Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Perfusion und Ventilation der Lunge
eines Versuchstieres nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Vorrichtungen stellt die Anmelderin für die Untersuchung von isolierten
Lungen von Ratten, Meerschweinchen oder Kaninchen seit Jahren her. Eingesetzt
werden solche Vorrichtungen überwiegend in der physiologischen und pharmako
logischen Forschung, also zur Untersuchung der Eigenschaften der Lunge und der
Einwirkung bestimmter Medikamente auf die physiologischen Parameter der Lunge.
Der Nachteil der bekannten Vorrichtungen besteht darin, daß sie aufgrund ihres
Aufbaus nur für relativ große Versuchstiere wie Ratten oder Meerschweinchen, nicht
jedoch für die Untersuchung der Lungen von Mäusen geeignet sind. Die Labormaus
ist hingegen die Tierspezies, über welche die meisten immunologischen Daten vor
liegen. Auch die Möglichkeiten zur Einwirkung auf die lungentypischen Parameter
sind bei der Labormaus am besten vorbekannt. Die Labormaus unterscheidet sich
von den oben genannten Versuchstieren dadurch, daß ihre Organe erheblich kleiner
sind. Die Lungen aller Tierspezies sind empfindlich gegen Berührung und dürfen
deshalb beim Preparieren möglichst nicht berührt werden. Auch darf eine Lunge
niemals kollabieren; sie muß dauernd etwas gebläht bleiben. Das geringe Atemzug
volumen der Maus (0,5 bis 1 ml) erfordert auch einen entsprechend kleinen Totraum
im Atmungstrakt. Für die Versorgung der Lunge mit Perfusat müssen die zu-
und abführenden Blutgefäße an das Perfusionssystem angeschlossen werden. Es ist
äußerst schwierig, die feinen Gefäße der Mäuselunge so zu kanülieren, daß die Gefäße
nicht abknicken und eine zuverlässige Versorgung gewährleistet ist. Die Summe all
dieser Schwierigkeiten führt dazu, daß es praktisch nicht möglich ist, eine Mäuse
lunge in eine der bekannten Apparaturen einzubringen und für Untersuchungen am
Leben zu erhalten.
Es besteht somit die Aufgabe, eine derartige Vorrichtung so weiterzubilden, daß sie
sich zur Untersuchung der Lunge einer Maus eignet.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben, welche zeigen:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf die gesamte Vorrichtung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den wesentlichen Teil der in Fig. 1 dargestellten Vor
richtung;
Fig. 3 eine Explosionsdarstellung der in Fig. 2 mit der Bezugszahl 9 bezeichneten
Baueinheit im Querschnitt; und
Fig. 4 eine Darstellung wie Fig. 3 im zusammengebauten Zustand der Einzelteile
mit aufgestecktem Ventilationskopf.
Die Gesamtanordnung und ihr wesentlicher Teil ist aus den Fig. 1 und 2 er
sichtlich. Zentraler Bestandteil der Vorrichtung ist eine Kammer 1 zur Aufnahme
des Versuchstiers 3. Die Wandungen 25 der Kammer sind doppelwandig ausgeführt,
wobei zwischen der Innenwandung und der Außenwandung 25 ein Zwischenraum ver
bleibt, in welchen Stutzen 26 zur Durchführung einer Temperierflüssigkeit führen.
Die Kammer 1 und ihre Wandungen 25 bestehen vorzugsweise aus Polymethylmet
hacrylat (PMMA), können jedoch auch aus einem anderen, vorzugsweise transpa
renten Werkstoff bestehen. Innerhalb der Kammer 1 befindet sich eine Korktafel
45 zur Aufnahme der auf dem Rücken liegenden Maus 3. Diese wird, nachdem sie
getötet wurde, mit Hilfe von Befestigungsvorrichtungen 24 an ihren Extremitäten
auf der am Kammerboden angebrachten Korktafel 45 fixiert. Daraufhin kann der
Bauchraum und Thorax der Maus 3 eröffnet und Zugang zur zu untersuchenden
Lunge 2 geschaffen werden.
