Zur Frage der Interpretation der pulmonal-vaskulären Druck-Fluss-Beziehung im isoliert perfundierten Mäuselungenmodel mittels linearer und non-linearer Regressionsanalyse

Abstract

Die Berechnung des pulmonalvaskulären Widerstandes (PVR) erfolgt in der klinischen Praxis aus punktuellen Einzelmessungen von pulmonalarteriellem und pulmonalkapillärem Druck sowie dem Herzzeitvolumen. Da die pulmonalen Gefäße jedoch dehnbar sind und einen aktiven Tonus aufweisen ist der Widerstand der pulmonalen Gefäße in vivo keinesfalls an jedem Punkt der Druck-Fluss (P/Q)-Beziehung gleich. Aus der Messung nur eines Punktes der P/Q-Beziehung, wie es im klinischen Alltag üblich ist, kann daher nicht auf die dynamischen Eigenschaften der pulmonalen Strombahn (wie z.B. auf die Gefäß-Compliance) zückgeschlossen werden. Die pulmonalvaskuläre P/Q-Beziehung ist durch einen linearen und - im Bereich niedriger Flüsse bzw. Drucke - durch einen konvex gekrümmten Anteil gekennzeichnet. Am häufigsten wird zur Beschreibung der P/Q-Beziehung das Starling-Resistor-Modell ( collapsible vessel model ) verwendet, welches ausgehend nur vom linearen Anteil der P/Q-Kurve diese mittels linearer Regression beschreibt. Als Kennzeichen der resultierenden Regressionsgeraden ergeben sich deren rückwärts extrapolierter Schnittpunkt mit der Druck-Achse (PZF), auch kritischer Verschlussdruck genannt, und die Steigung der Regressionsgeraden (RLIN). Da dieser Ansatz aber den konvexen Anteil der pulmonalvaskulären P/Q-Beziehung, welcher am ehesten durch die Dehnbarkeit der Gefäßwände zustande kommt, außeracht lässt, sollte in der vorliegenden Arbeit das herkömmliche lineare Regressionsmodell mit einem weiterentwickelten nonlinearen Regressionsmodell ( distensible vessel model ) verglichen werden. Dieses mathematisch komplexere Modell beinhaltet zwei Variablen: den Gefäßdehnbarkeitsfaktor α und den Ruhegefäßwiderstand R0. Im Modell der isoliert-perfundierten Mäuselunge, welches die Messung des Perfusiondruckes (PAP) bei variabel einzustellendem Perfusionsfluss und konstantem Ausflussdruck (LAP) ermöglicht, wurden 4-Punkt P/Q-Kurven generiert. Um die Auswirkungen einer Änderung des Gefäßtonus auf die Parameter der P/Q-Beziehungen (lineare Regression: PZF und RLIN; non-lineare Regression: α und R0) zu studieren, wurden P/Q-Kurven einerseits während normoxischer versus hypoxischer Ventilation (Auslösen einer hypoxisch pulmonalen Vasokonstriktion), und andererseits mit und ohne Blockade der endogenen NO- Synthese untersucht. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Hypoxie-bedingte Vasokonstriktion zu einem mittleren Anstieg von PZF um 43±29 %, also zu einer Parallelverschiebung der P/Q-Kurve führt. Gleichzeitig kam es zu einer mittleren Zunahme der Steigung der linearen Regressionsgeraden (RLIN) um 105±19 % durch Hypoxie. Bei Analyse der Daten mittels non-linearer Regression ergab sich eine Zunahme des Ruhewiderstands (R0) um 156±86 % durch Hypoxie, welcher von einer Abnahme des Distensibilitätsfaktor α um 57±22 % begleitet war. Im Weiteren konnte gezeigt werden, dass sowohl der basale Perfusionsdruck wie auch die Parameter der linearen Regressionsanalyse durch Perfusion mit L-NAME unverändert blieben. Dies entspricht zwar den Daten anderer Autoren, steht aber im Widerspruch zu dem Konzept, dass die endogene NO-Synthese maßgeblich an der Aufrechterhaltung des niedrigen basalen Tonus der Lungenstrombahn beteiligt ist. Die Analyse der Daten mittels non-linearer Regression zeigte aber, dass es in der Tat durch Perfusion mit L-NAME zu einer Zunahme des Ruhegefäßwiderstandes R0 kommt. Die Ursache einer gleichzeitigen Zunahme der Gefäßdehnbarkeit muss derzeit ungeklärt bleiben. Übereinstimmend mit der Literatur konnte auch in der vorliegenden Arbeit eine Verstärkung der Effekte der hypoxisch pulmonalen Vasokonstriktion auf die pulmonalvaskuläre P/Q-Beziehung durch Blockade der endogenen NO-Synthese gezeigt werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die gleichzeitige Anwendung der linearen und der non-linearen Regressionsanalyse zur Beschreibung der pulmonalvaskulären P/Q-Beziehung eine differenzierte Erfassung der statischen (PZF und R0) und dynamischen (RLIN und α) Komponenten ermöglicht. Dabei scheint insbesondere die non-lineare Regressionsanalyse geeignet auch minimale Veränderungen des pulmonalen Gefäßtonus aufzudecken, die bei alleiniger Betrachtung des Perfusionsdruckes bei einem konstanten Fluss beziehungsweise allein durch die Anwendung der linearen Regressionsanalyse zur Interpretation der pulmonalvaskulären P/Q-Beziehung nicht dedektierbar wären.

