摘要
签约气道的大振幅振荡平滑肌事业编制的相对放松。然而,知之甚少机械拉伸的上远端肺行为的影响。
大鼠实质条悬浮于器官浴中,并在一端连接到测力传感器并且在另一端连接到伺服控制杠杆臂影响的长度变化附接。Mechanical impedance of the strip was measured by applying a complex signal consisting of pseudorandom length oscillations of varying frequencies (0.5–19.75 Hz). A constant phase model was fit to changes in length and tension to calculate tissue damping (G) and elastance (H). Hysteresivity was calculated as G/H. Impedance was measured before and after sinusoidal length oscillation at different amplitudes (1, 3, 10 and 25% of resting length) at a frequency of 1 Hz under baseline conditions and after acetylcholine-induced constriction.
振荡幅度为10和25%时,肺条的G和H明显下降。长度振荡的影响在对照组没有差异与限制条。
这些数据表明,在远端肺,大的拉伸影响细胞外基质的结构成分,而不是收缩元素。
这项工作是由J.T.支持科斯特洛纪念研究基金和健康研究加拿大学院。
理解深吸气对肺力学影响的机制对理解哮喘病理生理学有意义。乙酰胆碱激发前后的深吸气可降低正常受试者的支气管收缩反应,但对哮喘患者则无影响[1,2]。正常受试者在接受甲基胆碱(MCh)挑战后,当被要求不要深吸气时,其行为与反应过度的受试者[3]相似。这些观察提示,在哮喘患者中,深吸气对气道狭窄的保护作用减弱或消失,这可能是哮喘患者与正常人的区别。在离体气道平滑肌(ASM)中进行的研究,试图重现体内气道响应于潮式呼吸和深启示,表明ASM收缩少动条件[4]下。这些数据表明,肺容积波动对气道变窄的效果来自于ASM改变。
另一种假设是,深吸气的哮喘患者的差动作用与对照组相比的涉及因为在细胞外基质的差异或由于对气道实质相互依存效果不同肺组织的机械性能,。肺组织是粘弹性材料,并且,根据定义,粘弹性材料显示的滞后。Froeb和米德[5]的理论认为,气道也显示滞后,而这两个结构的相对滞后将确定因为气道和周围肺实质[6,7]之间的机械相互依存的深呼吸的上气道口径的影响。如果与正常的肺相比哮喘肺的迟滞特性是不同的,深的启示可能导致支气管收缩[8]。
肺体积振荡过程中的能量耗散不仅与粘弹性有关,还与[9]的塑性行为有关。由于肺组织或气道壁的振幅依赖性的塑性变形,深拉伸可能影响气道口径。这些结构的塑性变形会导致弹性和滞回性能的改变,最终改变荷载对ASM的影响。
而在大气道深启示的效果,对分离的ASM andof拉伸已经很好地在人类和动物的[2,4,10]研究,相对知之甚少拉伸的上外周肺的收缩的效果。据推测,所述外围肺的乙酰胆碱(ACh)诱导的收缩会被大振幅拉伸,类似于在气道发生的情况是相反的。鼠肺实质条被利用来研究这个问题。肺实质条已被用作用于肺的外围机械和药理学行为[11-15]的研究的模型。大鼠代表一个合适的模型,作为广泛的研究已使用该物种如哮喘[16,17]的动物模型公开。前哮喘疾病的更复杂的情况是针对在对照组动物的研究使这一问题的调查。因此,大鼠实质条被拉伸,二者在基线条件下和诱导收缩后,并且在力学振荡诱发的修改进行比较。
方法
组织准备
Sprague Dawley rats weighing ∼350 g were studied. Each animal was anaesthetised with a peritoneal injection of sodium pentobarbital (30 mg·kg-1)。一个fter tracheostomy, a metal cannula (internal diameter of 2 mm) was inserted into the trachea and tightly bound. Through an abdominal incision, the diaphragm was cut and a bilateral pneumothorax was induced. The thorax was opened, the animal exsanguinated and the heart, lungs and trachea were carefully resected整块。肺填充和冲洗,与在pH为7.40的改性的Krebs溶液和6℃的温度下总肺活量。Lung parenchymal strips (3×3×10 mm) were cut, the pleura was dissected, and unloaded length (LØ)和湿重记录的各条带的。
