@phdthesis{Schmid2024,
  author    = {Schmid, Kerstin},
  title     = {Integrative, three-dimensional \(in\) \(silico\) modeling of gas exchange in the human alveolus},
  doi       = {10.25972/OPUS-35182},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-351823},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Die Lunge erf{\"u}llt durch den Austausch von Atemgasen eine {\"u}berlebenswichtige Aufgabe. Der Gasaustausch erfolgt durch einen einfachen, aber entscheidenden passiven Diffusionsprozess. Dieser findet in den Alveolen statt, ballonartigen Strukturen, die an die peripheren Atemwege grenzen. Alveolen sind von einem dichten Netz aus kleinen Kapillaren umgeben. Hier kommt die eingeatmete Luft in unmittelbare N{\"a}he zu dem vom Herzen kommenden sauerstoffarmen Blut und erm{\"o}glicht den Austausch von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid {\"u}ber deren Konzentrationsgradienten. Die Effizienz des Gasaustauschs kann anhand von Indikatoren wie der Sauerstoffdiffusionskapazit{\"a}t der Lunge und der Reaktionshalbzeit gemessen werden. Beim Menschen besteht eine betr{\"a}chtliche Diskrepanz zwischen physiologischen Sch{\"a}tzungen der Diffusionskapazit{\"a}t und der theoretischen Maximalkapazit{\"a}t unter optimalen strukturellen Bedingungen (der morphologischen Sch{\"a}tzung). Diese Diskrepanz wird durch eine Reihe ineinandergreifender Faktoren beeinflusst, darunter strukturelle Elemente wie die Oberfl{\"a}che und die Dicke der Diffusionsbarriere sowie physiologische Faktoren wie die Blutflussdynamik. Um die verschiedenen Rollen dieser Faktoren zu entschl{\"u}sseln, untersuchten wir, wie die morphologischen und physiologischen Eigenschaften der menschlichen alveol{\"a}ren Mikroumgebung kollektiv und individuell den Prozess des Gasaustauschs beeinflussen. Zu diesem Zweck entwickelten wir einen integrativen in silico Ansatz, der 3D morphologische Modellierung und Simulation von Blutfluss und Sauerstofftransport kombiniert. Im Mittelpunkt unseres Ansatzes steht die Simulationssoftware Alvin, die als interaktive Plattform f{\"u}r das zugrundeliegende mathematische Modell des Sauerstofftransports in der Alveole dient. Unser r{\"a}umlich-zeitliches Modell wurde durch die Integration und Erweiterung bestehender mathematischer Modelle entwickelt und liefert Ergebnisse, die mit experimentellen Daten im Einklang stehen. Alvin erm{\"o}glicht eine immersive Auseinandersetzung mit dem simulierten Gasaustausch, indem sie Parameter{\"a}nderungen in Echtzeit und die Ausf{\"u}hrung mehrerer Simulationsinstanzen gleichzeitig erm{\"o}glicht w{\"a}hrend sie ein detailliertes quantitatives Feedback liefert. Die beteiligten morphologischen und physiologischen Parameter wurden mit einem Fokus auf der Mikrovaskulatur weiter untersucht. Durch die Zusammenstellung stereologischer Daten aus der Literatur und geometrischer 3D-Modellierung erstellten wir ein "sheet-flow" Modell als realistische Darstellung des menschlichen alveol{\"a}ren Kapillarnetzwerks. Blutfluss wurde mit Hilfe numerischer Str{\"o}mungsdynamik simuliert. Unsere Ergebnisse stimmen mit fr{\"u}heren Sch{\"a}tzungen {\"u}berein und unterstreichen die entscheidende Rolle von Viskosit{\"a}tsmodellen bei der Vorhersage des Druckabfalls in der Mikrovaskulatur. Dar{\"u}ber hinaus zeigten wir, wie unser Ansatz genutzt werden kann, um strukturelle Details wie die Konnektivit{\"a}t des alveol{\"a}ren Kapillarnetzes mit dem Gef{\"a}ßbaum anhand von Blutflussindizes zu untersuchen. Es ist wichtig zu betonen, dass wir uns bislang auf verschiedene Datenquellen st{\"u}tzten und dass f{\"u}r weitere Fortschritte eine experimentelle Vailidierung erforderlich ist. Die Integration unserer Ergebnisse in Alvin erm{\"o}glichte die Quantifizierung des simulierten Gasaustauschprozesses {\"u}ber die Sauerstoffdiffusionskapazit{\"a}t und die Reaktionshalbzeit. Neben der Bewertung der kollektiven Einfl{\"u}sse der morphologischen und physiologischen Eigenschaften erleichterte unsere interaktive Software auch die Bewertung einzelner Parameter{\"a}nderungen. Die Betrachtung des Blutvolumens und der f{\"u}r den Gasaustausch zur Verf{\"u}gung stehenden Oberfl{\"a}che ergab lineare Korrelationen mit der Diffusionskapazit{\"a}t. Die Blutflussgeschwindigkeit hatte einen positiven, nichtlinearen Effekt auf die Diffusionskapazit{\"a}t. Die Reaktionshalbzeit best{\"a}tigte, dass der Gasaustauschprozess in der Regel nicht diffusionslimitiert ist. Insgesamt lieferte unser Alveolenmodell einen Wert f{\"u}r die Diffusionskapazit{\"a}t, der in der Mitte der fr{\"u}heren physiologischen und morphologischen Sch{\"a}tzung lag. Daraus l{\"a}sst sich schließen, dass Ph{\"a}nomene auf Alveolarebene zu 50\% der Limitierung der Diffusionskapazit{\"a}t beitragen, die in vivo eintreten. Zusammenfassend l{\"a}sst sich sagen, dass unser integrativer in silico Ansatz verschiedene strukturelle und funktionelle Einfl{\"u}sse auf den alveol{\"a}ren Gasaustausch aufschl{\"u}sselt und damit die traditionelle Forschung in der Atemwegsforschung erg{\"a}nzt. Zus{\"a}tzlich zeigen wir seinen Nutzen in der Lehre oder bei der Interpretation ver{\"o}ffentlichter Daten auf. Um unser Verst{\"a}ndnis zu verbessern, sollten k{\"u}nftige Arbeiten vorrangig darauf ausgerichtet sein, einen zusammenh{\"a}ngenden experimentellen Datensatz zu erhalten und ein geeignetes Viskosit{\"a}tsmodell f{\"u}r Blutflusssimulationen zu finden.},
  subject      = {Gasaustausch},
  language  = {en}
}