Zur Perfusion der Blutgefäße der Lunge 2 sind in der Wandung 25 der Kammer 1 zwei
Durchführungen vorgesehen, welche zu einer Perfusionseinheit gehören, nämlich eine
arterielle Zuflußleitung 7 und eine venöse Abflußleitung 6. Diese können mit den ent
sprechenden Blutgefäßen der Lunge 2 verbunden werden. Die arterielle Zuflußleitung
7 führt zu einem Durchlauferhitzer 27, welcher in die temperierte Kammerwandung
25 eingebettet ist und von einer an sich bekannten Perfusionsvorrichtung, welche im
wesentlichen aus einem Perfusatvorrat 51, einer Pumpe 46 für das Perfusat und gege
benenfalls einem Oxygenator zur Sauerstoffanreicherung des Perfusats besteht, mit
Perfusat versorgt wird. Die venöse Abflußleitung 6 führt durch die Kammerwandung
25 nach außen zu einem Druckausgleichsgefäß 47, welches mittels eines Schlauches 48
mit dem Inneren der Kammer 1 verbunden ist. Das aus der Lunge abfließende Per
fusat wird mit der Schlauchpumpe 46 aus dem Druckausgleichsgefäß 47 abgesaugt
und einem Auffangbehälter 52 zugeführt. Hierdurch ist gleichzeitig sichergestellt,
daß das Innere des Druckausgleichsgefäßes 47 vom äußeren atmosphärischen Druck
abgekoppelt ist.
Zur Kanülierung der Trachea ist eine Trachealkanüle 8 vorgesehen. Wie aus Fig. 2
erkennbar ist, ist die Maus 3 innerhalb der Kammer 1 so fixiert, daß ihr Kopf an der
inneren Wandung der Kammer 1 anliegt, wodurch die aus dieser Wandung hervor
stehende Trachealkanüle 8 äußerst kurz gehalten werden kann. Im Anschluß an die
Trachealkanüle 8 und noch innerhalb der temperierten Wandung 25 der Kammer 1
befindet sich eine Baueinheit 9, welche im wesentlichen aus einem Staurohr 11 und
einer Konditioniervorrichtung 10 für die Atemluft besteht. Die Baueinheit 9 ist in
den Fig. 3 und 4 vergrößert im seitlichen Querschnitt dargestellt, wobei Fig.
3 eine Explosionsdarstellung und Fig. 4 eine Darstellung im zusammengebauten,
funktionsfähigen Zustand zeigt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist an die arterielle Zuflußleitung eine Spritze 53
anschließbar, über welche der arteriellen Zuflußleitung 7 Substanzen, z. B. Medika
mente, zugeführt werden können. Außerdem ist an die arterielle Zuflußleitung 7 ein
Druckaufnehmer angeschlossen, dessen Ausgangssignal 54 einem Brückenverstärker
zuführbar ist, dessen Ausgangssignal wiederum ein Maß für den Perfusionsdruck ist.
Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, besteht die in die Wandung 25 integrierte
Baueinheit 9 aus einem Gehäuseteil, welches in den Fig. 3 und 4 ebenfalls die Be
zugszahl 25 trägt, da es Teil der Kammerwandung ist und aus zwei Einschubteilen.
