Veränderung der Atemendlage im Ganzkörperplethysmographen als mögliches Verfahren zur Erkennung einer Obstruktion der kleinen Atemwege bei Übergewichtigen und Rauchern

Haferland, Kristina Monika (2025): Veränderung der Atemendlage im Ganzkörperplethysmographen als mögliches Verfahren zur Erkennung einer Obstruktion der kleinen Atemwege bei Übergewichtigen und Rauchern. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Dass Adipositas eine Einschränkung der Lungenfunktion bewirken kann, wurde in zahlreichen Studien nachgewiesen [Wannamethee et al. 2005; Jörres et al. 2022; Chinn et al. 2005]. Gleiches gilt bekanntermaßen für langjähriges Rauchen [Chinn et al. 2005]. Insbesondere kann bei lungengesunden adipösen Personen in Ruheatmung eine Atemwegsobstruktion auftreten, die auf eine Reduktion des Lungenvolumens zurückgeht, welche ihrerseits durch einen Zwerchfellhochstand aufgrund der Adipositas verursacht wird. Diese Obstruktion verschwindet bei willentlich eingenommener höherer Atemendlage, als eindeutiges Zeichen der Tatsache, dass es sich um eine Folge des reduzierten Lungen¬volumens und nicht einer genuinen obstruktiven Lungenerkrankung handelt [Jörres et al. 2022]. Unter „Atemendlage“ ist hierbei das Volumen der Lunge zu verstehen, welches sich am Ende einer Ausatmung einstellt. Primäres Ziel dieser Arbeit war es, zu prüfen, inwieweit auch bei lungengesunden Personen, die übergewichtig bis gering adipös, nicht jedoch massiv adipös sind, eine solche Obstruktion auftritt. Aus vorherigen Daten [Scholl 2023] ist bekannt, dass adipöse Lungen¬gesunde, die in Ruheatmung noch keine Atemwegsobstruktion aufweisen, sehr häufig eine Obstruktion zeigen, wenn sie die Atemendlage nur um einen geringen Volumenbetrag absenken. Dies wirft die Frage auf, ob bei einer erhöhten Atemminutenventilation, wie sie während körperlicher Anstrengung auftritt, eine exspiratorische Obstruktion induziert wird, und zwar dadurch, dass die Atemzugvolumina insgesamt wesentlich größer werden und dabei zu einer exspiratorischen Endlage mit geringem Lungenvolumen führen können. Daher wurden die Probanden aufgefordert, eine „angestrengte Atmung“, wie sie während einer Belastung auftritt, in einem Atemmanöver willentlich nachzuahmen. Ferner erfolgte ein Atemmanöver, bei dem die Atemendlage während Ruheatmung willentlich so weit als möglich abgesenkt wurde („tiefere Atemendlage“); dieses Atemmanöver stellte eine Art von Positivkontrolle für das Auftreten einer Atemwegsobstruktion dar. Um die Fragen zu beantworten, wurden im Rahmen einer Querschnittstudie insgesamt 85 anam¬nestisch lungengesunde Personen untersucht. Diese wurden in 5 Probandengruppen unterteilt: (1) eine gesunde Kontrollgruppe normalgewichtiger Nichtraucher (BMI bis 25 kg/m2; n=17), (2) eine Gruppe übergewichtiger bis gering adipöser (BMI 28-32 kg/m2; n=31) Nichtraucher, (3) eine Gruppe übergewichtiger bis adipöser Raucher (n=7), (4) eine Gruppe normalgewichtiger Raucher (n=15), und (5) eine Gruppe Adipöser (BMI über 32 kg/m2; n=15). Die Messungen während der verschiedenen Atemmanöver (normal, angestrengte Atmung, tiefere Atemendlage) erfolgten im Ganzkörperplethysmographen; jeder Proband absolvierte alle drei Messungen und konnte daher mit sich selbst verglichen werden. Der Ganzkörperplethysmograph war unumgänglich, um die Messungen bei verschiedenen Atemendlagen durchzuführen, da dies mit einer Spirometrie nicht möglich gewesen wäre. Zusätzlich beantworteten die Teilnehmer ausführliche Fragen zur Anamnese und zu Atemwegs¬symptomen. Wie erwartet, zeigten die übergewichtigen bzw. adipösen Probanden für Bauch- und Hüftumfang sowie abgeleitete Größen (Waist-to-Hip Ratio, Waist-to-Height Ratio) Überschreitungen der Grenz¬werte, die für Normalpersonen definiert sind. Analog ergaben sich Unterschiede in der Lungen¬funktion. Dies galt vor allem für das exspiratorische Reservevolumen (ERV), d.h. das Volumen, das aus normaler Atemendlage noch auszuatmen ist. Die Reduktion des ERV und damit der Atemendlage war insbesondere bei übergewichtigen Rauchern (Gruppe 3) sowie Adipösen (Gruppe 5) ausgeprägt. Ferner berichteten gemäß Fragebögen vor allem die übergewichtigen Raucher sowie die Adipösen Atemnot oder Kurzatmigkeit im Alltag, und mehr als zwei Drittel dieser beiden Gruppen das regelmäßige Auftreten von Kurzatmigkeit im Alltag. Auch Schlafqualität und Lebensqualität zeigten sich beeinträchtigt. In der Ganzkörperplethysmographie trat bei keinem der Probanden eine signifikante Atemwegs¬obstruktion unter Normalatmung auf, und die primären Zielgruppen der übergewichtigen Raucher (Gruppe 3) sowie Adipösen (Gruppe 5) waren in dieser Hinsicht unauffällig. Das volumetrische Ausmaß der