Cuvillier Verlag Göttingen Henriette Luisa Wilkens
Untersuchung des Einfl usses der nasalen
Stickstoffmonoxidproduktion auf die Oxygenierung bei Pferden unter Injektionsanästhesie
STIFTUNG TIERÄRZTLICHE HOCHSCHULE HANNOVER
Untersuchung des Einfl usses der nasalen Stickstoffmonoxidproduktion auf die Oxygenierung bei Pferden unter InjektionsanästhesieHenriette Luisa Wilkens
Herausgegeben von Karsten Feige, Peter Stadler, Harald Sieme, Bernhard Ohnesorge
48
Als Auslöser für die hohe perioperative Mortalitätsrate in der Pferdemedizin wird die häufi ge Entwicklung einer Hypoxämie unter anderem infolge eines Ventilations- Perfusions-Missverhältnisses (VA/Q) diskutiert. In der Vergangenheit konnte gezeigt werden, dass sich die exogene Supplementation von Stickstoffmonoxid (NO) positiv auf das VA/Q-Missverhältnis auswirkt. Stickstoffmonoxid fungiert als pulmonaler Vaso- dilatator und reguliert die Lungenperfusion. Bei vielen Tierarten fi ndet ein Großteil der physiologischen NO-Produktion im Nasopharynx statt. Hypothese der vorliegenden Studie war, dass eine endotracheale Intubation die nasale NO-Inhalation reduziert, das VA/Q-Verhältnis verschlechtert und die Oxygenierung bei Pferden in der Allge- meinanästhesie vermindert. Die Ergebnisse zeigen, dass die endotracheale Intubation die nasale und bronchiale NO-Konzentration bei Pferden in der Allgemeinanästhesie reduziert. Ein positiver Einfl uss der höheren NO-Konzentration in der nicht-intubi- erten Behandlungsgruppe auf das VA/Q-Verhältnis ist gering, aber erkennbar. Darüber hinaus fördert die fehlende endotracheale Intubation eine frühe klinisch relevant wer- dende partielle Obstruktion der oberen Atemwege, sodass die endotracheale Intuba- tion einen positiven Effekt auf die Oxygenierung hat.
Forschung ist die Grundlage des Gewinns neuer Erkenntnisse. Die Herausgeber be- schäftigen sich seit vielen Jahren mit der wissenschaftlichen Bearbeitung von un- terschiedlichen Aspekten der Pferdemedizin. Diese wissenschaftliche Reihe verfolgt das Ziel, Ergebnisse, die im Rahmen von Dissertationen an der Klinik für Pferde der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover erarbeitet wurden, anderen Wis- senschaftlern und einer interessierten Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Damit wird kontinuierlich eine umfassende Darstellung aktueller wissenschaftlicher The- men veröffentlicht.
ISSN 2194-6647
Untersuchung des Einflusses der nasalen
Stickstoffmonoxidproduktion auf die Oxygenierung bei Pferden unter Injektionsanästhesie
Cuvillier Verlag Göttingen
Internationaler wissenschaftlicher Fachverlag
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
1. Aufl. - Göttingen: Cuvillier, 2020
Zugl.: Hannover (TiHo), Univ., Diss., 2020
© CUVILLIER VERLAG, Göttingen 2020 Nonnenstieg 8, 37075 Göttingen Telefon: 0551-54724-0
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Alle Rechte vorbehalten. Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es nicht gestattet, das Buch oder Teile daraus auf fotomechanischem Weg (Fotokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen.
1. Auflage, 2020
Gedruckt auf umweltfreundlichem, säurefreiem Papier aus nachhaltiger Forstwirtschaft.
ISBN 978-3-7369-7314-5 eISBN 978-3-7369-6314-6
Tierärztliche Hochschule Hannover
Untersuchung des Einflusses der nasalen
Stickstoffmonoxidproduktion auf die Oxygenierung bei Pferden unter Injektionsanästhesie
INAUGURAL-DISSERTATION zur Erlangung des Grades einer
Doktorin der Veterinärmedizin – Doctor medicinae veterinariae –
(Dr. med. vet.)
vorgelegt von Henriette Luisa Wilkens
Haltern am See
Hannover 2020
Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. med. vet. Sabine Kästner
Klinik für Kleintiere, Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover
Dr. med. vet. Stephan Neudeck
Klinik für Pferde, Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover
1. Gutachter: Prof. Dr. med. vet. Sabine Kästner
2. Gutachter: Prof. Dr. med. vet. Jürgen Rehage
Tag der mündlichen Prüfung: 19.11.2020
Teile der Ergebnisse dieser Arbeit wurden im Rahmen eines Vortrages auf dem Kongress der DVG-Fachgruppe „Veterinärmedizinische Anästhesie, Intensivmedizin, Notfallmedizin und Schmerztherapie (VAINS)“ in Berlin, Deutschland, 2020 veröffentlicht.
Meiner lieben Familie
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ... 15
2 Literaturübersicht ... 17
2.1 Hypoxämie ... 17
2.1.1 Definition ... 17
2.1.2 Ursachen für die Entstehung einer Hypoxämie während der Allgemeinanästhesie ... 17
2.1.2.1 Verringerte inspiratorische Sauerstofffraktion ... 17
2.1.2.2 Beeinträchtigung der Sauerstoffdiffusion über die alveolar-arterielle Membran ... 19
2.1.2.3 Hypoventilation ... 20
2.1.2.4 Ventilations-Perfusions-Verhältnis und pulmonale Shuntfraktion ... 21
2.1.2.5 Einfluss von Medikamenten auf das Ventilations-Perfusions-Verhältnis ... 25
2.1.3 Konsequenzen der Hypoxämie ... 26
2.1.4 Mögliche Behandlungsmethoden einer Hypoxämie bei Pferden unter Allgemeinanästhesie ... 26
2.2 Stickstoffmonoxid ... 29
2.2.1 Physiologie von Stickstoffmonoxid: Synthese, Wirkungsweise und Termination ... 29
2.2.2 Toxizität von Stickstoffmonoxid ... 32
2.2.3 Die Rolle von Stickstoffmonoxid in der Pferdemedizin ... 33
2.2.4 Die Rolle von Stickstoffmonoxid in der Humanmedizin ... 35
2.2.4.1 Stickstoffmonoxid als Diagnostikum in der Humanmedizin ... 36
2.2.5 Der Einfluss von Medikamenten auf Stickstoffmonoxid ... 36
2.2.6 Methoden zur Detektierung von Stickstoffmonoxid... 37
3 Material und Methoden ... 39
3.1 Studiendesign ... 39
3.2 Probanden ... 39
3.3 Anästhesie ... 40
3.3.1 Präanästhetische Vorbereitung ... 40
3.3.2 Prämedikation und Induktion ... 40
3.3.3 Aufrechterhaltung der Anästhesie ... 41
3.3.4 Aufstehphase ... 41
3.4 Versuchsaufbau ... 42
3.4.1 Instrumentierung... 42
3.4.2 Herzauswurfmessung ... 44
3.4.3 Stickstoffmonoxidkonzentration ... 45
3.4.3.1 Messprinzip ... 45
3.4.3.2 Messung ... 46
3.5 Datenerhebung ... 47
3.6 Übersicht Datenerhebung ... 49
3.7 Kalkulierte Daten ... 51
3.7.1 Herzindex ... 51
3.7.2 Schlagvolumenindex ... 51
3.7.3 Systemischer Gefäßwiderstandsindex ... 51
3.7.4 Arterieller Sauerstoffgehalt ... 51
3.7.5 Gemischtvenöser Sauerstoffgehalt ... 52
3.7.6 Globaler Sauerstoffangebotsindex ... 52
3.7.7 Globaler Sauerstoffverbrauchsindex ... 53
3.7.8 Sauerstoffextraktionsrate ... 53
3.7.9 Arteriell-endtidale Kohlenstoffdioxiddruckdifferenz ... 53
3.7.10 Alveolo-arterielle Sauerstoffdruckdifferenz ... 53
3.7.11 Shuntfraktion nach Bergren (1942) ... 54
3.7.12 F-Shunt nach Araos et al. (2012)... 54
3.8 Statistische Analyse ... 55
4 Ergebnisse ... 57
4.1 Anästhesie ... 57
4.1.1 Sedierung ... 57
4.1.2 Aufrechterhaltung der Allgemeinanästhesie ... 57
4.1.3 Aufstehphase ... 57
4.1.4 Aufstehqualität ... 58
4.2 Kardiovaskuläre Parameter ... 60
4.2.1 Herzfrequenz ... 60
4.2.2 Mittlerer arterieller Blutdruck ... 61
4.2.3 Mittlerer pulmonal-arterieller Blutdruck ... 61
4.2.4 Herzauswurf und Herzindex ... 62
4.2.5 Schlagvolumenindex ... 63
4.2.6 Systemischer Gefäßwiderstandsindex ... 64
4.3 Respiratorische Parameter ... 64
4.3.1 Atemfrequenz ... 64
4.4 Oxygenierungsparameter ... 65
4.4.1 Arterieller Sauerstoffpartialdruck ... 65
4.4.2 Arterieller Kohlenstoffdioxidpartialdruck ... 67
4.4.3 Arterielle Sauerstoffsättigung ... 68
4.4.4 Arterielle Hämoglobinkonzentration ... 69
4.4.5 Venöser Sauerstoffpartialdruck ... 70
4.4.6 Venöser Kohlenstoffdioxidpartialdruck ... 71
4.4.7 Gemischtvenöser Sauerstoffpartialdruck ... 72
4.4.8 Gemischtvenöser Kohlenstoffdioxidpartialdruck ... 73
4.4.9 Arterieller Sauerstoffgehalt ... 75
4.4.10 Gemischtvenöser Sauerstoffgehalt ... 75
4.4.11 Globaler Sauerstoffangebotsindex ... 76
