Aufgabenstellung: Das Rückatmungs- bzw. Rebreathing-Verfahren mit den Fremdgasen Helium (He) und Kohlenmonoxid (CO) stellt eine nicht-invasive und mitarbeitsunabhängige Methode zur Bestimmung der Funktionellen Residualkapazität (FRC) und des CO-Transferfaktors der Lunge (TLCO) dar. Die vorliegende Arbeit diente der Validierung des Rebreathing-Verfahrens an wachen, spontan atmenden Kälbern und Schweinen. Hierfür wurden gesunde Kälber und Schweine sowie Kälber mit subklinischen Chlamydien- Infektionen und Schweine mit experimentell induzierter PRRSV (porcine respiratory reproductive syndrome virus)-Infektion lungenfunktionsdiagnostisch untersucht. Methodik: Zur Anwendung am Tier unter Verwendung von Atmungsmasken wurde das ursprünglich für die Humanmedizin entwickelte MasterScreen Diffusion-System (Viasys Healthcare, Höchberg) leicht modifiziert. Eine Korrektur des CO- Transferfaktors der Lunge auf die im peripheren Blut ermittelte aktuelle Hämoglobinkonzentration (TLCOHb) erfolgte für jedes Tier individuell. Im Untersuchungsabschnitt 1 wurden an 12 gesunden Kälbern (Gruppe I) sowie an 13 Kälbern mit spontan erworbener Chlamydieninfektion (Gruppe II) an zwei aufeinander folgenden Tagen pro Monat vom 2.-7. Lebensmonat Lungenfunktionsuntersuchungen durchgeführt. Hierbei wurde der Einfluss des Wachstums sowie der Einfluss klinisch inapparenter chlamydialer Infektionen auf ausgewählte ventilatorische Parameter sowie auf FRC und auf TLCOHb erfasst. Im Untersuchungsabschnitt 2 wurden die gleichen Parameter der Lungenfunktion an 8 gesunden Schweinen (Gruppe III) sowie an 8 Schweinen mit experimentell induzierter PRRSV-Infektion (Gruppe IV) bis Tag 21 post inoculationem (p.i.) überprüft. Während beider Untersuchungsabschnitte wurde jedes Tier täglich klinisch untersucht, differentialdiagnostisch auf weitere respiratorisch relevante Erreger kontrolliert, und am Ende des Versuchsvorhabens zwecks pathologischer und histologischer Untersuchungen der Sektion zugeführt. Ergebnisse: Untersuchungsabschnitt 1 – Kälber: Bei den Kälbern der Gruppe I (Chl. neg.) wurden signifikante Abhängigkeiten der spirometrischen Parameter, sowie von FRC und TLCOHb, vom Wachstum nachgewiesen. Die meisten der untersuchten Parameter zeigten im Zeitraum vom 2.-7. Lebensmonat eine stärkere Abhängigkeit von der Körpermasse als vom Alter. Für weiterführende Untersuchungen erwies sich FRC in Beziehung zur Körpermasse (FRC/kg in ml/kg) als eine Größe, die den Vergleich verschieden schwerer Tiere erlaubt. Für TLCOHb hingegen war erst nach Korrektur auf die metabolische Körpermasse (TLCOHb/kg0,75 in mmol/min/kPa/kg0,75) kein Einfluss des Wachstums mehr feststellbar. Im Vergleich zu den Kälber aus Gruppe I (Chl. neg.) waren bei den Kälbern der Gruppe II (Chl. pos.) signifikant höhere Atmungsfrequenzen und Atemminutenvolumina zu konstatieren. Des Weiteren wurden bei den Kälbern mit latenter Chlamydieninfektion vom 2.-4. Lebensmonat signifikant erhöhte Werte für FRC/kg beobachtet. Eine negative Beeinträchtigung von TLCOHb/kg0,75 war bei den Kälbern der Gruppe II (Chl. pos.) nicht feststellbar. Untersuchungsabschnitt 2 – Schweine: Im Vergleich zu den Kontrolltieren (Gruppe III) wurden bei den mit PRRSV infizierten Tieren (Gruppe IV) post inoculationem signifikant erhöhte Atmungsfrequenzen und Atemminutenvolumina gemessen, wobei das Atemzugvolumen signifikant reduziert war. Die Funktionelle Residualkapazität der Schweine erfuhr keine negative Beeinflussung durch die experimentelle Belastung mit PRRSV. Im Gegensatz dazu war der CO-Transferfaktor bei den Schweinen der Gruppe IV (PRRSV) ab dem 9. Tag p.i. deutlich und am Tag 12 p.i. signifikant vermindert. Schlussfolgerungen: Das MasterScreen Diffusion-System erwies sich als geeignet, um während experimenteller Untersuchungen an spontan atmenden Kälbern und Schweinen Veränderungen der Funktionellen Residualkapazität und des CO-Transferfaktors der Lunge quantitativ zu erfassen. Bei den Kälbern mit klinisch inapparenten chlamydialen Infektionen deuteten die erhöhten Werte von FRC/kg auf eine reversible Überblähung des Alveolarraums („trapped air“) hin. Die verminderten Werte von TLCOHb/kg0,75 der Schweine nach PRRSV-Exposition zeigten Störungen des pulmonalen Gasaustauschs auf. Aufgrund der nicht- invasiven Anwendbarkeit am wachen Tier und dem geringen Zeitbedarf kann der Einsatz dieser Messmethode für weitere Studien in der experimentellen Veterinärmedizin empfohlen werden.