Das erste Einschubteil ist ein Staurohr 11, welches im wesentlichen Zylinderform
aufweist und vorzugsweise auch aus PMMA gefertigt ist. An seinem der Kammer
innenseite zugewandten Ende 29 wird das Staurohr 11 mit der Trachealkanüle 8
verbunden. Mit seinem gegenüberliegenden Ende 30 voraus ist das Staurohr 11
in eine Aufnahme 31 des Gehäuses 25 einschiebbar. Zentrisch durch die Mitte
lachse des im wesentlichen zylindrischen Staurohrs 11 erstreckt sich eine Bohrung
minimalen Durchmessers im Bereich von etwa 0,7 mm. Durch diese Innenbohrung
strömt die Ein- und Ausatemluft. Von dieser inneren Bohrung lateral nach außen
erstrecken sich zwei im Abstand zueinander angeordnete Bohrungen 12, welche in
entsprechenden peripher verlaufenden Nuten 13 enden. Jeweils zwischen dem er
sten Ende 29 des Staurohrs 11 und der ersten Nut 13, beiden Nuten 13 und der
anderen Nut 13 und dem anderen Ende 30 des Staurohrs 11 befinden sich weitere
Nuten 15. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sind diese weiteren Nuten 15 zur Aufnahme
je eines Dichtungsrings vorgesehen. Im eingeschobenen Zustand des Staurohrs 11
gemäß Fig. 4 dichten diese Dichtungsringe 14 die zu den Bohrungen 12 gehören
den Nuten 13 gegeneinander und gegen die freien Enden 29 und 30 des Staurohrs 11
ab. Das Gehäuse 25 weist im Bereich der beiden Nuten 12 im eingebauten Zustand
des Staurohrs 11 Meßbohrungen 32 auf, an welche ein Differenzdruckmeßgerät 49
anschließbar ist, welches nach den Gesetzen der Strömungslehre aus dem Druckabfall
zwischen den beiden Meßbohrungen 32 die Strömungsgeschwindigkeit und damit die
durchtretende Luftmenge mißt und ein entsprechendes Signal auf die Ausgänge 50
gibt, wobei das eine - in Fig. 1 oben dargestellt - Signal 50 einen Brückenverstärker
zugeführt wird, dessen Ausgang ein Maß für den Atemfluß und - integriert - für das
Atemzugvolumen ist. Der in Fig. 1 unten dargestellte Differenzdruckaufnehmer
50 ist einerseits mit einer Meßbohrung 32 und andererseits mit dem Innenraum der
Kammer 1 verbunden und erzeugt ein Ausgangssignal 50, welches einem zweiten
Brückenverstärker zugeführt wird, dessen Ausgangssignal ein Maß für den Pleu
radruck ist.
Das Gehäuse 25 verfügt über eine weitere Aufnahme 33, welche senkrecht zur Ein
schubrichtung der ersten Aufnahme 31 verläuft und in welche eine Metallbuchse 16
einführbar ist. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist die eingeschobene Metallbuchse 16 in
das Gehäuse 25 einführbar, so daß sie von der Temperierflüssigkeit 34 umspült wird.
Da das Wasser innerhalb der Kammerwandung 25 temperiert ist und die Buchse 16
aus Metall besteht, ist auch der topfförmige Innenraum der Metallbuchse 16 auf
grund der guten Wärmeleitfähigkeit des Metalls temperiert. Die Metallbuchse 16
ist zwar unten geschlossen, jedoch oben offen und weist außerdem in ihrem oberen
Bereich zwei miteinander fluchtende seitliche Bohrungen 35 und 36 auf, welche von
gegenüberliegenden Seiten der Wandung in den Innenraum 37 der Metallbuchse 16
führen. Im zusammengebauten Zustand der Anordnung gemäß Fig. 4 steht die
eine Bohrung 35 in Verbindung mit einer Atemluftzuführung 18 und die andere
Bohrung 36 mit dem Ende 30 des Staurohrs 11. Von oben in die Aufnahme 37 der
Metallbuchse 16 ist ein Stopfen 38 mit einem Einsatz 17 einführbar. Der Einsatz
17 ragt bei aufgesetztem Stopfen 38 gemäß Fig. 4 in die Aufnahme 37 der Metall
buchse 16. Sein Außendurchmesser ist jedoch kleiner als der Innendurchmesser der
Metallbuchse 16, wodurch sich umfangsseitig ein Zwischenraum ergibt. Der Einsatz
17 besteht aus einem porösen Material, beispielsweise handelt es sich um eine Glas
fritte. Die Glasfritte ragt in das destillierte Wasser, welches sich in der Metallbuchse
16 befindet und saugt sich hierbei voll. Der Stopfen 38 dichtet im zusammengebau
ten Zustand gemäß Fig. 4 zum Gehäuse 25 über einen Dichtungsring 39 dicht ab.
Das Gehäuse 25 weist außerdem noch einen Metallstutzen 40 auf, welcher von außen
zur Atemluftzuführung 18 führt.