willentlichen Absenkung der Atemendlage (tiefere Atemendlage) war zwischen den Gruppen nicht statistisch signifikant verschieden, zeigte aber eine weite Streuung. Wie erwartet, konnten Teilnehmer mit höherem ERV ihre Atemendlage stärker absenken und zugleich noch relativ große Atemzüge vollziehen. Zwecks Auswertung der Effekte auf den Atemwegswiderstand wurden verschiedene Parameter des spezifischen Atemwegswiderstandes herangezogen. Hierbei erwies sich der totale spezifische Widerstand während Exspiration, sRtotEX, als besonders aussagekräftig, in Übereinstimmung mit früheren Beobachtungen an lungengesunden Adipösen. Bei willentlich tieferer Atemendlage unterschied sich sRtotEX statistisch signifikant zwischen den Gruppen. Wählte man, um die Effekte von Ausreißern zu eliminieren, Subgruppen von Probanden aus, die durch den Median (0,8 Liter) der Absenkung über alle 5 Gruppen definiert wurden, so fanden sich Unterschiede auch in anderen Parametern des spezifischen Atemwegswiderstandes. Bestätigend für die Hypothese der Arbeit war, dass im paarweisen Vergleich jeweils zwischen der Kontrollgruppe 1 und der Gruppe der übergewichtigen bis leicht adipösen Raucher (Gruppe 3) signifikante Unterschiede bestanden. Dies bedeutet, dass speziell diese Raucher bei einer Vertiefung der Atemendlage eine Obstruktion entwickelten, und zwar vermutlich aufgrund des kombinierten Effekts eines kleineren Lungenvolumens aufgrund des Übergewichts sowie des Rauchens mit seinen abträglichen Effekten auf die Funktion der kleinen Atemwege. Beide Faktoren sollten eine Wirkung vor allem auf die kleinen Atemwege ausüben und eine Obstruktion induzieren. Für das willentlich angestrengte Atemmanöver, mit dessen Hilfe eine körperliche Belastung imitiert werden sollte, ergaben sich andere Ergebnisse als für die willentlich tiefere Atemendlage. Zwar gab es einzelne Probanden, welche bei diesem Atemmanöver eine Atemwegsobstruktion entwickelten. Insgesamt jedoch fiel die Veränderung der Atemendlage bei diesem Manöver gering aus. Bemerkens¬werterweise gab es Probanden speziell unter den übergewichtigen bis leicht adipösen Rauchern (Gruppe 3) und den Adipösen (Gruppe 5), die insofern ein verändertes Atemmuster aufwiesen, als sie ihre Atemendlage anhoben, d.h. ausschließlich „nach oben“ ihre Atmung vertieften und nicht, wie erwartet, „nach unten“. Hierbei liegt die Annahme nahe, dass dies ein unwillkürlicher Mechanismus war, um eine Obstruktion und Einschränkung der Atmung zu vermeiden, die bei einer Ausweitung der Atemvolumina nach unten vermutlich aufgetreten wäre. Die spezifischen Atemwegswiderstände im Atemmanöver des angestrengten Atmens zeigten statistisch gesehen keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen; offenbar war dazu das Manöver (jedenfalls mit nicht in diesen Manövern trainierten Probanden) zu wenig normiert. Deutlich wurde hingegen, dass die Gruppen unterschiedlich große Atemzugvolumina wählten. Im Median zeichneten sich insbesondere die übergewichtigen bis leicht adipösen Raucher (Gruppe 3) und die Adipösen (Gruppe 5) durch kleinere Atemzüge aus. Dies steht insofern in Übereinstimmung mit der Hypothese dieser Arbeit, als damit vermutlich Mechanis¬men aktiv wurden, um das Auftreten einer Obstruktion zu vermeiden. Diese trat jedoch dann zutage, wenn die Probanden explizit dazu aufgefordert wurden, die Atemendlage abzusenken und dies nicht ihnen selbst anheimgestellt wurde, wie bei der angestrengten Atmung. Die vorliegenden Ergebnisse belegen, dass eine Adipositas-bedingte Atemwegsobstruktion auch bei lungengesunden Übergewichtigen, nicht nur bei Adipösen auftreten kann. Allerdings trat der Effekt nicht unter Normalatmung, sondern nur dann auf, wenn die Atemendlage willentlich abgesenkt wurde. Hiervon waren – neben den regelrecht Adipösen – primär übergewichtige bis gering adipöse Raucher betroffen. Dies lässt sich auf den kombinierten Effekt einer Reduktion des Lungenvolumens aufgrund von Übergewicht sowie des Rauchens zurückführen und zeigt, dass diese Personen eine primäre Risikogruppe für das Auftreten einer Adipositas-bedingten Obstruktion darstellen. Versuchte man, die Situation zu simulieren, die während körperlicher Belastung auftritt, indem man die Probanden aufforderte, angestrengt zu atmen wie bei einer solchen Belastung, so fanden sich keine signifikanten Effekte. Dies schien bei der genannten Risikogruppe der übergewichtigen bis gering adipösen Raucher darauf zurückzuführen zu sein, dass diese Personen ihre Atemendlage trotz tieferer Atemzüge nicht absenkten, möglicherweise gerade zu dem Zweck, einer Obstruktion zu entkommen. Ungeachtet ihres experimentellen Charakters sind die Daten für die klinische Praxis lehrreich. Sie lenken die Aufmerksamkeit auf einen Mechanismus, der bei Übergewichtigen, insbesondere Rauchern, dazu beitragen kann, symptomatische und andere Einschränkungen zu erklären, auch wenn auf den ersten Blick die Lungenfunktion normal erscheint. Die Plausibilität dieses Mechanismus wird dadurch bestätigt, dass er bei lungengesunden Adipösen mit Atemwegsobstruktion nachgewiesenermaßen eine Rolle spielt.

