抽象
最近的研究报道了通过支气管镜(支气管热成型术)传递热能的应用损害了气道对甲氧胆碱反应的狭窄能力。这种改变的平滑肌如何影响气道对肺膨胀的反应可能有重要的临床意义,特别是因为它涉及到哮喘患者对肺膨胀和深吸气的异常反应。本研究的目的是检查支气管热成型术是否影响气道扩张和松弛气道的肺膨胀。
A total of 230 airways were studied, ranging 2.5–15 mm, in six dogs. These airways were divided into two groups: an untreated (control) population and a bronchial thermoplasty-treated population.
在治疗之前,在两组气道的气道压力 - 面积曲线是相同的。相反,在处理过的气道的放松和收缩的气道压力面积曲线在所有点向上移动,显示出在两个3和5周加重呼吸道区域后处理。
总之,这些结果表明,减少超过通货膨胀压力的正常范围支气管热导致增加气道的尺寸在两个松弛和收缩状态的功能平滑肌的量。
目前的研究已经证明,热能至气道壁的应用被称为支气管热,会削弱气道响应于乙酰甲胆碱氯化物缩小的能力(MCH)1。该技术最近被提出作为一种创新治疗,以衰减气道狭窄在哮喘2。在另一个近期研究中,高分辨率计算机断层扫描(HRCT)被用来精确之前和犬呼吸道与支气管热处理的标准MCH气溶胶攻击后量化气道区域的变化3.。这些研究结果表明,与未处理的气道相比,任何剂量的吸入Mch处理后的气道的管腔面积均显著增加。
从以往的工作,目前笔者已经建立了充分的放松气道处于低肺容积相当扩张,但很快就到达没有进一步扩张达肺总量(TLC)的最大尺寸。随着平滑肌紧张,呼吸道跟肺充气扩张不断增加,但即使是适度收缩气道的最大扩张没有达到,即使是在TLC4。这种气道扩张行为可能不仅仅是学术兴趣,因为已知哮喘患者对肺膨胀和深吸气的反应与健康个体不同。在健康受试者深吸气后,气道收缩被逆转,而在哮喘受试者中,往往没有逆转甚至进一步收缩5- - - - - -8。因此,改变的平滑肌层如何影响气道的到肺膨胀的响应可以具有用于支气管热的这种方法具有重要意义。为此,本研究支气管热是否会影响肺部气道通货膨胀腹胀既可以当气道被放宽或过音。
方法
本研究治疗六只犬用支气管镜提供射频能量多个航空公司的效果。该研究方案经约翰霍普金斯动物护理和使用委员会(巴尔的摩,MD,USA)。Six dogs, weighing ∼20 kg, were anaesthetised with thiopental (15 mg·kg−1诱导剂量为10 mg·kg−1·H−1静脉内维持剂量)。After induction of anaesthesia, the dogs were paralysed with 0.5 mg·kg−1,偶尔需要补充剂量,以确保成像过程中没有呼吸运动。气管内插管后,取8.0 mm内径气管内插管,取仰卧位,用循环容积式呼吸机(Harvard Apparatus, Millus, MA, USA)进行室内空气通气,潮气量15ml·kg−1和18次呼吸的速率·分钟−1。麻醉的深度稳定通过监测心脏率的变化和睫毛反射维护。
治疗与ALAIR系统
在所有可达的肺内气道的靶肺区域进行治疗。使用Alair®系统(Asthmatx, Inc., Mountain View, CA, USA)对动物进行支气管热成型治疗,该系统包括一个低功率射频发生器和一个带有四个电极的篮状导管。射频发生器通过温度反馈控制供电,在每个处理点维持目标处理设定10秒。所有可达的肺内实质部位直径≥2mm的整个肺区域和隆突的远端均采用该装置的连续激活治疗。在这项研究中,肺的左右侧被用来分配治疗区和控制区。每只犬的肺的一侧在75°C的温度下接受所有可及及可见气道的治疗(HRCT可量化)。随机选择每只犬治疗组和对照组(未治疗组)肺侧的治疗组,左肺治疗组3只,右肺治疗组3只。未治疗的肺作为每个动物的内部控制。观察人员对所有气道HRCT测量的治疗条件均不知情。
协议
每只狗作为其自身的控制。将狗麻醉,并且如上所述通风。On separate days, in random order, the dogs received a continuous intravenous infusion of methacholine (67 µg·min−1;西格玛化学公司,圣路易斯,密苏里州,美国),一种先前证明可以将气道缩小到基线的60%的剂量4或静脉注射阿托品(0.2 mg·kg)−1),先前显示的剂量完全阻断犬迷走神经张力4。To standardise lung volume history, prior to each measurement, the airway pressure was increased to 35 cmH2O, held for 5 s and then decreased and maintained at the designated airway pressure for the duration of each set of scans. At each pressure, HRCT scans were acquired to measure airway areas. Scans were acquired at airway pressures of 0, 3, 10, 16 and 30 cmH2O.每个实验条件之间,动物正常通风。从这些压力 - 面积曲线,具体呼吸道合规性(C年代) was calculated from the fractional changes in area with lung inflation from 0 to 10 cmH2O,如下所示:当A10is the airway luminal area at 10 cmH2啊,一个0气道腔内面积是否在0 cmH2啊,一个三十最大气道腔面积是否在30公分2O,P10is the airway pressure at 10 cm H2O和P0气道压力是0 cmH吗2O.