4.4.12 Globaler Sauerstoffverbrauchsindex ... 77
4.4.13 Sauerstoffextraktionsrate ... 78
4.4.14 Arteriell-endtidale Kohlenstoffdioxiddruckdifferenz ... 78
4.4.15 Alveolärer Sauerstoffpartialdruck... 79
4.4.16 Alveolo-arterielle Sauerstoffdruckdifferenz ... 80
4.4.17 Shuntfraktion nach Berggren (1942) ... 82
4.4.18 F-Shunt nach Araos et al. (2012)... 83
4.5 Stickstoffmonoxidkonzentrationen ... 84
4.5.1 Stickstoffmonoxidkonzentrationen in der Gruppe INT ... 84
4.5.2 Stickstoffmonoxidkonzentrationen in der Gruppe nINT ... 88
4.5.3 Stickstoffmonoxidkonzentrationen im Gruppenvergleich ... 92
5 Diskussion ... 95
5.1 Diskussion der Methodik ... 95
5.1.1 Studiendesign ... 95
5.1.2 Verblindung des Untersuchers ... 95
5.1.3 Auswahl des Anästhesieprotokolls ... 95
5.1.4 Dosierung der Medikamente ... 96
5.1.4.1 Prämedikation und Induktion ... 96
5.1.4.2 Aufrechterhaltung der Anästhesie ... 97
5.1.4.3 Aufstehphase ... 97
5.1.5 Versuchsaufbau... 98
5.1.5.1 Instrumentation und intraanästhetisches Monitoring ... 98
5.1.5.2 Herzauswurfmessung ... 99
5.1.5.3 Bestimmung der arteriellen Sauerstoffsättigung ... 99
5.1.6 Die Messung der Stickstoffmonoxidkonzentrationen ... 100
5.2 Diskussion der Ergebnisse ... 103
5.2.1 Anästhesie ... 103
5.2.1.1 Prämedikation und Induktion ... 103
5.2.1.2 Aufrechterhaltung der Allgemeinanästhesie ... 103
5.2.1.3 Aufstehphase ... 105
5.2.2 Stickstoffmonoxidkonzentrationen ... 107
5.2.2.1 Stickstoffmonoxidkonzentrationen innerhalb der Gruppe INT und nINT ... 107
5.2.2.2 Fazit ... 110
5.2.3 Ventilations-Perfusions-Verhältnis ... 111
5.2.3.1 Evaluation des Ventilations-Perfusions-Verhältnisses innerhalb der Gruppen INT und nINT ... 111
5.2.3.2 Fazit ... 122
5.2.4 Kardiovaskuläre Parameter ... 123
5.3 Fazit und Ausblick ... 125
6 Zusammenfassung ... 127
7 Summary ... 129
8 Literaturverzeichnis ... 131
9 Anhang ... 165
10 Danksagung ... 183
Abkürzungsverzeichnis
% Prozent
°C Grad Celsius μg Mikrogramm
AF Atemfrequenz
BD Blutdruck
bzw. beziehungsweise
CټO2 gemischtvenöser Sauerstoffgehalt CaO2 arterieller Sauerstoffgehalt
CcO2 Sauerstoffgehalt in den pulmonalen Kapillaren
cm Zentimeter
cmH2O Zentimeter Wassersäule
CO Herzauswurf
CO2 Kohlenstoffdioxid DO2 Sauerstoffangebot DO2I Sauerstoffangebotsindex
ETCO2 Endexspiratorisches Kohlenstoffdioxid FiO2 Fraktion des inspirierten Sauerstoffes FRC Funktionelle Residualkapazität h Stunde
Hb Hämoglobin
HF Herzfrequenz
HI Herzindex
HPV Hypoxische pulmonalen Vasokonstriktion i.v. intravenös
INT intubiert
IPPV intermittierende positive Druckbeatmung kg Kilogramm
KGW Körpergewicht
kJ Kilojoule kPa Kilopaskal L Liter
LiDCO Lithiumdilution Cardiac output MAD mittlerer arterieller Blutdruck
mg Milligramm
min Minute
ml Milliliter
mmHg Millimeter Quecksilbersäule mmol Millimol
MPAD mittlerer pulmonal-arterieller Blutdruck ms Millisekunde
N2 Stickstoff
N2O Distickstoffmonoxid nINT nicht-intubiert NO Stickstoffmonoxid NO2 Stickstoffdioxid O2 Sauerstoff
O2ER Sauerstoffextraktionsrate
O3 Ozon
P(A-a)O2 alveolo-arterielle Sauerstoffdruckdifferenz P(a-ET)O2 arteriell-endtidale Kohlenstoffdioxiddruckdifferenz p.o. per os
PټCO2 gemischtvenöser Kohlenstoffdioxidpartialdruck PټO2 gemischtvenöser Sauerstoffpartialdruck PaCO2 arterieller Kohlenstoffdioxidpartialdruck PAD pulmonal-arterieller Blutdruck PAO2 alveolärer Sauerstoffpartialdruck PaO2 arterieller Sauerstoffpartialdruck PB atmosphärischer Luftdruck
PEEP positive endexpiratorische Druckbeatmung
pH Blut pH
PH2O Wasserdampfpartialdruck
PiNO pulsatil inhaliertes Stickstoffmonoxid ppb parts per billion
PvCO2 venöser Kohlenstoffdioxidpartialdruck PvO2 venöser Sauerstoffpartialdruck Qs/Qt pulmonale Shuntfraktion
SaO2 Sauerstoffsättigung im arteriellen Blut SV Schlagvolumen
SVI Schlagvolumenindex
SټO2 Sauerstoffsättigung im gemischtvenösen Blut SvO2 Sauerstoffsättigung im venösen Blut SVR Systemischer Gefäßwiderstand SVRI Systemischer Gefäßwiderstandsindex TIVA Totale Intravenöse Anästhesie VA Alveoläre Ventilation
VA/Q Ventilations-Perfusions-Verhältnis VD Totraum
VD/VT Totraum-Atemzugvolumen-Verhältnis VE Atemminutenvolumen
VO2 Sauerstoffverbrauch VO2I Sauerstoffverbrauchsindex VT Atemzugvolumen/Tidalvolumen
1 Einleitung
Pferde besitzen mit 1,1 % im Vergleich zu anderen Spezies eine höhere perioperative Mortalitätsrate (Dugdale et al. 2016a). Als Auslöser wird in diesem Zusammenhang die häufige Entwicklung von Hypoxämien bei Pferden in der Allgemeinanästhesie diskutiert (Hubbell und Muir 2015). Hauptursachen für die Entstehung einer Hypoxämie sind unter anderem ein Missverhältnis zwischen Ventilation und Perfusion der Alveolen sowie eine erhöhte pulmonale Shuntfraktion (Qs/Qt) des Blutes aufgrund von atelektatischen Lungenarealen (Nyman und Hedenstierna 1989; Nyman et al.
1990). In der Vergangenheit wurden vielfältige Methoden entwickelt, die die Entstehung einer Hypoxämie beim Pferde verhindern bzw. reduzieren sollen. Der aktuellste Ansatz in diesem Bereich ist die Therapie und die Prävention der Hypoxämie durch die Supplementation von exogenem Stickstoffmonoxid (NO). Stickstoffmonoxid spielt eine bedeutende Rolle in der Regulation des Gefäß- und Bronchialtonus und wird endogen durch das Enzym NO-Synthase in endothelialen Zellen in verschiedenen Geweben (Ignarro et al. 1987; Palmer et al. 1987), wie zum Beispiel in der nasalen Mukosa (Hanazawa et al. 1994) produziert. Inhalativ verabreichtes NO beschränkt seine Wirkung auf die pulmonalen Gefäße und wirkt dort als potenter Vasodilatator (Grubb et al. 2008; Grubb et al. 2013a). Das Resultat ist eine adäquate Perfusion von zuvor mangelhaft perfundierten Alveolen und eine Verbesserung des Gasaustausches aufgrund eines optimierten Ventilations-Perfusions-Verhältnisses (VA/Q).
Unterschiedliche Studien haben demonstriert, dass die exogene Supplementation von NO bei hypoxämischen Patienten intra operationem zu einer Verbesserung der Oxygenierung und einer Reduktion der Hypoxämie führen kann (Grubb et al. 2008;
Nyman et al. 2012; Grubb et al. 2013a; Wiklund et al. 2017; Wulcan 2017). Darüber hinaus konnten diverse Untersuchungen zeigen, dass bei vielen Spezies, wie zum Beispiel bei Menschen, Kaninchen und Meerschweinchen ein Großteil der physiologischen NO-Produktion im Respirationstrakt aus dem Nasopharynx kommt (Gustafsson et al. 1991), und dass bei endotracheal intubierten Menschen, mit Umgehung des Nasopharynx, die NO-Konzentration in der Lunge geringer ist als bei nicht-intubierten Menschen (Gerlach et al. 1994). Beim Pferd sind diese Verhältnisse
noch nicht abschließend geklärt. Das Pferd als obligater Nasenatmer könnte über die endogene NO-Synthese im Nasopharynx das eigene pulmonale VA/Q-Verhältnis positiv beeinflussen. Die konventionelle endotracheale Intubation beim Pferd während der Allgemeinanästhesie könnte durch eine Umgehung des Nasopharynx den physiologischen aerogenen Transport von NO und dessen effektive Wirkung in der Lunge verhindern. Das Resultat wäre eine inadäquate Anpassung der Perfusion an die Ventilation mit reduzierter Oxygenierung des Pferdes während der Allgemeinanästhesie infolge eines NO-Defizites. Aus diesem Grund sollte in der vorliegenden Studie folgenden Fragen nachgegangen werden:
*Bestimmung der nasalen und bronchialen NO-Konzentrationen im allgemeinanästhesierten Pferd. Führt die endotracheale Intubation zu einer Reduktion der bronchialen NO-Konzentration?
*Wirkt sich eine endotracheale Intubation beim Pferd durch die Umgehung der Nasengänge und der dort erfolgenden NO-Produktion negativ auf das Ventilations- Perfusions-Verhältnis und die Oxygenierung von Pferden während einer Total Intravenösen Anästhesie (TIVA) aus?
