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Atemanalyse

im Labor

Struktur und Funktion der Atemwege hängen eng zusammen. Wissenschaftler im Forschungszentrum Borstel untersuchen das mit ausgefeilter Technik im Tiermodell.

„Jetzt einmal bitte tief einatmen und komplett ausatmen ...“ Um die Lungenfunktion exakt messen zu können, müssen die Patienten gut mitarbeiten. In der Arztpraxis ist das meist kein Problem. Anders ist die Situation in der Forschung. Um wichtige Parameter der Lungenfunktion bei Versuchstieren präzise zu erfassen, braucht es schon besonderes Knowhow und spezielle Geräte. Beides ist im Forschungszentrum Borstel vorhanden – im Bereich „Experimentelle Pneumologie“. Dieser Arbeitsbereich wurde mit der Berufung von Professor Heinz Fehrenbach in den Exzellenzcluster Entzündungsforschung neu etabliert. Fehrenbach kam im Juli 2008 von der Universität Marburg nach Borstel. Seine Arbeitsgruppe – Entzündung und Regeneration – erforscht im Tiermodell unter anderem den Zusammenhang von Struktur und Funktion der Atemwege, die Interaktion inflammatorischer und strukturbildender Zellen sowie die Regenerationsfähigkeit der Lunge bei Asthma und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD).

Maßgeschneidert für Mäuse

Zur Messung der Lungenfunktion bei Mäusen verfügt die Gruppe über ein Gerät, das speziell für diesen Zweck gefertigt wurde und so ähnlich nur noch an drei anderen Standorten in Deutschland steht – die Head-out-Body-Plethysmographie. „Wir können damit verschiedene Parameter der Lungenfunktion beim lebenden Tier nichtinvasiv messen und zwar bei vier Tieren gleichzeitig“, erklärt Fehrenbach. Die Maus kommt dazu in eine zylinderförmige Glaskammer. Der Kopf ist außerhalb der Kammer, die am Hals mit einer Latexkrause luftdicht abgeschlossen wird. Nach hinten schließt ein Stöpsel ab. Über ein Röhrchen steht die Kammer mit der Außenluft in Verbindung. Atmet die Maus ein, wird der Brustkorb größer, die Luft in der Kammer wird verdrängt, beim Ausatmen passiert das Gegenteil. „Durch die Bewegung des Brustkorbs entsteht am Ableitungsrohr der Kammer ein Luftstrom, der dem an den Nasenlöchern der Maus entspricht. Und den können wir aufnehmen“, erklärt Dr. Michael Wegmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Fehrenbachs Arbeitsgruppe. „Wir messen die Druckänderung. Dadurch kann der expiratorische bzw. inspiratorische Atemfluss abgeleitet werden.“ Für den Messvorgang werden vier solcher „Head-out-Body-Plethysmographen“ über Verbindungsstücke an eine Expositionskammer angedockt. Die Nasen der Mäuse sind nach innen gerichtet, so dass sie das dort eingeleitete Aerosol einatmen können. Die Messdaten werden auf einen Computer übertragen, mit spezieller Software aufbereitet und auf einen Bildschirm übertragen.

Heinz Fehrenbach

Heinz Fehrenbach
ist Professor für Experimentelle Pneumologie an der Universität zu Lübeck und Leiter der gleichnamigen Abteilung am Forschungszentrum Borstel. Sein Forschungsschwerpunkt gilt der Aufklärung der Zusammenhänge zwischen chronischer Entzündung, Störung der Lungenstruktur (Remodelling) und den damit einhergehenden Funktionseinschränkungen. Dabei interessiert er sich besonders für Reparatur- und  Regenerationsvorgänge, auf deren Grundlage neue therapeutische Ansätze entwickelt werden könnten.