成像和呼吸道的分析
HRCT扫描是使用Somatom体积放大扫描仪(Siemens, Iselin, NJ, USA)获得的,使用螺旋模式在137 kVp和165 mA的8-s屏息(apnoea)期间获得60张CT图像。图像在1毫米的切片厚度和512×512的矩阵下重建,使用125毫米的视场和高空间频率(分辨率)算法,增强了边缘检测,窗口水平为−450 HU,窗宽为1350 HU。这些设置已被证明可以提供精确的流明尺寸测量,直径小至0.5毫米9,10。在每个实验方案中的给定的狗重复气道测量,相邻的解剖标志,诸如气道或血管分支点,被定义和使用在相同解剖横截面来测量气道的尺寸。使用这些地标,有可能在层叠系列与从支气管镜治疗位置获得的CT图像的匹配每个气道的位置。每个处理过的气道的所述支气管镜的位置是通过与由丹历之前详细描述的程序映射气道位置来确定等。1。
使用体积图像的气道分析模块,分析和显示分析(VIDA)图像分析软件包(放射学,生理学成像,爱荷华大学,爱荷华市,IA,USA的分部的DEPT),如先前所描述的HRCT图像和验证4,11。在HRCT图像转移到基于UNIX的Sun工作站。初始等值线被各气道管腔内绘制的,该软件程序然后通过在辐条轮的方式发出的光线,以限定气道壁的腔边缘的预先指定的像素强度级别自动定位气道管腔的周边。区域内和观察者间的精度和利用该体模HRCT技术中,由刚性管来测量已知区域的所述软件程序的可变性,已经预先由作者所示9,11并通过他人为运营商偏置高度耐药。
数据分析
每只犬有47-56个气道(直径2.5 - 15mm,在0 cmH时使用阿托品)2O)被确定,并在所有条件下测量的。The mean airway areas after atropine at 0 cmH2用非配对t检验比较处理组和未处理组气道的O值。为了比较单个气道治疗后或Mch挑战后的变化,将每个气道的100%气道面积定义为阿托品松弛后治疗前测量时间和30 cmH时测量的气道面积2O(初始最大尺寸)。随后的气道管腔面积测量都表示为初始最大气道大小的百分之。到肺膨胀的气道反应系为方差的广义分析MCH和阿托品挑战单独分析,与气道管腔面积(根据最大的百分比)的因变量,每只狗的多个气道,所述支气管热治疗和定时扫描相对于治疗日期独立变量。Bonferroni校正的是为平均值的多重成对比较制备。比气道顺应性进行方差比较处理和未处理的气道的三个时间点的单向分析MCH和阿托品挑战分别进行分析。意义被认为如果p值<0.05。
结果
前处理数据
A total of 97 airways were treated and measured (range 7–21 airways per dog), with a mean relaxed airway size of 6.9 mm in diameter (range 2.5–15 mm in diameter). A total of 133 untreated airways over the same size range were identified and measured (range 22–39 airways per dog), with a mean relaxed airway size of 6.8 mm in diameter (range 2.5–15 mm in diameter). For airways without muscle tone, there was no significant difference between the mean size of the group of airways to be treated and those to be left untreated (p = 0.9). Prior to treatment, at functional residual capacity (FRC), the mean sizes of the subsequently treated and the untreated airways were not different either during Mch infusion (16±1 and 15±1% of their initial maximum size, respectively, p = 0.18) or after atropine administration (66±2 and 64±1% of their initial maximum size, respectively, p = 0.49).