2 Literaturübersicht
2.1 Hypoxämie 2.1.1 Definition
Eine Hypoxämie wird definiert als ein arterieller Sauerstoffpartialdruck (PaO2) von unter 60 mmHg (< 8 kPa) (Day et al. 1995; Hubbell und Muir 2015). Im Vergleich dazu wird eine Hypoxie als ein Zustand einer inadäquaten Gewebeoxygenierung bezeichnet, welcher zur Einstellung des aeroben Stoffwechsels und der oxidativen Phosphorylierung führen kann. Die Folge ist ein ausgeprägter Zelltod. Hypoxämie und Hypoxie sind nicht immer miteinander vergesellschaftet. Im Falle einer Hypoxämie sollte die Sauerstoffzufuhr (DO2) zum Gewebe evaluiert werden, um eine Aussage über den Zustand des Gewebes und dem Vorliegen einer Hypoxie treffen zu können (Palos 2006).
2.1.2 Ursachen für die Entstehung einer Hypoxämie während der Allgemeinanästhesie
Es können fünf Hauptursachen für die Entstehung einer Hypoxämie während der Allgemeinanästhesie unterschieden werden: Zum einen eine verringerte inspiratorische Sauerstofffraktion (FiO2), eine unzureichende Diffusion von Sauerstoff (O2) über die alveolar-arterielle Membran und eine Hypoventilation. Zum anderen ein Missverhältnis zwischen der Ventilation und der Perfusion der Alveolen (VA/Q) und eine daraus resultierende pulmonale Shuntfraktion (Qs/Qt) (Wagner 1993; Robinson 2009; Grubb 2012; Haskins 2015). VA/Q-Missverhältnisse sowie eine modifizierte pulmonalen Qs/Qt sind häufig das Resultat einer Atelektasenbildung (Nyman und Hedenstierna 1989; Nyman et al. 1990).
2.1.2.1 Verringerte inspiratorische Sauerstofffraktion
Allgemeinanästhesien bei Pferden können in Form einer Inhalationsnarkose oder einer Injektionsnarkose aufrechterhalten werden (Muir und Hubbell 2009a). Bei beiden
Anästhesieformen kann eine verringerte FiO2 die Entstehung einer Hypoxämie begünstigen. Während einer Inhalationsnarkose wird O2 als Trägergas für das Inhalationsnarkotikum verwendet und somit dem Pferd in adäquater Menge supplementiert (McDonell und Kerr 2015). In diesem Zusammenhang ist eine unzureichende Supplementation von O2 als Ursache für die Entstehung einer Hypoxämie selten anzutreffen (Grubb 2012). Dennoch kann trotz eines ausreichend hohen Sauerstoffflusses selbst in Kombination mit einer mechanischen Beatmung während einer Allgemeinanästhesie bei Pferden eine Hypoxämie entstehen (Hall et al.
1968; De Moor und Van den Hende 1972; Day et al. 1995). In diesem Fall ist die partielle respiratorische Insuffizienz häufig auf ein entstandenes VA/Q-Missverhältnis infolge einer Atelektasenbildung zurückzuführen (Nyman et al. 1990). Darüber hinaus kann eine intraoperativ entstandene Hypoxämie durch eine verminderte FiO2 in der Aufwachphase (Raumluftatmung) nach einer Inhalationsnarkose akzentuiert werden (Hall 1971; Ida et al. 2013). Im Vergleich zu der Inhalationsnarkose impliziert eine Injektionsnarkose nicht direkt die Supplementation von O2. Vor allem im Zusammenhang mit Feldanästhesien sind die Interventionsmöglichkeiten in Bezug auf eine Sauerstoffsupplementation deutlich reduziert und noch nicht ausreichend etabliert. Oxygenierungsdefizite können unter diesen Bedingungen leichter auftreten (Kerr et al. 1996; Coutu et al. 2015). Aufgrund von fehlendem Monitoring in Form von Pulsoxymetrie und Blutgasanalysen bleiben diese Defizite häufig unentdeckt (Coutu et al. 2015). Inzwischen werden verschiedenste Ansätze verfolgt, um auch die Oxygenierung von Pferden im Rahmen von Feldanästhesien zu optimieren. Eine Studie aus dem Jahre 2015 evaluierte dabei den Einsatz von tragbaren Sauerstoffkonzentratoren und konnte eine Steigerung der Oxygenierungsparameter nachweisen. Der Sauerstoffkonzentrator produzierte eine Sauerstoffkonzentration von
> 90 % und wies eine maximale Sauerstoffflussrate von 2,8 l/min auf (Coutu et al.
2015).
Zusammenfassend kann man sagen, dass eine verminderte FiO2 vor allem bei einer Injektionsnarkose im Rahmen einer Feldanästhesie (Coutu et al. 2015) und in der Aufwachphase nach einer Inhalationsnarkose die Entwicklung einer Hypoxämie
begünstigen kann (Mason et al. 1987). Insgesamt ist eine verringerte FiO2 nicht als Hauptursache für die Entstehung einer Hypoxämie bei Pferden anzusehen.
2.1.2.2 Beeinträchtigung der Sauerstoffdiffusion über die alveolar-arterielle Membran Die Sauerstoffdiffusion in der Lunge ist definiert als ein Gasaustausch zwischen der Atemluft in den Alveolen und dem Blut in den Lungenkapillaren (Pschyrembel 2017).
Die Blut-Luft-Schranke trennt die Alveolen von den Lungenkapillaren. Bestandteile dieser Barriere sind das Surfactant, Pneumozyten Typ I und deren Tight junctions, die Basalmembran der Pneumozyten und des Kapillarendothels sowie das Kapillarendothel selbst (Senior 2005; Gros 2015). Der effektive Gasaustausch wird dabei durch das Surfactant maßgeblich beeinflusst. In der Humanmedizin wird davon berichtet, dass ein hypoxämischer Zustand die Surfactantproduktion in der Lunge einschränken kann. Die hypoxämischen Bedingungen verursachen Apoptosen. In der Studie von Vaporidi et al. (2005) konnte ein progressiver Anstieg der Apoptosen innerhalb von 4 bis 72 Stunden verzeichnet werden, bis zu dem Punkt, dass nach 72 Stunden nur noch ein Viertel der Zellen am Leben waren und ein Drittel von ihnen als apoptotisch bezeichnet werden konnte. Der Effekt einer Hypoxämie auf die Surfactantproduktion in der Lunge des Pferdes ist bisher noch nicht untersucht worden (Auckburally und Nyman 2017). Des Weiteren können Lungenerkrankungen des Pferdes wie zum Beispiel die verhältnismäßig häufige chronisch obstruktive Bronchitis (COB) (Nyman et al. 1991) oder ein eher seltenes zu beobachtendes Lungenödem die Sauerstoffdiffusion beeinträchtigen (McDonell und Kerr 2015). Der Einfluss dieser Veränderung auf die Entstehung einer Hypoxämie ist beim Pferd jedoch als untergeordnet anzusehen (Richards 1982; Wagner 1993; Haskins 2015). Ferner ist die Lungenfunktion häufiger durch Perfusionsveränderungen als durch Diffusionsveränderungen limitiert (Grubb 2012).
Insgesamt spielt die Beeinträchtigung der Sauerstoffdiffusion über die alveolar- arterielle Membran in Bezug auf die Entstehung einer Hypoxämie eine geringere Rolle als andere Faktoren (Grubb 2012).
2.1.2.3 Hypoventilation
Die Entwicklung einer Hypoxämie kann durch eine Hypoventilation begünstigt werden.
Eine Hypoventilation ist definiert als eine Reduktion der alveolären Ventilation (VA) in Relation zu der Kohlenstoffdioxidproduktion (CO2) (Robinson 2009). Die Hypoventilation geht einher mit einer Hyperkapnie und einer respiratorischen Azidose (Rugh et al. 1984; Schatzmann 1995). Durch die Retention von CO2 nimmt der arterielle Kohlenstoffdioxidpartialdruck (PaCO2) zu und durch die daraus folgende verminderte Sauerstoffaufnahme, nimmt der PaO2 ab (Hubbell 2010). In der Anästhesie kann man zwischen einer medikamentös bedingten Hypoventilation und einer mechanisch bedingten Hypoventilation differenzieren. In der Allgemeinanästhesie resultiert die Entstehung einer Hypoventilation häufig aus dem Einfluss der verwendeten Pharmaka und deren hemmendem Einfluss auf das Atemzentrum (Medulla oblongata) (Richards 1982; Schatzmann 1995; Robinson 2009;
Hubbell 2010) sowie deren relaxierenden Effekt auf das Zwerchfell (Robinson 2009).
Eine Hypoventilation kann durch Medikamente wie zum Beispiel Xylazin, Ketamin, Diazepam und Isofluran (Robinson 2009), aber auch Thiopental (Muir 2009) induziert werden. Alle Inhalationsanästhetika besitzen einen dosisabhängigen atemdepressiven Effekt. Injektionsnarkosen beeinflussen im Vergleich dazu die respiratorischen und kardiovaskulären Funktionen des Pferdes in einem geringeren Maße (Berry 2015). Die mechanisch bedingte Hypoventilation resultiert daraus, dass durch die Lagerung des Pferdes in Rücken- oder Seitenlage während der Allgemeinanästhesie die Thoraxbeweglichkeit eingeschränkt werden kann. Darüber hinaus komprimiert das Gewicht des Gastrointestinaltraktes die Lunge. Der intrathorakale Druck steigt an und die Entfaltungsmöglichkeiten der Lunge werden zusätzlich reduziert (Moens 2013).
Folglich wird die adäquate Ventilation der Lunge während der Allgemeinanästhesie vermindert (Mitchell und Littlejohn 1972; Sorenson und Robinson 1980).
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Gesamtheit der Faktoren die Entwicklung einer Hypoventilation bei Pferden unter Allgemeinanästhesie begünstigt und somit die Entstehung einer Hypoxämie ermöglichen kann.
2.1.2.4 Ventilations-Perfusions-Verhältnis und pulmonale Shuntfraktion
Das VA/Q-Verhältnis ist definiert als das Verhältnis zwischen der alveolären Ventilation (VA in ml/min) und dem Herzzeitvolumen (Q in ml/min) und ist die wichtigste Determinante des Gasaustausches (Robinson 2009).