Zurückkommend auf die Fig. 1 und 2 ist in die Atemluftzuführung 18 ein Ventila
tionskopf 23 einsteckbar. Dieser ist mit einem Umschaltventil 20 verbunden, welches
eingangsseitig in Verbindung mit einer Beatmungseinrichtung 21 steht und dessen
Ausgang wahlweise in Verbindung mit dem Ventilationskopf 23 und einer Ventu
ridüse 22 bringbar ist. Die Venturidüse 22 befindet sich ebenfalls in der Wandung
25 der Kammer 1. Bei Beaufschlagung der Venturidüse 22 mit Druckluft von der
Beatmungseinrichtung 21 tritt am Ausgang 19 der Venturidüse 22 eine Druckmin
derung auf. Dieser Ausgang 19 ist identisch mit dem Druckanschluß 19 der Kammer
1. Über die Bohrung 41 wird die an der Venturidüse 22 austretende Luft nach außen
geleitet.
Die beschriebene Vorrichtung funktioniert in Verbindung mit einer Maus 3 als Ver
suchstier wie folgt:
Zunächst wird die Maus 3 in an sich bekannter Weise präpariert, das heißt getötet,
auf einen Operationstisch (Korkplatte 45) gebracht und tracheotomiert. Sodann
wird mit der Überdruckbeatmung der Lunge 2 begonnen und der Thorax eröffnet.
Die Blutgefäße, also der arterielle Zufluß und der venöse Abfluß werden kanüliert und
an die Perfusionsvorrichtung angeschlossen. Die Präparation erfolgt jedoch nicht auf
einem externen Operationstisch, sondern innerhalb der als Operationstisch ausge
bildeten Kammer 1, wobei die Maus 3 an ihren Extremitäten an den Fixierungs
vorrichtungen 24 auf der Korktafel 45 befestigt ist. Im Unterschied zur bekannten
Präparation der Rattenlunge wird die Lunge 2 der Maus 3 auch nicht aus dem
Thorax entnommen, sondern nur freigelegt. Während des gesamten Experiments
verbleibt die Lunge 2 daher innerhalb des Thorax der Maus 3, welche sich ihrerseits
vollständig in der Kammer 1 befindet.
Unmittelbar im Anschluß an die beschriebene Tracheotomie und noch während der
weiteren Präparation wird die Maus 3 im Überdruck beatmet. Hierzu befindet
sich das Umschaltventil 20 in einer Stellung, in welcher die Beatmungseinrichtung
21 in Verbindung mit dem Ventilationskopf 23 steht, und damit über die Bauein
heit 9 mit der Trachealkanüle 8. Die von der Beatmungseinrichtung 21 kommende
sauerstoffreiche Atemluft strömt somit durch den Ventilationskopf 23 in den Atem
luftzuführungsbereich 18 und von dort durch die Bohrung 35 in den Hohlraum 37,
in welchem sich die Glasfritte 17 befindet. Vor dem Experiment wird destilliertes
Wasser in den Hohlraum 37 der Metallbuchse 16 eingefüllt. Die Glasfritte 17 taucht
in dieses destillierte Wässer ein und ist deshalb damit vollgesaugt. Da die Metall
buchse 16 sehr gut wärmeleitend ist und in das auf 37°C temperierte Wasserbad
34 eintaucht, ist auch ihr Innenraum, also der Bereich der Glasfritte 17 auf 37°C
temperiert. Die Atemluft wird also nicht nur befeuchtet, sondern auch angewärmt.
Die angewärmte und angefeuchtete Atemluft durchströmt sodann die Bohrung 36
und den Innenkanal des Staurohrs 11, worauf sie zu der unmittelbar an das Stau
rohr 11 angeschlossenen Trachealkanüle 8 und damit über die Trachea zur Lunge 2
gelangt. Nach dem Aufblähen der Lunge 2 schaltet die Beatmungseinrichtung 21
auf geringeren endexpiratorischen Druck um und die verbrauchte Atemluft strömt
in umgekehrter Richtung aus der Lunge 2 über die Trachealkanüle 8, das Staurohr
11 und den Hohlraum 37 bis zu einer Auslaßöffnung 48 in den Ventilationskopf 23
aus.