The calculation of the pulmonary vascular resistance (PVR) takes place in clinical practice from punctual individual measuring of pulmonary artery and pulmonary capillary pressure as well as the cardiac output. The pulmonary vessels are however flexible and have an active tonus which is responsible for the resistance of the pulmonary vessels. Therefore is the resistance not constant at each point of the pressure flow (P/Q)relationship. It is impossible to conclude to the dynamic characteristics of the pulmonary vessels (e.g. on the vessel Compliance) by the measurement of only one point of the P/Q relationship. A convex curved portion characterizes by a linear and -within the range of low flows and/or pressures - the pulmonary vascular P/Q relationship. Most frequently for the description of the P/Q relationship the Starling Resistor model ("collapsible vessel model") is used, which describes these linear portion of the P/Q curve by linear regression. This model allows to quantify changes in the shape of P/Q curves by changes in the slope (RLIN) and extrapolated pressure axis intercept at zero flow (PZF) of a linear regression line where PAP is pulmonary artery pressure (perfusion pressure in our model), and Q is flow. RLIN is interpreted as the mean of parallel ohmic resistances and assumed to represent the resistance of extra-alveolar, non- collapsible pulmonary vessels (54). Accordingly, PZF has been suggested to represent the mean pressure value below which a given pressure would not result in flow through the vessels (also termed mean critical closing pressure ). Changes in PZF in turn were assumed to result from changes in resistance of alveolar, collapsible vessels. As characteristics of the resulting involution straight lines of them result intersection with the pressure axle (PZF), extrapolated backwards, called critical closing pressure, and the upward gradient of the involution straight line (RLIN). Because of the convex portion of the pulmonary vascular P/Q relationship, which is caused by the elasticity of the vessel walls, the conventional linear regression model should be compared with a further developed non-linear regression model ("distensible vessel model"). A simple one-compartment distensible vessel model was used. This model uses a non-linear regression analysis where R0 describes the pulmonary vascular resistance that would exist if the vessels were at their respective diameter at zero vascular pressure, and α is the vascular distensibility factor describing the relationship between vessel diameter and pressure (P) when the diameter (Di) is normalized to the diameter at zero pressure. To study the effects of a change of the vessel tone on the parameters of the P/Q relations (linear regression: PZF and RLIN; non-linear regression: α and R0), the P/Q curves were examined on the one hand during normoxic versus hypoxic ventilation (to release a hypoxic pulmonary response), and on the other hand with and without blockade of the endogenous NO synthesis. The pulmonary vasoconstrictor response and pulmonary vascular pressure-flow (P/Q) relationship during normoxia and hypoxia were studied in isolated, perfused, and ventilated lungs from mice with and without L-NAME added to the perfusate. In this work it could be shown that a hypoxia-caused vasoconstriction leads to a mean rise of PZF (43±29 %), thus to a parallel shift of the P/Q curve. At the same time there is a mean increase of the slope of the linear regression line (RLIN) (105±19 %) by hypoxia. The analysis of the data by non-linear regression shows an increase of the resistance (R0) (156±86 %) as a result of hypoxia, which was accompanied by an acceptance of the distensibility factor A (57±22 %). Further on it could be shown that both the basal perfusion pressure as well as the parameters of the linear regression analysis remained unchanged by perfusion with l-name. This corresponds to the data of other authors, it contradicts however the concept that the endogenous NO synthesis is considerably in the maintenance of the low basal tonus of the lung vasculature. The analysis of the data by non-linear regression has shown that a perfusion with l-name causes an increase of the vessel resistance R0. The cause of a simultaneous increase of the container elasticity must remain unsettled at present. Agreeing with the literature in this work it could be shown an amplification of the effects of hypoxic pulmonary vasoconstriction to the pulmonary vascular P/Q relationship by inhibition of endogenous NO synthesis. It can be pointed out that the simultaneous application of the linear and the non-linear regression analysis for the description of the pulmonary vascular P/Q relationship makes it possible to analyse the static (PZF and R0) and dynamic (RLIN and A) components in a differentiated manner. It seems that especially the non-linear regression analysis detects also minimal changes of the pulmonary vessel tone, which would be not detected only by the application of the linear regression analysis for interpretation of the pulmonary vascular P/Q relationship.