Die VA bringt O2 in die Alveolen und entfernt CO2 aus den Alveolen. Laut McDonell und Kerr (2015) ist die VA definiert als die Bewegung von Gas in und aus den Alveolen und wird ergänzt durch die Expansion und Kontraktion der Lunge. Das Luftvolumen, das pro Minute eingeatmet wird (Atemminutenvolumen (VE = 150 ml/kg/min)), wird mit Hilfe des Atemzugvolumen (Tidalvolumen (VT = 10 ml/kg)) und der Atemfrequenz (AF
= 8 - 16 Atemzüge/min) berechnet (McDonell und Kerr 2015). Ein Teil der Inspirationsluft gelangt in die Lungenalveolen, nimmt dort an dem Gasaustausch teil und wird als VA bezeichnet (Robinson 2009; Gros 2015). Ein Teil des VE verbleibt wiederum in den luftleitenden Wegen und nimmt an dem Gasaustausch nicht teil.
Dieser Bereich der luftleitenden Wege wird als anatomischer Totraum und das Geschehen als Totraumbelüftung definiert. 60-75 % der Gesamtventilation agieren als VA und beeinflussen die Atemgaszusammensetzung in den Alveolen. Dabei korrelieren die VA und der PaCO2 negativ miteinander (McDonell und Kerr 2015).
Darüber hinaus wird die VA durch die Tiefe der Inspiration des Pferdes positiv beeinflusst (Gros 2015). Nicht-perfundierte Bereiche in den Alveolen werden als alveolärer Totraum bezeichnet. Der totale bzw. physiologische Totraum (VD) ergibt sich aus der Summe von anatomischen Totraum und alveolärem Totraum (McDonell und Kerr 2015). 1931 wurde dies von Enghoff als unwirksames Volumen bezeichnet (Enghoff 1931). VD entspricht etwa 5,2 ml/kg (McDonell und Kerr 2015).
In der Pferdemedizin erfolgen operative Eingriffe am Pferd in Allgemeinanästhesie in Seitenlage oder in Rückenlage. Diese Positionsveränderung hat beim Pferd aufgrund seines Körpergewichtes bzw. des Gewichtes seines Gastrointestinaltraktes und seiner Größe deutlich negativere Auswirkungen als beim Menschen und kleineren Tieren (Schatzmann 1995; Moens 2013). Die Rückenlage und die Seitenlage des Pferdes sind mit der Entstehung einer Hypoxämie positiv korreliert (Steffey et al. 1977; Day et al. 1995). Die Positionsveränderung des Pferdekörpers verschiebt das Verhältnis von
Lunge und Gastrointestinaltrakt. Infolgedessen komprimiert der voluminöse Gastrointestinaltrakt die Lunge mit seinem Gewicht (Nyman et al. 1987) und die thorakoabdominalen Verhältnisse werden modifiziert (Hall 1971; Sorenson und Robinson 1980). Die Folge ist unter anderem eine Reduktion des Lungenvolumens (Sorenson und Robinson 1980; Nyman et al. 1990), welches in Kombination mit einem modifizierten intrapleuralen Druck in der Allgemeinanästhesie zu einem funktionellen Verschluss der Atemwege und einer Einschränkung der VA führen kann (Robinson 2009). Diese Situation wird durch eine Reduktion der Funktionellen Residual Kapazität (FRC) begünstigt (Sorenson und Robinson 1980; McDonell und Kerr 2015). Die FRC setzt sich aus dem Residualvolumen und dem exspiratorischen Reservevolumen zusammen und ist definiert als das Volumen, das am Ende der Exspiration noch in der Lunge verbleibt (McDonell und Kerr 2015). Beim Pferd beträgt die FRC circa 45 ml/kg (Robinson 2009). Im Vergleich zum stehenden Pferd ist die FRC im anästhesierten Pferd um bis zu 50 % reduziert (Sorenson und Robinson 1980). Bei einem Pferd in Seitenlage ist die Abnahme der FRC vor allem zwischen dem dorsalen und ventralen Lungenflügel ersichtlich. Der ventrale Lungenflügel weist eine größere Reduktion auf (Richards 1982). Durch das Begünstigen des Kollabierens von kleinen Lungenwegen in Allgemeinanästhesie wird die FRC reduziert. Daraus folgt eine Retention von O2 in den distalen Alveolen („trapped air“). Dieses Phänomen wird als „Airway-closure- Phänomen“ bezeichnet (Craig 1981).
Die Lungenfunktion des Pferdes wird in der Allgemeinanästhesie ebenfalls durch die Entstehung von Kompressionsatelektasen beeinträchtigt (Mitchell und Littlejohn 1972;
Benson et al. 1982; Brismar et al. 1985; Tokics et al. 1987; Rothen et al. 1993). Die Atelektasenbildung setzt kurz nach der Einleitung der Allgemeinanästhesie ein (Lundquist et al. 1995). Insbesondere die Lungenbereiche, die durch die Lagerung des Pferdes bedingt ventral liegen, weisen den größten Anteil an (Kompressions-) Atelektasen auf (Brismar et al. 1985; Nyman et al. 1990; Rothen et al. 1993, 1995).
Histologische Untersuchungen konnten zeigen, dass die unten liegenden Lungenbereiche vor allem durch Atelektasenbildung und vergrößerte alveoläre Lungenkapillaren gekennzeichnet sind (Stolk 1982). Der Anteil der Atelektasenbildung ist proportional zum Schweregrad der Hypoxämie (Hedenstierna et al. 1986; Nyman
et al. 1990; Grubb 2012). Die Atelektasenbildung begünstigt neben der Hypoxämieentwicklung einen gesteigerten pulmonal-vaskulären Widerstand, und kann im schlimmsten Fall auch zu einer Schädigung der Lunge führen (Magnusson und Spahn 2003; Duggan und Kavanagh 2005). Darüber hinaus besteht eine positive Korrelation zwischen dem Ausmaß der Atelektasenbildung und dem Gewicht des Pferdes (Rothen et al. 1993). Die Studie von Mansel und Clutton (2008) zeigte, dass kleine, leichte Ponies im Vergleich zu großen, schweren Pferden in der Lage sind, die eigene Oxygenierung in Rückenlage effizienter aufrechtzuerhalten.
Die Perfusion ist der Blutfluss, der CO2 aus dem Körper entfernt und O2 aufnimmt. Die Perfusion der Lunge entspricht dem Herzminutenvolumen. Im stehenden und unsedierten Pferd ist die Perfusion der Lunge unregelmäßig verteilt. Man kann eine Zunahme der Perfusion von dorsal nach ventral beobachten. Grund dafür sind druckpassive Reaktionen der Lungengefäße (Gros 2015). Die Lunge kann in ein drei bzw. vier Zonen-Modell eingeteilt werden (West 1977; McDonell und Kerr 2015).
Aufgrund der Lungengröße des Pferdes, ist der Perfusionsgradient sehr groß (Richards 1982). Der caudale Anteil der Lunge des Pferdes weist, unabhängig von der Position des Pferdekörpers, den größten Blutfluss auf. Die Gravitationskraft ist dabei nicht der einzige Faktor, der eine Rolle in Bezug auf die Verteilung der Perfusion spielt (Dobson et al. 1985). Die Verteilung der Perfusion wird unter anderem durch die relaxierende Wirkung der Anästhetika beeinflusst. Darüber hinaus wirken auch die Positionsveränderungen des Pferdekörpers, Veränderungen des Lungenvolumens, des Herzauswurfes, des vaskulären Druckes und des vaskulären Widerstandes auf die Perfusionsverteilung ein. Die Abnahme des Herzauswurfes bedingt nicht nur eine Veränderung der Perfusionsverteilung und des Gasaustausches, sondern auch die Versorgung des peripheren Gewebes mit O2 (Robinson 2009).
Das Gleichgewicht zwischen Ventilation und Perfusion beeinflusst die Menge an O2
und CO2 in Alveolen und Blut und ist entscheidend für den optimalen Gasaustausch und eine adäquate Oxygenierung. Infolge der genannten Faktoren können sich die Alveolen der Lunge in den folgenden drei Zuständen befinden. Auf der einen Seite gibt es die Situation, dass Alveolen ausreichend perfundiert werden, aber keine VA
stattfindet. Daraus folgt eine mangelnde Anreicherung des Blutes mit O2. Auf der
anderen Seite werden die Alveolen ventiliert, aber nicht ausreichend perfundiert. In diesem Fall kann der O2 aus der sauerstoffreichen Inspirationsluft durch die Lunge nicht in den Blutkreislauf des Pferdes aufgenommen werden. Im Extremfall werden die Alveolen weder perfundiert noch ventiliert (West 2012). In der Regel beträgt das VA/Q- Verhältnis 0,8 (McDonell und Kerr 2015). Eine Zahl, die höher oder niedriger ist, wird als VA/Q-Missverhältnis bezeichnet. Diverse Faktoren, wie zum Beispiel die Positionsveränderung des Pferdekörpers, Verschiebungen des Herzminutenvolumens, medikamenteninduzierte Veränderungen des pulmonalen Widerstandes und der pulmonal-kapillären Reaktivität in Bezug auf hypoxische Zustände, Änderungen des Lungenvolumens und des regionalen Pleuraldruckes sowie Veränderungen der Gravitationsverhältnisse während der Allgemeinanästhesie, können die Verteilung der Ventilation und der Perfusion innerhalb der Lunge modifizieren (Euler und Liljestrand 1946; Hall et al. 1968; Schatzmann 1995; Robinson 2009; McDonell und Kerr 2015). Ein VA/Q-Verhältnis größer als 1 (Hornof et al. 1986;
Robinson 2009) resultiert aus einer inadäquaten Perfusion von gut ventilierten Arealen (McDonell et al. 1979). Es kommt zu einer Zunahme der alveolären Totraumventilation.
Im Gegensatz dazu wird ein VA/Q-Verhältnis unter 1 als eine geringe VA bei adäquater Perfusion verstanden (Hubbell und Muir 2009). Eine besonders schwere Form dieses VA/Q-Missverhältnisses stellt die pulmonale Qs/Qt dar (Nyman und Hedenstierna 1989;
Nyman et al. 1990). Das Blut, welches die Alveolen perfundiert, gelangt in diesem Fall nicht in den Kontakt mit O2, da die Alveolen nicht mehr ventiliert werden (Richards 1982). Im stehenden Pferd beträgt die pulmonale Qs/Qt 1 % (Hedentierna et al. 1987), während ein Pferd in Seitenlage eine pulmonale Qs/Qt von 20 % und in Rückenlage eine pulmonale Qs/Qt von 34 % aufweist (Nyman und Hedenstierna 1989). Folglich resultiert eine Verschiebung des VA/Q-Verhältnisses entweder aus einer verminderten Belüftung oder aus einer verminderten Durchblutung der Alveolen (Nyman und Hedenstierna 1989; Robinson 2009).
