Pflügers Archiv 277, 54--60 (1963)

Aus der Abteilung für Angewandte Physiologie am Physiologischen Institut der Universität Tübingen

Die 0~-Diffusionskapazität der Lunge waeher Ziegen vor und während chronischer Anämie ~

Von H. BARTEI~S, P. HILPERT und W. MOLL

~Iit 2 Textabbildungen

(Eingegangen am 22. Dezember 1962)

Moc~~zvKI et al. (1958) fanden, daß die Diffusionskapazität der Lunge ffir Sauerstoff i beim Hund nach einer akuten Blutentnahme verringert ist. P~eER (1962) bestätigte den Befund. RA~K~ et al. (1961) zeigten, daß die Diffusionskapazität der Lunge für Kohlenmonoxyd bei Patienten mi t chronischer Anämie während einer erfolgreichen Therapie ansteigt. Diese Untersuchungen weisen auf die Abhängigkeit der Diffu- sionskapazität für Sauerstoff von dem Hämogloblngehalt oder der Erythroeytenzahl im Blut hin. Gegen die Versuche von Mocn~zv~ et al. (1958) kann jedoch der Einwand gemacht werden, daß es sich um eine vorübergehende Reaktion auf die Blutentnahme handeln könnte. Aus Versuchen mit Kohlenmonoxyd können andererseits ganz allgemein nur unsichere Rückschlüsse auf das Verhalten des Sauerstoffes gezogen werden, da die Reaktionskinetik von Sauerstoff und Kohlenmonoxyd verschieden ist. Da nun aber das fragliche Phänomen für das Verständnis der Sauerstoffaufnahme des Blntes in der Lunge wichtig ist, haben wir, um die angeführten Einwände zu widerlegen, die Diffusionskapazität für Sauerstoff vor und während chronischer Anämie bei wachen Ziegen bestimmt.

NIethodik Die Versuche wurden an 12 Tieren der Bunten Deutschen Edelziege durch-

geführt. Da die Versuche mit wachen Ziegen vorgenommen werden sollten, mußten zunächst Dauerka~heter in die Aorta und die _A. pulmona]is sowie eine Dauer-

* Mit dankenswerter Unterstützung durch die I-Iauptverwaltung der Bergbau- berufsgenossenschaft Bochum.

1 Die O2-Diffusionskapazität der Lunge ist die Sauerstoffmenge in Millilitern, die das Blut in den Lungencapillaren pro Minute und pro mm Hg mittlerer 02- Par~ialdruckdifferenz zwischen Alveole und H~moglobin aus den Alveolen auf- nimmt. Sie ist gleich dem reziproken Wer~ der Summe aller Widerst~nde, die den alveolaren Sauerstoff vom I~~moglobin trennen.

O~,:Diffusionskapazitit der Lunge waeher Ziegen 55

trachealkanüle gelegt werden. Der operative Eingriff erfolgte unter Pentothal- Äther-Stiekoxydul-Narkose. Der arterie]le Katheter wurde von der A. carotis, der venöse von der V. jugularis aus unter Röntgenkontrolle vorgeschoben, danach in die Gef~ße eingebtmden und an der Hautnaht nach außen geführt. Als Katheter verwendeten wir handelsübliche PVC-Sehliuche, deren herausffihrendes Ende mit einem Einweghahn. versehen war. Die Katheter blieben w~hrend der ganzen Ver- suehsdauer liegen (etwa 3 Wochen), wurden tiglich mit physiologiseher Koehsalz- lösung gespült und anschließend mit einer Heparinlösung i zur Verhinderung der Thrombenbfldung im Katheter besehickt. Die Trachealkanüle bestand aus Plexiglas und war T-förmig angeordnet. Am herausführenden SehenkeI waren seitlieh zwei kleine Ehfführungsstutzen angebracht, durch die ein kleiner anfblasbarer Ballon in den oberen Schenkel der Kanüle sowie ein kleiner weicher Gummischlaueh durch den untercn Schenkel der Kanüle bis zur Bffurcatio trachcae eingeführt werden konnten. War der obere Luftweg durch den aufblasbaren Ballon blockler~, so konnte durch ein Sehlauchverbindungsstüek die Ziege an ein Doppelspirometer (Pulmotest Godart) angeschlossen werden. Der bis zur Bifurcatio vorgeschobene Gummischlaueh war mit einer Membranpumpe verbunden. Am Ende einer jeden Exspiration saugte die Membr~npumpe, gesteuert durch eine am Spirometer angebante Kontakt-Relais-Vorrichtung, Alveolarluft durch einen Beckman-Gas- Analyzer (Modell C 80--16Õ Torr). Die abgesaugte Alveolarluft wurde anschließend zurück in das Spirometer geleitet.