回应的压力越来越大
增加气道压力导致气道大小的增加。After atropine relaxation, the airways increased significantly in size at each increase in airway pressure and reached a plateau at 16 cmH2上午10点2O,随后处理组和未处理组气道的气道尺寸分别为初始最大气道尺寸的95±2和94±2% (p<0.0001,与初始最大气道尺寸相比,图1a)⇓)。16岁而言不啻2O,随后处理组和未处理组气道的初始最大尺寸分别为102±1 (p = 0.71)和101±2% (p = 0.33)(图1a)⇓)。此外,在随后处理和未处理的气道中,在任何气道压力下气道大小均无差异(p = 0.88)。
气道的大小(平均值±扫描电镜)在基线和增加阿托品一个之后的气道压力)前处理,和b)3周和c)5周后处理在后续处理(○)和未处理的(□)的气道。#:P <0.0001。
在Mch收缩过程中,气道持续变窄,直到气道压力增加到16cmh2O, when the airway increased significantly in size to 24±1 (p = 0.0007) and 23±1% (p<0.0001) of their initial maximum size for the subsequently treated and untreated airways, respectively (fig. 2a⇓)。30而言不啻2O,随后处理组和未处理组气道进一步显著增大,分别达到初始最大气道尺寸的46±3 (p<0.0001)和42±2% (p<0.0001)(图2a)⇓)。此外,在随后处理和未处理的气道中,在任何气道压力下气道大小均无差异(p = 0.11)。
![图2 -](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/26/2/277/F2.medium.gif)
气道的大小(平均值±扫描电镜与MCH输注在后续处理(○)和未处理的(□)气道)后处理在基线和乙酰甲胆碱氯化物(MCH)输注)预处理,以及b)3周,c)在增加的气道压力5周。#:P <0.0001。
治疗后3周(p<0.0001)和5周(p<0.0001)时阿托品给药后气道压力的剂量-响应曲线均较治疗前上升。同样,Mch处理组气道压力的剂量-响应曲线也向上移动,表明与治疗前相比,治疗后3周(p<0.0001)和5周(p<0.0001)时,响应性显著降低,内在结构张力降低。由于犬的个体气道反应在质量上没有差异,在随后的图中,我们展示了治疗组和未治疗组气道在每个时间点的组平均值。
治疗后3周的反应
支气管热成型术后3周,阿托品给药后,治疗组气道与未治疗组有显著性差异(p<0.0001,图1b)⇑)。At 0 cmH2O, the mean size of the treated and the untreated airways was significantly different at 74±3 and 65±2% of their initial maximum size respectively (p = 0.02). At 30 cmH2O, the mean size of the treated airways was 108±3% of the initial maximal size (p = 0.007), and that of the untreated airways was 104±2% of the initial maximum size (p = 0.17, fig. 1b⇑)。此外,处理后的气道在10 cmH的较低压力下达到大小高原2O (p = 0.20,与30 cmH时气道大小相比2O)。
Similarly, 3 weeks after bronchial thermoplasty, during Mch infusion, at every airway pressure there was also a significant difference between the treated and the untreated airways (p<0.0001, fig. 2b⇑)。At 0 cmH2O,处理组和未处理组气道的平均大小分别为初始最大气道大小的33±4和16±2%,差异有统计学意义(p<0.0001)。30而言不啻2O,处理组和未处理组气道的平均尺寸分别为其最大尺寸的71±2和52±2%,差异显著(p<0.0001,图2b)⇑)。
治疗后5周的反应
