Suppressive effect of low-level laser therapy on tracheal hyperresponsiveness and lung inflammation in rat subjected to intestinal ischemia and reperfusion

Intestinal ischemia and reperfusion (i-I/R) is an insult associated with acute respiratory distress syndrome (ARDS). It is not known if pro- and anti-inflammatory mediators in ARDS induced by i-I/R can be controlled by low-level laser therapy (LLLT). This study was designed to evaluate the effect of LLLT on tracheal cholinergic reactivity dysfunction and the release of inflammatory mediators from the lung after i-I/R. Anesthetized rats were subjected to superior mesenteric artery occlusion (45 min) and killed after clamp release and preestablished periods of intestinal reperfusion (30 min, 2 or 4 h). The LLLT (660 nm, 7.5 J/cm(2)) was carried out by irradiating the rats on the skin over the right upper bronchus for 15 and 30 min after initiating reperfusion and then euthanizing them 30 min, 2, or 4 h later. Lung edema was measured by the Evans blue extravasation technique, and pulmonary neutrophils were determined by myeloperoxidase (MPO) activity. Pulmonary tumor necrosis factor-α (TNF-α), interleukin-10 (IL-10), intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1), and isoform of NO synthase (iNOS) mRNA expression were analyzed by real-time PCR. TNF-α, IL-10, and iNOS proteins in the lung were measured by the enzyme-linked immunoassay technique. LLLT (660 nm, 7.5 J/cm(2)) restored the tracheal hyperresponsiveness and hyporesponsiveness in all the periods after intestinal reperfusion. Although LLLT reduced edema and MPO activity, it did not do so in all the postreperfusion periods. It was also observed with the ICAM-1 expression. In addition to reducing both TNF-α and iNOS, LLLT increased IL-10 in the lungs of animals subjected to i-I/R. The results indicate that LLLT can control the lung's inflammatory response and the airway reactivity dysfunction by simultaneously reducing both TNF-α and iNOS.

Variability of neurally-adjusted ventilatory assist (nava) compared to pressure support ventilation (psv) during the weaning phase of mechanical ventilation.

Rationale: NAVA is an assisted ventilatory mode that uses the electrical activity of the diaphragm (Edi) to trigger and cycle the ventilator, and to offer inspiratory assistance in proportion to patient effort. Since Edi varies from breath to breath, airway pressure and tidal volume also vary according to the patient's breathing pattern. Our objective was to compare the variability of NAVA with PSV in mechanically ventilated patients during the weaning phase. Methods: We analyzed the data collected for a clinical trial that compares PSV and NAVA during spontaneous breathing trials using PSV, with PS of 5 cmH2O, and NAVA, with Nava level titrated to generate a peak airway pressure equivalent to PSV of 5 cmH2O (NCT01137271). We captured flow, airway pressure and Edi at 100Hz from the ventilator using a dedicated software (Servo Tracker v2, Maquet, Sweden), and processed the cycles using a MatLab (Mathworks, USA) code. The code automatically detects the tidal volume (Vt), respiratory rate (RR), Edi and Airway pressure (Paw) on a breath-by-breath basis for each ventilatory mode. We also calculated the coefficient of variation (standard deviation, SD, divided by the mean). Results: We analyzed data from eleven patients. The mean Vt was similar on both modes (370 ±70 for Nava and 347± 77 for PSV), the RR was 26±6 for Nava and 26±7 or PSV. Paw was higher for Nava than for PSV (14±1 vs 11±0.4, p=0.0033), and Edi was similar for both modes (12±8 for Nava and 11±6 for PSV). The variability of the respiratory pattern, assessed with the coefficient of variation, was larger for Nava than for PSV for the Vt ( 23%±1% vs 15%±1%, p=0.03) and Paw (17%±1% vs 1% ±0.1%, p=0.0033), but not for RR (21% ±1% vs 16% ±8%, p=0.050) or Edi (33%±14% vs 39% ±16%,p=0.07). Conclusion: The variability of the breathing pattern is high during spontaneous breathing trials independent of the ventilatory mode. This variability results in variability of airway pressure and tidal volume, which are higher on Nava than on PSV. Our results suggest that Nava better reflects the normal variability of the breathing pattern during assisted mechanical ventilation.

Avaliação dos registros de enfermagem sobre ressuscitação cardiopulmonar baseada no modelo Utstein

Estudo transversal que avaliou a qualidade dos registros de enfermagem sobre ressuscitação cardiopulmonar. Foram revisados 42 prontuários de pacientes em uma unidade de terapia intensiva, utilizando o protocolo Utstein. Houve predomínio de homens (54,8%), idade de 21 a 70 anos (38,1%), correção de cardiopatias adquiridas (42,7%), com mais de um dispositivo pré-existente (147). Como causa imediata de parada cardiorrespiratória, predominou hipotensão (48,3%) e como ritmo inicial, bradicardia (37,5%). Apenas a hora do óbito e hora da parada foram registradas em 100% da amostra. Não foi registrado treinamento dos profissionais em Suporte Avançado de Vida. As causas da parada e ritmo inicial foram registrados em 69% e 76,2% da amostra. Compressões torácicas, obtenção de vias aéreas pérvias e desfibrilação foram registradas em menos de 16%. Os registros foram considerados de baixa qualidade, podendo incorrer em sanções legais aos profissionais e não permitindo a comparação da efetividade das manobras com outros centros.