Nachdem die Maus 3 präpariert und ihre Lunge 2 so weit freigelegt wurde, daß sie
durch das umgebende Gewebe, insbesondere den Thorax in ihrer Atemmechanik
nicht behindert wird, wird die Kammer 1 mit Hilfe eines luftdicht abschließenden
und ebenfalls thermostatisierten Deckels verschlossen. Daraufhin wird das Um
schaltventil 20 betätigt, so daß die von der Beatmungseinrichtung 21 einströmende
Luft auf die Venturidüse 22 wirkt. Bei jedem Einströmen der Luft wird durch die
Wirkung der Venturidüse 22 am Druckanschluß 19 der Kammer 1 ein Unterdruck
in der Kammer 1 erzeugt, welcher zur Ausdehnung der Lunge 2 führt. Gleichzeitig
wird die Überdruckbeatmung über den Ventilationskopf 23 abgeschaltet. Durch die
Betätigung des Umschaltventils 20 findet also ein sofortiger synchroner Übergang
von der Überdruckbeatmung auf die Unterdruckbeatmung statt, wodurch verhindert
wird, daß die Lunge 2 während einer Beatmungspause in sich zusammenfällt, kolla
biert und für weitere Experimente untauglich wird. Zum Verständnis der Funktion
ist zu beachten, daß während der Einatemphase die Kammer 1 nicht vollständig eva
kuiert werden muß, sondern daß zur Unterdruckbeatmung eine Druckerniedrigung
innerhalb der Kammer 1 um etwa 1% genügt.
Während des gesamten Experimentiervorgangs wird die Lunge 2 mit Perfusat per
fundiert. Dieses wird dem Wärmeaustauscher 27 bei Raumtemperatur zugeführt
und erst im Bereich der Kammerwandung 25 erwärmt, wodurch eine Blasenbildung
und damit eine Embolie der Lunge 2 vermieden wird. Die Aufrechterhaltung ei
ner konstanten Temperatur in der Wandung 25 der Kammer 1 und deren Deckel
und damit auch im Bereich des Wärmeaustauschers 27 und der Baueinheit 9 wird
durch eine kontinuierliche Durchströmung der Kammerwandung 25 mit temperier
tem Wasser gewährleistet, welches über die Ein- bzw. Auslaßstutzen 26 fließt.
Vorzugsweise befindet sich im venösem Abfluß 6 der Lunge 2 das Druckausgleichs
gefäß 47, welches von der äußeren Atmosphäre über die Schlauchpumpe 46 abge
koppelt ist. Die Schlauchpumpe 46 dient dem Abpumpen des Perfusats und das
Druckausgleichsgefäß 47 dient dazu, den transmuralen Druck der Lungenkapillaren
und der venösen Lungengefäße konstant niedrig zu halten und somit einer Ödem
bildung vorzubeugen. Die Unterdruckbeatmung hat eine Verringerung des extra
vaskulären Druckes zur Folge. Bei konstantem Perfusionsdruck = intravaskulärem
Druck erhöht sich mit zunehmendem Unterdruck in der Lungenkammer 2 der trans
murale Lungengefäßdruck als Differenz zwischen intra- und extravaskulärem Druck.
Durch eine Änderung des Perfusionsdruckes in gleichem Maß und synchron mit dem
Kammerdruck wird die Abhängigkeit des intravaskulären Druckes vom Kammer
druck eliminiert.
Während des gesamten Experiments kann die Menge der zugeführten bzw. abgeführ
ten Atemluft durch das an die beiden Meßbohrungen 32 angeschlossene Differenz
druckmeßgerät gemessen werden. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht,
daß der Druckabfall in einem durchströmten Rohr mit der Strömungsgeschwindigkeit
und damit mit der durchströmenden Luftmenge zusammenhängt. Um während der
Phase der Unterdruckbeatmung sicherzustellen, daß am Eingang der Konditionier
vorrichtung 10 immer genügend Frischluft vorhanden ist, ist es vorteilhaft, durch den
Metallstutzen 40 am Eingang der Konditioniervorrichtung 10 während des gesamten
Experimentiervorgangs eine geringe Frischluftströmung aufrecht zu erhalten.