Dauerkatheter und Trachealkanülen heilten in wenigen Tagen gut ein. Nur gelegentlich kam es zu kleinen Haut- und Gewebenekrosen an den Einbindangs- stellen, die weder das Befinden des Tieres, noch den Versuchsablauf störten.

Die Animisierung der Tiere geschah durch Entbluten aus dem arteriellen K~theter in 2--3tigigem Abstand. Entsprechend der abgenommenen Blutmenge wurde Macrodex ~ reinfundiert und so genau wie möglich ein Aa@miewert ein- gestellt, der 50% des Ausgangswertes der Himoglobinkonzentration des jeweiligen Tieres entspraeh.

S~mtliche Versuche wurden mit wachen Ziegert im Stehen vorgenommen. Bei einigen Tieren erwies es sich als nützlich zu Beginn der Versuchsreihe Librium S (50 mg/die i.m. oder s.e.) zu geben, um ihnen die Angst vor der ungewohnten Um- gebung zu nehmen. Nach 3--4 maliger Gabe konnte Librium meist ~bgesetzt werden, da sich dann die Ziegen an den Versuchsablauf gewöhnt hatten und ihn meistens mit erstaunlicher Ruhe absolvierten.

Eine Auswertung der Versuche wurde nur vorgenommen, wenn die Atem- mittellage konstant blieb und der Sauerstoffverbraueh im Bereich der Norm lag, andernfalls wurde der Versuch unterbrochen, ebenso bei gelegentlich auftretendem Hecheln.

Der für die Versuche notwendige Hyper- bzw. Hypoxiebestimmungspegel wurde im Spirometer bei Kontrolle des alveolaren Sauerstoffdruckes durch Zugabe von Sauerstoff oder Stickstoff eingestellt. Bei t{yperoxie betrug die inspiratorische Sauerstoffkonzentration etwa 40°/0, bei Hypoxie 9--12°/0 .

Hatte das Tier 15--20 min ruhig geatmet, so wurde das zur Analyse notwendige Blut aus dem arteriellen und venösen Katheter gleichzeitig mit l~ekordspritzen,

1 Den Nordmarkwerken, Uetersen, danken wir ffir das freundliehe Entgegen- kommen bei der ]~eschaffung der erforderlichen großen Mengen an Heparin.

Für die kestenlose Überlassung dalxken wir der Firma Knoll, Ludwigs- hafen.

Das Medikament stellte uns die Deutsche Hoffmarm La-l~oohe freundlicher- weise zur Verfügung.

56 If. BAl~TELS, P. I-IILPERT und W. I~OLL:

deren Totraum n i t fliissigem ]=Ieparin gefiillt war, abgenommen. Die Entn~hme- dauer betrug etwa 1--1,5 rain. Kurz vor der Abnahme war die den Katheter ffillende Fliissigkeit aspiriert worden.

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Zur Bestimmung der Diffusionskapazit~t (DF02) und des tterzzeitvolumens (HZV) wur- den folgende Mei~grOBen bestimmt:

1. Der Sauersto//verbrauch n i t den Doppel- spirometer. Gleichzeitig konnte das inspiratori- sche Atemvolumen und die Atemfrequenz bestimmt werden.

2. Die Sauersto H- und C02-Gehalte des arte- riellen Blutes und des ven6sen Mischblutes, sowie die 02-Kapazit~t n i t den manometrischen Apparat nach vA~ S~YK~, naeh den Vorschriften yon P~TE~S U. V~N SLYK]~ (1932).

3. Die Messung des Sauersto/]partialdruckes in beiden Blutproben n i t der Platinelektrode n a c h B A ~ T E L S U. ~ ] ~ I ' ~ t t A ~ D T (1960).

4. Die Messung des alveolaren Sauersto//- druckes mi£ den Beckman-Gas-Analyzer.

5. Bestimmung des plz-Wertes in beiden Blutproben n i t der Glaselektrode. Aus den COe-Gehalt und den p~-Wer~ im arteriellen Blur und venSsen ltfisehblut ko~mte der Kohlen- saurepartialdruek berechne~ werden.

