Interactions of inhaled nanoparticles with the alveolar-capillary barrier of the human respiratory tract

In dieser Arbeit wurden zytotoxische Effekte sowie die inflammatorische Reaktionen des distalen respiratorischen Traktes nach Nanopartikelexposition untersucht. Besondere Aufmerksamkeit lag auch auf der Untersuchung unterschiedlicher zellulärer Aufnahmewege von Nanopartikeln wie z.B. Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose oder auch Clathrin- und Caveolae-unabhängige Endozytose (mit möglicher Beteiligung von Flotillinen). Drei unterschiedliche Nanopartikel wurden hierbei gewählt: amorphes Silica (aSNP), Organosiloxan (AmorSil) und Poly(ethyleneimin) (PEI). Alle unterschiedlichen Materialien gewinnen zunehmend an Interesse für biomedizinische Forschungsrichtungen (drug and gene delivery). Insbesondere finden aSNPs auch in der Industrie vermehrt Anwendung, und stellen somit ein ernstzunehmendes Gesundheitsrisiko dar. Dieser wird dadurch zu einem begehrten Angriffsziel für pharmazeutische Verabreichungen von Medikamenten über Nanopartikel als Vehikel aber bietet zugleich auch eine Angriffsfläche für gesundheitsschädliche Nanomaterialien. Aus diesem Grund sollten die gesundheitsschädigenden Risiken, sowie das Schicksal von zellulär aufgenommenen NPs sorgfältig untersucht werden. In vivo Studien an der alveolaren-kapillaren Barriere sind recht umständlich. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Kokulturmodel benutzt, dass die Alveolar-Kapillare Barrier in vivo nachstellt. Das Model besteht aus dem humanen Lungenepithelzelltyp (z.B. NCI H441) und einem humanen microvasculären Endothelzelltyp (z.B. ISO-HAS-1), die auf entgegengesetzten Seiten eines Transwell-Filters ausgesät werden und eine dichte Barriere ausbilden. Die NP Interaktion mit Zellen in Kokultur wurde mit denen in konventioneller Monokultur verglichen, in der Zellen 24h vor dem Experiment ausgesät werden. Diese Studie zeigt, dass nicht nur die polarisierte Eigenschaft der Zellen in Kokultur sondern auch die unmittelbare Nähe von Epithel und Endothelzelle ausschlaggebend für durch aSNPs verursachte Effekte ist. Im Hinblick auf inflammatorische Marker (sICAM, IL-6, IL8-Ausschüttung), reagiert die Kokultur auf aSNPs empfindlicher als die konventionelle Monokultur, wohingegen die Epithelzellen in der Kokultur auf zytotoxikologischer Ebene (LDH-Ausschüttung) unempfindlicher auf aSNPs reagierten als die Zellen in Monokultur. Aufnahmestudien haben gezeigt, dass die Epithelzellen in Kokultur entschieden weniger NPs aufnehmen. Somit zeigen die H441 in der Kokultur ähnliche epitheliale Eigenschaften einer schützenden Barriere, wie sie auch in vivo zu finden sind. Obwohl eine ausreichende Aufnahme von NPs in H441 in Kokultur erreicht werden konnte, konnte ein Transport von NPs durch die epitheliale Schicht und eine Aufnahme in die endotheliale Schicht mit den gewählten Inkubationszeiten nicht gezeigt werden. Eine Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose von NPs konnte mittels Immunfluoreszenz weder in der Mono- noch in der Kokultur nachgewiesen werden. Jedoch zeigte sich eine Akkumulation von NPs in Flotillin-1 und-2 enthaltende Vesikel in Epithelzellen aus beiden Kultursystemen. Ergebnisse mit Flotillin-inhibierten (siRNA) Epithelzellen, zeigten eine deutlich geringere Aufnahme von aSNPs. Zudem zeigte sich eine eine reduzierte Viabilität (MTS) von aSNP-behandelten Zellen. Dies deutet auf eine Beteiligung von Flotillinen an unbekannten (Clathrin oder Caveolae -unabhängig) Endozytosemechanismen und (oder) endosomaler Speicherung. Zusammenfassend waren die Aufnahmemechanismen für alle untesuchten NPs in konventioneller Monokultur und Kokultur vergleichbar, obwohl sich die Barriereeigenschaften deutlich unterscheiden. Diese Arbeit zeigt deutlich, dass sich die Zellen in Kokultur anders verhalten. Die Zellen erreichen hierbei einen höheren Differenzierungsgrad und eine Zellkommunikation mit anderen relevanten Zelltypen wird ermöglicht. Durch das Einbringen eines dritten relevanten Zelltyps in die Kokultur, des Alveolarmakrophagen (Zelllinie THP-1), welcher die erste Verteidigungsfront im Alveolus bildet, wird diese Aussage weiter bekräftigt. Erste Versuche haben gezeigt, dass die Triplekultur bezüglich ihrer Barriereeigenschaften und IL-8-Ausschüttung sensitiver auf z.B. TNF- oder LPS-Stimulation reagiert als die Kokultur. Verglichen mit konventionellen Monokulturen imitieren gut ausgebildete, multizelluräre Kokulturmodelle viel präziser das zelluläre Zusammenspiel im Körper. Darum liefern Nanopartikelinteraktionen mit dem in vitro-Triplekulturmodel aufschlussreichere Ergebnisse bezüglich umweltbedingter oder pharmazeutischer NP-Exposition in der distalen Lung als es uns bisher möglich war.