装置
金属夹子粘合到组织条withcyanoacrylate的任一端。Steel music wires (0.5 mm diameter) wereattached to the clips and the strip suspended vertically in an organ bath. A mercury bead was placed in the bottom of the organ bath to prevent the Krebs solution from leaking out. The bath was filled with 15 mL of Krebs solution, maintained at 37°C and continuously bubbled with 95% O2/ 5%CO2。带的一端与力传感器相连(400A型;另一端连接到一个伺服控制的杠杆臂(300B型;剑桥技术)。杠杆臂依次连接到一个功能发生器(型号3030;b&k精密,钟氏集团,芝加哥,伊利诺伊州,美国),它控制振荡的频率,振幅和波形。螺旋拇指轮系统的运动影响力传感器的垂直位移,设定静息拉力。长度和力信号由模拟信号转换为数字信号(DT2801‐A;低通滤波,并记录在计算机上的采样频率为256hz。对于阻抗测量,计算机生成一个8‐s宽带伪随机位移信号,该信号由17个相互激励的频率组成,频率范围为0.5-19.75 Hz,幅值最高为0.18 mm(图1)⇓)。
![图。1。-](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/23/2/193/F1.medium.gif)
伪随机长度扰动时的长度和张力信号。
协议
从六只动物总共6个条带进行了研究(N = 6振幅(∈)= 10和25%; N = 5∈= 1个3%)。Each lung parenchymal strip was preconditioned by slowly cycling tension from 0 to 2 g three times; on the third cycle the strip was unloaded to ∼1.2 g and allowed to stabilise for 45 min at the end of which time the tension was ∼1 g. Complex impedence was measured using the pseudorandom displacement signal under baseline conditions and after 5 min of sinusoidal length oscillations above the mean operating tension at an amplitude of either 1, 3, 10 or 25% of LØ频率为1。0hz。振荡后,张力复位到相同的基线值,允许30‐min的稳定时间,并记录新的基线。此后,用0.1 mM的ACh (Sigma, Oakville, ON, Canada)处理5分钟,直到获得稳定的缩窄水平。复阻抗测量分别在相同振幅的振荡前后5分钟进行。除了复杂的阻抗测量外,在正弦振荡期间以及ACh挑战期间,张力也被连续测量(图2)⇓)。一个Ch was then washed from the organ bath, and thepreparation was allowed to restabilise for 45 min. The protocol was then repeated for the remaining three amplitudes in random order.
![图2:](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/23/2/193/F2.medium.gif)
实验方案。粗箭头表示阻抗测量和细箭头表示张力的连续记录。乙酰胆碱:乙酰胆碱。
数据分析
组织阻抗计算为:
其中Z是机械阻抗,T是张力,L是长度和Ť是时间。
获得张力和长度信号和记录为时间机能缺失,傅里叶变换以频率的函数,以及复杂的阻抗来计算。力学参数,通过根据下式拟合常数相模型[18]的阻抗数据,估计:
其中Rñis Newtonian resistance, G is tissue damping, H is tissue elastance, In is inertance, ω is angular frequency, and j is an imaginary unit (fig. 3⇓)。结果通过由L G和H的值乘以标准化的条带大小Ø/一个Ø。一个Ø(厘米2)为带的无应力截面面积,由式可得:
where Wo is the wet weight in g, ρ is the mass density of the tissue taken as 1.06 g·cm-3和我Ø是以cm无负载长度。