Zur Berechnung der 02-1)i//usion~kapazlttit haben wit uns an die Vorsehriften gehalten, wie sie yon ]~aTELS et al. (1959) angegeben wor- den sind. Dazu ist es erforderlich die Kq~rz- schlu[3blutmenge der Lunge zu kennen. Wir haben daher zu Beginn der Versuche vor jeder DFO~-Bestimmung eine Kurzschlul~bestimmung, wie sie BA]aTELS U. RODEW~]) (1953) angegeben haben (40°/0 Hyperoxie), vorgenommem Da sieh jedoch zeigte, dai~ die I~urzschlui~durchblutungs- menge yon Versuch zu Versuch nur geringgradig sehwankte, haben wit bei den SlOateren Versuchen nut noeh gelegentlich den KurzselfluB bestimmt, mindestens jedoch zweim~l bei jedem Tier im Normal- und Anamiezustand.

Das Herzzegtvolumen wurde n~ch den Fick. schen Prinzip aus der Sauerstoffaufnahme and der arteriovenSsen Os-Gehaltsdifferenz bereehnet.

Ergebnisse In der Tabelle sind die Mittelwerte dcr 02-Kapazit~t, der Diffusions.

kapazit£t, des tterzzeitvolumens und der reduzierten I)iffusionskapazit~t n i t mittleren Fehlern der Einzelmessung und des Mittelwertes ffir die Versuche mib normalem bzw. n i t erniedrigtem It~moglobingehalt auf- gefiihrt. ~{an sieh$ aus den ~Terten der Oe-Kapazit~L dab es gelang, den

()2-Diffusionskapazitä$ der Lunge wacher Ziegen 57

tI/imoglobingehalt im Mittel um ziemlich genau 50% gegenüber dem mittleren Ausgsmgswert zu senken. Das Herzzeitvolumen stieg durch diese Mal~nahme im Mittel um 37,5 °/0. Die hohen Absolutwerte sind durch die I-Iypoxie, die für die Bestimmung der Diffusionskapazit/~t erforder- lich ist, verursacht. Bei Luftatmung betragen die I-Ierzzeitvolumina im Stehen für die 40--50 kg sehwere~i Ziegen ca. 4,5--5 1/min.

Die absolute Diffusionskapazität hat durch die An~misierung im Mittel nur um :[5õ/0 und statistisch eben noch sichtbar abgenommen.

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Abb. 1. Beziehung zwischen der Diffusionskapazität fü r Sauerstoff (D/~oz in der Ordinate) und dem Herzz¢itvolumen ( H g V in der Abs~,isse) fü r Normaltiere und Anämietiere

Da eine Steigerung der Lungendurehblutung auf jeden Fall, wenn sie von einer Ventilationssteigerung begleitet ist, wie z.B. bei körperlicher Arbeit, auch erhöhte Diffusionskapazitäten ergibt (TvRngo et al. 1959), müssen die Difft~sionskapazitäten auf ein einheitliches tterzzeitvolumen reduziert werde~L, um den Einfluß der Anämisierung auf die Diffusions- kaloazit~t studieren zu können, ttierzu wurden die l%egressionen ftir die Beziehung Ditfusionskapazität--Ifferzzeitvolumen für beide Versuchs- reihen berechnet (Abb. 1). Da die beiden l%egressionskoefflzienten statistisch keinen Unterschied aufweisen, wurde für beide Versuchs- reihen ein gemeinsamer Regressionskoeffizient berechnet.

Alle Meßpunkte wurden entsprechend der l%egression auf ein ein- heitliches Normlxerzzeitvolumen von 5 l/min reduziert. Tab. 1 zeigt die so reduzierten Mittelwerte der Diffusionskaloazitäten; die Abnahme um 300/0 ist hoch signifikant (P <0,0002). Die Abb.2 zeigt die Diffusions- kapazität/1 ttZV in Abhängigkeit von der Os-Kapazität und die Re- gressionsgerade.

58 I-I. BARTELS, P. H m r~ ~ T u n d W. MOLL :

Die Streuung der ~eßwerte ist hoch (siehe Tab.), wahrscheinlich vor allem deshalb, weil bei einem wachen Tier mehr wirksame Regula- tionen auftreten als bei einem narkotisierten.