Auf Verschiebungen des VA/Q-Verhältnisses infolge eines hypoxämischen Zustandes reagiert der Körper mit einer hypoxischen pulmonalen Vasokonstriktion (HPV) oder einer Bronchokonstriktion. Daraus folgt eine Umverteilung der Perfusion hin zu besser ventilierten Alveolen (Marshall und Marshall 1983; Aaronson et al. 2006). Durch eine
Perfusionsverminderung in hypoxischen Lungenarealen wird das VA/Q-Verhältnis erhöht und die Balance zwischen Perfusion und Ventilation wiederhergestellt (Moudgil et al. 2005). Dieses Phänomen wird als Euler-Lijestrand-Mechanismus bezeichnet (Euler und Liljestrand 1946). Die systemische Oxygenierung unter Bedingungen wie Atelektasen oder Pneumonien kann so sichergestellt und optimiert werden (Brimioulle et al. 1996). Im Unterschied dazu löst eine Erhöhung des VA/Q-Verhältnisses eine Bronchokonstriktion aus. Die Bronchien verengen sich, der Lungenwiderstand steigt an und die VA in inadäquat perfundierten Lungenregionen wird verringert. Das Resultat ist eine Verminderung der Totraumbildung (Aaronson et al. 2006).
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Entstehung von einem VA/Q- Missverhältnis (Hall et al. 1968; Nyman et al. 1990) und dabei insbesondere die pulmonale Qs/Qt die Hauptursachen für die Entstehung einer Hypoxämie bei Pferden in Allgemeinanästhesie sind (McDonell et al. 2015). In jedem Fall ist das Resultat eine Limitierung des Gasaustausches (Hall et al. 1968; Hedenstierna et al. 1986; Nyman und Hedenstierna 1989; Moens et al. 1995) und eine damit verbundene verminderte arterielle Oxygenierung des Pferdes (Nyman et al. 1990).
2.1.2.5 Einfluss von Medikamenten auf das Ventilations-Perfusions-Verhältnis Die Medulla oblongata sowie zentrale und periphere Chemorezeptoren reagieren sensibel auf Veränderungen hinsichtlich des Sauerstoff- und Kohlenstoffdioxidgehaltes im Organismus. Die Administration vonAnästhetika und Sedativa beeinflusst diesen physiologischen Mechanismus negativ (Trim und Wan 1990; Hubbell 2010; McDonell und Kerr 2015). Physiologische Reaktionen wie Hyperventilation, Tachykardie und systemische Hypertension als Antwort auf eine Hypoxämie werden unter dem Einfluss von vielen Anästhetika nicht mehr beobachtet (Trim und Wan 1990). Allgemeinanästhesierte Pferde sind häufig nicht mehr in der Lage, auf hypoxische Zustände mittels einer HPV zu reagieren. Dies impliziert eine verminderte Modifizierung der VA/Q-Verhältnisse. Folglich kann der Entwicklung einer Hypoxämie nicht mehr entgegengewirkt werden (Robinson 2009).
Inhalationsanästhetika wie Halothan, Enfluran und Isofluran unterdrücken den
Mechanismus der HPV konzentrationsabhängig (Marshall und Marshall 1983;
Nagendran et al. 2006). Thiopental, Ketamin, Lidocain und Chlorpromazin haben auf die HPV einen geringeren Effekt (Benumof und Wahrenbrock 1975). Im Vergleich dazu beeinflussen neuere Inhalationsanästhetika wie zum Beispiel Sevofluran (Ishibe et al.
1993) und Desfluran (Loer et al. 1995) den physiologischen Mechanismus der HPV nur noch in geringerem Maße (Robinson 2009).
2.1.3 Konsequenzen der Hypoxämie
Sauerstoff ist essentiell für den Energiestoffwechsel des Organismus und spielt eine Schlüsselrolle im Zusammenhang mit der Bereitstellung von Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) durch die Mitochondrien. Eine Hypoxämie führt zu einer inadäquaten globalen Sauerstoffversorgung (DO2) im peripheren Gewebe. Die periphere Oxygenierung ist eine Balance zwischen der DO2 und dem Sauerstoffverbrauch (VO2) (Gros 2015). Infolge der inadäquaten DO2 können dramatische Komplikationen wie zum Beispiel plötzlicher Herzstillstand (McGoldrick et al. 1998; Bidwell et al. 2007), postanästhetische Hirnnekrosen (McKay et al. 2002), postanästhetische Myopathien (Serteyn et al. 1991; Young 1993) und Wundinfektionen (Costa-Farré et al. 2014) auftreten. Daraus resultiert, dass die Hypoxämie eine große Rolle in Bezug auf die hohe Mortalitätsrate des Pferdes spielt (Johnston et al. 1995). Des Weiteren steigt die Inzidenz in Bezug auf die Entwicklung von perioperativen Komplikationen an (Schatzmann 1995).
2.1.4 Mögliche Behandlungsmethoden einer Hypoxämie bei Pferden unter Allgemeinanästhesie
Interventionsmöglichkeiten einer Hypoxämie bei Pferden während einer Allgemeinanästhesie konzentrieren sich vorrangig auf die Optimierung der Ventilation und der Perfusion.
Die einzigartige Anatomie, die Größe und das Gewicht machen das Pferd anfällig für Anästhesie assoziierte Einschränkungen der Lungenfunktion. Die zuvor genannten
Ursachen für die Entstehung einer Hypoxämie überwiegen in der Allgemeinanästhesie die physiologischen Mechanismen des Pferdes, eine adäquate Sauerstoffversorgung des Organismus zu gewährleisten. Die spontane Raumluftatmung der Pferde während der Allgemeinanästhesie ist häufig nicht geeignet, eine adäquate Oxygenierung aufrechtzuerhalten bzw. diese zu verbessern (Robinson 2009). Die Lungenfunktion des Pferdes kann durch die Supplementation von O2 in Kombination mit mechanischer Ventilation unterstützt werden. Die Supplementation von O2 ist jedoch nur effektiv, wenn sich die Alveolen in einem ventilierten und perfundierten Zustand befinden. Das Erhöhen der FiO2 führt proportional zum Anstieg des PaO2 und des alveolären Sauerstoffpartialdruckes (PAO2) und kann so einer Hypoxämieentwicklung entgegenwirken (Hubbell 2010). Da eine respiratorische Insuffizienz häufig durch ein VA/Q-Missverhältnis und eine pulmonale Qs/Qt infolge einer Atelektasenbildung hervorgerufen wird (Nyman und Hedenstierna 1989; Nyman et al. 1990), ist das Ziel der mechanischen Beatmungstherapie die Wiedereröffnung der kollabierten Alveolen.
Die Steigerung der VA infolge einer Reduktion des VD resultiert in einer Verringerung des PaCO2 (Nyman und Hedenstierna 1989) und einer Verbesserung der arteriellen Oxygenierung (Hall et al. 1968). Die Ventilation des Pferdes kann zum Beispiel durch Beatmungstechniken wie die Intermittierende positive Druck Ventilation (Intermittent possitive pressure ventilation (IPPV)) (Steffey et al. 1977; Wright und Hildebrand 2001;
Edner et al. 2005) und/oder durch die Positive Endexspiratorische Druck Beatmung (Positive end expiratory pressure (PEEP)) optimiert werden (Hall et al. 1968; Nyman et al. 1990; Day et al. 1995; Edner et al. 2005; Nyman et al. 2012). Die Wirkungsweise des PEEP beruht dabei auf einer Erhöhung der FRC. Eine kontrollierte mechanische Beatmung verbessert die Ventilation der im Pferd ventral liegenden komprimierten Lungenareale. Der Perfusionsstatus wird in diesen Arealen nicht berücksichtigt.
Folglich kann eine Hypoxämie nicht allein durch eine mechanische Beatmung therapiert werden (Schatzmann 1995). Darüber hinaus muss bedacht werden, dass sich die mechanische Druckbeatmung auch negativ auf die kardiovaskuläre Funktion auswirken kann. Der Herzauswurf sowie der arterielle Blutdruck können beeinflusst werden (Hodgson et al. 1986; Schatzmann 1995; Steffey et al. 2005; Hubbell 2010).
Des Weiteren kann eine mechanische Beatmung die pulmonale Qs/Qt potenzieren
(Bindslev et al. 1981) und durch eine alveoläre Schädigung eine Atelektasenbildung begünstigen (Lachmann 1992). Ein hypoxämischer Zustand kann dadurch exazerbiert werden (Day et al. 1995). Die Administration von Infusionen und der Einsatz von Inotropika können diese unerwünschten Effekte auffangen (Swanson und Muir 1988;
Wilson und McFeely 1991; Ambrósio et al. 2013).
Ein anderer Ansatz in Bezug auf die Optimierung der Lungenfunktion unter Allgemeinanästhesie ist die Veränderung der Perfusion. Dabei kann zwischen der systemischen Administration von Medikamenten und der inhalativen Supplementation von NO differenziert werden. Der Einsatz von Dobutamin verbessert durch die positiv inotrope Wirkung den Herzauswurf und unterstützt die pulmonale Perfusion (Muir und Hubbell 2009b). Des Weiteren können ß2-selektive Sympathomimetika, wie zum Beispiel Clenbuterol und Salbutamol als Inhalat verwendet werden, um als unterstützende Therapie dazu beizutragen, die Oxygenierung des Pferdes zu optimieren (Gleed und Dobson 1990; Robertson und Bailey 2002). Beide Wirkstoffe bewirken eine Bronchodilatation, verbessern die pulmonale Ventilation und Perfusion, die Herzfrequenz und den Herzindex (Robertson und Bailey 2002). Der Effekt wird durch eine Umverteilung der pulmonalen Perfusion und durch eine Bronchospasmolyse erzielt (Gleed und Dobson 1990). Insgesamt verzeichnet der Einsatz von Salbutamol eine gute Erfolgsrate in Bezug auf die Verbesserung des PaO2
(Robertson und Bailey 2002). Auch Acepromazin kann durch seinen vasodilatorischen Effekt als präanästhetische Medikation verwendet werden. In einer Studie konnten bei dessen Verwendung eine verbesserte Perfusion und eine optimierte arterielle Oxygenierung erzielt werden. Somit trägt der präanästhetische Einsatz von Acepromazin dazu bei, anästhesieinduzierte VA/Q-Missverhältnisse und eine Reduktion des PaO2 zu vermindern (Marntell et al. 2005a). Neuerdings ist auch der Einsatz von NO etabliert worden (Heinonen et al. 2001; Nyman et al. 2012). Diese Therapieoption werde ich in Kapitel 2.2.3 näher erläutern.
