MEDIZINISCHE AEROSOLE

Die Aerosoltherapie spielt bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen eine ganz wesentliche Rolle. Bei der Inhalation gelangt der Wirkstoff unmittelbar an den "Ort des Geschehens" - viele systemische Nebenwirkungen können so vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden.

Damit das Aerosol Aerosol
In Gasen oder Luft schwebende kleine Partikel aus fester, flüssiger oder gemischter Zusammensetzung.
optimal wirken kann, gilt es wesentliche Faktoren zu berücksichtigen:

Deposition des Aerosols in der Lunge

Die Deposition von Aerosolen in den Atemwegen wird von den drei Faktoren Impaktion, Sedimentation und Diffusion bestimmt. Welcher dieser Mechanismen überwiegt, ist abhängig von der Teilchengröße und von der Einatemgeschwindigkeit.

Impaktion

Unter Impaktion versteht man die durch seine Massenträgheit bedingte Ablagerung des Aerosolpartikels in der Lunge. Während langsam inhalierte und kleine Partikel bei Verzweigungen und Verengungen oft ungehindert dem Atemfluss folgen können, bleiben schnellere und größere Partikel dort in der Regel hängen.  Aerosole mit einem Durchmesser > 3 µm werden unabhängig vom Atemfluss zu einem großen Teil durch Impaktion deponiert.

Sedimentation

Diese schwerkraft-abhängige Ablagerung kommt in der Atempause zum Tragen, wenn der beherrschende Faktor der Strömung wegfällt. Sie erfolgt abhängig von der Partikelgröße – größere Partikel sedimentieren schneller als kleinere. Da die größten Partikel in der Regel aufgrund der Impaktion bereits in den oberen Abschnitten der Atemwege ausgefiltert werden, spielt der Prozess der Sedimentation vor allem bei Partikeln zwischen 1 und 4 µm eine Rolle.

Diffusion

Ohne Luftströmung folgen Partikel, die kleiner sind als 1 µm, hauptsächlich der ungerichteten Brown'schen Molekularbewegung. Augrund ihres geringen Gewichts unterliegen sie praktisch nicht dem Prozess der Sedimentation. Sie können also auch in der Atempause in der Schwebe bleiben und bei der nächsten Ausatmung zu einem großen Teil wieder abgeatmet werden. Ein kleinerer Teil stößt bei der Diffusion auf die Lungenoberfläche und wird dort deponiert.

Grundsätzlich lässt sich durch ein hohes inspiratorisches Volumen und eine langsamen Einatmung die Deposition in der tiefen Lunge erhöhen.

Targeting

Sollen die oberen Atemwege, also Nasen- und Rachenraum erreicht werden (extrathorakale Deposition), dann ist ein Inhalationssystem zu wählen, das ein Aerosol Aerosol
In Gasen oder Luft schwebende kleine Partikel aus fester, flüssiger oder gemischter Zusammensetzung.
im Größenbereich von 8 - 10 um erzeugt. Dabei sollte möglichst schnell eingeatmet werden.

Um das Medikament in den zentralen Bereichen der Lunge zu deponieren, ist ein Aerosol Aerosol
In Gasen oder Luft schwebende kleine Partikel aus fester, flüssiger oder gemischter Zusammensetzung.
mit Teilchengrößen in einem Bereich von 4 - 8 um zu erzeugen. Hierbei ist auf eine langsame Inspiration zu achten, um die Deposition im Kehlkopfbereich zu reduzieren.

Für eine alveolare Deposition sind deutlich kleinere Tröpfchen, d. h. mit einem MMAD von 3 - 4 um, Voraussetzung. Das Inhalationsmanöver sollte langsam sein, um die Deposition der größeren Tröpfchen im Rachenbereich zu minimieren. Eine Atempause am Ende der Inspiration erhöht die alveola­re Depositionswahrscheinlichkeit.

Eine systemische Applikation erfordert Aerosoltröpfchen einer Größe unter 3-4 µm.

Faktoren, die die effizienz der Verneblertherpie beeinflussen

Wie viel einer Substanz in den Atemwegen zur Wirkung kommt, wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst, die vom Medikament, von der Verneblerleistung und dem Patienten abhängen.

