Oszillierende Luftströmung verbesserte laut Studie die Fließeigenschaften von Sekret
Zusammenfassung
Eine im Jahr 1994 in Kanada durchgeführte in vitro Studie hat den Einfluss von oszillierender Luftströmung auf die Fließeigenschaften und die Entfernbarkeit von Sekret simulierendem Gel untersucht.
Der Fokus der Studie lag auf der Untersuchung von Spinnbarkeit und Viskoelastizität des Simulant-Gels. Daraus abgeleitet wurden weitere Parameter, die zur Beschreibung des Sekret-Verhaltens wichtig sind, nämlich der mukoziliäre Clearability-Index (MCI) und der Husten-Clearability-Index (CCI).
Der positive Einfluss der oszillierenden Luftströmung auf die Spinnbarkeit und auf die Viskoelastizität im Sinne der Sekretentfernung konnte in der Studie als signifikant nachgewiesen werden, was die Wichtigkeit der Oszillation für die respiratorische Medizintechnik unterstreicht.
Einleitung – Welche Rolle kann die Oszillation in der Atemwegstherapie spielen?
Zwei wichtige Mechanismen spielen für den physiologischen Abtransport von Sekret aus Lunge und Atemwegen eine zentrale Rolle: Die mukoziliäre Transport (Zilien der Atemwege transportieren Sekret von peripher nach zentral bzw. oral) und der Hustenreflex bzw. die Fähigkeit, husten zu können. Beide diese Mechanismen sind jedoch in ihrer Funktionalität direkt von den Fließeigenschaften und der Quantität des Schleimsekretes abhängig. Auch die Interaktion des Sekretes hat auf dessen effektiven Abtransport einen Einfluss. Welche Eigenschaften des Sekretes für den Hustenprozess und für den mukoziliären Transport besser sind, kann unterschiedlich sein.
Aus diesem Grund hat die vorliegende Studie die Frage aufgenommen, welchen Einfluss oszillierende Luftströmung auf die Eigenschaften des Sekretes im Sinne der besseren Entfernbarkeit haben können. Als zu untersuchende Faktoren sind die Spinnbarkeit und die Viskoelastizität des Sekretes im Vorhinein festgelegt worden.
Die Spinnbarkeit beschreibt die Fähigkeit von Sekret, unter Zug Fäden zu bilden, und wurde in vorangegangenen Studien bereits als wichtiger Faktor für die Effektivität von mukoziliärem Transport und Hustenmechanismus nachgewiesen. Die Spinnbarkeit ist deswegen so aussagekräftig, weil sie Rückschlüsse auf die internen Kohäsionskräfte und den Grad an Hydratation des Sekrets zulässt.
Indem man sowohl die Spinnbarkeit als auch die Viskoelastizität des Sekretes gleichzeitig untersuchte, erhoffte man sich einen Erkenntnisgewinn in Bezug auf Veränderungen des Polymer-Netzwerks des Gels bei hochfrequenter Oszillation.
Studienaufbau – Wie wurde die Studie durchgeführt?
In der Studie wurde kein Sekret von Patientinnen und Patienten, sondern ein künstlich hergestelltes Sekret-Simulant verwendet. Das Simulantgel wurde aus Johannisbrotkernmehl und heißer Ringerlösung hergestellt. Die dabei gewählte Konzentration betrug 0,01 g/ml. Um die gewünschte molekulare Vernetzung zu erreichen, wurden 0,01 M Natriumtetraborat hinzugefügt. Auf diese Weise wurde eine Spinnbarkeit von 15-25 mm-Einheiten erzeugt, sodass das künstliche Gel mit den Eigenschaften von physiologischem Tracheobronchialsekret vergleichbar ist.
Das Simulantgel wurde daraufhin in eine Röhre gegeben, die an ein Gerät angeschlossen war, das die oszillierende Luftströmung erzeugte. Die verwendeten Frequenzen betrugen 12-13 Hz oder 22-23 Hz.
Zur Bestimmung der Spinnbarkeit wurde ein Filanzzähler nach dem Prototyp von Puchelle et al. (1983) verwendet. Das arithmetische Mittel wurde aus 5 Durchläufen ermittelt. Zur Messung der Viskoelastizität des Sekretes wurde die magnetische Mikrorheometertechnik nach King (1988) eingesetzt.
Aus diesen Grundparametern wurden zwei Indizes abgeleitet, nämlich der mukoziliäre Clearability-Index (MCI) und der Husten-Clearability-Index (CCI).
Die Messungen zur Spinnbarkeit und zur Viskoelastizität wurden unmittelbar vor und innerhalb von 5-10 Minuten nach der Anwendung der oszillierenden Luftströmung durchgeführt. Die oszillierende Luftströmung wurde für 15, 30 oder 60 Minuten appliziert.
Zur Kontrolle wurde ein Gel gleicher Struktur in eine Röhre gleicher Bauart gegeben, ohne dass die oszillierende Luftströmung angewendet wurde.
Studienergebnisse – Oszillierende Luftströmung beeinflusst Fließeigenschaften von Sekret im Sinne der Clearability positiv
Zur Beurteilung der Ergebnisse wurde die Veränderung der untersuchten Parameter im Verhältnis zu einer vorher festgelegten Baseline beurteilt.
Für die Viskoelastizität wurde die Baseline von Sputum von CF-Patientinnen und Patienten aus einer vorausgegangenen Studie (Tomkiewicz, 1993) verwendet, die bei 1,89-3,84 lag.
In der Studie wurde die graduelle Verschiebung der Sekret-Eigenschaften hin zu mehr Formbarkeit und zu weniger Festigkeit festgestellt, was als gleichbedeutend mit einer besseren Clearability des Sekretes eingeordnet werden kann. Währenddessen hatte das Sekret des Vergleichstests (ohne Oszillation) sogar leicht an Festigkeit zugenommen.
Auch die Spinnbarkeit wurde im Verhältnis zu einem Ausgangswert untersucht. Als Ausgangswert wurde hierbei die initiale Spinnbarkeit des künstlich hergestellten Simulantgels verwendet. Während die Spinnbarkeit der Vergleichsgruppe über die Dauer von 60 um 2,7% zunahm, konnte eine Verminderung der Spinnbarkeit nach 60 Minuten von ca. 36,4% bei 12 Hz und von 50,5% bei einer Frequenz von 22 Hz nachgewiesen werden. Aber auch nach 15 Minuten war bereits eine Verminderung der Spinnbarkeit von 19,3% (12 Hz) bzw. von 30,7% (22 Hz) festzustellen.
Bei Betrachtung der abgeleiteten Indizes (MCI und CCI) kam heraus, dass die oszillierende Luftströmung vor allem für die Husten-Clearance (CCI) von Vorteil war. Dies war insbesondere nach 30 Minuten der Fall, da die Veränderung des Sekretes nach 15 Minuten noch nicht ausreichend war. Die Ergebnisse des MCI ließen keinen eindeutigen Schluss zu, was vor allem auf die biochemischen Eigenschaften (Crosslinking und Hydration) des verwendeten Simulant-Gels zurückzuführen sein könnte.
Ausblick
Die Ergebnisse der dargestellten Studie lassen den Schluss zu, dass die Anwendung von oszillierender Luftströmung für das Lösen und den Abtransport von Schleimsekret nützlich sein können. Gerade das Verhältnis von physiotherapeutischer bzw. mechanischer Schleimlösung und chemischer Schleimlösung ist für die Klinik von hoher Bedeutung und sollte in zukünftigen Studien genauer untersucht werden.