Importanza prognostica delle citochine e loro ruolo nell'immunomodulazione: risultati di studi sperimentali in vivo e in vitro

Citokines are proteins produced by several cell types and secreted in response to various stimuli. These molecules are able to modify the behaviour of other cells inducing activities like growth, differentiation and apoptosis. In the last years, veterinary scientists have investigated the role played by these factors; in fact, cytokines can act as intercellular communicative signals in immune response, cell damage repair and hematopoiesis. Up to date, various cytokines have been identified and in depth comprehension of their effects in physiology, pathology and therapy is an interesting field of research. This thesis aims to understand the role played by these mediators during natural or experimentally induced pathologies. In particular, it has been evaluated the genic and protein expressions of a large number of cytokines during several diseases and starting from different matrix. Considering the heterogeneity of materials used in experimentations, multiple methods and protocols of nucleic acids and proteins extractions have been standardized. Results on cytokines expression obtained from various in vitro and in vivo experimental studies have shown how important these mediators are in regulation and modulation of the host immune response also in veterinary medicine. In particular, the analysis of inflammatory and septic markers, like cytokines, has allowed a better understanding in the pathogenesis during horse Recurrent Airway Obstruction, foal sepsis, Bovine Viral Diarrhea Virus infection and dog Parvovirus infection and the effects of these agents on the host immune system. As experimentations with mice have shown, some pathologies of the respiratory and nervous system can be reduced or even erased by blocking cytokines inflammatory production. The in vitro cytokines expression evaluation in cells which are in vivo involved in the response to exogenous (like pathogens) or endogenous (as it happens during autoimmune diseases) inflammatory stimuli could represent a model for studying citokines effects during the host immune response. This has been analyzed using lymphocytes cultured with several St. aureus strains isolated from bovine mastitic milk and different colostrum products. In the first experiment different cytokines were expressed depending on enterotoxins produced, justifying a different behaviour of the microrganism in the mammal gland. In the second one, bone marrow cells derived incubated with murine lymphocytes with colostrum products have shown various cluster of differentiation expression , different proliferation and a modified cytokines profile. A better understanding of cytokine expression mechanisms will increase the know-how on immune response activated by several pathogen agents. In particular, blocking the cytokine production, the inhibition or catalyzation of the receptor binding mechanism and the modulation of signal transduction mechanism will represent a novel therapeutic strategy in veterinary medicine.

Revisione critica dei risultati e nuovi algoritmi decisionali sulla chirurgia dell'OSAS

Obstructive sleep apnoea/hypopnoea syndrome (OSAHS) is the periodic reduction or cessation of airflow during sleep. The syndrome is associated whit loud snoring, disrupted sleep and observed apnoeas. Surgery aims to alleviate symptoms of daytime sleepiness, improve quality of life and reduce the signs of sleep apnoea recordered by polysomnography. Surgical intervention for snoring and OSAHS includes several procedures, each designed to increase the patency of the upper airway. Procedures addressing nasal obstruction include septoplasty, turbinectomy, and radiofrequency ablation (RF) of the turbinates. Surgical procedures to reduce soft palate redundancy include uvulopalatopharyngoplasty with or without tonsillectomy, uvulopalatal flap, laser-assisted uvulopalatoplasty, and RF of the soft palate. More significant, however, particularly in cases of severe OSA, is hypopharyngeal or retrolingual obstruction related to an enlarged tongue, or more commonly due to maxillomandibular deficiency. Surgeries in these cases are aimed at reducing the bulk of the tongue base or providing more space for the tongue in the oropharynx so as to limit posterior collapse during sleep. These procedures include tongue-base suspension, genioglossal advancement, hyoid suspension, lingualplasty, and maxillomandibular advancement. We reviewed 269 patients undergoing to osas surgery at the ENT Department of Forlì Hospital in the last decade. Surgery was considered a success if the postoperative apnea/hypopnea index (AHI) was less than 20/h. According to the results, we have developed surgical decisional algorithms with the aims to optimize the success of these procedures by identifying proper candidates for surgery and the most appropriate surgical techniques. Although not without risks and not as predictable as positive airway pressure therapy, surgery remains an important treatment option for patients with obstructive sleep apnea (OSA), particularly for those who have failed or cannot tolerate positive airway pressure therapy. Successful surgery depends on proper patient selection, proper procedure selection, and experience of the surgeon. The intended purpose of medical algorithms is to improve and standardize decisions made in the delivery of medical care, assist in standardizing selection and application of treatment regimens, to reduce potential introduction of errors. Nasal Continuous Positive Airway Pressure (nCPAP) is the recommended therapy for patients with moderate to severe OSAS. Unfortunately this treatment is not accepted by some patient, appears to be poorly tolerated in a not neglible number of subjects, and the compliance may be critical, especially in the long term if correctly evaluated with interview as well with CPAP smart cards analysis. Among the alternative options in Literature, surgery is a long time honoured solution. However until now no clear scientific evidence exists that surgery can be considered a really effective option in OSAHS management. We have design a randomized prospective study comparing MMA and a ventilatory device (Autotitrating Positive Airways Pressure – APAP) in order to understand the real effectiveness of surgery in the management of moderate to severe OSAS. Fifty consecutive previously full informed patients suffering from severe OSAHS were enrolled and randomised into a conservative (APAP) or surgical (MMA) arm. Demographic, biometric, PSG and ESS profiles of the two group were statistically not significantly different. One year after surgery or continuous APAP treatment both groups showed a remarkable improvement of mean AHI and ESS; the degree of improvement was not statistically different. Provided the relatively small sample of studied subjects and the relatively short time of follow up, MMA proved to be in our adult and severe OSAHS patients group a valuable alternative therapeutical tool with a success rate not inferior to APAP.