Ergänzend kann außerdem eine Veränderung der Körperposition in Betracht gezogen werden. Eine Positionsveränderung des Pferdekörpers kann in Bezug auf die Entwicklung des PaO2 eine große Rolle spielen. Im Vergleich zu der Rückenlage kann
eine Verbesserung des PaO2 bei einem Pferd in lateraler Seitenlage bzw. bei einem Pferd in Sternallage registriert werden (Gleed und Dobson 1988).
2.2 Stickstoffmonoxid
2.2.1 Physiologie von Stickstoffmonoxid: Synthese, Wirkungsweise und Termination
Stickstoffmonoxid (NO) ist ein farbloses, geruchloses und flüchtiges Gas (Fukuto 1995), das als multifunktionaler biologischer Mediator agiert (Edwards 1995).
Die NO-Synthese erfolgt in den unterschiedlichen Zellen des Respirationstraktes (Bove und van der Vliet 2006), wie zum Beispiel in den Epithelzellen, Leukozyten, Nervenzellen und Endothelzellen (Ricciardolo 2003). Der obere Respirationstrakt weist beim Menschen eine deutlich höhere Konzentration an NO auf als der untere Respirationstrakt (Holz et al. 2007). Insbesondere in den Nasennebenhöhlen ist beim Menschen eine deutlich höhere NO-Konzentration messbar (Lundberg et al. 1994;
Lundberg et al. 1995a). NO wird durch die Stickstoffmonoxid-Synthase (NOS) aus der semi-essentiellen Aminosäure L-Arginin, aus O2 und aus Nicotinamid-Adenin- Dinucleotid-Phosphat (NADPH) synthetisiert. Als Nebenprodukt entsteht L-Citrullin (Ignarro et al. 1987; Palmer et al. 1987; Singh und Evans 1997). Die NOS tritt in drei verschiedenen Isoformen auf: Auf der einen Seite stehen die konstitutiven Enzyme, die im Gefäßsystem, im Gehirn und in der Niere dauerhaft aktiv sind und als cNOS (constitutive nitric oxide synthase) bezeichnet werden. Die cNOS kann je nach Lokalisation als endotheliale NOS (eNOS) und neuronale NOS (nNOS) angesprochen werden. Diese Formen sollen die Lunge vor einer übermäßigen Bronchokonstriktion schützen (Ricciardolo 2003; Kitsiopoulou et al. 2007). Darüber hinaus sind eNOS und nNOS calcium-calmodulinabhängig (Djupesland et al. 2001). Auf der anderen Seite stehen induzierbare Enzyme, die von proinflammatorischen Zytokinen und Endotoxinen aktiviert werden. Diese Enzyme befinden sich im Immunsystem, werden als iNOS (inducible nitric oxide synthase) definiert (Scadding 2007) und sind calcium- calmodulinunabhängig (Djupesland et al. 2001).
Während der Inspiration strömt die inhalierte Luft über die oberen Atemwege zu den unteren Atemwegen. Beim Durchströmen der luftleitenden Wege des oberen Atemtraktes wird die Luft befeuchtet, erwärmt und gereinigt und somit die Schädigung empfindlicher Lungenstrukturen verhindert (Djupesland et al. 2001). Wenn die inhalierte Luft die Nasengänge passiert, wird sie stetig mit NO angereichert (Kimberly et al. 1996; Lundberg et al. 1996). NO wird aus diesem Grund auch als „aerokriner“
Messenger bezeichnet (Lundberg et al. 1995b). Die NO-Konzentration in der Nase ist flussabhängig (Qian et al. 1999). Beim Menschen werden in der Lunge 50-70 % des inhalierten NO absorbiert und die verbleibenden 30-50 % werden wieder exhaliert (Nevin und Broadley 2002). Djupesland et al. (2001) beschreiben es so, dass die Nase als Nettoerzeuger des NO fungiert, während die Lunge als Verbraucher agiert. In der Lunge diffundiert NO aus den Alveolen in die Zellen (Gaston et al. 1994). Aufgrund seiner hohen Diffusionskapazität diffundiert NO (Borland und Higenbottam 1989) von den Endothelzellen in die glatte vaskuläre Muskulatur. Im Folgenden bindet NO an die prothetische Häm-Gruppe des löslichen Guanylatcyclase-Enzyms (GTP- Pyrophosphatelyase) (Gruetter et al. 1981). Die daraus resultierende Konformationsänderung bedingt die Umwandlung des GTPs in das intrazelluläre cyklische Guanylatmonophosphat (cGMP). Daraufhin kommt es zu einer NO- vermittelten cGMP-unabhängigen Aktivierung von K+-Kanälen und deren Hyperpolarisation. Die Folge ist eine Relaxation der glatten Gefäßmuskulatur und eine Vasodilatation (Ignarro et al. 1984; Griffith et al. 1985; Bolotina et al. 1994; Ichinose et al. 2004). Die vasodilatative Wirkung von inhaliertem NO beschränkt sich auf die Lunge (Ichinose et al. 2004). Kurz nachdem NO seine Wirkung auf die Zielzellen entfaltet hat, diffundiert das NO in den intravaskulären Raum und wird dort durch die Bindung an den Hämring des Hämoglobins inaktiviert (Gibson und Roughton 1957).
Im Blut oxidiert NO mit Oxyhämoglobin zu Methämoglobin und dann zu Nitrat und reagiert mit Deoxyhämoglobin zu Iron-nitrosyl-Hämoglobin (Gibson und Roughton 1957; Doyle und Hoekstra 1981; Chiodi und Mohler 1985; Ichinose et al. 2004). Diese Reaktionen erklären die schnelle Inaktivierung des NO (Stamler et al. 1992; Bloch et al. 2007) sowie dessen kurze Halbwertszeit (Gruetter et al. 1979, 1981). Aus diesem Grund besitzt inhaliertes NO keinen systemischen Effekt (Frostell et al. 1991). Die
Autooxidation im Blut wird dadurch minimiert, dass NO im Gewebe eine höhere Affinität zum Häm als zum O2 aufweist (Edwards 1995). Zuletzt wird fast über 70 % des inhalierten NO als Nitrat innerhalb von 48 Stunden über den Urin ausgeschieden (Epstein et al. 1993; Young et al. 1996; Ichinose et al. 2004).
Die intrapulmonale Verteilung von Ventilation und Perfusion ist eine wichtige Konstante in Bezug auf die Effizienz der transpulmonale Oxygenierung und definiert den PaO2. In der Lunge induziert ein niedriger PaO2 eine Vasokonstriktion und es kommt zu einer Umverteilung des Blutes in Lungenarealen, die besser ventiliert sind und einen höheren PAO2 aufweisen. Dies wird durch den Mechanismus der HPV (Euler-Lijestrand-Mechanismus) gesteuert. Die HPV verwendet in diesem Zusammenhang vermutlich NO als einen Mediator (Persson et al. 1990). NO greift in diesen Mechanismus ein, indem es in der pulmonalen Zirkulation die Vasokonstriktion in gut ventilierten Lungenarealen aufhebt und eine Vasodilatation bedingt (Fratacci et al. 1991; Frostell et al. 1991; Blitzer et al. 1996; Hambraeus-Jonzon et al. 1998; Wang et al. 2003; MacEachern et al. 2004). Aus diesem Grund unterscheidet sich NO von anderen Vasodilatoren, die eine diffuse Dilatation der pulmonalen Gefäße in ventilierten und nicht-ventilierten Lungenarealen bewirken. Das Resultat ist ein Anstieg der pulmonalen Qs/Qt und eine Reduktion des PaO2. Im Unterschied dazu reduziert inhalativ verabreichtes NO die pulmonale Qs/Qt (Rossaint et al. 1993), verbessert das VA/Q-Missverhältnis (Borland und Higenbottam 1989; Gerlach et al. 1993; Rossaint et al. 1993; Gerlach et al. 1994; Lundberg et al. 1996) und optimiert dadurch die Oxygenierung (Borland und Higenbottam 1989; Frostell et al. 1991; Gerlach et al.
1993; Rossaint et al. 1993; Billiar 1995; Lundberg et al. 1996; Settergren et al. 1998;
Weinberger 2001; Ichinose et al. 2004; Sánchez Crespo et al. 2010).
Ergänzend dazu werden weitere Funktionen im Zusammenhang mit NO wie zum Beispiel eine antiinflammatorische und eine antiproliferative Wirkung (Ichinose et al.
2004), aber auch entzündungsfördernde Eigenschaften (Bove und Van der Vliet 2006) diskutiert. Ferner wirkt NO toxisch auf Bakterien, Viren, Pilze und Tumorzellen (Mancinelli und McKay 1983; Croen 1993; Gaston et al. 1994; Lundberg et al. 1995a).
Der antibakterielle Effekt von NO entsteht durch die Formation von reaktiven Nitrogenoxiden wie zum Beispiel Peroxynitrit (Alam et al. 2002), der als hoch reaktiver
Oxidant durch die Reaktion von NO mit Superoxidanionen entsteht (Koppenol et al.
1992). Darüber hinaus beeinflusst NO die Zilienaktivität (Jain et al. 1993) und kann die Mukussekretion in der Lunge fördern und ebenfalls vermindern (Ramnarine et al.
1996). Stickstoffmonoxid schützt das Surfactant vor der Inaktivierung im Rahmen von oxidativen Verletzungen (Hallman et al. 1996). Zudem reduziert NO bei Lungenverletzungen das Austreten von Albumin in den Alveolarraum (Moncada et al.
