Lunge: "Die Flüssigkeitsbeatmung ist noch viel zu wenig erforscht"

Interview mit Dr. Katrin Bauer, Institut für Mechanik und Fluiddynamik, TU Bergakademie Freiberg

Alle Schwimmer kennen das unangenehme Gefühl, im falschen Moment einzuatmen und dann Wasser in die Luftröhre zu bekommen: Bestenfalls setzt sofort der Hustenreflex ein, der das Wasser von den Atemwegen fernhalten und ein Ersticken verhindern soll. Flüssigkeit in der Lunge kann einen Menschen aber auch retten - nämlich dann, wenn sie ihn wieder atmen lässt.

09.03.2015

Foto: Katrin Bauer

Dr. Katrin Bauer, © privat

Dr. Katrin Bauer spricht im Interview mit MEDICA.de über die Idee der Flüssigkeitsbeatmung mit Perfluorcarbon, seine bekannten und möglichen Anwendungen in der Medizin und wie sie den Sauerstofftransport in der Flüssigkeit erforschen will.

Frau Dr. Bauer, wie lange gibt es schon die Idee der Flüssigkeitsbeatmung?

Katrin Bauer: Flüssigkeitsbeatmung kennt man schon seit Ende der 60er-Jahre. Dort wurde sie zum ersten Mal an Tieren getestet: Man hat festgestellt, dass Mäuse unter der Flüssigkeit Perfluorcarbon atmen können. Daraus entstand die Idee einer schonenden künstlichen Beatmung, etwa bei Patienten mit kollabierten Lungen. Deren Lungen könnten mit einer Flüssigkeit schonender und besser wieder eröffnet werden als bei einer Gasbeatmung.

Was für eine Flüssigkeit ist Perfluorcarbon?

Bauer: Perfluorcarbon, oder PFC, ist sehr inert, also nicht offen für chemische Reaktionen. Interessant ist vor allem seine Eigenschaft, Sauerstoff zu lösen. In 100 ml PFC lassen sich 50 ml Sauerstoff lösen. In 100 ml Wasser sind es nur 3 ml. Die Flüssigkeit wird auch nicht verstoffwechselt, wenn sie sich im Körper befindet. In der Lunge wird sie ganz normal abgeatmet.

Es gibt also keine Auswirkungen auf den Körper?

Bauer: Man weiß natürlich noch nicht, wie sich das Gewicht von PFC langfristig auf den Körper auswirkt. Die Flüssigkeit hat die doppelte Dichte von Wasser. Es könnte sein, dass es durch das hohe Gewicht, wenn es länger auf anderen Organen liegt, zu Nebenwirkungen oder Verlagerungen kommt. Das läge dann aber nicht an der chemischen Zusammensetzung, sondern an der mechanischen Belastung des Gewebes.

Wie funktioniert die Sauerstoffversorgung, wenn eine Lunge mit PFC gefüllt ist?

Bauer: Es gibt zwei Methoden der Flüssigkeitsbeatmung. Als Erstes ist da die partielle Flüssigkeitsbeatmung. Dabei ist die Lunge bis zu einer bestimmten Obergrenze mit PFC gefüllt. Das ist die Stelle, an der ein Tubus sitzt, mit dem der Patient beatmet wird. Darüber ist er an ein normales Beatmungsgerät angeschlossen. Der Gasaustausch findet über die Grenzfläche von Luft zu PFC statt. Durch die hohe Löslichkeitsneigung geht der Sauerstoff aus der Luft in die Flüssigkeit über, wo er vom Lungengewebe aufgenommen wird. Genauso funktioniert dieser Prozess auch in die andere Richtung, dass also CO2 wieder über diese Grenze abgegeben wird.

Die andere Methode wäre die totale Flüssigkeitsbeatmung. Dabei sind ein Beatmungsgerät und die Lunge mit Flüssigkeit gefüllt und bei jedem Atemzug wird Sauerstoff in den Kreislauf zugegeben und CO2 wieder abgeführt.
Foto: Lungenmodell aus Silikon im blau erleuchtetem Tank

Dieses Lungenmodell wird im Projekt für die Simulation verwendet; © TU Bergakademie Freiberg/Dr. Katrin Bauer

Gibt es schon entsprechende Beatmungsgeräte?

