ndd TrueFlow Technologie zur Erforschung von Lungenerkrankungen bei Walen im Einsatz
Delfine und andere Zahnwale der Ordnung Cetacea (im Folgenden „Wale“ oder „Cetaceen“ genannt) sind wahre Atem-Meister: Sie können beim Ausatmen einen Atemluftdurchfluss von 160 bis 200 Litern pro Sekunde erreichen und in einem einzigen Atemzug in weniger als einer Sekunde bis zu 90 % der Luft ihrer gesamten Lungenkapazität austauschen. Auf den Menschen umgerechnet entspräche das etwa 10 bis 14 Litern pro Sekunde und 70 % der gesamten Lungenkapazität! Diese beeindruckende Atemleistung ist zum Teil durch die typische Fortbewegungsart der Wale bedingt, bei der sie kurz aus dem Wasser springen und einen Atemzug abschliessen, bevor sie wieder untertauchen. Der Atemzyklus beginnt bei den Tieren mit dem kraftvollen Ausatmen, gefolgt vom Einatmen und einer zwischen 20 und 40 Sekunden anhaltenden Atempause. Trotz der niedrigen Atemfrequenz ist ihr Atemvolumen pro Minute vergleichbar mit dem eines Landsäugetiers ähnlicher Grösse, da ihr Atemzugvolumen im Verhältnis wesentlich grösser ist als das etwa eines Menschen.
Atemwegserkrankungen sind eine ernsthafte Gefahr für Delfine #
Für Delfine gibt es jedoch eine starke Bedrohung, nämlich Atemwegserkrankungen: Diese sind eine der Hauptursachen für Mortalität und Morbidität bei Delfinen – sowohl bei freilebenden als auch jenen unter menschlicher Obhut. Zwar ist es prinzipiell möglich, Erkrankungen anhand von Blut- und Blasproben oder mittels Ultraschall, Computertomographie (CT) bzw. radiographisch nachzuweisen, allerdings sind viele dieser Verfahren bei wasserlebenden Säugetieren logistisch nur schwer umsetzbar. Zudem liefern diese Verfahren keine Informationen über krankheitsbedingte funktionelle Veränderungen. Überdies sind Cetaceen dafür berüchtigt, ihre Symptome zu verbergen, und werden erst symptomatisch auffällig, wenn die Krankheit bereits ein fortgeschrittenes Stadium erreicht hat. Die Spirometrie, eine Art der Lungenfunktionsprüfung, hat sich hier jedoch als ein einfaches, nicht-invasives und sensitives Verfahren für die Früherkennung von funktionellen Veränderungen erwiesen. Betreut gehaltenen Delfinen kann das für eine Spirometrie erforderliche Verhalten, wie etwa das forcierte Ausatmen, antrainiert werden.
Es wurde ausserdem gezeigt, dass funktionelle Veränderungen bei Delfinen mit Atemwegserkrankungen nachgewiesen werden können, während sie gestrandet sind. Die Spirometrie kann folglich sowohl ein nützliches Werkzeug sein, um Erkrankungen bei Tieren zu erkennen, die in Aquarien leben, als auch um wildlebenden Tieren im Rahmen des Artenschutzes zu helfen. So ist zum Beispiel bei einer Massenstrandung von Delfinen davon auszugehen, dass ein gewisser Anteil der Meeressäuger an einer Atemwegserkrankung leidet. Durch die schnelle Identifikation der betroffenen Delfine mittels Lungenfunktionsprüfung ist eine angemessene Triage möglich, und es kann sichergestellt werden, dass die Tiere mit der höchsten Überlebenswahrscheinlichkeit vorrangig behandelt werden.
Die Entwicklung von CetaSpiro #
Wissenschaftler am Oceanogràfic im spanischen Valencia, vom Sarasota Dolphin Research Program und von Dolphin Quest Oahu auf Hawaii taten sich mit ndd Medical Technologies und G&O embedded systems zusammen, um gemeinsam ein innovatives Spirometer zu entwickeln, mit dem Atemflussraten von bis zu 240 Litern pro Sekunde gemessen werden können. Um den Ansprüchen als Forschungsinstrument zu genügen, musste das Gerät ausserdem tragbar, zuverlässig, leicht, robust und einfach zu reinigen sein sowie drahtlos Daten übertragen können.
Um die geforderten Eigenschaften zu erreichen, griff das Entwicklungsteam auf die bewährten, zuverlässigen und kalibrierungsfreien TrueFlow Sensoren von ndd zurück, von denen es eine ausreichend grosse Anzahl so kombinierte, dass die notwendige Atemflussrate genau gemessen werden konnte. Mit Forschungsgeldern des Oceanogràfic, von Dolphin Quest, von Sea World und dem Programm zur Erforschung von Meeressäugetieren und -biologie (Marine Mammals and Biology; MBB) des Office of Naval Research (ONR) entwickelte das Team erfolgreich ein nicht-medizinisches, an seinen Einsatzbereich angepasstes Spirometer. Dem neuen Gerät wurde der Name CetaSpiro gegeben, ein Kofferwort aus „Cetaceen“ und „Spirometer“, um den Bezug zu diesen faszinierenden Tieren deutlich zu machen. Das CetaSpiro umfasst 12 TrueFlow Sensoren und teilt den Atemfluss so auf, dass jeder bis zu 20 Liter pro Sekunde messen kann, was es den Forschern ermöglicht, die Atemmuster der Wale auszuwerten und genauer zu erforschen.
Die Zukunft der Lungenfunktionsprüfung bei Walen #
Das CetaSpiro mit seiner innovativen spirometrischen Technik versetzt Forschende in die Lage, die Atmung von Walen und die Auswirkungen von Atemwegserkrankungen besser zu verstehen, indem es die Möglichkeiten der Lungenfunktionsprüfung mit ihren sensitiven Messungen für dieses spezielle Anwendungsgebiet nutzbar macht.
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