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Synthetischer Mukus für ein ex-vivo Phonationsexperiment: Herstellung, Anwendung und Validierung in Schweinekehlköpfen
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Veröffentlicht: | 26. September 2022 |
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Gliederung
Zusammenfassung
Hintergrund: Die Phonation wird als Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion beschrieben. Die Wechselwirkung zwischen Luftstrom und Stimmlippengewebe wird weitgehend von den Gewebseigenschaften der Stimmlippen bestimmt, die den Fluss durch die Glottis begrenzen. Die Energieübertragung zwischen Luft und Stimmlippen wird zudem durch den laryngealen Mukus beeinflusst, der die Grenzschicht zwischen den beiden Systemen bildet. Es gibt zahlreiche Studien über die Auswirkungen der Hydratation auf den Phonationsprozess, aber der Einfluss der Zusammensetzung und Rheologie des laryngealen Mukus wurden bisher kaum untersucht.
Material und Methoden: Es wurden 4 synthetische Mukusproben mit physiologischen viskoelastischen Eigenschaften hergestellt. Als Grundlage dienten Untersuchungen zu humanen Mukusproben von Patienten ohne Stimmerkrankung, die aufgrund ihrer sich unterscheidenden viskoelastischen Eigenschaften gruppiert wurden. Wir verwendeten Xanthanlösungen in 3 verschiedenen Konzentrationen und fügten einer von ihnen Muzin zu. Die Wirkung von synthetischem Mukus auf die Phonation wurde in einem etablierter Versuchsaufbau für exzidierte Kehlköpfe unter kontrollierbaren Bedingungen untersucht. Der bestehende Aufbau wurde um eine Methode zur reproduzierbaren Applikation des synthetischen Mukus erweitert. Jede der 4 Mukusproben wurde auf 6 exzidierte Schweinekehlköpfe aufgetragen und in Schwingungsexperimenten mit systematischer Parametervariation multimodal analysiert.
Ergebnisse: Mit Hilfe der Particle Tracking Microrheology (PTM) konnten wir nachweisen, dass die viskoelastischen Eigenschaften des synthetischen Mukus mit der Rheologie des menschlichen laryngealen Mukus in den essentiellen Punkten übereinstimmen. Trotz der großen rheologischen Bandbreite, erwiesen sich die Phonationsparameter in den Schwingungsexperimenten als sehr robust. Sie lagen im typischen Bereich anderer ex-vivo Experimente. Ein fluoreszierender Farbstoff bestätigt die Benetzung der gesamten Stimmlippenoberfläche vor und nach den Oszillationsexperimenten.
Diskussion: Dieses grundlegende Experiment zeigt die Anwendbarkeit von synthetischem Mukus in ex-vivo Oszillationsexperimenten an exzidierten Kehlköpfen. Dies ermöglicht zukünftig eine systematische Analyse der Auswirkungen von physiologischem und auch pathologischem Mukus mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen auf den Phonationsprozess. Langfristig hoffen wir, synthetischen Mukus mit therapeutischem Nutzen für die in-vivo Anwendung zu entwickeln.
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Hintergrund
Die Phonation wird als Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion beschrieben. Die Wechselwirkung zwischen Luftstrom und Stimmlippengewebe wird weitgehend von den Gewebseigenschaften der Stimmlippen bestimmt, die den Fluss durch die Glottis begrenzen. Die Energieübertragung zwischen Luft und Stimmlippen wird zudem durch den laryngealen Mukus beeinflusst, der die Grenzschicht zwischen den beiden Systemen bildet [1]. Es gibt zahlreiche Studien über die Auswirkungen der Hydratation auf den Phonationsprozess, aber der Einfluss der Zusammensetzung und Rheologie des laryngealen Mukus wurden bisher kaum untersucht.
Material und Methoden
Es wurden 4 synthetische Mukusproben mit physiologischen viskoelastischen Eigenschaften hergestellt. Als Grundlage dienten Untersuchungen zu humanen Mukusproben von Patienten ohne Stimmerkrankung, die aufgrund ihrer sich unterscheidenden viskoelastischen Eigenschaften gruppiert wurden [2]. Wir verwendeten Xanthanlösungen in 3 verschiedenen Konzentrationen und fügten einer von ihnen Muzin zu (Abbildung 1 [Abb. 1]). Die Wirkung von synthetischem Mukus auf die Phonation wurde in einem etablierten Versuchsaufbau für exzidierte Kehlköpfe unter kontrollierbaren Bedingungen untersucht [3]. Der bestehende Aufbau wurde um eine Methode zur reproduzierbaren Applikation des synthetischen Mukus erweitert (Abbildung 2 [Abb. 2]). Jede der 4 Mukusproben wurde auf 6 exzidierte Schweinekehlköpfe aufgetragen und in Schwingungsexperimenten mit systematischer Parametervariation multimodal analysiert.
Ergebnisse
Mit Hilfe der Particle Tracking Microrheology (PTM) konnten wir nachweisen, dass die viskoelastischen Eigenschaften des synthetischen Mukus mit der Rheologie des menschlichen laryngealen Mukus [2] in den essentiellen Punkten übereinstimmen (Abbildung 1 [Abb. 1]). Trotz der großen rheologischen Bandbreite, erwiesen sich die Phonationsparameter in den Schwingungsexperimenten als sehr robust. Sie lagen im typischen Bereich anderer ex-vivo Experimente [3]. Ein fluoreszierender Farbstoff bestätigt die Benetzung der gesamten Stimmlippenoberfläche vor und nach den Oszillationsexperimenten.
Diskussion
Dieses grundlegende Experiment zeigt die Anwendbarkeit von synthetischem Mukus in ex-vivo Oszillationsexperimenten an exzidierten Kehlköpfen. Dies ermöglicht zukünftig eine systematische Analyse der Auswirkungen von physiologischem und auch pathologischem Mukus mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen auf den Phonationsprozess. Langfristig hoffen wir, synthetischen Mukus mit therapeutischem Nutzen für die in-vivo Anwendung zu entwickeln.
Förderung
Diese Arbeit wurde von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unter DO1247/6-2 (no. 281313362) gefördert.
Literatur
- 1.
- Döllinger M, Gröhn F, Berry DA, Eysholdt U, Luegmair G. Preliminary results on the influence of engineered artificial mucus layer on phonation. J Speech Lang Hear Res. 2014 Apr 1;57(2):S637-47. DOI: 10.1044/2014_JSLHR-S-12-0277
- 2.
- Peters G, Wendler O, Böhringer D, Gostian AO, Müller SK, Canziani H, Hesse N, Semmler M, Berry DA, Kniesburges S, Peukert W, Döllinger M. Human Laryngeal Mucus from the Vocal Folds: Rheological Characterization by Particle Tracking Microrheology and Oscillatory Shear Rheology. Appl Sci (Basel). 2021 Apr;11(7):3011. DOI: 10.3390/app11073011
- 3.
- Birk V, Kniesburges S, Semmler M, Berry DA, Bohr C, Döllinger M, Schützenberger A. Influence of glottal closure on the phonatory process in ex vivo porcine larynges. J Acoust Soc Am. 2017 Oct;142(4):2197. DOI: 10.1121/1.5007952