1991; Dembińska-Kieć et al. 1993), hemmt die Adhäsion und Aggregation von Plättchen und Leukozyten und antagonisiert die Auswirkungen von Endothelin-1 und anderen vasoaktiven Substanzen auf die Lungengefäße (Tod und Cassin 1992). Hinzu kommt, dass NO insgesamt in die körpereigene Immunabwehr involviert ist (Änggård 1994; Conway und Jones 2000).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass NO als multifunktioneller Mediator hinsichtlich seiner diversen Funktionen in der Steuerung verschiedenster Zusammenhänge im Organismus eine große Rolle spielt (Edwards 1995).
2.2.2 Toxizität von Stickstoffmonoxid
Veränderungen in Form und Wirkung des komplexen Mediators NO gehen mit verschiedenen Pathologien einher (Epstein et al. 1993). Aufgrund seiner Orbitalstruktur wird das NO-Molekül als freies Radikal (-NO10) angesehen (Hughes 2008). Es besitzt jedoch nicht die typischen hoch reaktiven Charakteristika. Oxidative Schäden werden durch die Bildung von Hydroxylradikalen verursacht (Radil et al.
1991). Stickstoffmonoxid ist thermodynamisch instabil (AG0formation = 86.32 kJ) und kann durch die Anwesenheit von O2 in N2O und NO2 umgewandelt werden (Austin 1967; Ignarro et al. 1993; Gaston et al. 1994; Weinberger 2001). Die Reaktion von NO mit der Häm-Gruppe resultiert in der Produktion von Nitrosylhämoglobin, welches zu Methämoglobin und NO2- oxidiert wird. Die Interaktionen von Nitraten und Hämoglobin resultieren in einer reduzierten Sauerstoffträgerkapazität (Singh und Evans 1997) und schränken die Oxygenierung von Geweben ein (Weinberger 2001). Die Affinität von NO für Hämoglobin ist über 1500 mal größer als die Affinität von CO2 zu Hämoglobin (Gibson und Roughton 1957). Des Weiteren weist NO eine 3000 mal größere Affinität
zu Hämoglobin als zu O2 auf (Borland und Higenbottam 1989). Die Summe an gebildeten Methämoglobin ist zeit- und konzentrationsabhängig (Ripple et al. 1989).
Die Entwicklung von NO2 wird durch die FiO2, die NO-Konzentration, das VE und die Aufenthaltszeit bzw. Kontaktzeit im Respirationstrakt beeinflusst (Lindberg und Rydgren 1999; Weinberger 2001). Stickstoffdioxid ist ein Umweltgift, welches Lungenödeme, Blutungen, Bronchiolitis obliterans und Schleimhautreizungen verursachen kann (Gaston et al. 1994; Weinberger 2001). Zudem schädigt das gebildete Methämoglobin die Surfactantaktivität (Müller et al. 1994).
Bei der Verwendung von NO als Therapeutikum ist die Berücksichtigung der Toxizität und das Wissen darüber von außerordentlicher Relevanz (Weinberger 2001; Nevin und Broadley 2002; Wang et al. 2003). Die bislang erfolgten Studien konnten bisher keine Nebenwirkungen der NO-Therapie verzeichnen (Grubb et al. 2008; Nyman et al.
2012; Grubb et al. 2013a; Wiklund et al. 2017).
2.2.3 Die Rolle von Stickstoffmonoxid in der Pferdemedizin
1978 wurde NO erstmalig in den Zusammenhang mit der Funktion eines Vasoregulators gebracht (Murad et al. 1978). 1987 wurde NO von Palmer et al. (1987) als ein vom Endothel stammender Relaxationsfaktor (EDRF) definiert und weitererforscht. 1998 erhielten Robert F. Furchgott, Louis J. Ignarro und Ferid Murad den Nobelpreis für Physiologie und Medizin für die Entdeckung von „Stickoxid als Signalmolekül im Herz-Kreislauf-System" (Zetterström 2009). Nachfolgend konnten verschiedenste Studien zeigen, dass NO eine Dilatation der Lungengefäße in adäquat ventilierten Lungenarealen induziert und in einer Umverteilung der Perfusion von den atelektatischen Regionen hin zu den ventilierten Lungenbereichen resultiert. Die Folge ist eine Reduktion der pulmonalen Qs/Qt, eine Verbesserung der Oxygenierung und eine Reduktion der Hypoxämie (Heinonen et al. 2001, 2002; Grubb et al. 2014). Seit dem Jahr 2000 versucht man diesen Effekt durch die pulsatile und inhalative Supplementation von NO bei hypoxämischen Pferden in Allgemeinanästhesie nachzuvollziehen. Zunächst erfolgten die Versuche bei Schweinen (Heinonen et al.
2000) und dann bei Pferden (Heinonen et al. 2001). Heinonen et al. (2001)
demonstrierten, dass eine Hypoxämie in spontan atmenden allgemeinanästhesierten Pferden mittels pulsatil inhaliertem NO beeinflusst werden kann. Die pulsatile und inhalative NO-Administration erfolgte dabei in der frühen Inspirationsphase, um den natürlichen Atmungsvorgang zu imitieren (Lundberg et al. 1995b). Tatsächlich zeigte die pulsatile Supplementation des NO in dem ersten Drittel der Inspiration den größten Effekt auf die Oxygenierung des Pferdes (Heinonen et al. 2002). Die NO- Supplementation in den ersten 30 % der Inspiration führte zu einer pulmonalen NO- Aufnahme von 87-93 % (Heinonen et al. 2003). Des Weiteren induziert die Supplementation des inhalierten NO in den ersten 30-43 % der Inspirationsphase den größten PaO2-Peak und eine Reduktion der pulmonalen Qs/Qt von 32 % auf 25 % (Nyman et al. 2012). Im Jahre 2012 evaluierte Grubb die Wirksamkeit und Sicherheit von pulsatil inhaliertem NO bei allgemeinanästhesierten Pferden und kam zu dem Resultat, dass NO für den klinischen Einsatz bereit sei. Weitere Studien bestätigten, dass eine NO-Administration intra operationem das VA/Q-Verhältnis und so die Oxygenierung während der Allgemeinanästhesie verbessert (Grubb et al. 2013a;
Grubb et al. 2013b; Grubb et al. 2014). Im Jahre 2014 wurde außerdem demonstriert, dass die NO-Administration nicht nur die Sauerstoffversorgung des Gewebes verbessert, sondern dadurch auch den Metabolismus in Bezug auf eine Laktatsynthese positiv beeinflusst (Granswed 2014). Ebenso konnte infolge der Kombination von mechanischer Beatmung und pulsatil inhaliertem NO eine Optimierung des Gasaustausches und der VA sowie eine Abnahme der Qs/Qt
beobachtet werden (Wulcan 2017; Wiklund et al. 2017; Wiklund et al. 2020).
Zusammenfassend kann man sagen, dass diverse Studien bewiesen haben, dass die exogene, pulsatil sowie inhalative Supplementation von NO bei Pferden intra operationem zu einer Verbesserung der Oxygenierung und zu einer Reduktion der Hypoxämie führen kann (Heinonen et al. 2001; Grubb et al. 2008; Nyman et al. 2012;
Grubb al. 2013a; Wiklund et al. 2017; Wulcan 2017).
2.2.4 Die Rolle von Stickstoffmonoxid in der Humanmedizin
In der Humanmedizin war der Syntheseort des NO lange strittig. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass der Hauptteil der endogenen NO-Synthese beim Menschen im Nasopharynx stattfindet (Gustafsson et al. 1991). In diesem Zusammenhang wurde demonstriert, dass bei einer nasalen Inspiration deutlich mehr NO in die Lunge gelangt als bei einer oralen Inspiration (Gerlach et al. 1994; Lundberg et al. 1994). Die nasale Atmung optimiert im Vergleich zu der oralen Atmung die Oxygenierung des Patienten (Lundberg et al. 1996; Lundberg 1996). Darüber hinaus weisen endotracheal intubierte Patienten durch die Umgehung des Nasopharynx, eine geringere NO-Konzentration in der Lunge auf als nicht-intubierten Patienten. Die Intubation führte dazu, dass die NO- Konzentration in Trachea und Lunge abnahm und in der Pharynxgegend zunahm. Dies ist vermutlich die Folge einer Akkumulation (Gerlach et al. 1994). Die orotracheale Intubation unterbricht die natürliche Autoinhalation von NO aus dem oberen Respirationstrakt (Gerlach et al. 1994). Des Weiteren konnte die Erkenntnis erlangt werden, dass die Lungenfunktion bei intubierten Menschen allein durch die Supplementation deren eigener nasalen Atemluft zu der effektiv inhalierten Luft optimiert werden konnte (Lundberg et al. 1996).
Die Therapie mit NO als Regulator der Lungenfunktion ist in der Humanmedizin weit verbreitet (Weinberger 2001; Ricciardolo 2003; Bloch et al. 2007). In den späten 1980er und den frühen 1990er-Jahren wurde der Einsatz von NO in der Humanmedizin erstmalig etabliert (Frostell et al. 1991, 1993). Der Einsatz von NO erfolgt in der Therapie von Lungenkrankheiten, die mit einer pulmonalen Hypertension und Hypoxämie vergesellschaftet sind (Ichinose et al. 2004; Griffiths und Evans 2005;
Bloch et al. 2007). In der Humanmedizin wird NO als Therapeutikum im Zusammenhang mit der pulmonal arterielle Hypertonie (PAH) (Frostell et al. 1991;
Mizutani und Layon 1996; Young et al. 1999), mit der anhaltenden pulmonalen Hypertonie der Neugeborenen (PPHN) (Lemons et al. 2000), sowie beim hypoxischen respiratorischen Versagen bei Neonaten (Desandes et al. 2004) verwendet. Des Weiteren wird NO als Therapeutikum verwendet, um die Sauerstoffversorgung zu optimieren und die Dauer der mechanischen Beatmung bei pädiatrischen Patienten mit akutem Atemnotsyndrom (ARDS) (Dobyns et al. 1999; Bronicki et al. 2015) oder
akutem Lungenschaden (Griffiths und Evans 2005) zu verkürzen. Ferner kann durch eine NO-Administration im Falle einer Hypoxämie eine Optimierung der Oxygenierung durch Verschiebung der pulmonalen Perfusion von nicht-ventilierten zu ventilierten Lungenarealen erreicht werden (Gerlach et al. 1993), und zwar durch die Reduktion der pulmonalen Qs/Qt infolge der Verbesserung des VA/Q-Verhältnisses (Rossaint et al. 1993).
