Diagnostik und Verlaufskontrolle von Lungenerkrankungen anhand exhalierter Aerosole (Untersuchung des Exhalats)
Final Report Abstract
Die Ausatemluft des Menschen enthält neben gasförmigen Komponenten feinste Mikrotröpfchen. Diese stellen eine auf nicht-invasivem Wege gewinnbare Mikroprobe aus dem Epithelflüssigkeitsfilm des Respirationstraktes dar und sind daher von herausragendem Interesse für die pneumologische Diagnostik. Aufgrund der bislang nur sehr bruchstückhaft verstandenen Prozesse der Aerosolgenerierung und des Aerosoltransports sowie fehlender systematischer Untersuchungen der physikalischen Eigenschaften exhalierter Aerosole, insbesondere auch für die kranke Lunge, hat bislang keine Untersuchungsmethode, basierend auf den Eigenschaften exhalierter Aerosolen, Eingang in die klinische Routine gefunden. Für die Gewinnung einer Basis für partikelbasierte Diagnostikverfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit stand die Klärung/Beschreibung folgender Aspekte im Vordergrund: Klärung des Mechanismus und Ortes der endogenen Aerosolentstehung; Physikalische Eigenschaften der generierten Aerosole am Entstehungsort; Transport- und Abscheidungsprozesse der generierten Partikel in der Lunge; Partikelkonzentration und -größenspektren im Exhalat in Abhängigkeit von respirationsphysiologischen Kenngrößen und Lungenfunktionsparametern; Krankheitsbedingte Einflüsse auf die Aerosolgenerierung und den Aerosoltransport Reproduzierbarkeit der Messergebnisse; Eignung der physikalischen und biochemischen Eigenschaften der Partikel für diagnostische Zwecke; Optimierung der Sammlung exhalierter Aerosole für nachfolgende Analysen. Zusammenfassend ist es im Rahmen dieser Arbeit über systematische experimentelle und theoretische Untersuchungen gelungen, ein sehr umfassendes qualitatives und quantitatives Verständnis der Prozesse der Aerosolentstehung und des Aerosoltransports in der Lunge zu generieren sowie eine umfangreiche wissenschaftliche Datenbasis zu den Eigenschaften exhalierter Aerosole sowohl für die gesunde als auch die kranke Lunge zu erstellen. Basierend auf der erstmaligen theoretisch-quantitativen Beschreibung der Partikelgröße endogen generierter Aerosole durch die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Ing.-Seume am Institut für Turbomaschinen und Fluiddynamik der Universität Hannover (TFD), sowie der Untersuchung des Aerosoltransports und der Abscheidevorgänge in den Lungenstrukturen während der Exspirationsphase durch die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Ing.-Schröder Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamischen Institut der RWTH Aachen (AIA) wurde insbesondere die zeitaufgelöste Analyse des exhalierten Partikelgrößenspektrums über den individuellen Exhalationsvorgang (Single Breath Analysis, SBA) als potentiell hochsensitives Verfahren für die Früherkennung krankhafter Lungenveränderungen identifiziert. Konkret lassen sich die gemessenen Größenverteilungen (MHH/Fraunhofer ITEM) aus den Simulationsergebnissen zur Partikelgröße der generierten Tröpfchen (TFD) und sedimentationsbedingten Partikelverlusten in den endständig peripheren Lungenstrukturen beim stationären Transport klären. In den oberen Atemwegen findet entsprechend der Simulationsergebnisse des AIA während des Exspirationsvorgangs keine partikelgrößenabhängige Abscheidung der endogen gebildeten Partikel statt. Somit wurden erstmalig die Voraussetzungen für die Weiterentwicklung und Etablierung der Partikelanalyse im Exhalat als nicht-invasives Verfahren für die routinemäßige klinische Diagnostik, sowohl auf Basis der biochemischen als auch insbesondere der physikalischen Eigenschaften, geschaffen. An dieser Stelle ist die Entwicklung eines neuartigen Detektionsverfahrens für exhalierte Aerosole, das die Wasserdampfkondensation aus der bereits mit Wasserdampf gesättigten Ausatemluft für das Partikelwachstum ausnutzt, von herausragender Bedeutung (ITEM). Zusammenfassend ermöglichen erst diese Ergebnisse in Kombination mit der Entwicklung eines einfachen gut handhabbaren Sensors für die Partikelanalyse im Exhalat generieren erstmalig die Voraussetzung für die Etablierung der Partikelanalyse im Exhalat als nicht-invasives, hochsensitives Verfahren für die Früherkennung einer Vielzahl von Lungenerkrankungen.
Publications
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