Objective: Pulmonary function testing based on a re-breathing technique is a non-invasive method to measure both (i) functional residual capacity (FRC) using helium (He) dilution and (ii) transfer factor for carbon monoxide (TLCO) which is also called diffusion capacity of the lung. The aim of this study was to validate this method for further usage in spontaneously breathing calves and pigs. Therefore, separate analyses were performed in pulmonary healthy calves and pigs, in calves with chronic-persistent chlamydial infections, and in swine experimentally infected with PRRSV (porcine respiratory reproductive disease virus). Animals and Methods: The MasterScreen Diffusion-System (Viasys Healthcare, Hoechberg, Germany) originally developed for human medicine was modified to be used in animals wearing a face mask. In addition, CO transfer factor was corrected for each animal taking the individual concentration of haemoglobin in peripheral blood into account (TLCOHb). In the first part of the study, 12 healthy control calves and 13 calves with clinically inapparent infection with Chlamydia spp. were included. Pulmonary function testing was performed on two consecutive days per month from 2nd to 7th month of life. In healthy control calves, physiological dependences of ventilatory variables, FRC and TLCOHb on growth (either age or body weight) were analysed. Comparing both groups, the influence of clinically silent chlamydial infection on pulmonary functions was evaluated. In the second part of the study, 8 pigs experimentally inoculated with PRRSV were compared to 8 non-infected control pigs until day 21 after challenge. In both parts of the study, daily clinical examination was performed in each animal. Furthermore, complementary microbiological data ensured differential diagnoses with respect to respiratory pathogens. At the end of the study, animals were euthanized for necropsy as well as pathological and histological examination. Results: Part 1 - calves: In healthy calves aged two to seven months, ventilatory parameters, FRC and TLCOHb were found to be dependent to growth, and coefficients of correlations to body weight were usually higher compared to correlations to age. FRC in relation to body weight (FRC/kg in ml/kg) allows comparing animals of different body mass. For the CO transfer factor, only the correction for metabolic body weight (TLCOHb/kg0.75) led to data that were found to be independent on growth. In calves with clinically inapparent chlamydial infection, both tidal volume and minute ventilation were significantly elevated compared to data in control calves without chlamydial infection. Furthermore, FRC/kg was significantly increased in Chlamydia-positive calves from 2nd to 4th month of life. In contrast, no impairment of TLCOHb or TLCOHb/kg0.75 was seen due to chronic chlamydial infection. Part 2 – swine: In comparison to non-infected controls, significantly reduced tidal volumes and significantly higher respiratory rates as well as minute ventilations were observed in pigs experimentally exposed to PRRSV. While challenge with PRRSV had no influence on FRC, the gas exchange was affected as shown by diminished data of TLCOHb in PRRSV challenged pigs (marked decrease 9 days post inoculationem; significant decrease with minimal data 12 days post inoculationem). Conclusions: The MasterScreen Diffusion-System was found to be suitable to measure both FRC and TLCOHb in spontaneously breathing calves and pigs, and to evaluate pulmonary dysfunctions in experimental studies. In calves with clinically silent chlamydial infections, reversible increases in FRC indicated a temporarily presence of trapped air caused by airway obstruction. Reduced CO transfer factors of the lung in pigs experimentally challenged with PRRSV indicated gas exchange disturbances after challenge. Because this method is applicable non-invasively and with a small amount of time, it is recommended for further diagnostic purposes in experimental veterinary studies in both animal species.
