Pentanal als möglicher volatiler Biomarker für eine Ventilator-induzierte Lungenschädigung : Eine experimentelle in vivo Studie an beatmeten Sprague-Dawley-Ratten

Abstract

Eine maschinelle Beatmung von Patienten mit Hilfe eines Beatmungsgerätes ist ein wichtiger Therapiebaustein in der Anästhesie und Intensivmedizin. Die Beatmung mit zu hohen Tidalvolumina (Volutrauma) oder zu hohen Beatmungsdrücken (Barotrauma) kann, insbesondere bei Patienten mit vorgeschädigter Lunge, zu einer Lungenschädigung führen. Es entsteht eine sogenannte Ventilator-induzierte Lungenschädigung. Die vorliegende Arbeit untersucht, ob das Aldehyd Pentanal als möglicher volatiler Biomarker für eine Ventilator-induzierte Lungenschädigung in Frage kommt. Hierfür wurden 75 Sprague-Dawley-Ratten anästhesiert und mit verschieden hohen Tidalvolumina über 7 Stunden maschinell beatmet. Zwei Protektivgruppen wurden mit Tidalvolumina von 6 und 8 ml/kg Körpergewicht (KG) beatmet. Drei Interventionsgruppen wurden mit Tidalvolumina von 12, 16 und 20 ml/kg KG beatmet. Während des Versuchs wurde die Konzentration von Pentanal in der Ausatemluft mittels multikapillarsäulengekoppelter Ionenmobilitätsspektrometrie gemessen. Mit Hilfe dieser Technik können Ausatemluftproben zeitnah analysiert und die Konzentration von volatilen Produkten in der Ausatemluft bestimmt werden. Zusätzlich wurden Blutproben zur Quantifizierung verschiedener Entzündungsindikatoren entnommen sowie die Lunge abschließend histologisch untersucht. Die durchgeführte Ausatemluftanalyse zeigte, dass die abgeatmete Pentanalkonzentration stärker anstieg, je höher das zur Beatmung genutzte Tidalvolumen war. So gab es bei der mit 6 ml/kg KG Tidalvolumen beatmeten Gruppe einen durchschnittlichen Pentanalanstieg von 0,6 ppbv/h, wohingegen der Anstieg bei der mit 20 ml/kg KG Tidalvolumen beatmeten Gruppe bei durchschnittlich 3,1 ppbv/h lag. Die Pentanalkonzentration unterschied sich am Versuchsende signifikant zwischen der mit 6 ml/kg KG beatmeten Gruppe und den Interventionsgruppen (4,8 ppbv vs. 19,2 ppbv, 15,3 ppbv und 22,5 ppbv; p<0,05). Zudem ging eine höhere Pentanalkonzentration auch mit einer größeren histologisch nachgewiesenen Lungenschädigung sowie mit einem Anstieg von Entzündungsmarkern in der bronchoalveolären Lavage einher. Basierend auf den vorliegenden Ergebnissen konnte in der Studie gezeigt werden, dass eine mechanische Beatmung mit schädlich erhöhten Tidalvolumina zu einer verstärkten pulmonalen Lipidperoxidation führt. Das dabei in der Ausatemluft entstehende Pentanal könnte als ein Biomarker für eine Ventilator-induzierte Lungenschädigung nützlich sein.

Mechanical ventilation is a daily routine in acute care hospitals. Ventilation with high tidal volumes (volutrauma) or high pressure (barotrauma) may result in ventilator-induced lung injury, especially in patients with pre-injured lungs. This study investigates the use of the aldehyde pentanal as a potential volatile biomarker for ventilator-induced lung injury. Therefore, 75 male Sprague Dawley rats were anesthetized and ventilated with different tidal volumes for 7 hours. Animals were randomly assigned to two “lung-protective” and three “intervention” groups. Animals receiving protective ventilation were ventilated with tidal volumes of either 6 ml/kg or 8 ml/kg body weight. Animals in the intervention-groups were ventilated with either 12, 16 or 20 ml/kg body weight. The exhaled pentanal concentration was measured by multi-capillary column-ion mobility spectrometry. This technique provides online measurements of volatile organic compounds in breath. Blood samples were analysed repetitively to detect changes in the concentration of inflammatory markers and lung tissue was taken for histological analysis. Breath analysis revealed a higher and steeper incline in exhaled pentanal concentration when the applied tidal volume was increased. At 6 ml/kg body weight tidal volume the rate was 0,5 ppbv/h, whereas 20 ml/kg body weight tidal volume caused 3,1 ppbv/h. The concentration of pentanal differed significantly between the group ventilated with 6 ml/kg body weight and the intervention groups (4,8 ppbv vs. 19,2 ppbv, 15,3 ppbv und 22,5 ppbv; p<0,05) at the end of the trial. In addition, a higher pentanal concentration was accompanied by a higher degree of lung injury observed in postmortem histological analysis as well as elevated markers for inflammation. The results showed that mechanical ventilation with harmfully high tidal volumes induces pulmonary lipid peroxidation. Exhaled pentanal, a volatile product of lipid peroxidation, may be a potential biomarker for ventilator-induced lung injury.