Faktoren, die die Effizienz der Verneblertherapie beeinflussen
MedikamentVerneblerPatient
KonzentrationPartikelgrößenverteilungAtemfluss
Wasserlöslichkeitgesamter OutputAtemvolumen
Viskositätabgegebene DosisAtemwegsmorphometrie
Hygroskopielungengängige DosisGrad der Obstruktion Obstruktion
Verengung, Einengung (hier der Atemwege).
VolumenAerosoldichteCompliance

Wichtige Parameter zur Verneblerleistung

Tröpfchengröße

Damit die Medikamente zur Therapie der Atemwegserkrankungen an den Ort gelangen, an dem sie ihre maximale Wirkung entfalten können (Targeting), muss das Aerosol Aerosol
In Gasen oder Luft schwebende kleine Partikel aus fester, flüssiger oder gemischter Zusammensetzung.
die richtigen Eigenschaften haben. Die Partikelgröße und dessen Verteilungsspektrum sowie die transportierte Medikamentenmasse sind grundlegende Charakteristika, die darüber entscheiden, welche Bereiche des Atemtraktes erreicht und welche therapeutische Wirkungen erzielt werden können. Die Verteilung der Wirkstoffmenge über die Partikelgröße ist also von primärem Interesse. Zwei experimentell bestimmbare Werte kommen hier zum Tragen: Der massenbezogene mediane Durchmesser (MMD MMD
Medianer Massendurchmesser - 50% der Tröpfchenmasse ist in Partikeln verteilt, deren Durchmesser kleiner bzw. gleich des angegebenen Medianen Massendurchmessers sind.
= mass median diameter)
und der massenbezogene mediane aerodynamische Durchmesser (MMAD). Die Hälfte der Masse der Partikel hat einen kleineren Durchmesser als der MMD MMD
Medianer Massendurchmesser - 50% der Tröpfchenmasse ist in Partikeln verteilt, deren Durchmesser kleiner bzw. gleich des angegebenen Medianen Massendurchmessers sind.
/MMAD, die andere Hälfte der Masse besteht aus Partikeln mit einem größeren Durchmesser.

Der MMD MMD
Medianer Massendurchmesser - 50% der Tröpfchenmasse ist in Partikeln verteilt, deren Durchmesser kleiner bzw. gleich des angegebenen Medianen Massendurchmessers sind.
bezieht sich auf eine statische Aerosolwolke und kann relativ einfach und schnell mittels Laserbeugung bestimmt werden. Der massenbezogene mediane aerodynamische Durchmesser (MMAD) bezieht sich auf das Verhalten der Teilchen in einer Luftströmung und ist damit für Belange der Inhalationstherapie ein sehr aussagekräftiger Wert. Er wird mittels Kaskadenimpaktion bestimmt – der experimentelle Aufwand ist deutlich höher als bei der Laserbeugung. Da MMD MMD
Medianer Massendurchmesser - 50% der Tröpfchenmasse ist in Partikeln verteilt, deren Durchmesser kleiner bzw. gleich des angegebenen Medianen Massendurchmessers sind.
und MMAD von wässrigen Lösungen in der Regel identisch sind (z.B. Salbutamol), können hier auch mit Laserbeugung verlässliche Werte ermittelt werden1. Auch für Suspensionen mit Partikeln, die sich in Form und Dichte von Wassertröpfchen deutlich unterscheiden, kann in vielen Fällen eine Korrelation von MMD MMD
Medianer Massendurchmesser - 50% der Tröpfchenmasse ist in Partikeln verteilt, deren Durchmesser kleiner bzw. gleich des angegebenen Medianen Massendurchmessers sind.
und MMAD etabliert werden. 

Aerosole setzen sich in aller Regel aus Tröpfchen mit unterschiedlichen Durchmessern zusammen. Ein Maß für die Streuung der Partikelgrößen ist die Standardabweichung vom MMD MMD
Medianer Massendurchmesser - 50% der Tröpfchenmasse ist in Partikeln verteilt, deren Durchmesser kleiner bzw. gleich des angegebenen Medianen Massendurchmessers sind.
/MMAD (GSD = geometric standard deviation). Je größer die GSD, umso größer die Streuung. Aerosole mit einer GSD bis 1,15 nennt man monodispers, mit größerer GSD polydispers. Die meisten kommerziellen Vernebler liefern Aerosole mit einer GSD von ca 2.

1) Bitterle et al. . International Society of Aerosols in Medicine (ISAM), 16th International Congress, Tours, France, June 16 – 20, 2007: Correlation of laser diffraction and cascade impaction data upon nebulization of 1MIU colistimethate sodium/3ml by the eFlow®rapid nebulizer