Josephine Elisabeth Hees

• During cardiopulmonary resuscitation (CPR), pulmonary vasoconstriction due to hypoxia and hypercarbia restricts blood flow from the right to the left heart, resulting in reduced cardiac output that further inhibits adequate oxygenation and the ability to distribute oxygenated blood and medications. An inhaled pulmonary vasodilator (e.g. argon) could attenuate vasoconstriction and, therefore, increase cardiac output. In this work, rat isolated lungs were used to test if inhaled argon leads to pulmonary vasodilation in phenylephrine-treated lungs. Ex-vivo lungs are useful for a variety of experiments to collect physiological data while excluding confounding variables of in-vivo experiments. Commercial setups are often expensive and limited in what types of data they can collect. In this work a method for building a fully modular setup, adaptable to various study designs, was described and implemented. Lungs of 13 adult male Sprague Dawley rats were isolated, ventilated, and perfused. Pulmonary artery and left atrium were cannulated for in- and outflow and lungs perfused at constant flow with 4 % albumin physiological saline solution. Controls (n=6) were ventilated with 65 % N2, 5 % CO2, 30 % O2 and Argon lungs (n=7) with 65 % Argon, 5 % CO2, 30 % O2. Pulmonary mean arterial pressure (pMAP) and airway pressure (AWP) were recorded continuously, and pulmonary vascular resistance (PVR) was calculated. Following baseline readings, phenylephrine, as a pulmonary vasoconstrictor, was perfused at increasing concentrations from 10^-7 M to 10^-3 M every 5 min. It could be demonstrated that phenylephrine at concentrations of 10^-5 M and 10^-4 M successfully preconstricted the pulmonary vessels which allowed to demonstrate a significant decrease of pMAP and PVR when ventilating with argon. Thus, significantly dilating pre-constricted pulmonary vessels in an ex-vivo lung model. Other used vasoconstrictors (U-46619 and vasopressin) proved to be unsuitable. Furthermore, the established Ex-vivo lung perfusion-model has proven to be highly adaptable to different questions and is easily altered for different fields of study. As a related project, a comparison study of up to four different devices (ABL80 FLEX, VetScan i-STAT®, pH paper by Macherey-Nagel and pH probe by OAKTON®) which are commonly used to measure pH, glucose, and electrolyte (calcium, sodium, and potassium) concentrations in a balanced salt solution in the absence and presence of BSA (bovine serum albumin) was conducted. In conclusion, the use of argon early during CPR would - together with a mild argon-mediated systemic vasorelaxation, increasing coronary and cerebral perfusion and the anti-arrhythmic effect of argon, resulting in earlier and higher return of spontaneous circulation (ROSC) rates - eventually improve cardiac, pulmonary and/or neurological function with increased neurologically favorable survival after cardiac arrest and CPR.
• Während der kardiopulmonalen Reanimation führt die pulmonale Vasokonstriktion infolge von Hypoxie und Hyperkapnie zu einem eingeschränkten Blutfluss vom rechten zum linken Herzen. Dies reduziert Herzleistung und behindert somit eine angemessene Sauerstoffversorgung sowie die Verteilung von oxygeniertem Blut und Medikamenten. Ein inhalierter pulmonaler Vasodilatator (z.B. Argon) könnte die Vasokonstriktion abschwächen und dadurch das Herzzeitvolumen erhöhen. In dieser Arbeit wurden isolierte Rattenlungen verwendet, um zu testen, ob inhaliertes Argon zu einer pulmonalen Vasodilatation in mit Phenylephrin behandelten Lungen führt. Ex-vivo Lungen sind für eine Vielzahl von Experimenten nützlich, um physiologische Daten zu sammeln und störende Variablen von In-vivo-Experimenten auszuschließen. Kommerzielle Aufbauten sind oft teuer und in der Art der Daten, die sie sammeln können, eingeschränkt. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Erstellung eines vollständig modularen Aufbaus beschrieben und umgesetzt, der an verschiedene Studiendesigns anpassbar ist. Die Lungen von 13 erwachsenen männlichen Sprague Dawley-Ratten wurden isoliert, belatmet und perfundiert bei konstantem Fluss mit einer 4%igen Albumin-physiologischen Kochsalzlösung. Die Pulmonalarterie und das linke Atrium wurden für den Ein- und Auslass kanüliert. Die Kontrollgruppe (n=6) wurden mit 65 % N2, 5 % CO2, 30 % O2 und die Argon-Lungen (n=7) mit 65 % Argon, 5 % CO2, 30 % O2 beatmet. Der pulmonale mittlere arterielle Druck (pMAP) und der Atemwegsdruck (AWP) wurden mit Berechnung des pulmonalen Gefäßwiderstandes (PVR) kontinuierlich aufgezeichnet. Nach Aufzeichnung von Basiswerten wurde Phenylephrin als pulmonaler Vasokonstriktor in steigenden Konzentrationen von 10^-7 M bis 10^-3 M alle 5 Minuten hinzugegeben. Es konnte gezeigt werden, dass Phenylephrin in Konzentrationen von 10^-5 M und 10^-4 M die pulmonalen Gefäße erfolgreich vorverengt, was eine signifikante Abnahme von pMAP und PVR bei der Belüftung mit Argon ermöglichte. Somit konnten vorverengte pulmonale Gefäße in einem Ex-vivo-Lungenperfusions (EVLP)-modell signifikant dilatiert werden. Darüber hinaus hat sich das etablierte EVLP-modell als hochgradig anpassungsfähig an unterschiedliche Fragestellungen erwiesen und lässt sich leicht für verschiedene Forschungsbereiche modifizieren. Als Nebenprojekt wurde eine Vergleichsstudie mit bis zu vier verschiedenen Geräten (ABL80 FLEX, VetScan i-STAT®, pH-Papier von Macherey-Nagel und pH-Sonde von OAKTON®) durchgeführt, die häufig zur Messung von pH-, Glukose- und Elektrolytkonzentrationen (Kalzium, Natrium und Kalium) in einer ausgeglichenen Salzlösung mit und ohne BSA (Rinderserumalbumin) verwendet werden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der frühzeitige Einsatz von Argon während der Reanimation - zusammen mit einer milden, Argon-vermittelten systemischen Vasorelaxation, die die koronare und zerebrale Perfusion erhöht, sowie dem antiarrhythmischen Effekt von Argon, der zu früheren und höheren ROSC (return of spontaneous circulation) -Raten führt - letztendlich die kardiale, pulmonale und/oder neurologische Funktion verbessern könnte und mit einer erhöhten neurologisch vorteilhaften Überlebensrate nach Herzstillstand und kardiopulmonalen Reanimation einhergehen könnte.