![图3.-](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/23/2/193/F3.medium.gif)
复阻抗与对于一个典型的记录频率的数据。•:组织阻尼;○:组织顺应性。
Hysteresivity,η,一个无量纲变量耦合耗散和弹性行为,被计算为:
t检验用于评估振荡是否对机械参数的效果,并比较在不收缩的振荡的效果与收缩状态。方差分析(ANOVA;双向)的分析来确定振幅的上在两个条件张力的影响。结果被认为在5%的概率水平上统计显著。值报告为平均值±SE。
结果
Baseline mechanics are shown in table 1⇓。四种振幅在基线力学上无差异。诱发收缩后各力学参数变化百分比见表2⇓。乙酰胆碱,在所有的幅度,造成张力的显著增加,组织阻尼和组织顺应性,除组织中的3%的振幅期间阻尼。
The effect of oscillation amplitude on tension, tissue damping and tissue elastance and hysteresivity before and after induced constriction is shown in figure 4⇓。Oscillations caused a significant decrease in tension except at 3% amplitude in the unconstricted state (fig. 4a⇓)。Tissue elastance significantly decreased in the unconstricted state at 10 and 25% amplitude and in the constricted state at 3, 10 and 25% amplitude (fig. 4b⇓)。在收缩状态下,组织阻尼在1和25%的振幅处显著下降,在未收缩状态下,组织阻尼在10和25%的振幅处显著下降(图4c)⇓)。在收缩状态下,滞后系数受到1和25%长度振荡的影响(图4d)⇓)。
![图4.-](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/23/2/193/F4.medium.gif)
在收缩(•)和不收缩的(○)状态的)张力(T),B)弹性度(H),c)中的组织阻尼(G),和d)hysteresivity(η)从基线的百分比变化,在振荡之后四个不同的幅度。*:P <0.05与基线;**:P <0.01与基线;* * *:p < 0.001与基线。
当振荡的力学上的效果在不收缩的比较与Ťhe constricted state, generally nosignificant differences were detected (fig. 4⇑)。观察到张力1和3%的振幅(P <0.05),和intissue倒电容在1点%的振幅(P <0.05)适度差异。这些差异是最小的,不可能的生理意义。
The absolute changes in tension during the oscillation as a function of amplitude are shown in figure 5⇓。观察到的幅度和在张力减少的剂量/反应关系;振荡幅度对thedecrease在张力的作用显著(双向ANOVA; P <0.001)。在所有的幅度有在减少紧张不收缩的无差异与收缩状态。
张力降低(T)与振幅(对数标度),在收缩(○)和不收缩的(○)的状态。有在振幅上的两个状态(方差分析)之间的张力的效果没有差异。
讨论
本研究的主要发现是,大片显著影响张力,组织阻尼和肺实质条的顺应性;这种效果是基本独立的收缩装置是否被启动。这些结果表明,大振幅拉伸影响周围的肺的细胞外基质的结构部件,而不是颠倒收缩元件的诱导收缩。
它是公认的肺容积历史对肺机械产生深远的影响。深呼吸正常人原因的气道口径的瞬时变形例的MCh攻击[2]后。此外,当正常受试者的MCh攻击期间避免深灵感,气道高反应发展[3]。在动物表现出同样的现象hasbeen;Gunst等。[19]显示,兔,期间或在MCh攻击后征收深启示减小最大缩响应。类似地,通风潮汐受影响显著气道反应性的MCh到在振幅依赖性的方式;较大的潮气量的波动使肺较少响应于激动剂攻击[20,21]。
在孤立的,收缩的,大ASM,长度振动引起的力和刚性减量在振幅和频率依赖的方式,再现看到的体积效应体内[4]。Gunst等。[22]已经提出了所引起的拉伸收缩装置的重组是负责动态条件下观察到的降低的响应ASM。Pratusevich等。[23]表明,收缩单元串联的数量取决于适于肌肉长度。因为细丝是从他们的最佳重叠移动肌肉长度的波动会减少力。王等。[10]最近已经报道了未刺激的气管平滑肌也示出了与长度调节张力的改变,再次牵连蜂窝组织的可塑性在确定平滑肌的机械特性。最后,Fredberg等。[24]表明,ASM长度循环期间,在收缩性的变化在很大程度上是由已肌球蛋白头和肌动蛋白丝之间形成的交叉桥的破裂占。
