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Nicht-invasive Lungenfunktionstests: WBP vs. NAM

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In diesem Artikel werden hauptsächlich WBP und NAM vorgestellt. Beide Geräte werden in die Kategorie der nicht-invasiven Lungenfunktionstests eingeordnet.

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1. Gängige Methoden der Lungenfunktionsprüfung

Die Lungenfunktionsprüfung ist eine wirksame "Waffe" zur Beurteilung der Lungengesundheit. Sie spielt eine zentrale Rolle in der medizinischen Forschung und bei der Diagnose von Krankheiten. Die Methoden der Lungenfunktionsprüfung lassen sich in zwei Kategorien einteilen: invasiv und nicht-invasiv. Zu den invasiven Lungenfunktionstests gehören hauptsächlich der Atemwegswiderstand und die Compliance (RC) sowie der Lungenfunktionstest (PFT). Zu den nicht-invasiven Lungenfunktionstests gehören hauptsächlich die Ganzkörperplethysmographie (WBP), die nicht-invasive Atemwegsmechanik (NAM) und die Head-out-Plethysmographie (HOP). In diesem Artikel werden hauptsächlich die WBP und die NAM vorgestellt.

2. Ganzkörperplethysmographie, WBP

2.1 Arbeitsprinzip

Das WBP-Ganzkörperplethysmographie-Detektionssystem ist ein fortschrittliches Gerät zur Bewertung der Lungenfunktion von Tieren und spielt eine wichtige Rolle bei der Erforschung von Atemwegserkrankungen und der Arzneimittelentwicklung. Sein Funktionsprinzip basiert auf dem Boyle'schen Gesetz. Das Tier wird in eine versiegelte Plethysmographenbox gesetzt. Wenn das Tier atmet, bewirkt die Wellenbewegung der Brustwand eine Volumenänderung in der Plethysmographenbox. Diese Volumenänderung wird dann über einen Druckwandler und einen Verstärker in ein elektrisches Signal umgewandelt. Nach der Verarbeitung durch einen Computer kann die Atmungskurve auf dem Bildschirm deutlich dargestellt werden. Durch die weitere Analyse mit professioneller Software kann eine Reihe von wichtigen Atmungsparametern wie Tidalvolumen, exspiratorische Spitzenflussrate und Atemfrequenz genau berechnet werden.

2.2 Test-Parameter

Ti: Inspirationszeit (s)

Te: Exspiratorische Zeit (s)

PIF: Inspiratorischer Spitzenfluss (ml/s)

PEF: Spitzen-Exspirationsfluss (ml/s)

Volbal: Differenz zwischen Inspirations- und Exspirationsvolumen

F: Atemfrequenz (Atemzüge pro Minute)

Vt:Tidalvolumen（ml）

Mv:Minuten-Beatmung（ml）

AV:Kumuliertes Volumen（ml）

EF50: Mitteltidaler exspiratorischer Fluss

EIP: Endinspiratorische Pause (invasive Methode)

EEP: End-exspiratorische Pause (invasive Methode)

TR: Entspannungszeit

PenH: Erhöhte Pause

Rpef: Verhältnis der Zeit zum Spitzenexspirationsfluss

2.3 Systemmerkmale und Vorteile

Unbeschränkt/nicht-invasiv: Es kann für die Forschung an Tieren, die im natürlichsten und unbehinderten Zustand atmen, und für langfristige Folgeexperimente verwendet werden. Es eignet sich für ein erstes Wirkstoffscreening, ohne dass ein chirurgischer Eingriff erforderlich ist, wodurch die Auswirkungen von Anästhesie und Operation auf das Experiment vermieden werden.

Multifunktionales Modul zur Aerosolvernebelung: Integriert die Erkennung der Atmung, die Online-Vernebelung von Medikamenten und die Bias-Flow-Funktion.

Optionaler Wasserflaschen- und Lebensmittelanschluss: Er kann für die langfristige kontinuierliche Überwachung verwendet werden.

Wählbare Größe der Experimentierkammer: Es ist für Mäuse, Ratten oder andere Tiere geeignet.

Funktionsreich und ausbaufähig: Es umfasst Funktionen wie automatische Hustenüberwachung, automatische Asthmaexperimente, Optogenetik und Elektroenzephalogramm.