Outcome respiratorio a lungo termine nei soggetti affetti da cardiopatia congenita sottoposti ad intervento cardiochirurgico

Introduction: In the last years cardiac surgery for congenital heart disease (CHD) reduced dramatically mortality modifying prognosis, but, at the same time, increased morbidity in this patient population. Respiratory and cardiovascular systems are strictly anatomically and functionally connected, so that alterations of pulmonary hemodynamic conditions modify respiratory function. While very short-term alterations of respiratory mechanics after surgery were investigated by many authors, not as much works focused on long-term changes. In these subjects rest respiratory function may be limited by several factor: CHD itself (fetal pulmonary perfusion influences vascular and alveolar development), extracorporeal circulation (CEC), thoracotomy and/or sternotomy, rib and sternal contusions, pleural adhesions and pleural fibrosis, secondary to surgical injury. Moreover inflammatory cascade, triggered by CEC, can cause endothelial damage and compromise gas exchange. Aims: The project was conceived to 1) determine severity of respiratory functional impairement in different CHD undergone to surgical correction/palliation; 2) identify the most and the least CHD involved by pulmonary impairement; 3) find a correlation between a specific hemodynamic condition and functional anomaly, and 4) between rest respiratory function and cardiopulmonary exercise test. Materials and methods: We studied 113 subjects with CHD undergone to surgery, and distinguished by group in accord to pulmonary blood flow (group 0: 28 pts with normal pulmonary flow; group 1: 22 pts with increased flow; group 2: 43 pts with decreased flow; group 3: 20 pts with total cavo-pulmonary anastomosis-TCPC) followed by the Pediatric Cardiology and Cardiac Surgery Unit, and we compare them to 37 age- and sex-matched healthy subjects. In Pediatric Pulmonology Unit all pts performed respiratory function tests (static and dynamic volumes, flow/volume curve, airway resistances-raw- and conductance-gaw-, lung diffusion of CO-DLCO- and DLCO/alveolar volume), and CHD pts the same day had cardiopulmonary test. They all were examined and had allergological tests, and respiratory medical history. Results: restrictive pattern (measured on total lung capacity-TLC- and vital capacity-VC) was in all CHD groups, and up to 45% in group 2 and 3. Comparing all groups, we found a significant difference in TLC between healthy and group 2 (p=0.001) and 3 (p=0.004), and in VC between group 2 and healthy (p=0.001) and group 1(p=0.034). Inspiratory capacity (IC) was decreased in group 2 related to healthy (p<0.001) and group 1 (p=0.037). We showed a direct correlation between TLC and VC with age at surgery (p=0.01) and inverse with number of surgical interventions (p=0.03). Reduced FEV1/FVC ratio, Gaw and increased Raw were mostly present in group 3. DLCO was impaired in all groups, but up to 80% in group 3 and 50% in group 2; when corrected for alveolar volume (DLCO/VA) reduction persisted in group 3 (20%), 2 (6.2%) and 0 (7.1%). Exercise test was impaired in all groups: VO2max and VE markedly reduced in all but especially in group 3, and VE/VCO2 slope, marker of ventilatory response to exercise, is increased (<36) in 62.5% of group 3, where other pts had anyway value>32. Comparing group 3 and 2, the most involved categories, we found difference in VO2max and VE/VCO2 slope (respectively p=0.02 and p<0.0001). We evidenced correlation between rest and exercise tests, especially in group 0 (between VO2max and FVC, FEV1, VC, IC; inverse relation between VE/VCO2slope and FVC, FEV1 and VC), but also in group 1 (VO2max and IC), group 2 (VO2max and FVC and FEV1); never in group 3. Discussion: According with literature, we found a frequent impairment of rest pulmonary function in all groups, but especially in group 2 and 3. Restrictive pattern was the most frequent alteration probably due to compromised pulmonary (vascular and alveolar) development secondary to hypoperfusion in fetal and pre-surgery (and pre-TCPC)life. Parenchymal fibrosis, pleural adhesions and thoracic deformities can add further limitation, as showed by the correlation between group 3 and number of surgical intervention. Exercise tests were limited, particularly in group 3 (complex anatomy and lost of chronotropic response), and we found correlations between rest and exercise tests in all but group 3. We speculate that in this patients hemodynamic exceeds respiratory contribution, though markedly decreased.