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Abb.2. Beziehung zwischen der reduziertenDiffuslonskapazität für Sauers~off(D~VoJl HZV i n d e r 0rdinate) und der 02-Kaßazität der Ziegen, gewonnen aus 103 Experimenten

Diskussion 1. Der Be/und

Wir bestätigen für die waehe Ziege mit chronischer Anämie, was M o c ~ z u ~ et al. (1958) beim narkotisierten Hund nach akuter Blut- entnahme fanden. Wir bestätigen für Sauerstoff, was RA~K~ et al. (1961) für Kohlenmonoxyd besehrieben haben: Die Diffusionskapazität der Lunge ist nach einer Erniedrigung des Hämatokrites und der Erythro- cytenzahl ebenfalls erniedrigt.

2. Die Deutung des Be]unde8 Gase dringen durch große 0berflächcn stärker ein als durch kleine

Oberflächen. Übereinstimmend wird daher von den Autoren angenom- men, daß der Sauerstoff um so leichter in die Erythrocyten des Lungen- capillarblutes eindringt, je größer deren Gesamtoberfläche (d.h. die Oberfläche aller Erythrocyten in den Lungenkapillaren), je größer also der Hämatokritwcrt des Blutes ist. Eine Erniedrigung des Hämatokrit- wertes bedeutet demnach, wenn keine Änderungen der Morphologie auf- treten, eine Erhöhung des Widerstandes des Erythroeyteninneren.

Die Beziehung zwischen dem Diffusionswiderstand von Lungen- membran und Blutplasma einerseits und der Erythrocytenzahl anderer-

O~-Diffusionskapazit~t der Lunge waeher Ziegen 59

seits ist komplizierter und noch Gegenstand der Diskussion. Wenn die Erythrocytenzahl im Blut vez~aindert wird und damit der Abstand der Ery%hrocyten in den Capillaren vergrößert wird, so vergrößert sich auch die mittlere Distanz zwischen Alveoleninnenfläehe und Erythroeyten- oberfläche. Für den Sauerstofftransport ist dieses jedoch nur dann von Bedeutung, wenn das Blutplasma ein wesentliches Itindernis darstellt:

a) Wird das Blutplasma während der Lungenpassage so durchmischt, dal~ der 02-Trans]?ort im Plasma ohne Widerstand erfolgt, so bedeutet die Vergrößerung der alveolar-erythrocy~ären Distanz nur eine Ver- größerung des 02-Transportweges im Plasma, der für den Gesamtwider- stand und den Stoffstrom bedeutungslos ist. Eine Senkung der Erythro- cytenzahl im Blut erhöht also nur den intraery~hrocytären Widerstand, dessen absolute Größe aus den Änderungen des Gesamtwiderstandes durch Extrapolation gewonnen werden kann (Mocmzu~ et al. 1958).

b) Andere Zusammenhänge sind gegeben, wenn das Blutp]asma einen wesentlichen Widerstand für die Sauerstoffaufnahme darstellt. Wenn unter diesen Beclingungen die Erythrocytenzahl im Blut vermindert wird, vergrö]~ert sich mit der mittleren alveolar-ery~hroeytgren Distanz auch der Widerstand zwischen Alveole und Ery%hrocy~enoberfläche. Die Erniedrigung der Diffusionskapazität nach einer Blutentnahme ist somit Ausdruck einer Er]aöhung der Diffusionswiderstände innerhalb und außer- halb des Erythroci~en.

Aus folgenden Gründen halten wir die Deutung b) fiir die richtige: 1. Nach Modellversuchen und Berechnungen von N[OLL u. PAUSCJ~I~GEI~ (1962) vermindert die Konvektion in Blutplasma während der Lungen- capillarpassage den Diffusionswiderstand für den Sauerstoff nicht. 2. Annahme a) fü~u~ nach Mocmzu~ et al. (1958) zu dem Schluß, daß der intraery~hroeytäre Diffusionswiderstand annähernd den ganzen Gesamtwiderstand ausmacht, was uns angesichts der anatomischen Dimensionen (vgl. T~v~ws 1961) unwahrscheinlich scheint.

Summary The 02 diffusion eapaeity of the lungs was studied in unanesthetised

goats beforc and during chronie anemia (Hematocrit50°/oofnormal). On the average, the diffusion eapacity with a cardiae output of 5 1/min was 300/0 lower in anemic goats than in normal goats.

Für technische Mitarbeit sind wir Frau D. KE~~pE und Fräulein M. KWAvSS dankbar.

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Professor Dr. H. BA~T~LS, Abtlg. f. Angew. Physiologie am Physiologisehen Institut, 74 Tübingen,

SfleherstraSe 8