Pentanal als möglicher Biomarker für die Abgrenzung von lungenprotektiver und lungenschädlicher Beatmung im Tiermodell

Abstract

Eine maschinelle Beatmung gilt in vielen Bereichen der modernen Medizin als unverzichtbare Notwendigkeit. So wären ohne eine adäquate Narkose mit mechanischer Beatmung und entsprechenden Muskelrelaxation viele chirurgische Eingriffe nicht durchführbar. Ebenso wäre die intensivmedizinische Betreuung vieler Patienten gerade bei respiratorischer Insuffizienz nicht möglich. Jedoch ist bekannt, dass eine mechanische Beatmung zu pulmonalen Schäden führen kann. Eine Methode, diese Lungenschäden in einem Frühstadium zu erkennen und entsprechende protektive Maßnahmen einzuleiten, existiert bis heute nicht. Pentanal ist ein Produkt der Lipidperoxidation, welches in der Ausatemluft gemessen werden kann und möglicherweise ein Biomarker einer Lungenschädigung darstellen könnte. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurde untersucht, ob sich die Pentanalkonzentration in der Ausatemluft zur Differenzierung einer schädigenden von einer protektiven Beatmung eignet. 75 männliche Sprague-Dawley Ratten wurden narkotisiert und nach einstündiger protektiver Beatmung mit einem Tidalvolumen von 6 ml*kgKG-1, über verschieden lange Zeiträume (0,5; 1; 2; 3 Stunden) mit einem erhöhten Tidalvolumen von 16 ml*kgKG-1 beatmet. Anschließend erfolgte eine erneute Umstellung auf eine protektive Beatmung für weitere sechs Stunden. Zusätzlich wurde eine Kontrollgruppe für einen Zeitraum von zehn Stunden durchgehend mit einem Tidalvolumen von 6 ml*kgKG-1 ventiliert. Die abgeatmete Pentanalkonzentration wurde mittels multikapillarsäulengekoppelter Ionenmobilitätsspektrometrie (MCC-IMS) in 15-minütigen Abständen gemessen. Die Pentanalkonzentrationen an den Umstellungszeitpunkten der Beatmung wurden mittels Varianzanalyse verglichen. Weiterhin wurde der Anstieg der Pentanalkonzentration während protektiver und schädigender Beatmungsphasen mittels verallgemeinerter Schätzgleichung (GEE) berechnet. Um einen systemischen Ursprung des abgeatmeten Pentanals auszuschließen wurde die Konzentration des abgeatmeten Pentanals mit den in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie bestimmten Pentanalkonzentrationen im Blutplasma verglichen. Zusätzlich wurden Zytokine und Leukozyten in einer bronchoalveolären Lavage sowie das Verhältnis von Caspase 3 zur Procaspase 3 im Lungengewebe bestimmt. Sowohl bei der protektiven als auch bei der lungenschädlichen Beatmungsform kam es zu einem Anstieg des abgeatmeten Pentanals. Dieser fiel jedoch unterschiedlich stark aus. Eine Umstellung auf schädigende Tidalvolumina (16 ml*kgKG-1) führte zu einem deutlich steileren Anstieg der abgeatmeten 2 Pentanalkonzentration von durchschnittlich 1,0 [95 %-Konfidenzintervall (95 % KI): 0,3 – 1,7] ppb/h bis 2,5 [1,4 – 3,6] ppb/h, wohingegen die Pentanalkonzentration unter protektiven Tidalvolumina (6 ml*kgKG-1) nur durchschnittlich um 0,5 [95 % KI: 0,2 – 0,7] ppb/h anstieg. Nach der Umstellung auf protektive Tidalvolumina kam es zu einem medianen Abfall von 2,0 [Interquartilsabstand (IQR): 0,9 – 3,2] ppb bzw. zu einer medianen prozentualen Reduktion von 38 [IQR: 31 – 43] % der abgeatmeten Pentanalkonzentration. Die abgeatmete Pentanalkonzentration korrelierte nicht mit derer im Blutplasma. Ebenfalls gab es keinen signifikanten Unterschied hinsichtlich der untersuchten Inflammations- und Apoptosemarker. Die Histologie der Lunge zeigte keine Unterschiede zwischen den Gruppen unterschiedlich starker Beatmungsaktivität. Pentanal ist ein potenzieller Biomarker zur Detektion des Beginns und der Beendigung einer lungenschädigenden Beatmung.

Mechanical ventilation is considered an indispensable necessity in many areas of modern medicine. Without adequate anaesthesia with mechanical ventilation and appropriate muscle relaxation, many surgical procedures would not be possible. Likewise, the intensive medical care of many patients, especially those with respiratory insufficiency, would not be possible. However, it is known that mechanical ventilation can lead to pulmonary damage. To date, there is no method of recognising this lung damage at an early stage and introducing appropriate protective measures. Pentanal is a product of lipid peroxidation that can be measured in exhaled air and could possibly represent a biomarker of lung damage. The present study investigated whether the pentanal concentration in exhaled air is suitable for differentiating between damaging and protective ventilation. 75 male Sprague-Dawley rats were anaesthetised and, after one hour of protective ventilation with a tidal volume of 6 ml*kgKG-1, ventilated for different lengths of time (0.5; 1; 2; 3 hours) with an increased tidal volume of 16 ml*kgKG-1. This was followed by another switch to protective ventilation for another six hours. In addition, a control group was continuously ventilated with a tidal volume of 6 ml*kgKG-1 for a period of ten hours. Exhaled pentanal concentrations were measured by multicapillary column coupled ion mobility spectrometry (MCC-IMS) at 15-minute intervals. The pentanal concentrations at the ventilation changeover points of time were compared using analysis of variance. Furthermore, the increase in 3 pentanal concentration during protective and damaging ventilation phases was calculated using generalised estimating equation (GEE). In order to exclude a systemic origin of the exhaled pentanal, the concentration of the exhaled pentanal was compared with the pentanal concentration in blood plasma determined by high-performance liquid chromatography. In addition, cytokines and leucocytes were determined in a bronchoalveolar lavage, as well as the ratio of caspase 3 to procaspase 3 in lung tissue. There was an increase in exhaled pentanal in both the protective and the lung-damaging form of ventilation. However, this increase was of different magnitudes. A switch to injurious tidal volumes (16 ml*kgKG-1) resulted in a significantly steeper increase in exhaled pentanal concentration, averaging 1.0 [95 % confidence interval (95 % CI): 0.3 - 1.7] ppb/h to 2.5 [1.4 - 3.6] ppb/h, whereas pentanal concentration under protective tidal volumes (6 ml*kgKG-1) only increased by an average of 0.5 [95 % CI: 0.2 - 0.7] ppb/h. After switching to protective tidal volumes, there was a median decrease of 2.0 [interquartile range (IQR): 0.9 - 3.2] ppb or a median percentage reduction of 38 [IQR: 31 - 43] % in exhaled pentanal concentration. The exhaled pentanal concentration did not correlate with that in blood plasma. There was also no significant difference with respect to the inflammation and apoptosis markers investigated. The histology of the lungs showed no differences between the groups with different levels of ventilatory activity. Pentanal is a potential biomarker for detecting the onset and cessation of lung-damaging ventilation.