2.2.4.1 Stickstoffmonoxid als Diagnostikum in der Humanmedizin
Inflammatorische und allergische Pathologien des Respirationstraktes, wie zum Beispiel bronchiales Asthma (Kharitonov et al. 1994), chronisch obstruktive Bronchitis (Wasim et al. 1998; Delen et al. 2000; Holz et al. 2007) sowie interstitielle und granulomatöse Lungenerkrankungen (Lakari et al. 2000; Schildge 2011) bedingen einen Anstieg der NO-Konzentration in der exhalierten Atemluft des Menschen. Die erhöhten NO-Konzentrationen können viele verschiedene Faktoren haben. Die Konzentration des exhalierten NO korreliert unter anderem mit eosinophilen Entzündungen (Jatakanon et al. 1998; Berry et al. 2005). Darüber hinaus können beispielsweise Makrophagen nach der Exposition mit verschiedenen Zytokinen NO synthetisieren (Matthys et al. 1995). Atemwegsepithelzellen sind eine weitere NO- Quelle, die durch die Exposition mit Zytokinen, wie zum Beispiel dem Tumornekrosefaktor-(TNF)-α, Interleukin-(IL)-1β und Interferon-(IFN)-J, während einer Entzündung induziert wird (Barnes und Belvisi 1993). In diesem Zusammenhang wird die NO-Messung verwendet um die Art und das Ausmaß der Atemwegsproblematik im Rahmen von Diagnostik, Verlaufskontrolle und Optimierung der Therapie zu unterstützen (Holz et al. 2007).
2.2.5 Der Einfluss von Medikamenten auf Stickstoffmonoxid
Stickstoffmonoxid kann durch verschiedenste Pharmaka in seiner Konzentration und seiner Wirkung beeinflusst werden. Als Beispiel dafür ist unter anderem das Hypnotikum Propofol zu nennen. Propofol stimuliert die Produktion und die Abgabe von NO. Die häufige Reduktion der systemischen vaskulären Resistenz nach
Propofolgabe könnte durch diesen Effekt erklärt werden (Petros et al. 1993; Galley und Webster 1996). Ferner demonstriert eine Studie, dass die NO-Konzentration im Gehirn von Ratten unter Isofluran und Sevofluran ansteigt (Sjakste et al. 2005). Des Weiteren inhibiert Ketamin die endotheliale zelluläre NOS und deren Genexpression (Toda et al. 1994). Die Inhibition der NO-Synthese erfolgt dadurch, dass Ketamin den TNFα, einen autokrinen Stimulationsfaktor für die NO-Produktion, blockiert (Shimaoka et al.
1996). Darüber hinaus zeigt eine Halothannarkose beim Pferd gegenüber einer TIVA eine Reduktion der exhalierten NO-Konzentration. Halothan steht im Verdacht in vivo zu einer Suppression der NOS zu führen (Marlin et al. 2001). Während L-Arginin die NO-Produktion in der Nase steigert (Lundberg und Weitzberg 1999), reduzieren NOS- Inhibitoren insgesamt die nasale NO-Konzentration (Albert et al. 1997). Des Weiteren vermindern Alpha-2-Adrenorezeptor-Agonisten (Arnal et al. 1997; Lundberg und Weitzberg 1999) und Alpha-1-Adrenorezeptor-Agonisten (Methoxamin) (Mills et al.
1996) ebenfalls die NO-Konzentration in der Nase und auch Zigarettenrauch reduziert den NO-Gehalt (Gerlach et al. 1994; Robbins et al. 1997). Oxymetazolin reduziert die NO-Synthese (Arnal et al. 1997; Ferguson und Eccles 1997) dadurch, dass die mit Oxymetazolin verbundene Vasokonstriktion über einen verminderten Blutfluss eine Reduktion von Substraten für die produzierende NOS im Sinus nasalis provoziert (Lundberg und Weitzberg 1999).
2.2.6 Methoden zur Detektierung von Stickstoffmonoxid
Die NO-Detektion stellt sich aufgrund der geringen Größe des NO-Moleküls und dessen Instabilität im Organismus als relativ schwierig dar. Aus diesem Grund wird der Probe häufig Superoxiddismutase beigefügt, um den schnellen Zerfall des NO zu verhindern. Mögliche NO-Messmethoden am biologischen Modell sind zum Beispiel das Chemilumineszenzverfahren, die Diazotierung mit Sulfanilsäure, das Elektronenspinresonanzverfahren und der Nachweis durch ein Spektralphotometer.
All diese Verfahren verwenden dabei eine der folgenden drei Messmethoden. Auf der einen Seite fangen sie NO ab und messen das entstehende Addukt wie zum Beispiel NO-Hämoglobin, auf der anderen Seite messen sie die Umwandlung von NO zu
Methämoglobin. Drittens können manche Verfahren NO2- nach der Konversion aus NO nachweisen. Ferner kann auch die Emission von Licht, welches während der Reaktion von NO mit Ozon entsteht, gemessen werden. Bei Letzterem handelt es sich um ein Chemilumineszenzverfahren (Archer 1993). Das Chemilumineszenzverfahren wird als Goldstandard angesehen, da es sich zusätzlich auch durch eine Messgenauigkeit im Bereich von ppb auszeichnet (Miller 1994). Für den Nachweis von NO in der Atemluft ist das Chemilumineszenzverfahren die Methode der Wahl, das in Kapitel 3.4.3.1 näher erläutert wird.
3 Material und Methoden
3.1 Studiendesign
Die Studie wurde in einem prospektiven, randomisierten und experimentellen kompletten cross-over Design durchgeführt. Die Pferde wurden randomisiert in die Gruppen intubiert (INT) und nicht-intubiert (nINT) eingeteilt. Jedes Pferd wurde einmal intubiert und einmal nicht-intubiert in Allgemeinanästhesie verbracht, sodass im weiteren Verlauf der Auswertung dieser Studie ein direkter Vergleich zwischen den beiden Gruppen möglich war. Zwischen den beiden Versuchsreihen wurde eine wash- out Periode von 10 Tagen angelegt, um den Einfluss der Versuche aufeinander ausschließen zu können.
3.2 Probanden
Die Untersuchungen wurden an sechs adulten, klinisch allgemeingesunden und klinisch lungengesunden Pferden durchgeführt. Die Pferde gehörten der Klinik für Pferde der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover. Bei den Pferden waren fünf Stuten und ein Wallach mit einem mittleren Alter von 12,2 ± 7,8 Jahren und einem mittleren Gewicht von 552 ± 71 kg vertreten. Unter den Probanden befanden sich zwei Hannoveraner, drei Traber und ein Arabisches Vollblut. Alle Pferde wurden anhand einer klinischen Allgemeinuntersuchung und einer hämatologischen Untersuchung als allgemeingesund eingestuft. Die Pferde wurden in Boxen mit Stroh gehalten und mit Wasser ad libitum und Heu versorgt. Zudem hatten die Pferde täglichen Zugang zu einem Paddock und einer Weide. Der Tierversuch wurde von der Ethikkommission des Niedersächsischen Landesamtes für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (LAVES) begutachtet und die durchzuführenden Untersuchungen vom LAVES genehmigt.
Die Tierversuchsnummer für diese Studie lautet: AZ 33.8-42502-04-19/3180.
3.3 Anästhesie
3.3.1 Präanästhetische Vorbereitung
Einen Tag vor Beginn der Untersuchungen wurden die Pferde in die Klinikpferdeboxen eingestallt und gewogen, um anhand ihres Gewichtes die Medikamentendosierungen für den nächsten Tag genau kalkulieren zu können. Eine vollständige Allgemeinuntersuchung, sowie eine hämatologische und eine blutchemische Untersuchung wurden durchgeführt. Sechs Stunden vor Versuchsbeginn wurde die Futteraufnahme mittels eines Maulkorbs unterbunden. Die Wasseraufnahme des Pferdes war weiterhin ad libitum möglich.
3.3.2 Prämedikation und Induktion
Um Verletzungen an den Gliedmaßen der Pferde vorzubeugen, wurden den Pferden gepolsterte Gamaschen an den distalen Gliedmaßen angelegt. Die Pferde wurden mit Dexmedetomidin (5 μg/kg KGW i.v.) (Dexdomitor®, 0,5 mg/ml, Orion Pharma, Finnland) sediert. Im Anschluss daran wurden verschiedene Messungen am stehenden und sedierten Pferd durchgeführt und vor der Induktion der Allgemeinanästhesie wurden die Pferde je nach Bedarf mit 2 μg/kg KGW Dexmedetomidin nachsediert. Daraufhin wurde den Pferden das Maul mit einem Wasserschlauch ausgespült. Anschließend wurden die Pferde in einen Ablegestand geführt. Die Allgemeinanästhesie wurde mit Ketamin (2,5 mg/kg KGW i.v.) (Narketan® 100 mg/ml, Vetoquinol GmbH, Deutschland) und Diazepam (0,05 mg/kg KGW i.v.) (Ziapam® 5 mg/ml, Ecuphar, Deutschland) eingeleitet. Nachfolgend wurden die Pferde der Gruppe INT mit einem Endotrachealtubus mit einem Innendurchmesser von 24-30 mm (Cuffed Endotracheal Tube ET 24-30 mm, Surgivet®, Smiths Medical PM, Inc., USA) intubiert. Daraufhin wurden die Pferde mithilfe eines Deckenkrans in linker Seitenlage auf einem gepolsterten Operationstisch gelagert. Die Gruppe nINT wurde ohne endotracheale Intubation direkt auf den gepolsterten Operationstisch verbracht.
In beiden Gruppen wurde ein steriler Harnkatheter transurethral in die Harnblase der Pferde eingeführt.
