dc.contributor.advisor | Kunze-Szikszay, Nils PD Dr. | |
dc.contributor.author | Luther, Jakob | |
dc.date.accessioned | 2021-11-24T09:20:53Z | |
dc.date.available | 2021-12-01T00:50:03Z | |
dc.date.issued | 2021-11-24 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0008-599D-4 | |
dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8967 | |
dc.language.iso | deu | de |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
dc.subject.ddc | 610 | de |
dc.title | Differenzierung bakterieller Krankheitserreger einer ventilator-assoziierten Pneumonie mittels Ionenmobilitätsspektrometrie am Kleintiermodell | de |
dc.type | doctoralThesis | de |
dc.title.translated | Differentiation of bacterial pathogens of a ventilator associated pneumonia using ion mobility spectrometry in a small animal model | de |
dc.contributor.referee | Perl, Thorsten PD Dr. | |
dc.date.examination | 2021-11-24 | |
dc.description.abstractger | Die ventilatorassoziierte-Pneumonie (VAP) ist vor allem in der Intensivmedizin ein häufig anzutreffendes
Krankheitsbild und gehört zu den häufigsten nosokomialen Infektionen im intensivmedizinischen
Bereich. Für beatmete Patienten stellt die VAP eine ernste Komplikation dar, welche die
Beatmungs- und Verweildauer auf Intensivstationen verlängert, somit ebenfalls die Behandlungskosten
erhöht und mit einer erhöhten Mortalität assoziiert ist.
Das rasche Erkennen einer VAP und eine Verkürzung der Befundumlaufzeiten von etwa 48-96
Stunden bei der konventionellen mikrobiologischen Diagnostik könnte eine frühzeitige und adäquate
antibiotische Intervention ermöglichen. Der frühe Beginn einer adäquaten antibiotischen
Therapie bei einer VAP hat positiven Einfluss auf das Outcome von Intensivpatienten, die Liegedauer
und die Behandlungskosten. Ebenso könnte das Risiko der Resistenzentwicklung durch inadäquate
antibiotische Therapien vermindert werden.
Innovative genomische Verfahren, wie z. B. multiplex-PCR, und proteomische Verfahren, wie z.
B. MALDI-TOF-MS, konnten bisher die Zeitspanne bis zur Identifizierung des Erregers verkürzen.
Einen weiteren und vergleichsweise neuen Ansatz für eine schnelle Erregerdiagnostik stellt die
Messung volatiler organischer Verbindungen (VOC) mittels Ionenmobilitätsspektrometrie dar.
Grundlage dieses metabolomischen Verfahrens ist der Umstand, dass Bakterien und Pilze spezifische
volatile Metabolite an ihre Umwelt abgeben, anhand derer ihre Differenzierung bzw. Identifizierung
möglich sein kann.
Verschiedene in-vitro Voruntersuchung zeigten erfolgreich, dass eine Differenzierung von Erregern
anhand volatiler organischer Verbindungen mittels der Ionenmobilitätsspektrometrie in kurzer Zeit
möglich ist. Ausgehend von diesen Studien untersucht vorliegende Studie die Anwendbarkeit der
Multikapillarsäulen-gekoppelten Ionenmobilitätsspektrometrie (MCC-IMS) zur Atemgasanalyse
bei einer VAP an einem in-vivo Säugetiermodell. Ziel hierbei ist das frühzeitige Erkennen einer
VAP sowie die Differenzierung zwischen den zwei bedeutenden Erregern dieses Krankheitsbildes
Escherichia coli (E. coli) und Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa).
