Elektronenmikroskopische Grundlagen bei Hyperoxie

Abstract

The results of electron microscope examinations during hyperoxia and hyperbaric oxygenation unanimously confirm the exudative changes in the lungs in the early stages, with endothelial swelling and latent interstitial oedema. Because of marked spreading of the blood-air paths, a reduction occurs in the diffusion capacity. Disturbances in the permeability of the cell membrane involve the capillary endothelium at first more than the alveolar epithelium. The level of the oxygen partial pressure is more decisive than hyperbaric oxygenation for the appearance of cell damage. Inspiration of pure oxygen at excess pressure also causes neurochemically induced acute hypertension with pulmonary oedema due to an increase in the partial pressure of carbon dioxide in tissues. Probably several pathogenic pathways are involved in the formation of pulmonary oedema in hyperoxia and hyperbaric oxygenation. In hyperoxia, atelectases are probably produced by the exudation of blood plasma containing fibrin monomer with subsequent inactivation of the surface activity present and by the blockade of the intracellular synthesis of surfactant. In addition, direct damage to cell enzymes after poisoning with oxygen, especially the effect of peroxidation on the mitochondrial membranes must be taken into account. The degree of severity of diffusion disturbance depends on the O₂ partial pressure and on the duration of exposure. Hibernation delays the toxicity of oxygen. The lungs of smaller laboratory animals react more quickly and more sensitively to the harmful effects of O₂ than the lungs of larger laboratory animals and man. Short periods of artificial respiration at intervals, with 40% oxygen in the inspiration mixture, are harmless and cause no changes in the lungs. However, if hyperoxia is used for a longer period, on a previously damaged lung, for example in shock, fat embolism or lung trauma, the damage becomes worse and may end in death resulting from progressive dyspnoea. The electron microscope findings show that in hyperoxic lung damage, several months are required for anatomical cure, the restoration of lung function preceding the anatomical cure.

Zusammenfassung

Die elektronenmikroskopischen Ergebnisse bei Hyperoxie und hyperbarer Oxygenation bestätigen übereinstimmend in der Frühphase an der Lunge die exsudativen Veränderungen mit Endothelschwellung und latentem interstitiellen Ödem. Durch eine deutliche Verbreiterung des Blut-Luft-Weges besteht eine Reduktion in der Diffusionskapazität. Die Störungen in der Permeabilität der Zellmembranen betreffen zunächst mehr das Capillarendothel als das Alveolarepithel. Für das Auftreten der Zellschäden ist die Höhe des Saurerstoffpartialdruckes entscheidender als die hyperbare Oxygenation. Die Einatmung von reinem Sauerstoff im Überdruck führt zusätzlich über einen Anstieg des Kohlensäurepartialdruckes im Gewebe zu einer neurochemisch ausgelösten akuten Hypertension mit Lungenödem (Wood und Perkins, 1970). Das Lungenödem bei Hyperoxie und hyperbarer Oxygenation kommt sehr wahrscheinlich auf mehreren pathogenetischen Wegen zustande. Atelektasen bei Hyperoxie sind wahrscheinlich durch die Exsudation von fibrinmonomerhaltigem Blutplasma mit nachfolgender Inaktivierung vorhandener Surfactant-Aktivitäten sowie durch die Blockade der intracellulären Synthese des Surfactant ausgelöst. Zusätzlich sind direkte Enzymschäden der Zelle nach Sauerstoffvergiftung, besonders die Wirkungen der Peroxydationen auf die Mitochondrienmembranen zu berücksichtigen (Haugaard, 1968; Podlesch, 1972; Kleinschmidt, 1972). Der Schweregrad der Diffusionsstörung ist vom O₂-Partial-druck und von der Expositionsdauer abhängig. Hibernation retardiert die Sauerstofftoxizität (Huizenga, Butcher und Simmonds, 1972). Die Lungen kleinerer Laboratoriumstiere reagieren schneller und empfindlicher auf O₂-Schäden als die Lungen größerer Laboratoriumstiere und als die Lunge des Menschen. Kurzfristige Intervallbeatmung von 40%igem Sauerstoff im Inspirationsgemisch ist unschädlich und ruft keine Lungenveränderungen hervor. Trifft dagegen eine länger angewandte Hyperoxie auf eine vorgeschädigte Lunge, z. B. bei Schocksyndrom, Fettembolie oder Lungentrauma, müssen sich die Schäden aggravieren und können unter dem Bild eines progressiven Atemnotsyndroms zum Tode führen. Hyperoxische Lungenschäden benötigen aufgrund der elektronenmikroskopischen Befunde mehrere Monate bis zur anatomischen Ausheilung, wobei die Wiederherstellung der Lungenfunktion der anatomischen Ausheilung vorangeht.