Asthma im Experiment

Die verschiedenen Messgrößen der Body-Plethysmographie erlauben eine genaue Beurteilung der Lungenfunktion. So lässt sich zum Beispiel ablesen, ob das Versuchstier gegen einen erhöhten Widerstand in den Atemwegen (Resistance) atmen muss. Das wäre zum Beispiel beim Asthma-Anfall der Fall und hängt davon ab, wie stark die Atemwege verengt sind. Um dies zu testen, wenden Lungenfachärzte den so genannten Metacholin-Provokationstest an. Metacholin ist eine Substanz, die eine Kontraktion der Atemwegsmuskulatur auslöst. Daraufhin verengen sich die Atemwege, der Atemwegswiderstand steigt, der expiratorische Atemfluss – also die Geschwindigkeit, mit der ausgeatmet wird – sinkt. Die Versuchstiere reagieren genauso. Für den Test vernebeln die Wissenschaftler Metacholin in steigender Konzentration, die Mäuse in der Expositionskammer atmen das ein. „Über den Atemfluss, den wir messen, kann man sehen, wie sehr eine bestimmte Konzentration des Metacholins die Atemwege verengt. Typisch für Asthmatiker ist, dass sie auf sehr viel geringere Konzentrationen dieses Stimulus‘ mit einer Verengung reagieren als Gesunde“, erklärt Fehrenbach. „Wir haben das Gerät zum Beispiel genutzt, um ein Asthmamodell zu entwickeln, das genau dieses Hauptkennzeichen des Asthmas darstellt.“ Auch therapeutische Interventionen lassen sich mit dem Gerät an Mäusen testen. Der Vorteil dieser nicht-invasiven Lungenfunktionsdiagnostik ist, dass die Tiere überleben und zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Krankheitsverlauf untersucht werden können.

Expositionskammer

Vier Mäuse sind in ihrem Body-Plethysmographen an die Expositionskammer angeschlossen.
Die Apparatur ist mit einem Computer verbunden, der die Messwerte empfängt und weiterverarbeitet.

 

Rechts: Schnittbild der Atemwegswand mit zwei sekretorischen Zellen gefüllt mit runden Sekretgranula, pyramidenförmiger Basalzelle und darunter liegender Muskulatur. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme.


Mitte Links: Schnittbild der Atemwegswand und angrenzender Lungenbläschen mit braun gefärbter Atemwegswandmuskulatur. Lichtmikroskopische Aufnahme.

 Atemwegswand  
Atemwegswand 2 Atemwegswand 3

Mitte rechts: Schnittbild der Atemwegswand. Zwischen den Zellen des einschichtigen Bronchialepithels ist ein intraepithelialer eosinophiler Granulozyt (rot) zu sehen. Lichtmikroskopische Aufnahme.


Rechts: Schnittbild mehrerer Lungenbläschen (Alveolen). Die schwarzen Flächen sind Anschnitte der Lufträume, die von den nur wenige tausendstel Millimeter dicken, dem Gasaustausch dienenden Alveolarwänden umgeben sind. Mithilfe von spezifischen Antikörpern sind die Alveolarepithelzellen Typ 1 (rot) und Typ 2 (grün) angefärbt. Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme.

Lungenbläschen
Michael Wegmann


Michael Wegmann
ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Laborgruppe Entzündung und Regeneration im Bereich Experimentelle Pneumologie am Forschungszentrum Borstel. Er beschäftigt sich hauptsächlich mit der Immunpathogenese des allergischen Asthmas und dessen Auswirkungen auf die Lungenfunktion.

Funktion und Struktur der Lunge

Noch genauer lassen sich die Tiere mit einer invasiven Lungenfunktionseinheit untersuchen – dem Flexi-Vent System. Wegmann beschreibt es als „kleine Intensivstation“. Das anästhesierte Tier liegt auf einem Wärmebett, Puls und Körpertemperatur werden überwacht. Luft bekommt es über eine computergesteuerter Pumpe via Trachealkanüle direkt in die Lunge. „Indem man die Luft mit einem bestimmten Druck über eine bestimmte Zeit rein gibt, kann man verschiedene Parameter bestimmen“, erklärt der Human-Biologe. Nach dem Versuch wird das Tier getötet, und es schließen sich weitere Untersuchungen an. „Durch Spülung der Lunge mit Puffersubstanzen, die so genannte bronchoalveoläre Lavage, werden die in den Luftwegen befindlichen Zellen herausgespült. Die angefärbten Zellen kann man und unter dem Mikroskop auszählen. Auch Zytokine lassen sich hier nachweisen“, ergänzt Fehrenbach. Neben der Lungenfunktion erfassen die Wissenschaftler aber auch die morphologischen Veränderungen, die damit einhergehen. Gewebeschnitte der Lungen werden histologisch aufbereitet und unter dem Mikroskop analysiert. „Die Struktur der Lunge hat Einfluss auf die Funktion. Daher ist es wichtig, beide Untersuchungen zu kombinieren.“

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