Sprühgetrocknete Polylaktid, Poly(laktid-co-glykolid) Mikropartikel zur Steuerung der Freisetzung aus pulmonalen Arzneiformen

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, pharmazeutisch-technologische Möglichkeiten der Retardierung bei ausgewählten Antiasthmatika zur pulmonalen Applikation anzuwenden. Dafür sollten Mikropartikel hergestellt und pharmazeutisch sowie biopharmazeutisch charakterisiert werden. Als Modellsubstanzen werden das Glukokortikoid Budesonid und das β2-Sympathomimetikum Salbutamol in Form seiner Base und seines Salzes verwendet. Die Auswahl erfolgt nach physikochemischen (Lipophilie, Molekulargewicht) und therapeutischen (Halbwertszeit der Wirkung, Applikationsfrequenz) Gesichtspunkten. Mikropartikel auf Polymerbasis ermöglichen eine kontrollierte Freigabe der Arzneistoffe über einen vorausbestimmten Zeitraum. Es erfolgt die Auswahl physiologisch unbedenklicher Hilfsstoffe (Polylaktide R 202H/ Poly(laktid-co-glykolide) RG 502H, RG 752-S) mit unterschiedlichen Anteilen an Coglykolid sowie unterschiedlichen Molekulargewichten, die sich prinzipiell zur Verzögerung der Freisetzung eignen und sich bei der parenteralen Applikation bereits bewährt haben. Die Sprühtrocknung wird als geeignetes pharmazeutisch-technologisches Verfahren zur Präparation von Mikropartikeln im Teilchengrößenbereich von 1- 10 Mikrometern beschrieben, welche den Wirkstoff mit möglichst hoher Beladung verkapselt. Die sprühgetrockneten Pulver sollen pharmazeutisch physikochemisch mittels Rasterelektronenmikroskopie (Morphologie), Laserdiffraktometrie (Teilchengrößenverteilung), DSC und Röntgenpulverdiffraktometrie (thermisches Verhalten) und mittels Stickstoff-Tief-Temperatur Adsorptionsverfahren (spezifische Oberfläche) charakterisiert werden. Zusätzlich wird die Wirkstoffbeladung der sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikel mittels HPLC ermittelt. Die biopharmazeutische Charakterisierung der sprühgetrockneten Pulver erfolgt über die in-vitro Freigabekinetik und die Stabilität der Mikropartikel. Zusätzlich werden Versuche an Zellkulturen und in-vivo Versuche an Mäusen durchgeführt, um die Effekte der sprühgetrockneten Mikropartikel und des Hilfsstoffs hinsichtlich der Freisetzungsretardierung zu testen. Bei den in-vivo Versuchen werden der Atemwegswiderstand und die Verlängerung der exspiratorischen Phase (penh) als Parameter für einen antiasthmatischen Effekt gewählt. Die Lungenlavage Flüssigkeit wird zusätzlich überprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass es mit Hilfe der Sprühtrocknung möglich ist, Polymer-Mikropartikel herzustellen, die aufgrund ihrer Partikelgröße von d50 ≤ 5,8 µm fähig sind, die unteren Abschnitte der Lunge zu erreichen. Die Morphologie der Mikropartikel ist abhängig vom zu versprühenden Produkt. Thermodynamisch und röntgenpulverdiffraktometrisch betrachtet handelt es sich um amorphe Produkte, die aber über lange Zeit in diesem Zustand stabil sind. Die Wiederfindung der eingesetzten Arzneistoffmenge in den sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikeln und die Freigabeversuche zur Charakterisierung der Retardierungseigenschaften der verwendeten Polymere ergeben, dass es mit Hilfe der Sprühtrocknung von Budesonid und Salbutamol mit den Polymeren möglich ist, retardierende Mikropartikel herzustellen. Die Wiederfindung von Budesonid und Salbutamol in den sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikeln entspricht nahezu der eingesetzten Menge. Bei Salbutamolsulfat ist dies nicht der Fall. In Zellkulturversuchen der murinen Zellinie RAW 264.7 ergaben sich Hinweise darauf, dass bei Konzentrationen von 10-6 M und 10-8 M, die Downregulation der IL-6 Konzentration durch die Sprüheinbettung von 9,1 % Budesonid mit PLGA in stärkerem Ausmaß erfolgte, als bei unverkapseltem Budesonid. Zusätzlich wurden in-vivo Versuche mit intranasaler und intraperitonealer Gabe durchgeführt. Die Budesonid-Polymer Sprüheinbettung wurde mit unverkapseltem Budesonid vergleichen. Nach intraperitonealer Gabe hatte die Sprüheinbettung mit Budesonid die besten Effekte hinsichtlich der Unterdrückung des penh und des Atemwegswiderstands auch bei steigenden Metacholinkonzentrationen. Die Auswertung der Lungenlavage Flüssigkeit zeigt sehr deutlich die Downregulation der IL-6 Konzentration in der Lunge durch die Sprüheinbettung mit Budesonid. Zur Zeit werden Vorbereitungen getroffen, ein Gerät zu testen, das in der Lage ist, ein Mikrospray zu generieren, so dass eine intratracheale Verabreichung möglich wäre.