Optimierung der inhalativen Therapie bei Patienten mit Cystischer Fibrose und bei Kleinkindern

Patienten mit Cystischer Fibrose müssen in der Regel verschiedene Arzneimittel mehrmals täglich inhalieren. Um den hohen Zeitaufwand dafür zu reduzieren werden die Arzneimittel häufig gemischt und simultan inhaliert. Die Kenntnis der physikalisch-chemischen Kompatibilität von Mischinhalationslösungen/ -suspensionen ist deshalb von großer Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wurden die Kompatibilitäten von Mischungen aus Colistimethat-Inhalationslösung (mikrobiologische Wertbestimmung) mit verschiedenen Tobramycin-Inhalationslösungen, Budesonid (HPLC) mit 5,85%-iger Natriumchlorid-Lösung sowie mit Colistimethat-Inhalationslösung und Dornase alfa (SE-HPLC, SDS-PAGE, UV-Spektrometrie, T-SCX-Chromatographie) mit verschiedenen Tobramycin-Inhalationslösungen (Fluoreszenzpolarisations-Immunoassay) nachgewiesen. Durch das Mischen mit Tobramycin-Inhalationslösungen wurden die aerodynamischen Eigenschaften (FPF, MMAD, GSD) von Dornase alfa bei simultaner Verneblung nicht verändert (bestimmt mittels Kaskadenimpaktion).rnDurch die physiologischen und anatomischen Gegebenheiten, sowie die kognitiven Fähigkeiten kleiner Kinder stellt die effektive inhalative Therapie eine große Herausforderung dar. Der Respimat® bietet mit seiner langen Sprühdauer und den kleinen Aerosolpartikeln eine vielversprechende Alternative für die Anwendung bei Kleinkindern. In der vorliegenden Studie wurde untersucht ob bei Kindern unter 5 Jahren der Respimat® als Inhalationsgerät verwendet werden kann und welchen Grad an Hilfestellung sie für ein erfolgreiches Inhalationsmanöver benötigen.rnDie Ergebnisse der Handhabungsuntersuchung, sowie die Bewertung aufgezeichneter Inhalationsprofile zeigten, dass der Respimat® für Kinder < 4 Jahre nur in Kombination mit einer Inhalierhilfe wie dem AeroChamber Plus® verwendet werden sollte. Kinder im Alter von 4 Jahren sind mit entsprechender Schulung in der Lage mit dem Respimat® alleine zu inhalieren.rn

Semi-synthetic bile acids as novel drug candidate in liver diseases: physico-chemical characterization and HPLC-ES-MS/MS methods for their quali-quantitative analysis in different experimental animal models

The physico-chemical characterization, structure-pharmacokinetic and metabolism studies of new semi synthetic analogues of natural bile acids (BAs) drug candidates have been performed. Recent studies discovered a role of BAs as agonists of FXR and TGR5 receptor, thus opening new therapeutic target for the treatment of liver diseases or metabolic disorders. Up to twenty new semisynthetic analogues have been synthesized and studied in order to find promising novel drugs candidates. In order to define the BAs structure-activity relationship, their main physico-chemical properties (solubility, detergency, lipophilicity and affinity with serum albumin) have been measured with validated analytical methodologies. Their metabolism and biodistribution has been studied in “bile fistula rat”, model where each BA is acutely administered through duodenal and femoral infusion and bile collected at different time interval allowing to define the relationship between structure and intestinal absorption and hepatic uptake ,metabolism and systemic spill-over. One of the studied analogues, 6α-ethyl-3α7α-dihydroxy-5β-cholanic acid, analogue of CDCA (INT 747, Obeticholic Acid (OCA)), recently under approval for the treatment of cholestatic liver diseases, requires additional studies to ensure its safety and lack of toxicity when administered to patients with a strong liver impairment. For this purpose, CCl4 inhalation to rat causing hepatic decompensation (cirrhosis) animal model has been developed and used to define the difference of OCA biodistribution in respect to control animals trying to define whether peripheral tissues might be also exposed as a result of toxic plasma levels of OCA, evaluating also the endogenous BAs biodistribution. An accurate and sensitive HPLC-ES-MS/MS method is developed to identify and quantify all BAs in biological matrices (bile, plasma, urine, liver, kidney, intestinal content and tissue) for which a sample pretreatment have been optimized.