Abstract

Numerous studies have demonstrated that obesity can affect lung function [Wannamethee et al. 2005; Jörres et al. 2022]. The same is known to apply to long-term smoking [Chinn et al. 2005]. Obese people without lung disease can experience airway obstruction even during resting ventilation, which disappears when a higher end-expiratory lung volume is voluntarily adopted, as a sign that the obstruction is a result of the reduction in lung volume [Jörres et al. 2022]. "End-expiratory volume" is understood here to indicate the volume of the lung that occurs at the end of an expiration. The primary aim of this study was to examine whether such an obstruction also occurs in lung-healthy people who are overweight to slightly obese, but not massively obese. Previous data [Scholl 2023] showed that obese, lung-healthy subjects who do not yet show airway obstruction during resting ventilation very often show an obstruction if they lower their end-expiratory lung volume by only a small amount. This raises the question of whether an obstruction is also induced during increased minute ventilation, as occurs during physical exercise, because tidal volume is larger under this condition and may lead to lower end-expiratory lung volume. The subjects were therefore asked to deliberately imitate "strenuous breathing" as occurs during exertion, by performing a special breathing maneuver. In addition, a special breathing maneuver was carried out, in which the end-expiratory lung volume was deliberately lowered as far as possible during resting ventilation (“deeper end-expiratory volume”); this breathing maneuver represented a type of positive control. In order to answer the questions, a total of 85 lung-healthy subjects were examined within a cross-sectional study design. Participants were divided into 5 groups: (1) a healthy control group of normal-weight non-smokers (BMI up to 25 kg/m2; n=17), (2) a group of overweight to slightly obese (BMI 28-32 kg/m2; n=31) non-smokers, (3) a group of overweight to obese smokers (n=7), (4) a group of normal-weight smokers (n=15), (5) a group of obese subjects (BMI over 32 kg/m2; n=15). The measurements during the various breathing maneuvers (normal, strenuous breathing, deeper end-expiratory volume) were carried out in a body plethysmograph; each subject completed all three types of measurement and could therefore be compared in a cross-over manner. The body plethysmograph was essential in order to carry out the measurements at different end-expiratory volumes, as this would not have been possible with spirometry. In addition, the participants answered detailed questions about their medical history and respiratory symptoms. As expected, the overweight and obese subjects exceeded the limits defined for the normal population regarding their waist and hip circumference and the derived values waist-to-hip ratio and waist-to-height ratio. Similarly, there were differences in lung function. This was particularly true for the expiratory reserve volume (ERV), i.e., the volume that still can be expired starting from normal end-expiratory lung volume. The reduction in ERV and thus the end-expiratory volume was particularly pronounced in overweight to slightly obese smokers (group 3) and obese participants (group 5). Furthermore, according to questionnaires, it was mainly the overweight to slightly obese smokers and the obese subjects, who reported shortness of breath or shortness of breath in everyday life; more than two thirds of these two groups reported regular shortness of breath in everyday life. Sleep quality and quality of life were also impaired. In body plethysmography, none of the subjects showed significant airway obstruction during normal breathing, and the primary target groups of overweight to slightly obese smokers (group 3) and obese subjects (group 5) were unremarkable in this respect. The volumetric extent of the voluntary lowering of the end-expiratory volume (deeper end-expiratory volume) was not statistically significantly different between the groups, but showed a wide variation. As expected, participants with larger ERV were capable of lowering their end-expiratory volume more and at the same time still taking relatively large tidal volumes. Various