Diffusionsgewichtete Helium-3 Magnetresonanztomographie zur Untersuchung der Lunge

Die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie (MRT) mit dem hyperpolarisierten Edelgas-Isotop 3He ist ein neues Verfahren zur Untersuchung von Erkrankungen der Atem-wege und der Lunge. Die Diffusionsbewegung der 3He-Atome in den Luftwegen der Lunge wird durch deren Wände begrenzt, wobei diese Einschränkung sowohl von den Dimensionen der Atemwege als auch von den Messparametern abhängt. Man misst daher einen scheinbaren Diffusionskoeffizienten (Apparent Diffusion Coefficient, ADC) der kleiner ist als der Diffusionskoeffizient bei freier Diffusion. Der ADC gestattet somit eine qualitative Abschät-zung der Größe der Luftwege und deren krankhafte Veränderung, ohne eine direkte Abbil-dung der Luftwege selbst. Eine dreidimensionale Abbildung der räumlichen Verteilung von Lungenschädigungen wird dadurch möglich. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein tieferes physikalisch fundiertes Verständnis der 3He-Diffusionsmessung zu ermöglichen und die Methode der diffusionsgewichteten 3He-MRT hin zur Erfassung des kompletten 3He-Diffusionstensors weiterzuentwickeln. Dazu wurde systematisch im Rahmen von Phantom- und tierexperimentellen Studien sowie Patientenmes-sungen untersucht, inwieweit unterschiedliche Einflussfaktoren das Ergebnis der ADC-Messung beeinflussen. So konnte beispielsweise nachgewiesen werden, dass residuale Luftströmungen am Ende der Einatmung keinen Einfluss auf den ADC-Wert haben. Durch Simulationsrechnungen konnte gezeigt werden, in welchem Maße sich die durch den Anregungspuls hervorgerufene Abnah-me der Polarisation des 3He-Gases auf den gemessenen ADC-Wert auswirkt. In einer Studie an lungengesunden Probanden und Patienten konnte die Wiederholbarkeit der ADC-Messung untersucht werden, aber auch der Einfluss von Gravitationseffekten. Diese Ergebnisse ermöglichen genauere Angaben über systematische und statistische Messfehler, sowie über Grenzwerte zwischen normalem und krankhaft verändertem Lungengewebe. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die bestehende diffusionsgewichtete Bildgebung methodisch zur Erfassung des kompletten Diffusionstensors von 3He in der Lunge weiterentwickelt. Dies war wichtig, da entlang der Luftwege weitestgehend freie Diffusion vorherrscht, während senkrecht zu den Luftwegen die Diffusion eingeschränkt ist. Mit Hilfe von Simulationsrech-nungen wurde der kritische Einfluss von Rauschen in den MRT-Bildern auf die Qualität der Messergebnisse untersucht. Diese neue Methodik wurde zunächst an einem Phantom beste-hend aus einem Bündel aus Glaskapillaren, deren innerer Durchmesser mit dem des mensch-lichen Azinus übereinstimmt, validiert. Es ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen theoretischen Berechnungen und experimentellen Ergebnissen. In ersten Messungen am Menschen konnten so unterschiedliche Anisotropiewerte zwischen lungengesunden Proban-den und Patienten gefunden werden. Es zeigte sich eine Tendenz zu isotroper Diffusion bei Patienten mit einem Lungenemphysem. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu einem besseren Ver-ständnis der ADC-Messmethode bei und helfen zukünftige Studien aufgrund des tieferen Verständnisses der die 3He Messung beeinflussenden Faktoren besser zu planen.

Untersuchung zur Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation mittels CT und MRT