Konzept eines aktiven Pulverinhalators

In dieser Arbeit wird das Konzept eines aktiven Pulverinhalators entwickelt. Im Gegensatz zu einem passiven Pulverinhalator ist bei solch einem Gerät die Abgabe und Dispergierung der Arzneistoffformulierung nicht von einem Inhalationsmanöver abhängig, welches von Patient zu Patient variiert. Solch ein System würde folglich die Zuverlässigkeit und Effizienz der inhalativen Therapie verbessern. Mögliche Anwendungen für einen aktiven Pulverinhalator wären vor allem Indikationen, die die Abgabe hoher Dosen erfordern, wie z.B. in der Therapie mit Antibiotika.rnIn einem Designprozess, der alle aus Kundenwünschen ermittelten Konstruktionsanforderungen sammelt und verschiedene Lösungsansätze vergleicht, wird ein mit Treibgas betriebener atemzugsausgelöster, Mehrfach-Dosis Pulverinhalator als aussichtsreichstes Konzept ermittelt. Dieses Konzept wird in Form von eigens konstruierten Labor-Test-Rigs entwickelt und vor allem hinsichtlich Höhe der Dosierung, Dosiergenauigkeit, und Flussratenabhängigkeit evaluiert. In der Spitze können über 16 mg lungengängiger Dosis erreicht werden, bei im Vergleich zu dem eingesetzten passiven Inhalator mindestens nur halb so großer Streuung. Bei niedrigen Flussraten können immer noch bis zu 80 % der erzielten inhalierbaren Dosis von hohen Flussraten erreicht werden und damit die Ergebnisse des passiven Inhalators deutlich übertreffen.rnTeil der Aufgabe war es, dieses treibgasbetriebene Labor-Test-Rig so zu entwickeln, dass es implementierbar in einen atemzugsausgelösten Mehrfachdosis-Pulverinhalator ist. Dieser treibgasbetriebene, atemzugsausgelöste Mehrfachdosis-Pulverinhalator würde die Kundenwünsche und Konstruktionsanforderungen in sehr hohen Maße erfüllen, so dass hier die Möglichkeit besteht einen Inhalator mit sehr hohem Grad an Patienten-Compliance zu verwirklichen. Durch die Verwendung und Neukombination bereits etablierter Technologien und einen akzeptablen Stückkostenpreis besteht die Möglichkeit den Inhalator tatsächlich zu realisieren und zu vermarkten.

Development of a system measuring adhesion forces in powder collectives

Fine powders commonly have poor flowability and dispersibility due to interparticle adhesion that leads to formation of agglomerates. Knowing about adhesion in particle collectives is indispensable to gain a deeper fundamental understanding of particle behavior in powders. Especially in pharmaceutical industry a control of adhesion forces in powders is mandatory to improve the performance of inhalation products. Typically the size of inhalable particles is in the range of 1 - 5 µm. In this thesis, a new method was developed to measure adhesion forces of particles as an alternative to the established colloidal probe and centrifuge technique, which are both experimentally demanding, time consuming and of limited practical applicability. The new method is based on detachment of individual particles from a surface due to their inertia. The required acceleration in the order of 500 000 g is provided by a Hopkinson bar shock excitation system and measured via laser vibrometry. Particle detachment events are detected on-line by optical video microscopy. Subsequent automated data evaluation allows obtaining a statistical distribution of particle adhesion forces. To validate the new method, adhesion forces for ensembles of single polystyrene and silica microspheres on a polystyrene coated steel surface were measured under ambient conditions. It was possible to investigate more than 150 individual particles in one experiment and obtain adhesion values of particles in a diameter range of 3 - 13 µm. This enables a statistical evaluation while measuring effort and time are considerably lower compared to the established techniques. Measured adhesion forces of smaller particles agreed well with values from colloidal probe measurements and theoretical predictions. However, for the larger particles a stronger increase of adhesion with diameter was observed. This discrepancy might be induced by surface roughness and heterogeneity that influence small and large particles differently. By measuring adhesion forces of corrugated dextran particles with sizes down to 2 µm it was demonstrated that the Hopkinson bar method can be used to characterize more complex sample systems as well. Thus, the new device will be applicable to study a broad variety of different particle-surface combinations on a routine basis, including strongly cohesive powders like pharmaceutical drugs for inhalation.