parameters of specific airway resistance were used to evaluate the effects on airway resistance. The total specific resistance during expiration, sRtotEX, proved to be particularly meaningful, in accordance with previous observations in obese subjects with healthy lungs. When the end position of breathing was deliberately lowered, sRtotEX differed statistically significantly between the groups. If, in order to eliminate the effects of outliers, subgroups of subjects were selected that were defined by the median (0.8 litres) of the reduction across all 5 groups, significant differences were also found in other parameters describing specific airway resistance. The hypothesis of the study was confirmed by the fact that there were significant differences in pairwise comparisons between the control group 1 and the group of overweight to slightly obese smokers (group 3). This implies that these smokers showed a predisposition to developing airway obstruction when the end-expiratory volume was reduced, probably based on the combined effect of a smaller lung volume due to excess weight and on smoking. Both factors should have effects primarily on the small airways and thereby induce airflow obstruction. The results for the voluntary strenuous breathing maneuver, which was intended to imitate physical exertion, were different from those for the voluntary deeper end-expiratory volume. There were individual subjects who developed an airway obstruction during this maneuver. Overall, however, the change in the end-expiratory volume during this maneuver was small. It is noteworthy that there were subjects, especially among the overweight to slightly obese smokers (group 3) and the obese (group 5), who showed a different breathing pattern in that they raised their end-expiratory volume, i.e., they only deepened their breathing "upwards" and not, as expected, "downwards". It is reasonable to assume that this was an involuntary mechanism to avoid airway obstruction and breathlessness, which would probably have occurred if the tidal volume had been expanded downwards, towards lower lung volumes. The parameters of specific airway resistance in the breathing maneuver of strenuous breathing showed no statistically significant differences between groups, and the maneuver was evidently not standardized enough for this (at least with subjects not trained in these maneuvers). It was clear, however, that the groups chose different tidal volumes. As judged from median values, the overweight to slightly obese smokers (group 3) and the obese subjects (group 5) were characterized by particularly small tidal volumes. This is in line with the hypothesis of this study, as their condition probably activated mechanisms to prevent the occurrence of airway obstruction. However, this only became apparent if the subjects were explicitly asked to lower the end-expiratory lung volume and when this choice was not left up to them, as was the case with strenuous breathing. In summary, the present results demonstrate that obesity-induced airway obstruction can also occur in overweight people with healthy lungs, not just in obese people. However, the effect did not occur during normal breathing, but only when the end-expiratory volume of tidal breathing was lowered intentionally. In addition to the downright obese subjects, the phenomenon primarily affected overweight to slightly obese smokers. This can be attributed to the combined effect of a reduction in lung volume due to obesity and of smoking, and indicates that these subjects are a primary risk group for the occurrence of obesity-induced airway obstruction. When an attempt was made to simulate the situation that occurs during physical exercise, by asking the participants to breathe as strenuously as they would do during such exertion, no statistically significant effects were found. In the above-mentioned risk group of overweight to slightly obese smokers, this seemed to be due to the fact that they did not lower their end-expiratory lung volume despite taking deeper breaths, possibly precisely for the purpose of escaping obstruction. Despite their experimental nature, the data are instructive for clinical practice. They draw attention to a mechanism that may help explain symptoms and other limitations in overweight people, especially smokers, even if lung function appears normal at first glance. The plausibility of this mechanism is confirmed by the fact that it has been shown to play a role in downright obese patients with healthy lungs and airway obstruction.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 27. November 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Jörres, Rudolf