Die zuverlässige Berechnung von quantitativen Parametern der Lungenventilation ist für ein Verständnis des Verhaltens der Lunge und insbesondere für die Diagnostik von Lungenerkrankungen von großer Bedeutung. Nur durch quantitative Parameter sind verlässliche und reproduzierbare diagnostische Aussagen über den Gesundheitszustand der Lunge möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue quantitative Verfahren zur Erfassung der Lungenventilation basierend auf der dynamischen Computer- (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Frage untersucht, ob das Aufblähen der Lunge in gesunden Schweinelungen und Lungen mit Akutem Lungenversagen (ARDS) durch einzelne, diskrete Zeitkonstanten beschrieben werden kann, oder ob kontinuierliche Verteilungen von Zeitkonstanten die Realität besser beschreiben. Hierzu wurden Serien dynamischer CT-Aufnahmen während definierter Beatmungsmanöver (Drucksprünge) aufgenommen und anschließend aus den Messdaten mittels inverser Laplace-Transformation die zugehörigen Verteilungen der Zeitkonstanten berechnet. Um die Qualität der Ergebnisse zu analysieren, wurde der Algorithmus im Rahmen von Simulationsrechnungen systematisch untersucht und anschließend in-vivo an gesunden und ARDS-Schweinelungen eingesetzt. Während in den gesunden Lungen mono- und biexponentielle Verteilungen bestimmt wurden, waren in den ARDS-Lungen Verteilungen um zwei dominante Zeitkonstanten notwendig, um die gemessenen Daten auf der Basis des verwendeten Modells verlässlich zu beschreiben. Es wurden sowohl diskrete als auch kontinuierliche Verteilungen gefunden. Die CT liefert Informationen über das solide Lungengewebe, während die MRT von hyperpolarisiertem 3He in der Lage ist, direkt das eingeatmete Gas abzubilden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde zeitlich hochaufgelöst das Einströmen eines 3He-Bolus in die Lunge erfasst. Über eine Entfaltungsanalyse wurde anschließend das Einströmverhalten unter Idealbedingungen (unendlich kurzer 3He-Bolus), also die Gewebeantwortfunktion, berechnet und so eine Messtechnik-unabhängige Erfassung des Einströmens von 3He in die Lunge ermöglicht. Zentrale Fragestellung war hier, wie schnell das Gas in die Lunge einströmt. Im Rahmen von Simulationsrechnungen wurde das Verhalten eines Entfaltungsalgorithmus (basierend auf B-Spline Repräsentationen) systematisch analysiert. Zusätzlich wurde ein iteratives Entfaltungsverfahren eingesetzt. Aus zeitlich hochaufgelösten Messungen (7ms) an einer gesunden und einer ARDS-Schweinelunge konnte erstmals nachgewiesen werden, dass das Einströmen in-vivo in weniger als 0,1s geschieht. Die Ergebnisse zeigen Zeitkonstanten im Bereich von 4ms–50ms, wobei zwischen der gesunden Lungen und der ARDS-Lunge deutliche Unterschiede beobachtet wurden. Zusammenfassend ermöglichen daher die in dieser Arbeit vorgestellten Algorithmen eine objektivere Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation. Dies ist für die eindeutige Beschreibung ventilatorischer Vorgänge in der Lunge und somit für die Lungendiagnostik unerlässlich. Damit stehen quantitative Methoden für die Lungenfunktionsdiagnostik zur Verfügung, deren diagnostische Relevanz im Rahmen wissenschaftlicher und klinischer Studien untersucht werden kann.

Der Einfluss von TGF-beta1 auf regulatorische T-Zellen in einem murinen Modell für Asthma

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss von regulatorischen T-Zellen (Treg) auf die Pathogenese des Asthmas in einem murinen Modell zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die Co-Expression von TGF-ß1 und IL-10 auf Treg notwendig ist, um im Tiermodell vor einer Atemwegs-Hyperreagibilität (AHR) zu schützen. Natürliche Treg konnten keinen Schutz vermitteln. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Schutz vor AHR durch TGF-ß1 über Empfänger T-Zellen vermittelt wird. Dabei reichte die alleinige Anwesenheit von TGF-ß1 nicht aus, vielmehr musste das Zytokin von Treg exprimiert werden. Ein Einfluss von TGF-ß1 überexprimierenden Treg auf die peribronchiale Entzündung konnte nicht festgestellt werden, wohingegen adoptiver Transfer von natürlichen Treg die Eosinophilen Anzahl in der Bronchiallavage signifikant verringern konnte. Dabei korrelierte die Eosinophilie mit den IL-5 Spiegeln in der Bronchiallavage. In dieser Arbeit konnte also eine Entkopplung der Mechanismen von AHR und Entzündung festgestellt werden. Die weitere Aufklärung der Mechanismen der Suppression der AHR durch TGF-ß1 und IL-10 produzierende Treg könnte daher die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze bei Atemwegserkrankungen ermöglichen.

Die Rolle regulatorischer T-Zellen im experimentellen allergischen Asthma

Im ersten Teil der Dissertation wurde in einem experimentellen Asthmamodell demonstriert, dass die Signaltransduktion über IL-6 das Gleichgewicht zwischen Effektorzellen und regulatorischen T-Zellen durch verschiedene Rezeptorkomponenten kontrolliert. Hierbei zeigte sich, dass speziell das IL-6 Trans-Signaling über den sIL-6R die TH2 Cytokinproduktion steuert. Dagegen führt die Blockade des mIL-6R zur Expansion regulatorischer T-Zellen mit suppressiven Eigenschaften. Diese CD4+CD25+ Tregs induzieren außerdem IFN gamma produzierende CD4+ T-Zellen in der Lunge und verbessern daneben die AHR. Im Überblick konnte in der vorliegenden Dissertation demonstriert werden, dass IL-6 die Balance zwischen der Funktion von Effektorzellen und regulatorischen T-Zellen in der Lunge über unterschiedliche Wege kontrolliert, dem sIL-6R und dem mIL-6R. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die lokale Blockade der IL-2R alpha- und IL-2R beta-Kette untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass die Blockade der IL-2R beta-Kette zur Verbesserung der AHR als auch der Rekrutierung eosinophiler Granulozyten in den Atemwegen führt. Beide Blockaden führen zur Reduktion der TH2 Cytokine IL-4 und IL-5, wohingegen IL-13 nur nach Blockade der IL-2R beta-Kette vermindert sezerniert wird. In diesem Zusammenhang wurde auch die Rolle CD4+CD25+ regulatorischer T-Zellen untersucht, wobei eine Induktion dieser Population in den Lymphknoten nach Blockade der IL-2R beta-Kette nachgewiesen werden konnte. Die Blockade der IL-2R beta-Kette wirkt sich positiv auf experimentelle Asthmastudien aus und stellt somit ein mögliches therapeutisches Potential dar, erfordert aber teilweise noch weitere Untersuchungen.

