführt. Die auf diese Weise gemessenen Parameter erwiesen sich als sensitiver hinsichtlich des Nachweises einer durch Allergene oder unspezifisch induzierten Bronchokonstriktion als die Parameter verschiedener nicht invasiv funktionierender Verfahren wie die Bestimmung des penh oder des tidalen mitt-exspiratorischen Flusses EF50.
Die Gruppe von Oostveen und zwar untersuchte Anfang der 90er Jahre des letzten Jahrhunderts erfolgreich wache Ratten und Mäuse unter Nutzung einer forcierten Oszillationstechnik (FOT) mit einem Pseudo-Random-Noise-Signal (Oostveen et al. 1992, Zwart et al. 1994). Dieses Verfahren war durch die Bestimmung einer Transfer-Impedanz im Frequenzbereich zwischen 16 und 208 Hz gekennzeichnet. Verschiedene andere Gruppen arbeiteten mit verschiedenen FOT-Systemen an anästhesierten Tieren, wobei Input-Impedanzen in verschiedenen Frequenzbereichen gemessen wurden (Hantos et al. 1987, Gomes et al. 2000, Thamrin et al. 2005, Lofgren et al. 2006).
Insgesamt ist zu sagen, dass jeder Anwender mit einem individuell gestalteten Laboraufbau arbeitete, da die für die Durchführung der Messungen notwendige Gerätetechnik meist nur in Form einzelner Baugruppen kommerziell verfügbar ist.
Daraus wurde die Zielstellung des Projektvorhabens abgeleitet, ein Gerät für die nicht invasive Erfassung von Druck und Strömung und der daraus folgenden atmungsmechanischen Parameter bei den Labortierspezies Maus, Ratte und Meerschweinchen zu entwickeln.
Dazu wurde ein Impuls-Oszillometriesystem (IOS) (Abb. 1), wie es in der Humanmedizin sowie bei einigen größeren Tierspezies in der Veterinärmedizin angewendet wird, miniaturisiert. Die Tiere werden für die Messdurchführung manuell fixiert, ohne deren Brustkorb oder das Abdomen zu komprimieren. Das IOS wird – wie bei allen anderen Tieren auch - über eine speziell angefertigte Atemmaske an das Tier adaptiert. Um eine Rückatmung des CO2 aus dem im Verhältnis zum Atemzugvolumen verhältnismäßig großen Gerätetotraum zu verhindern, wird die Maske kontinuierlich mit einem Bias-Flow gespült.
Abb. 1: Prinzip der Durchführung von IOS-Messungen bei der Ratte
Wache Ratten und Meerschweinchen lassen sich auf diese Weise mit einer guten Reproduzierbarkeit messen (Klein et al. 2010). Mäuse benagen während der Messung das Polstermaterial. Daher sind IOS-Messungen an wachen Mäusen nicht durchführbar.
Für die Ratten wurde ein bronchialer Provokationstest (modifiziert nach Hoymann 2007) unter Verwendung von Acethylcholin eingearbeitet. Die während dieses Tests ausgelösten bronchospastischen Reaktionen lassen sich sehr gut an charakteristischen Veränderungen der Resistance und Reactance nachweisen (Klein et al. 2009).
Gegenwärtig werden Studien zur Validierung des IOS gegenüber der konventionellen Bestimmung der Atmungsmechanik bei der Ratte durchgeführt.
Publikationen:
Klein, C. C., J. Thomas, N. Mieskes, M. Hoffmann, H.-J. Smith (2009): Non-invasive measurement of respiratory impedance in conscious rats utilising impulse oscillometry. European Respiratory Journal, 34, 36s
Klein, C., Thomas, J., Hoffmann, M., Mieskes, N., Smith, H.-J. (2010):
Impedanzmessung mittels Impuls-Oszilloresistometrie bei kleinen Labortieren. Pneumologie, 64, S167 – S177,
Poster (mit Logo einfügen)
Referenzen:
Gomes, R. F. M., X. Shen, R. Ramchandani, R. S. Tepper, J. H. T. Bates (2000):
Comparative respiratory system mechanics in rodents. J. Appl. Physiol. 89, 908 - 916
Hantos, Z., B. Daroczy, B. Suki, S. Nagy (1987):
Low-frequency respiratory mechanical impedance in the rat.
J. Appl. Physiol. 63, 36 - 43
Hoymann, H. G. (2007):
Invasive and noninvasive lung function measurements in rodents.
J Pharmacol Toxicol Methods 55(1):16-26
Lofgren, J. L. S., M. R. Mazan, E. P. Ingenito, K. Lascola, M. Seavey, A. Walsh, A. M. Hoffman (2006):
Restrained whole body plethysmography for measure of strain-specific and allergen-induced airway responsiveness in conscious mice. J. Appl. Physiol. 101, 1495 - 1505
Oostveen, E., Zwart, A., Peslin, R., C. Duvivier (1992):
Respiratory transfer impedance and derived meachnical properties of conscious rats. J. Appl. Physiol. 73, 1598 – 1607
Thamrin, C., P. D. Sly, Z. Hantos (2005):
Broadband frequency dependence of respiratory impedance in rats. J. Appl. Physiol. 99, 1364 – 1371
Zwart, A., E. M. Hessel (1994):
Oscillatory mechanics of the mouse respiratory system. Eur. Respir. Rev. 19, 182 – 186
Dieses Projektvorhaben wurden dankenswerterweise gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit innerhalb des Förderprogramms INNO-WATT, Förderkennzeichen IW 070139.