Ein tierversuchsfreies Modell für extrakorporale Kohlenstoffdioxideliminierung: Entwicklung und Anwendung zur Erforschung portabler Ansätze

Abstract

Die extrakorporale Kohlenstoffdioxideliminierung ist ein wichtiges Verfahren, welches zur Therapie des hyperkapnischen Lungenversagens im klinischen Alltag zum Einsatz kommt. Sie wird hauptsächlich zur Vermeidung eines beatmungsassoziierten Lungenschadens eingesetzt. Die für diese Therapiemethode wesentlichen physiologischen Zusammenhänge sind nur unvollständig erforscht. Dementsprechend gibt es auch noch viel Potential zur Verbesserung und Weiterentwicklung der extrakorporale Kohlenstoffdioxideliminierung. Ein wichtiger Aspekt, bei dem die aktuell verfügbaren Systeme Schwächen aufweisen, ist die Mobilität der Apparatur und des Patienten. Die Mobilität ist durch verschiedene technische Gegebenheiten wie die Systemgröße, die Kanülengröße und die Abhängigkeit von einem Sauerstoffreservoir beschränkt. Goldstandard in der Weiterentwicklung und Erforschung der Technik ist bislang das Tiermodell. In der vorliegenden Dissertation wurde ein Modell entwickelt, mit dem ein extrakorporales Kohlenstoffdioxideliminierungssystem angeschlossen an einen Säugetierkörper ohne die Notwendigkeit von Tierversuchen simuliert werden kann. Mit diesem Modell wurden für die Therapie wichtige physiologische Zusammenhänge, wie die gesteigerte Leistungsfähigkeit der extrakorporalen Kohlenstoffdioxideliminierung in Bezug auf die Kohlenstoffdioxidauswaschung bei höheren Hämoglobinwerten, bei höheren Kohlenstoffdioxidpartialdrücken im Blut sowie bei höheren Spülgasflüssen unter standardisierten Bedingungen quantifiziert. In einem weiteren Schritt dieser Arbeit wurde das Modell angewendet, um Lösungsansätze für das Zukunftskonzept einer portablen und mobilen extrakorporalen Kohlenstoffdioxideliminierung zu finden. Insbesondere die bisher notwendigen schweren Gasflaschen sind bei einem portablen System limitierend. Konkret wurde in den hier vorliegenden Experimenten festgestellt, dass Spülgasflüsse oberhalb von 6 Liter pro Minute nur wenig Zusatznutzen in Bezug auf die Kohlenstoffdioxidauswaschung bringen. Eine Begrenzung des Spülgasflusses auf den hier identifizierten ökonomischen Bereich würde somit schon die Verwendung kleinerer und leichterer Gasflasche ermöglichen. Darüber hinaus war es aber auch ein Anliegen herauszufinden, ob man gegebenenfalls ganz auf eine Sauerstofflasche verzichten kann, indem die ubiquitär verfügbare Raumluft als Spülgas verwendet wird. In diesem Fall könnte in einer zukünftigen portablen extrakorporalen Kohlenstoffdioxideliminierung eine Turbine einen Spülgasfluss aus Raumluft bereitstellen. Um diese Option zu testen wurden Raumluft und reiner Sauerstoff in Bezug auf die Kohlenstoffdioxideliminierung bei verschieden Flussraten gegenübergestellt. Es konnte zwar gezeigt werden, dass die Raumluft pro Volumeneinheit weniger Kohlenstoffdioxid auswäscht als reiner Sauerstoff, aber die Unterschiede waren relativ klein, sodass das Konzept nicht verworfen wurde. Daher wurden in einem weiteren Schritt auch die technischen Aspekte einer möglichen Umsetzung im Modell simuliert. So wurde der Stromverbrauch einer Turbine bei verschiedenen Spülgasflüssen gemessen und daraus abgeschätzt, welche minimale Akkugröße für ein späteres portables System benötigt wird. Außerdem wurde gezeigt, dass es in Bezug auf die Effizienz keinen relevanten Unterschied macht, ob das Spülgas mit Unterdruck oder Überdruck durch den Oxygenator getrieben wird. In Zusammenschau der Ergebnisse ist davon auszugehen, dass ein mit einer Turbine betriebenes System ein vielversprechender Ansatz für eine portable extrakorporale Kohlenstoffdioxideliminierung darstellt.

Extracorporeal carbon dioxide elimination is an important method used in clinical settings to counteract hypercapnic respiratory lung failure and reduce ventilator induced lung injury. However, many of the physiological relationships for this therapy method have not been explained yet. Therefore, there is much potential to improve and further develop extracorporeal carbon dioxide elimination. One important aspect, where present systems show weaknesses, is the limited mobility due to different technical circumstances such as size of the system, size of the cannulas and dependence of an oxygen reservoir. So far, the gold standard in the development and research of the technique is the animal model. In the following doctoral thesis, a mock model was developed to simulate an extracorporeal carbon dioxide elimination system connected to a mammal body and to perform experiments without the need of a living animal. The mock allowed us to quantify important physiological relationships under standardized conditions, such as the improved efficiency of extracorporeal carbon dioxide elimination in carbon dioxide removal for higher haemoglobin levels in blood, higher carbon dioxide partial pressure in blood and higher sweep gas flow rates. In a further step of this work, the model was used to develop possible solutions for the future concept of a portable extracorporeal carbon dioxide elimination. In particular, the dependence of heavy oxygen bottles is a limiting factor for a portable system. In specific, it was shown, that sweep gas flow rates greater than 6 litre per minute only yield very limited increases in carbon dioxide transfer. Limiting the sweep gas flow to the identified economic area could allow the use of smaller and lighter oxygen bottles. On top of that, the goal was to find out, if it is possible to avoid the use of oxygen bottles completely by using ubiquitously available air as sweep gas. In this scenario, sweep gas could be provided with a turbine in a portable system. To test this option, pure oxygen and air were compared as sweep gases in their efficiency in carbon dioxide removal for different sweep gas flow rates. Air showed slightly lower carbon dioxide removal rates than pure oxygen. However, the difference was small, so we did not reject the concept. In the next step, technical aspects for realization of a portable system with a turbine to provide sweep gas were simulated. The power consumption of a turbine for different sweep gas flow rates was measured to estimate the minimal size of a battery. Moreover, it was shown, that driving the sweep gas through the oxygenator with positive pressure or negative pressure does not show any difference in efficiency. All in all, it can be concluded that a system operated with a turbine is a promising approach for a portable extracorporeal carbon dioxide elimination system.