2.4 Anwendungsbereiche

Der Anwendungsbereich des WBP-Ganzkörperplethysmographie-Detektionssystems ist sehr breit gefächert und deckt mehrere Bereiche ab. In der Erforschung von Atemwegserkrankungen ist es ein wichtiges Instrument zur Untersuchung von Asthma, Lungenfibrose, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), akuten Atemwegserkrankungen usw. Durch die Überwachung der Veränderungen von Atmungsparametern bei Tieren unter verschiedenen Bedingungen können Forscher die Pathogenese dieser Krankheiten besser verstehen und eine theoretische Grundlage für die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden schaffen.

Im Bereich der Arzneimittelentwicklung kann das WBP-System für die Sicherheitsbewertung und die toxikologische Forschung von Arzneimitteln eingesetzt werden. Durch die Beobachtung der Auswirkungen von Arzneimitteln auf die Atmungsfunktion von Tieren können die Sicherheit und mögliche Nebenwirkungen von Arzneimitteln bewertet werden. Bei der Entwicklung einiger neuer Arzneimittel wird das WBP-System eingesetzt, um die Auswirkungen von Arzneimitteln auf Parameter wie Atemfrequenz und Atemzugvolumen von Tieren zu ermitteln, um zu beurteilen, ob die Arzneimittel unerwünschte Wirkungen wie z. B. Atemdepression haben, und somit eine wichtige Referenz für die weitere Entwicklung von Arzneimitteln zu liefern.

3. Nicht-invasive Atemwegsmechanik, NAM

3.1 Einzigartiges Design und Prinzip

Die nicht-invasive Atemwegsmechanik (NAM, auch bekannt als Doppelkammer-Plethysmographie, DCP) verwendet einen einzigartig gestalteten Plethysmographen, um den Kopf und den Körper des Tieres in der Kopfkammer und der Körperkammer zu trennen und den nasalen Fluss bzw. den thorakalen Fluss zu messen. Durch die Analyse der Verzögerung des nasalen Flusses im Verhältnis zum thorakalen Fluss können der spezifische Atemwegswiderstand (sRaw) und der spezifische Atemwegskonduktanz (sGaw) ermittelt und der Atemwegswiderstand der Tiere genauer bewertet werden. sRaw ist ein weithin akzeptierter idealer Indikator, der invasive Nachweise ersetzt und den Forschern eine sicherere und zuverlässigere Nachweismethode bietet, die es uns ermöglicht, die Lungenfunktion von Tieren eingehend zu untersuchen, ohne sie zu schädigen.

3.2 Test-Parameter

Ti: Inspirationszeit (s)

Te: Exspiratorische Zeit (s)

PIF: Inspiratorischer Spitzenfluss (ml/s)

PEF: Spitzen-Exspirationsfluss (ml/s)

Volbal: Differenz zwischen Inspirations- und Exspirationsvolumen

F: Atemfrequenz (Atemzüge pro Minute)

Vt: Tidalvolumen（ml）

Mv: Minuten-Ventilation（ml）

AV: Kumuliertes Volumen（ml）

EF50: Mitteltidaler exspiratorischer Fluss

EIP: Endinspiratorische Pause (invasive Methode)

EEP: End-exspiratorische Pause (invasive Methode)

TR: Entspannungszeit

EV: Exspiratorisches Volumen

Penh: Erhöhte Pause

Rpef: Verhältnis der Zeit zum Spitzenexspirationsfluss

NTV: Nasales Tidalvolumen

NEV: Nasales Ausatmungsvolumen

sRaw: Spezifischer Atemwegswiderstand

sGaw: Spezifische Atemwegskonduktanz

3.3 Hauptmerkmale

Der nicht-invasive NAM-Lungenfunktionsdetektor für Tiere hat viele lobenswerte Eigenschaften.

Was die Erkennungsmethode betrifft, so ist es nicht notwendig, das Tier zu betäuben und zu intubieren, wodurch die durch Anästhesie und Trachealintubation verursachten Schäden und Stressreaktionen im Körper des Tieres vermieden werden, was die Erkennungsergebnisse authentischer und zuverlässiger macht.

Was die Erkennungsindikatoren anbelangt, so kann das Gerät den speziellen Atemwegswiderstand sRaw und den speziellen Atemwegswiderstand sGaw erkennen. Diese Indikatoren sind von großer Bedeutung für die Bewertung der Lungenfunktion von Tieren.

Während des Erkennungsprozesses werden die Luftstromänderungen in der Nase und im Brustkorb getrennt erfasst, und es wird eine umfassende Analyse und Berechnung durchgeführt, was zu genaueren Ergebnissen führt.