有在上肺容积波动对远端肺的机械行为的影响的文献相对较少。作者质疑拉伸是否会影响引起的肺外周的收缩。实质组织的变形可能会影响在较大的气道平滑肌必须支气管收缩期间克服的负荷。由于相互依存,在实质力学的变化会影响该负载,基线条件下,更应如此,支气管收缩期间,当实质,特别是周围的气道,进行局部拉伸和扭曲。从理论上讲,在正常的气道口径在深吸气后的效果差与哮喘人群中,可以通过肺容积变化对收缩肺组织的力学不同的效果来确定。
远端肺是由肺泡管,肺泡壁,小气道和小血管的一个复杂的系统。的肺实质条被认为是外围肺组织的良好的代理,因为它含有所有这些元素的和是在远端肺[11-15]的机械和药理学性质的研究通常使用的制剂。有一些限制,但是,这种方法。与肺实质条,拉伸不是三维的,如发生体内因此,只有沿着一个轴发生的收缩分量才会引起力学上的变化。尽管如此,这种方法已经被一些研究者使用,他们提出静息长度的1-3%的振荡近似地再现了在潮气量通风期间发生的拉伸;静息长度为25%的振荡被认为是在深吸气[25]的范围内。这是作者选择振荡大小的依据,尽管这些振荡再现的体积变化的确切程度很难确定。
在这项研究中,基线机械师与先前报告的那些可比的[15,26,27]。当肺实质条进行较大的机械应变(10%,尤其是25%振幅),在张力显著修改,组织阻尼和顺应性发生。Hysteresivity相对未受影响。元等。[15]已经表明,在豚鼠肺实质条,组织的类似的振幅依赖性阻尼和顺应性,并且缺乏对η效果。相反,纳瓦哈斯等。[28]未发现牵张幅度对犬肺实质条组织弹性有明显影响。在本实验中,振荡持续时间相对较短,且条带尺寸较大。此外,振荡是在平均工作应力附近进行的,而在目前的实验中,振荡是在平均工作应力之上进行的。拉伸后的操作应力更接近于模拟体内深吸气,在给定振幅的情况下,产生较高的平均应力。
肺实质是一个viscoplastoelastic材料。的组织阻尼和顺应性的振幅依赖是具有可塑性的或非线性的粘弹性[9]相一致。不同的解剖机制已经提出来解释这一现象。细胞外基质中,表面薄膜和收缩装置,所有可能有助于肺的viscoplastoelastic性质。细胞外基质由胶原和弹性纤维,糖蛋白和蛋白聚糖的。Mijailovich等。[29]表明,纤维与纤维的相互作用是粘塑性行为的主要来源。苏琪等。[30]提出,在生物聚合物溶液中,胶原蛋白和弹性纤维的“爬行”是肺组织粘弹性的原因。肺中的纤维,以及其他组织中的纤维,都嵌在由许多不同分子组成的基质中,包括蛋白聚糖。蛋白多糖是亲水分子,调节组织膨松,从而,机械性能。艾尔·贾马尔等。[31]最近已经表明,暴露于酶降解基质糖胺聚糖,改变肺实质条的粘弹性性质。这些数据表明,在组织水平的能量耗散是可归因于地面物质,除了胶原蛋白和弹性纤维网。
组织阻尼、组织弹性和张力增加。这一反应与作者实验室之前的工作以及其他实验室的工作结果相当[14,32]。当用平滑肌激动剂刺激肺实质时,可观察到收缩反应。肺周围不同的收缩因子可能是引起收缩反应的原因。小气道、小血管、间质性收缩细胞[33]均可引起ACh引起的周围力学改变。然而,在何种程度上,力学的变化反映了在制备过程中平滑肌的反应,或收缩引起的与平滑肌平行或串联的其他元素的修饰,如胶原-弹性蛋白多糖基质[34],目前尚不清楚。
收缩的条带肺表现出张力的幅度依赖性降低,组织阻尼和顺应性,类似的是,在不收缩的状态下获得。可以预期的是长度的振荡会引起在机械参数等同于机械变化的总和加上基线逆转收缩装置的乙酰胆碱诱导的激活期间的降低。然而,在力学看到的变化并没有在这两个实验条件显著不同。这些数据表明,大的机械拉伸,同时改变所述基质的超微结构组件的力学,不要在力学由收缩机器的激活直接导致反向thechanges。元等。[15]测量的豚鼠实质条各种应变振幅,其中所述组织中变成非活复阻抗。有在力学或应变振幅无论制剂中的平滑肌的生存能力的效果没有差异。他们的结论是结缔组织基质主导实质力学。然而,在该实验中,将实质制剂没有积极期间长度振荡收缩。本研究结果也与最近王公布的数据一致等。[10]。这些作者显示,在气管平滑肌,在无源和有源长度长引起的位移/张力曲线是等价的。这些发现暗示,在“细胞外脚手架”和/或细胞内细胞骨架的变化从所述收缩元件不同。本数据是第一个显示,在远端肺,振幅的效果也与该制剂的结构组分,而不是活化的平滑肌本身。
有对气道高反应结果的潜在影响。大肺容积波动,通过改变实质力学,将负载影响气道平滑肌以缩短必须克服。进一步的考虑是相对于滞后的机制。在相对于气道实质的滞回特性的变化可以解释以下深呼吸的支气管收缩或支气管扩张。因此,在哮喘患者中,肺外周大体积振荡的响应差异可能有助于在气道反应体积振荡差异。气道重塑的哮喘[35]被很好地描述。在气道壁的粘弹性得到的变化可能改变气道响应于深吸气。是否肺实质经历类似需要重塑调查,但一些研究人员已经在远端肺[36,37]的电平显示出炎症。因此,它很可能是改变的实质和深呼吸对远端肺的影响的力学行为有助于哮喘的病理生理学。
- 收到2003年3月6日。
- 公认2003年9月15日。
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