Mechanische Belastung kann Lungeninfektionen verschärfen

Ein Forschungsteam bestehend aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Bundeswehrkrankenhauses Berlin und der Charité Universitätsmedizin Berlin zeigte, dass mechanische Dehnung des Lungengewebes bzw. durch Beatmungsmaschinen bakterielle Infektionen deutlich verschärfen kann. 

Die mechanische Beatmung ist für viele Patientinnen und Patienten auf Intensivstationen lebensrettend. Gleichzeitig erhöht sie jedoch das Risiko für schwere Lungeninfektionen. Im Fokus der Studie steht Pseudomonas aeruginosa, ein oft multiresistenter Krankenhauserreger, der für die häufigsten beatmungsassoziierten Pneumonien ursächlich ist. Trotz hoher Sterblichkeit beim Auftreten von beatmungsassoziierten Pneumonien ist bislang wenig darüber bekannt, wie mechanische Kräfte in der Lunge den Verlauf solcher Infektionen beeinflussen.

Um diese Frage zu untersuchen, entwickelten die Forschenden ein neuartiges „Pneumonie-auf-dem-Chip“-Modell. Der mikrofluidische Chip bildet zentrale Eigenschaften der menschlichen Lungenbläschen nach – darunter die Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche, den Blutfluss sowie eine rhythmische Dehnung, ähnlich wie sie beim Atmen oder bei maschineller Beatmung entsteht. Das Modell erlaubt damit eine bakterielle Lungeninfektion unter kontrollierten und sehr  realitätsnahen Bedingungen zu untersuchen.

Besonders entscheidend war dabei auch der Einsatz von Organoid-abgeleiteten menschlichen Lungenepithelzellen, die auf dem Chip funktionelle Alveolarzellen ausbilden. Diese Zellen produzierten so genanntes Lungensurfactant und zeigten Merkmale sowohl von Typ-2- als auch Typ-1-Alveolarzellen – ein Differenzierungsgrad, der mit herkömmlichen Zellmodellen nicht erreicht wird.

Diese Lungenzellen wurden auf dem Chip dann unterschiedlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Während eine moderate Dehnung physiologischen Atembewegungen entsprach, simulierte eine stärkere Dehnung Bedingungen, wie sie eher bei einer mechanischen Beatmung auftreten können. 

Ergebnis des Forschungsteams

Das Ergebnis: Unter erhöhter mechanischer Belastung drangen deutlich mehr Bakterien durch die Gewebebarriere und die Infektion breitete sich schneller aus. Gleichzeitig zeigte sich, dass hohe mechanische Belastung die Genaktivität der Lungenzellen insgesamt dämpfte – einschließlich von Entzündungs- und Immunantworten. Dies deutet darauf hin, dass mechanischer Stress die Abwehrfähigkeit des Lungengewebes schwächen könnte.

Die Studie liefert somit wichtige Hinweise darauf, weshalb beatmungsassoziierte Pneumonien häufig schwer verlaufen. Langfristig hilft dieses neue Modell, Beatmungsstrategien zu verbessern und gezielt Therapien zu entwickeln, die die Lunge besser vor Infektionen schützen oder ebendiese zu behandeln.

Die Ergebnisse wurden im renommierten Journal of Clinical Investigation veröffentlicht.

Kontakt:

Flottillenarzt Dr. med. Christian M. Zobel
Bundeswehrkrankenhaus Berlin
E-Mail: ChristianZobel@bundeswehr.org

PDPrivatdozent. Dr. Geraldine Nouailles
Charité – Universitätsmedizin Berlin
E-Mail: geraldine.nouailles@charite.de