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

The influence of pulmonary surfactant on nanoparticulate drug delivery systems

The pulmonary route is very attractive for drug delivery by inhalation. In this regard, nanoparticulate drug delivery systems, designed as multifunctional engineered nanoparticles, are very promising since they combine several opportunities like a rather uniform distribution of drug dose among all ventilated alveoli allowing for uniform cellular drug internalization. However, although the field of nanomedicine offers multiple opportunities, it still is in its infancy and the research has to proceed in order to obtain a specific targeting of the drug combined with minimum side effects. If inhaled nanoparticulate drug delivery systems are deposited on the pulmonary surfactant, they come into contact with phospholipids and surfactant proteins. It is highly likely that the interaction of nanoparticulate drug delivery systems with surfactant phospholipids and proteins will be able to mediate/modulate the further fate of this specific drug delivery system. In the present comment, we discuss the potential interactions of nanoparticulate drug delivery systems with pulmonary surfactant as well as the potential consequences of this interaction.

Biomechanical effects of environmental and engineered particles on human airway smooth muscle cells

The past decade has seen significant increases in combustion-generated ambient particles, which contain a nanosized fraction (less than 100 nm), and even greater increases have occurred in engineered nanoparticles (NPs) propelled by the booming nanotechnology industry. Although inhalation of these particulates has become a public health concern, human health effects and mechanisms of action for NPs are not well understood. Focusing on the human airway smooth muscle cell, here we show that the cellular mechanical function is altered by particulate exposure in a manner that is dependent upon particle material, size and dose. We used Alamar Blue assay to measure cell viability and optical magnetic twisting cytometry to measure cell stiffness and agonist-induced contractility. The eight particle species fell into four categories, based on their respective effect on cell viability and on mechanical function. Cell viability was impaired and cell contractility was decreased by (i) zinc oxide (40-100 nm and less than 44 microm) and copper(II) oxide (less than 50 nm); cell contractility was decreased by (ii) fluorescent polystyrene spheres (40 nm), increased by (iii) welding fumes and unchanged by (iv) diesel exhaust particles, titanium dioxide (25 nm) and copper(II) oxide (less than 5 microm), although in none of these cases was cell viability impaired. Treatment with hydrogen peroxide up to 500 microM did not alter viability or cell mechanics, suggesting that the particle effects are unlikely to be mediated by particle-generated reactive oxygen species. Our results highlight the susceptibility of cellular mechanical function to particulate exposures and suggest that direct exposure of the airway smooth muscle cells to particulates may initiate or aggravate respiratory diseases.

Accidental infection of veterinary personnel with Mycobacterium tuberculosis at necropsy: a case study

Mycobacterium tuberculosis is the main cause of human tuberculosis. Infection in companion animals is mainly acquired from close contact to a diseased human patient and hence rarely diagnosed in countries with low tuberculosis incidence rates. Therefore the general awareness of the disease might be low. Here we report the potential risk of infection for veterinary personnel with M. tuberculosis during the clinical and pathological examination of a dog with unexpected disseminated tuberculosis. The dog had presented with symptoms of a central nervous system disease; rapid deterioration prevented a complete clinical workup, however. Post-mortem examination revealed systemic mycobacteriosis, and M. tuberculosis was identified by PCR amplification of DNA extracts from paraffin-embedded tissue sections and spoligotyping. Contact investigations among the owners and veterinary personnel using an IFN-? release assay indicated that the index dog did not infect humans during its lifetime. Serological and IFN-? release assay results of one of two cats in direct contact with the index dog, however, suggested that transmission of M. tuberculosis might have occurred. Importantly, all three pathologists performing the necropsy on the dog tested positive. Accidental infection was most likely due to inhalation of M. tuberculosis containing aerosols created by using an electric saw to open the brain cavity. As a consequence routine necropsy procedures have been adapted and a disease surveillance program, including tuberculosis, has been initiated. Our results highlight the importance of disease awareness and timely diagnosis of zoonotic infectious agents in optimizing work safety for veterinary personnel.