Die Ionenmobilitätsspektrometrie ist ein analytisches Verfahren, das bisher v. a. in nichtmedizinischen
Bereichen Anwendung findet. So etablierte es sich z. B. in der industriellen Prozesskontrolle
für den Nachweis von Verunreinigungen, der umwelttechnischen Luftgütekontrolle
oder für die Detektion chemischer Kampfstoffe. Die Ionenmobilitätsspektrometrie basiert auf der
Bewegung ionisierter Analyten in einem Magnetfeld. Durch einen dieser Bewegung entgegengesetzten
Driftgasfluss kommt es zur Auftrennung der Analytionen im Magnetfeld in Abhängigkeit
von ihrer Mobilität. Die spezifische Ionenmobilität bzw. Driftzeit ermöglicht hierbei die Identifizierung,
die gemessene Signalintensität die Quantifizierung einer Substanz. Zur Analyse komplexer
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und feuchter Gasproben wie der Exspirationsluft ist eine gaschromatographische Vortrennung der
Probe notwendig. Hierfür erfolgte in vorliegendem Versuchsaufbau die Kopplung des Ionenmobilitätsspektrometers
mit einer Multikapillarsäule. In dieser kommt es durch Retention zur Auftrennung
verschiedener Substanzen in der zu untersuchenden Probe. Die sich aus dieser Vortrennung
ergebende Retentionszeit erleichtert als weiterer Parameter die Identifizierung der Analyten.
In vorliegender Untersuchung erfolgten Messungen an insgesamt 33 Kaninchen. Diese wurden
randomisiert in zwei Pneumonie-Gruppen (E.-coli-Gruppe und P.-aeruginosa-Gruppe) von jeweils
11 Versuchstieren und eine Kontrollgruppe von 11 Versuchstieren eingeteilt. Alle Tiere wurden
narkotisiert, endotracheal intubiert und für insgesamt 10 Stunden maschinell beatmet.
Bei den Tieren der Pneumonie-Gruppen erfolgte nach zweistündiger Beatmung die Induktion einer
Pneumonie mittels endobronchialer Installation von Keimlösungen mit E. coli bzw. P. aeruginosa.
In der Kontrollgruppe erfolgte lediglich die Installation von sterilem LB-Flüssigmedium. Hiernach
wurden alle Versuchstiere weitere acht Stunden beatmet. An insgesamt vier Messzeitpunkten erfolgte
die Atemgasanalyse mittels MCC-IMS. Außerdem erfolgten zu allen Messzeitpunkten CTAufnahmen
der Lungen, Blutgasanalysen und die Bestimmung der Leukozytenzahl im Blut. Zum
Abschluss eines jeden Versuchs erfolgte des Weiteren post-mortem die histopathologische Untersuchung
des Lungenparenchyms und die mikroskopische Bestimmung des Entzündungsgrades
anhand eines Pneumonie-Scores. Die korrelierenden Ergebnisse der Blutgasanalyse, Leukozytenzahlen,
CT-Aufnahmen und der histopathologischen Untersuchung zeigten, dass mit der hier verwendeten
Technik die Induktion einer ausgedehnten Pneumonie erfolgreich war, auf deren Grundlage
die Messungen in den Pneumoniegruppen erfolgten.
Bei 13 der insgesamt 67 untersuchten Peak-Areale kam es zu relevanten Unterschieden der Signalintensitäten
zwischen den Versuchsgruppen. Diese wurden daher als potentielle Diskriminatoren
der einzelnen Versuchsgruppen erachtet und weitergehend untersucht. Die meisten Unterschiede
der Signalintensitäten erwiesen sich als nicht signifikant. In den fünf Peak-Arealen P_648_36,
P_727_557, Indol, P_714_278 und P_700_549 kam es zu signifikanten Signalveränderungen.
Im Ergebnis war eine Differenzierung der Pneumonie-Gruppen von der Kontrollgruppe anhand der
Substanzen P_714_278 und P_727_557 möglich. Ebenfalls erwies sich eine Differenzierung der
E.-coli-Pneumoniegruppe von der P.-aeruginosa-Pneumoniegruppe anhand der Substanzen
P_648_36, P_700_549 und Indol als möglich. Als bedeutender Diskriminator zwischen den beiden
Pneumoniegruppen erwies sich die auch aus in-vitro Voruntersuchungen bekannte Substanz Indol,
die eine frühzeitige eine Differenzierung zwischen den Pneumoniegruppen erlaubte.
Die kurze Dauer bis zum Vorliegen der Ergebnisse lässt den Einsatz der MCC-IMS als online-
Verfahren möglich erscheinen. Der technische Aufwand der Ionenmobilitätsspektrometrie ist im
Vergleich zu massenspektrometrischen Verfahren vergleichsweise gering. Allerdings bestehen
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technische Limitationen, wie z. B. die zuverlässige Identifizierung der endexspiratorischen Phase,
aber auch pathophysiologische Limitationen, die weitergehender Untersuchungen bedürfen.
