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Extracorporeal hyperoxygenation therapy for carbon monoxide poisoning: from in vitro proof of principle to in vivo feasibility

Steuer, Niklas Balduin^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Niklas Balduin Steuer, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Steinseifer, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Kopp, Rüdger (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01453
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1028102/files/1028102.pdf

Einrichtungen

1. Klinik und Lehrstuhl für Anästhesiologie - Operative Intensivmedizin und Intermediate Care (533000-3 ; 938310)
2. Lehr- und Forschungsgebiet Kardiovaskuläre Technik (811001-4 ; 923710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Blasenoxygenator (frei) ; Hohlfasermembran-Oxygenator (frei) ; Hyperoxygenierung (frei) ; Kohlenmonoxid (frei) ; Oxygenator (frei) ; Vergiftung (frei) ; bubble oxygenator (frei) ; carbon monoxide (frei) ; extracorporeal therapy (frei) ; extrakorporale Therapie (frei) ; hollow fibre membrane oxygenator (frei) ; hyperoxygenation (frei) ; oxygenator (frei) ; poisoning (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Kohlenmonoxid (CO)-Vergiftungen sind eine der häufigsten Ursachen für Verletzungen und Todesfälle durch Vergiftungen. Wird CO eingeatmet, gelangt es über die Lunge in den Blutkreislauf. Dort bindet es konkurrierend mit Sauerstoff an Hämoglobin (Hb) und bildet Carboxyhämoglobin (COHb). Leider ist die Affinität von Hämoglobin für CO mehr als 200-mal größer als die für Sauerstoff, wodurch die Sauerstoffzufuhr zu Organen und Geweben beeinträchtigt wird, und eine Hypoxie entsteht. Vorrangiges Ziel der Therapie ist es, die Patienten so schnell wie möglich von CO zu befreien, um akute und langfristige Folgen zu vermeiden. Die ideale Behandlung ist die hyperbare Sauerstofftherapie (HBO) in einer Druckkammer. Druckkammern sind jedoch rar, so dass die gängigste Behandlung normobarer Sauerstoff (NBO) ist, allerdings mit begrenzter Wirksamkeit. Um diese Limitationen zu überwinden, wurde die extrakorporale Hyperoxygenierungstherapie (EHT) als neuartige Behandlungsoption entwickelt, die die CO-Elimination durch die extrakorporale Behandlung von Blut bei erhöhtem Sauerstoffpartialdruck beschleunigt. Zunächst wurde der Nachweis des Prinzips in vitro in zwei verschiedenen kleinskalierten Systemen erbracht: einem Hohlfasermembran-Oxygenator (HFMO) und einem speziell entwickelten Batch-Oxygenator (BO), der auf dem Prinzip des Blasen-Oxygenators basiert, die beide bei erhöhtem Druck (1, 3 bar) betrieben wurden. Eine Druckerhöhung führte bei beiden Oxygenatoren zu einer schnelleren CO-Eliminierung, wobei der BO beim Vergleich der durchschnittlichen COHb-Halbwertszeit bei einem Druck von 3 bar eine um mehr als 3,5 höhere Leistung als der HFMO zeigte. Anschließend wurde der BO überarbeitet und in einem größeren Druck- (1, 3, 5, 7 bar) und Temperaturbereich (23, 30, 37 °C) getestet. Die kürzeste gemessene COHb-Halbwertszeit im Blut betrug 21,32 Minuten. Schließlich wurde auf der Grundlage des BO ein großskaliertes Batch-System entwickelt und in vitro charakterisiert, wobei eine minimale COHb-Halbwertszeit von 3,26 ± 0,11 Minuten erreicht wurde. Für die In-vivo- Machbarkeitsstudie wurde das EHT-System um einen automatisierten Blutkreislauf erweitert, der einen quasi-kontinuierlichen Betrieb ermöglichte. Die in vivo Ergebnisse zeigten eine 42%ige Reduktion der mittleren COHb-Halbwertszeit (29,77 min mit EHT vs. 70,8 min mit NBO). Allerdings führte EHT anfänglich zu Oszillationen der hämodynamischen Drücke aufgrund vorübergehender Änderungen des Kreislaufvolumens. Zusammenfassend besteht weiterer Optimierungsbedarf, insbesondere um die Oszillationen der hämodynamischen Drücke zu beseitigen. Danach könnte das EHT-System eine leicht verfügbare und wirksame Methode zur Behandlung von CO-Vergiftungen darstellen.

Carbon monoxide (CO) poisoning is one of the most common causes of injury and death from poisoning. Once inhaled, CO enters the bloodstream via the lungs. There it binds, competitively with oxygen to hemoglobin (Hb), creating carboxyhemoglobin (COHb). Unfortunately, the affinity of hemoglobin for CO is more than 200 times greater than that for oxygen, inhibiting oxygen delivery to organs and tissues, and resulting in hypoxia. The primary objective of therapy is to eliminate CO from the patient as quickly as possible to prevent acute and long-term effects. The ideal treatment is hyperbaric oxygen (HBO) in a pressure chamber. However, pressure chambers are scarce, and therefore, the most common treatment is normobaric oxygen (NBO), which, however, has limited efficacy. To address these limitations, Extracorporeal Hyperoxygenation Therapy (EHT) was developed as a novel treatment option that enhances CO elimination by treating extracorporeally blood at elevated oxygen partial pressure. Initially, the proof of principle was demonstrated in vitro in two different small-scale systems: a hollow fiber membrane oxygenator (HFMO) and a custom-designed batch oxygenator (BO) based on the bubble oxygenator principle, both operated at increased pressures (1, 3 bar). An increase in pressure resulted in a faster CO elimination in both oxygenators, with a superior performance of the BO of more than 3.5 compared to an HFMO, when comparing the average COHb half-lives of at a pressure of 3 bar. Subsequently, the BO was redesigned and tested for a broader range of pressures (1, 3, 5, 7 bar) and temperatures (23, 30, 37 °C). The shortest measured COHb half-life in blood was 21.32 minutes. Finally, a full-scale batch system, based on the BO, was developed and characterized in vitro, achieving a minimum COHb half-life of 3.26 ± 0.11 minutes. For the in vivo feasibility study, the EHT system was expanded by an automated blood loop that allowed a quasi-continuous operation. The in vivo results demonstrated a 42% reduction in the median COHb half-life (29.77 min with EHT vs. 70.8 min with NBO). However, EHT initially induced oscillations in hemodynamic pressures due to transient changes in circulatory volume. In summary, further optimization is required, particularly to eliminate the oscillations in hemodynamic pressures. Once achieved, the EHT system could provide an easily available and effective method for the treatment of CO poisoning.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT031405686

Interne Identnummern
RWTH-2026-01453
Datensatz-ID: 1028102

Beteiligte Länder
Germany