Rolle von NFATc2 in einem murinen Asthmamodell

Nuclear factor of activated T cells (NFAT) ist eine Familie der Transkriptionsfaktoren, welche eine wichtige Rolle bei der Regulation der T-Zellvermittelten Signalkaskade in der Lymphozytenpopulation spielt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Nuclear Factor of Activated T cells-2 (NFATc2) defiziente Mäuse einen erhöhten Atemwegswiderstand, einen pathologische Veränderung der Lunge und einen erhöhten IgE Spiegel im Vergleich zu den Wildtypen vorweisen. Die NFATc2 Defizienz konnte ebenfalls sowohl mit einer erhöhten Anzahl an Th2 und Th17 Zellen, die eine erhöhte Proliferation vorweisen, als auch einer erniedrigten Anzahl an CD8+ CD122- T-Zellen, die geringere Mengen an IFN-g produzieren, in Verbindung gebracht werden. Die aus den NFATc2(-/-) Mäusen isolierten CD4+ T-Zellen zeigen im Vergleich zu denen der Wildtypen neben der erhöhten Proliferation einen vermehrte Aktivierung (CD4higCD44highCD69high). Weiterhin konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass in Anwesenheit eines Allergens, die NFATc2(-/-) Mäuse eine erhöhte Anzahl an regulatorischen T-Zellen (CD4+CD25+Foxp3+GITR++) in der Lunge vorweisen, die wiederum die Effektorzellen in diesen hemmen. Ein Grund für die geringere Freisetzung an IFN-g durch die CD8+ T-Zellen in den NFATc2 defizienten Mäusen ist eine erhöhte Subpopulation von CD8+CD122+ (IL-2Rb Kette) CD127hi (IL-7Ra Kette) „long-lived memory Zellen“ in den NFATc2(-/-) Mäusen. Diese besitzen einen regulatorischen Effekt, so dass immundefiziente SCID Mäuse, die in einem adoptiven Transfer mit OVA-spezifischen CD8+ und CD4+ T-Zellen, welchen aus NFATc2(-/-) Mäuse isoliert werden, behandelt wurden, eine erhöhten Atemwegswiderstand, eine erhöhte IL-17 und eine erniedrigte IFN-g Produktion vorweisen. Eine Depletion der memory CD8+CD122+IL-7Rhigh T-Zellen hebt dagegen die verringerte IFN-g Produktion der CD8+CD122- T-Zellen auf und führt zu einer Erniedrigung des Atemwegswiderstandes in einem SCID Model Zusammenfassend zeigen unsere Untersuchungen, dass sowohl die IFN-g Produktion der CD8+ Effektor T-Zellen als auch die Anzahl an CD4+CD25+Foxp3+GITR++ regulatorischen T-Zellen die Entwicklung der Th2 und Th17 als auch die Höhe des Atemwegswiderstandes unterdrückt.

Biomarkers in chronic obstructive pulmonary diseases. Clinical and functional correlations.

Asthma and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) are two distinct lung diseases with distinctive clinical and inflammatory features. A proportion of asthmatic patients experience a fixed airflow obstruction that persists despite optimal pharmacologic treatment for reasons that are still largely unknown. We found that patients with asthma and COPD sharing a similar fixed airflow obstruction have an increased lung function decline and frequency of exacerbations. Nevertheless, the decline in lung function is associated with specific features of the underlying inflammation. Airway inflammation increases during asthma exacerbation and disease severity. Less is known about the correlations between symptoms and airway inflammation in COPD patients. We found that there is no correlation between symptoms and lung function in COPD patients. Nevertheless symptoms changes are associated with specific inflammatory changes: cough is associated with an increase of sputum neutrophils in COPD, dyspnoea is associated with an increase of eosinophils. The mechanisms of this correlation remain unknown. Neutrophils inflammation is associated with bacterial colonization in stable COPD. Is not known whether inhaled corticosteroids might facilitate bacterial colonization in COPD patients. We found that the use of inhaled corticosteroids in COPD patients is associated with an increase of airway bacterial load and with an increase of airway pathogen detection. Bacterial and viral infections are the main causes of COPD and asthma exacerbations. Impaired innate immune responses to rhinovirus infections have been described in adult patients with atopic asthma. Whether this impaired immune condition is present early in life and whether is modulated by a concomitant atopic condition is currently unknown. We found that deficient innate immune responses to rhinovirus infection are already present early in life in atopic patients without asthma and in asthmatic subjects. These findings generalize the scenario of increased susceptibility to viral infections to other Th2 oriented conditions.