Das Gerät verfügt über ein flexibles System zur Vernebelung von Medikamenten, das eine perfekte Lösung für die pharmakologische und toxikologische Forschung darstellt.

Es verfügt über einen Mechanismus für die Luftzufuhr mit schräger Strömung, um die Ansammlung von Abgasen zu vermeiden.

3.4 Anwendungsbereiche

In Bezug auf die Anwendungen ist es sehr geeignet für die Erforschung von Asthma, COPD, etc. Da die Tiere nicht narkotisiert und tracheal intubiert werden müssen, kann die Reaktion desselben Tieres auf Medikamente oder Therapien über einen langen Zeitraum untersucht werden. Dies ist von großer Bedeutung für die Untersuchung der Krankheitsentstehung, die Bewertung der Wirksamkeit von Medikamenten und die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden. In der Asthmaforschung können Forscher das NAM-Doppelkammer-Plethysmographiesystem nutzen, um die Veränderungen der Lungenfunktion von Asthma-Tiermodellen in verschiedenen Behandlungsstadien langfristig zu überwachen, um die Pathogenese und die Behandlungswirkung von Asthma besser zu verstehen und eine Grundlage für die Entwicklung wirksamerer Asthmamedikamente zu schaffen.

4. Unterschiede und Vorteile von NAM im Vergleich zu WBP

WBP und NAM unterscheiden sich in mehreren Aspekten. Was die Erfassungsmethode anbelangt, so ist die WBP nicht invasiv und erlaubt es den Tieren, sich innerhalb der Plethysmographenbox frei zu bewegen, was einen natürlicheren Zustand für die Messung ermöglicht. Im Gegensatz dazu müssen die Tiere bei der NAM, die zwar ebenfalls nicht invasiv ist, im Messgerät fixiert werden, was ihre Bewegungsfreiheit einschränkt.

In Bezug auf den Bedienungskomfort hat das WBP den Vorteil, dass es einfach zu bedienen ist. Im Gegensatz dazu ist NAM mit einem gewissen Schwierigkeitsgrad verbunden, da die Tiere auf eine bestimmte Weise fixiert werden müssen.

Was die Erkennungsindikatoren betrifft, so misst das WBP hauptsächlich Parameter wie Tidalvolumen, Atemfrequenz und Atemminutenvolumen. Der NAM hingegen erfasst nicht nur diese grundlegenden Parameter, sondern fügt auch spezielle Indikatoren wie den speziellen Atemwegswiderstand sRaw und den speziellen Atemwegswiderstand sGaw hinzu, die eine einzigartige Perspektive auf die Lungenfunktion und umfassendere Forschungsdaten bieten können.

Was die Genauigkeit der Erkennungsergebnisse betrifft, so werden mit dem WBP die Atmungsparameter indirekt durch Ganzkörperplethysmographie am Tier ermittelt. Im Vergleich dazu werden bei der NAM die Luftstromänderungen in der Nase und im Brustkorb separat erfasst und anschließend eine umfassende Analyse und Berechnung durchgeführt. Dieser direktere Erfassungsprozess ermöglicht es dem NAM, den Atemwegswiderstand von Tieren genauer zu bewerten.

WBP und NAM haben ihre eigenen Stärken und Schwächen bei der Erkennung der Lungenfunktion. WBP ermittelt die Lungenfunktionsparameter von Tieren in einem völlig unbelasteten Zustand, was einfach zu bedienen ist und eher dem natürlichen Zustand entspricht. Während bei der NAM die Tiere fixiert werden müssen, ist der Vorgang umständlicher und verursacht zudem eine gewisse Kompression bei den Tieren. Das Erkennungsprinzip ist jedoch direkter, die Daten sind umfassender und die Datenverarbeitungsmethode ist wissenschaftlicher, insbesondere bei der Bewertung des Atemwegswiderstands der Tiere.

Referenzen

[1]James Dean, Dave Singh. Untersuchung der Methodik der Messung des spezifischen Atemwegswiderstands bei COPD. International Journal of Chronic Obstructive Pulmonary Disease 2023:18 2555-2563. https://doi.org/10.2147/COPD.S424696

[2]Anurag Agrawal, Shashi Kant Singh, Vijay Pal Singh,et.al. Partitioning of nasal and pulmonary resistance changes during noninvasive plethysmography in mice. J Appl Physiol 105: 1975-1979, 2008. doi:10.1152/japplphysiol.90700.2008.

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