Respiratory symptoms in preterm infants: burden of disease in the first year of life

Objective While respiratory symptoms in the first year of life are relatively well described for term infants, data for preterm infants are scarce. We aimed to describe the burden of respiratory disease in a group of preterm infants with and without bronchopulmonary dysplasia (BPD) and to assess the association of respiratory symptoms with perinatal, genetic and environmental risk factors. Methods Single centre birth cohort study: prospective recording of perinatal risk factors and retrospective assessment of respiratory symptoms during the first year of life by standardised questionnaires. Main outcome measures: Cough and wheeze (common symptoms), re-hospitalisation and need for inhalation therapy (severe outcomes). Patients: 126 preterms (median gestational age 28.7 weeks; 78 with, 48 without BPD) hospitalised at the University Children's Hospital of Bern, Switzerland 1999-2006. Results Cough occurred in 80%, wheeze in 44%, rehospitalisation in 25% and long term inhalation therapy in wheezers in 13% of the preterm infants. Using logistic regression, the main risk factor for common symptoms was frequent contact with other children. Severe outcomes were associated with maximal peak inspiratory pressure, arterial cord blood pH, APGAR and CRIB-Score. Conclusions Cough in preterm infants is as common as in term infants, whereas wheeze, inhalation therapy and re-hospitalisations occur more often. Severe outcomes are associated with perinatal risk factors. Preterm infants who did not qualify for BPD according to latest guidelines also showed a significant burden of respiratory disease in the first year of life.

Acute pulmonary edema and airway hemorrhage in a goat during sevoflurane anesthesia

A goat was scheduled for experimental surgery under general anesthesia. The first attempt of performing endotracheal intubation failed and provoked laryngeal spasm. After repeated succesful intubation of inhalation anesthesia was delivered in high concentrations of sevoflurane. Suddenly hypertension and tachycardia were observed, followed by foamy airway secretion and then severe airway hemorrhage. The authors hypothesize that laryngeal spasm provoked respiratory distress and pulmonary edema. The delivered high concentrations of sevoflurane probably enhanced a hyperadrenergic response, predisposing to the development of airway hemorrhage.

Evaluation of the isoflurane-sparing effects of lidocaine infusion during umbilical surgery in calves

OBJECTIVE: To evaluate the isoflurane-sparing effects of lidocaine administered by constant rate infusion (CRI) during umbilical surgery in calves. STUDY DESIGN: Randomized 'blinded' prospective clinical study. ANIMALS: Thirty calves (mean 4.7 +/- SD 2.5 weeks old) undergoing umbilical surgery. METHODS: After premedication with xylazine (0.1 mg kg(-1) , IM), anaesthesia was induced with ketamine (4 mg kg(-1) , IV) and maintained with isoflurane in O(2) administered through a circle breathing system. The calves were assigned randomly to receive a bolus of 2 mg kg(-1) lidocaine IV after induction of anaesthesia, followed by CRI of 50 mug kg(-1) minute(-1) (group L, n=15) or a bolus and CRI of 0.9% sodium chloride (NaCl, group S, n=15). End-tidal isoflurane was adjusted to achieve adequate depth of anaesthesia. Heart rate, direct arterial blood pressure and body temperature were measured intraoperatively. Groups were compared by t- tests, anova or Mann-Whitney rank sum test as appropriate. RESULTS: The end-tidal concentration of isoflurane (median, IQR) was significantly lower in group L [1.0% (0.94-1.1)] compared to group S [1.2% (1.1-1.5)], indicating a 16.7% reduction in anaesthetic requirement during lidocaine CRI. Cardiopulmonary parameters and recovery times did not differ significantly between groups. CONCLUSION AND CLINICAL RELEVANCE: Lidocaine CRI may be used as a supplement to inhalation anaesthesia during umbilical surgery in calves in countries where such a protocol would be within the legal requirements for veterinary use in food animals. This study did not show any measurable benefit to the calves other than a reduction in isoflurane requirement.