Über das Vermessen tubulärer Strukturen in der Computertomographie

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (engl. chronic obstructive pulmonary disease, COPD) ist ein Überbegriff für Erkrankungen, die zu Husten, Auswurf und Dyspnoe (Atemnot) in Ruhe oder Belastung führen - zu diesen werden die chronische Bronchitis und das Lungenemphysem gezählt. Das Fortschreiten der COPD ist eng verknüpft mit der Zunahme des Volumens der Wände kleiner Luftwege (Bronchien). Die hochauflösende Computertomographie (CT) gilt bei der Untersuchung der Morphologie der Lunge als Goldstandard (beste und zuverlässigste Methode in der Diagnostik). Möchte man Bronchien, eine in Annäherung tubuläre Struktur, in CT-Bildern vermessen, so stellt die geringe Größe der Bronchien im Vergleich zum Auflösungsvermögen eines klinischen Computertomographen ein großes Problem dar. In dieser Arbeit wird gezeigt wie aus konventionellen Röntgenaufnahmen CT-Bilder berechnet werden, wo die mathematischen und physikalischen Fehlerquellen im Bildentstehungsprozess liegen und wie man ein CT-System mittels Interpretation als lineares verschiebungsinvariantes System (engl. linear shift invariant systems, LSI System) mathematisch greifbar macht. Basierend auf der linearen Systemtheorie werden Möglichkeiten zur Beschreibung des Auflösungsvermögens bildgebender Verfahren hergeleitet. Es wird gezeigt wie man den Tracheobronchialbaum aus einem CT-Datensatz stabil segmentiert und mittels eines topologieerhaltenden 3-dimensionalen Skelettierungsalgorithmus in eine Skelettdarstellung und anschließend in einen kreisfreien Graphen überführt. Basierend auf der linearen System Theorie wird eine neue, vielversprechende, integral-basierte Methodik (IBM) zum Vermessen kleiner Strukturen in CT-Bildern vorgestellt. Zum Validieren der IBM-Resultate wurden verschiedene Messungen an einem Phantom, bestehend aus 10 unterschiedlichen Silikon Schläuchen, durchgeführt. Mit Hilfe der Skelett- und Graphendarstellung ist ein Vermessen des kompletten segmentierten Tracheobronchialbaums im 3-dimensionalen Raum möglich. Für 8 zweifach gescannte Schweine konnte eine gute Reproduzierbarkeit der IBM-Resultate nachgewiesen werden. In einer weiteren, mit IBM durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass die durchschnittliche prozentuale Bronchialwandstärke in CT-Datensätzen von 16 Rauchern signifikant höher ist, als in Datensätzen von 15 Nichtrauchern. IBM läßt sich möglicherweise auch für Wanddickenbestimmungen bei Problemstellungen aus anderen Arbeitsgebieten benutzen - kann zumindest als Ideengeber dienen. Ein Artikel mit der Beschreibung der entwickelten Methodik und der damit erzielten Studienergebnisse wurde zur Publikation im Journal IEEE Transactions on Medical Imaging angenommen.

Die Rolle der Mastzelle bei der Entstehung einer allergischen Atemwegserkrankung

In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle der Mastzelle und deren Mediatoren für die Entstehung einer allergischen Atemwegsentzündung untersucht. Anhand von zwei mastzelldefizienten Mausstämmen (C57BL/6-KitWsh/Wsh und WBB6FI-KitW/Wv), konnte gezeigt werden, dass Mastzellen an der Entstehung einer allergischen Entzündung und Atemwegsüberempfindlichkeit beteiligt sind. Durch die Rekonstitution von mastzelldefizienten Tieren mit aus Knochenmark gewonnenen Mastzellen (BMMC) von Wildtyp-Spendern konnte die wichtige Funktion der Mastzelle in diesem Model bestätigt werden. Überdies konnte durch die Rekonstitution mit TNF-defizienten BMMC eine wichtige Rolle für diesen mastzellproduzierten Mediator im allergischen Modell demonstriert werden. Weiterhin konnte die Arbeit zeigen, dass Mastzellen wichtig für die Migration von antigenbeladenen Dendritischen Zellen aus der Lunge in die regionalen Lymphknoten sind. Dieses stellt einen wichtigen Schritt für die Ausbildung einer lokalen allergischen Antwort dar. Im Gegensatz dazu war die Entstehung einer allergischen Atemwegserkrankung nach Transfer von in vitro generierten DC und Allergenprovokation nicht mastzellabhängig. Diese Ergebnisse zeigen, dass es auf die Wahl des Sensibilisierungs- und Provokationsmodels ankommt, um mastzellspezifische Effekte zu demonstrieren. Die vorliegende Arbeit zeigt die wichtige Rolle der Mastzelle und von mastzellproduziertem TNF bei der Ausbildung einer allergischen Entzündung der Atemwege. Die Mastzelle und deren Mediatoren stellen somit mögliche Ziele für die therapeutische Behandlung der allergischen Entzündung der Atemwege dar.