Bauer: Eine Forschergruppe an der kanadischen Université de Sherbrooke hat ein Gerät entwickelt. Es befindet sich mittlerweile in der sechsten Prototypengeneration, wird aber bisher nur im Tierversuch eingesetzt. Am Menschen wurde die Beatmung auch schon durchgeführt, aber nicht in der klinischen Routine, sondern nur in Studien. Diese Studien haben aber häufig nur ganz geringe Fallzahlen und wurden teilweise sogar abgebrochen, weil der Einschluss der Patienten nicht ganz klar geregelt war.

Sie selbst beschäftigen sich in Ihrem Projekt mit dem Sauerstofftransport in der Flüssigkeit. Wie kann man sich die Forschung daran vorstellen?

Bauer: Ich nutze sauerstoffsensitive Partikel, die fluoreszieren, wenn sie mit Laserlicht angeleuchtet werden. Vorhandener Sauerstoff schwächt die Fluoreszenz ab. Je mehr Sauerstoff vorliegt, desto stärker ist die Abschwächung. Das nennt sich "Quenching" und daran erkennt man die Verteilung des Sauerstoffs: Je stärker das Leuchten an einer bestimmten Stelle ist, desto weniger Sauerstoff gibt es dort. Für die Untersuchung fülle ich PFC mit den sauerstoffsensitiven Partikeln in ein Modell. Dann kann ich aufzeichnen, wie die Partikel sich bewegen, wo sie sich hinbewegen und wie hell sie leuchten.

Was ist das für ein Modell?

Bauer: Es handelt sich um ein Silikonmodell der oberen Atemwege. Damit arbeite ich nicht völlig realistisch, denn es fehlt dabei die Ebene der Alveolen, in denen der Gasaustausch stattfindet. Die oberen Atemwege sind nur mein erster Ansatzpunkt, denn man hat überhaupt keine Informationen, wie sich Sauerstoff und CO2 darin verhalten. Für die Mediziner ist das aber schon sehr interessant zu wissen, wie die Sauerstoffverteilung dort aussieht.

Hilft Ihnen denn bestehendes Wissen aus der Gasbeatmung?

Bauer: Das kann ich als Basis nutzen, aber es entstehen ganz andere Strömungen in der Lunge. Luft hat ungefähr die fünffache Viskosität von PFC. Normalerweise ist die Strömung in einer mit Gas gefüllten Lunge laminar, das heißt, es ist eine gerichtete Bewegung und es entstehen kaum Verwirbelungen. Bei Flüssigkeiten entsteht in der Lunge eine turbulente Strömung mit starken Wirbeln und großer Querdurchmischung. Das hat sich bis jetzt noch keiner angeschaut, weil es realistisch nicht darstellbar ist. Aber ich denke, das wird kommen.

In der Medizin wird Flüssigkeitsbeatmung experimentell bei Frühgeborenen und Lungenkranken eingesetzt. Warum gerade dort?

Bauer: Frühgeborene sind Risikopatienten, was kollabierende Lungen angeht. Wenn sie zu früh, vor der 36. Woche, zu Welt kommen, fehlt ihnen sogenanntes Surfactant. Das ist eine oberflächenreaktive Substanz, die das Verkleben des Lungengewebes verhindert. Das kann wiederum zu einem Kollaps der Lunge führen. In solchen Fällen denkt man über die Flüssigkeitsbeatmung nach. Bei Erwachsenen kollabieren die Lungen eher selten.

Was verhindert denn, dass die Medizin hier schon weiter ist?

Bauer: Ich denke, momentan ist es der technische Aufwand der Flüssigkeitsbeatmung, verbunden mit dem Wissen aus den bisherigen Studien, dass Patienten davon nicht mehr profitiert haben als von der Gasbeatmung. Es gibt einfach noch zu wenig Erfahrung damit. Solange Ärzte mit der erprobten Gasbeatmung helfen können, sind sie auf der sicheren Seite und haben keinen Grund, auf ein experimentelles Verfahren zuzugreifen. Das Thema ist noch viel zu wenig erforscht, als dass man Flüssigkeitsbeatmung regulär einsetzen könnte.
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview wurde geführt von Timo Roth. 
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