Die Multikapillarsäulen-gekoppelte Ionenmobilitätsspektrometrie erwies sich als ein innovatives,
nicht-invasives, zuverlässiges und schnelles Verfahren der Atemgasanalyse zur Identifizierung von
zwei exemplarischen Pneumonie-Erregern. Ein zukünftiger Einsatz als ein bettseitig einsetzbares
online-Analyseverfahren erscheint insgesamt, eine Weiterentwicklung und Verbesserung vorausgesetzt,
als denkbar. Eine Verwendung als Diagnostikum im klinischen Alltag könnte die Zeit bis
zum Beginn einer adäquaten kalkulierten antibiotischen Therapie bei VAP deutlich verringern und
somit positiven Einfluss auf das Outcome von Intensivpatienten haben. | de |
dc.description.abstracteng | The detection of microbial volatile organic compounds or host response markers in the exhaled gas could give an earlier diagnosis of ventilator-associated pneumonia. Gas chromatography-ion mobility spectrometry enables noninvasive, rapid, and sensitive analysis of exhaled gas. Using a rabbit model of ventilator-associated pneumonia we determined if gas chromatography-ion mobility spectrometry is able to detect 1) ventilator-associated pneumonia specific changes and 2) bacterial species-specific changes in the exhaled gas. Animals were anesthetized and mechanically ventilated. To induce changes in the composition of exhaled gas we induced ventilator-associated pneumonia via endobronchial instillation of either Escherichia coli group (n = 11) or Pseudomonas aeruginosa group (n = 11) after 2 hours of mechanical ventilation. In a control group (n = 11) we instilled sterile lysogeny broth endobronchially. Gas chromatography-ion mobility spectrometry gas analysis, CT scans of the lungs, and blood samples were obtained at four measurement points during the 10 hours of mechanical ventilation. The volatile organic compound patterns in the exhaled gas were compared and correlated with ventilator-associated pneumonia severity. Sixty-seven peak areas showed changes in signal intensity in the serial gas analyses. The signal intensity changes in 10 peak regions differed between the groups. Five peak areas (P_648_36, indole, P_714_278, P_700_549, and P_727_557) showed statistically significant changes of signal intensity. This is the first in vivo study that shows the potential of gas chromatography-ion mobility spectrometry for early detection of ventilator-associated pneumonia specific volatile organic compounds and species differentiation by noninvasive analyses of exhaled gas. | de |
dc.contributor.coReferee | Weig, Michael PD Dr. | |
dc.subject.ger | Ventilator-assoziierte Pneumonie | de |
dc.subject.ger | VAP | de |
dc.subject.ger | MCC-IMS | de |
dc.subject.ger | Ionenmobilitätsspektrometrie | de |
dc.subject.ger | Atemgasanalyse | de |
dc.subject.ger | Volatile organische Verbindung | de |
dc.subject.ger | VOC | de |
dc.subject.ger | bakterielle VOC | de |
dc.subject.ger | volatile organic compound | de |
dc.subject.ger | Multikapillarsäule | de |
dc.subject.ger | multi capillary column | de |
dc.subject.ger | E. coli | de |
dc.subject.ger | Pseudomonas aeruginosa | de |
dc.subject.ger | VAP Kleintiermodell | de |
dc.subject.eng | MCC-IMS | de |
dc.subject.eng | ventilator associated pneumonia | de |
dc.subject.eng | Ion mobility spectrometry | de |
dc.subject.eng | multi capillary column | de |
dc.subject.eng | volatile organic compound | de |
dc.subject.eng | VOC | de |
dc.subject.eng | VAP | de |
dc.subject.eng | E. coli | de |
dc.subject.eng | Pseudomonas aeruginosa | de |
dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0008-599D-4-0 | |
dc.affiliation.institute | Medizinische Fakultät | de |
dc.subject.gokfull | Methoden und Techniken in der Medizin (PPN619875143) | de |
dc.subject.gokfull | Anästhesiologie / Intensivmedizin / Notfallmedizin / Analgesie - Allgemein- und Gesamtdarstellungen (PPN619875917) | de |
dc.description.embargoed | 2021-12-01 | |
dc.identifier.ppn | 1779025777 | |