Effects of flame made zinc oxide particles in human lung cells - a comparison of aerosol and suspension exposures

Background Predominantly, studies of nanoparticle (NPs) toxicology in vitro are based upon the exposure of submerged cell cultures to particle suspensions. Such an approach however, does not reflect particle inhalation. As a more realistic simulation of such a scenario, efforts were made towards direct delivery of aerosols to air-liquid-interface cultivated cell cultures by the use of aerosol exposure systems. This study aims to provide a direct comparison of the effects of zinc oxide (ZnO) NPs when delivered as either an aerosol, or in suspension to a triple cell co-culture model of the epithelial airway barrier. To ensure dose–equivalence, ZnO-deposition was determined in each exposure scenario by atomic absorption spectroscopy. Biological endpoints being investigated after 4 or 24h incubation include cytotoxicity, total reduced glutathione, induction of antioxidative genes such as heme-oxygenase 1 (HO–1) as well as the release of the (pro)-inflammatory cytokine TNFα. Results Off-gases released as by-product of flame ZnO synthesis caused a significant decrease of total reduced GSH and induced further the release of the cytokine TNFα, demonstrating the influence of the gas phase on aerosol toxicology. No direct effects could be attributed to ZnO particles. By performing suspension exposure to avoid the factor “flame-gases”, particle specific effects become apparent. Other parameters such as LDH and HO–1 were not influenced by gaseous compounds: Following aerosol exposure, LDH levels appeared elevated at both timepoints and the HO–1 transcript correlated positively with deposited ZnO-dose. Under submerged conditions, the HO–1 induction scheme deviated for 4 and 24h and increased extracellular LDH was found following 24h exposure. Conclusion In the current study, aerosol and suspension-exposure has been compared by exposing cell cultures to equivalent amounts of ZnO. Both exposure strategies differ fundamentally in their dose–response pattern. Additional differences can be found for the factor time: In the aerosol scenario, parameters tend to their maximum already after 4h of exposure, whereas under submerged conditions, effects appear most pronounced mainly after 24h. Aerosol exposure provides information about the synergistic interplay of gaseous and particulate phase of an aerosol in the context of inhalation toxicology. Exposure to suspensions represents a valuable complementary method and allows investigations on particle-associated toxicity by excluding all gas–derived effects.

[House dust mite allergy]

House dust mites can be found all over the world where human beings live independent from the climate. Proteins from the gastrointestinal tract- almost all known as enzymes - are the allergens which induce chronic allergic diseases. The inhalation of small amounts of allergens on a regular base all night leads to a slow beginning of the disease with chronically stuffed nose and an exercise induced asthma which later on persists. House dust mites grow well in a humid climate - this can be in well isolated dwellings or in the tropical climate - and nourish from human skin dander. Scales are found in mattresses, upholstered furniture and carpets. The clinical picture with slowly aggravating complaints leads quite often to a delayed diagnosis, which is accidently done on the occasion of a wider spectrum of allergy skin testing. The beginning of a medical therapy with topical steroids as nasal spray or inhalation leads to a fast relief of the complaints. Although discussed in extensive controversies in the literature - at least in Switzerland with the cold winter and dry climate - the recommendation of house dust mite avoidance measures is given to patients with good clinical results. The frequent ventilation of the dwelling with cold air in winter time cause a lower indoor humidity. Covering encasings on mattresses, pillow, and duvets reduces the possibility of chronic contact with mite allergens as well as the weekly changing the bed linen. Another option of therapy is the specific immunotherapy with extracts of house dust mites showing good results in children and adults. Using recombinant allergens will show a better quality in diagnostic as well as in therapeutic specific immunotherapy.

Influence of end-expiratory level and tidal volume on gravitational ventilation distribution during tidal breathing in healthy adults

Our understanding of regional filling of the lung and regional ventilation distribution is based on studies using stepwise inhalation of radiolabelled tracer gases, magnetic resonance imaging and positron emission tomography. We aimed to investigate whether these differences in ventilation distribution at different end-expiratory levels (EELs) and tidal volumes (V (T)s) held also true during tidal breathing. Electrical impedance tomography (EIT) measurements were performed in ten healthy adults in the right lateral position. Five different EELs with four different V (T)s at each EEL were tested in random order, resulting in 19 combinations. There were no measurements for the combination of the highest EEL/highest V (T). EEL and V (T) were controlled by visual feedback based on airflow. The fraction of ventilation directed to different slices of the lung (VENT(RL1)-VENT(RL8)) and the rate of the regional filling of each slice versus the total lung were analysed. With increasing EEL but normal tidal volume, ventilation was preferentially distributed to the dependent lung and the filling of the right and left lung was more homogeneous. With increasing V (T) and maintained normal EEL (FRC), ventilation was preferentially distributed to the dependent lung and regional filling became more inhomogeneous (p < 0.05). We could demonstrate that regional and temporal ventilation distribution during tidal breathing was highly influenced by EEL and V (T).