Five weeks after bronchial thermoplasty, after atropine administration, there was a significant difference between the treated and the untreated airways (p<0.0001, fig. 1c⇑)。At 0 cmH2O, the mean size of the treated and the untreated airways was not significantly different at 69±3 and 64±2% of their initial maximum size, respectively (p = 0.15). At 30 cmH2O, the mean size of the treated airways was 112±4% of the initial maximal size (p = 0.005) and that of the untreated airways was 103±1% of the initial maximum size (p = 0.03, fig. 1c⇑)。在3周时,处理后的气道在10 cmH的低压下达到最大尺寸高原2O (p = 0.17 compared to airway size at 30 cmH2O)。
Similarly, 5 weeks after bronchial thermoplasty, during Mch infusion, at every airway pressure, there was also a significant difference between the treated and the untreated airways (p<0.0001, fig. 2c⇑)。At 0 cmH2O,的平均尺寸经处理的和未经处理的气道是在分别的初始最大大小的28±3和16±1%(P <0.0001)显著不同。30而言不啻2O, the mean size of the treated and the untreated airways remained significantly different at 73±5 and 57±3% of their initial maximum size, respectively (p = 0.004, fig. 2c⇑)。
讨论
结果在本研究结果表明支气管热可以显著增加气道的尺寸在以下治疗任何程度肺充气的长达5周呈现。此外,在膨胀的改善发生气道平滑肌是否放宽或MCH收缩。虽然动物没有遵循超过5周,由丹历前期工作等。1,对接受类似治疗的狗进行了长达3年的随访。他们发现,治疗对气道对Mch反应的影响在这一延长的时间段内保持不变。因此,可以推测,本研究中观察到的增加的膨胀性在较长时间内也将是稳定的。
In a separate study by the present authors, where CT imaging was used to quantify the magnitude of decreased responsiveness of airway smooth muscle after bronchial thermoplasty in these treated dogs, animals were only studied at FRC (airway pressure 0 cmH2O).与之前报道一致,本研究发现处理后气道在0 cmH时2在Mch输注过程中,O在治疗后显著增加(3周33±4,5周28±3%)与初始最大尺寸前处理分别为16±2和16±1%)。因此,在肺膨胀前,治疗组气道对相同剂量Mch的反应较差,而在5周间隔内未治疗组气道的反应未发生变化(3周时为16±2,5周时为16±1%)与15±1%的前处理它们的初始最大尺寸的,分别地)。这些结果表明,以前报道的降低MCH响应,在FRC才执行3.,在肺体积较大时不能排除。
在与胆碱能肌张力与阿托品废除气道,发现了治疗气道已在所有压力增加的大小。The maximum airway lumenal size increased slightly from 100% pre-treatment, to 108±3% at 3 weeks (p = 0.04) and 112±4% at 5 weeks (p = 0.002) compared to their pre-treatment initial maximum size. Untreated airways maintained a consistent maximum size at 30 cmH2O 5周间隔(3周时104±2%,5周时103±1%)。这些观察表明,气道不仅在平滑肌收缩时变大,甚至在没有肌肉张力时也变大。虽然大剂量阿托品后仍可能存在一些非胆碱能色调,但之前在犬模型中的研究表明,这一色调太小,无法用成像方法检测4。
从气道常见的非线性压力-面积曲线计算柔度或膨胀率既不传统,也不容易。作为一个总的但可解释的指标,气道面积在0 - 10cmh压力范围内的部分增加2O的评估。此特异性气道顺应性类似肺的特定遵守作为人类肺功能评估实验室12。The data shown in table 1⇑证明,符合市场预期,有显著降低与妇幼保健挑战呼吸道合规性。然而,相对于未经处理的呼吸道,支气管热并没有改变在任的3层或5周的时间点,呼吸道合规性。
与以前研究犬气道压力-面积曲线的工作一致4,松弛气道在压力<10 cmH时相当扩张2在这个压强上相当坚硬。同样,气道收缩,这一先前的工作也表明,气道在低压力可以相当僵硬,只有扩大在最高压力。在本研究中,在接受治疗和未接受治疗的气道中都发现了类似的行为。此外,松弛气道变得不可扩张的压力并没有因为治疗而改变。然而,在没有平滑肌张力的处理过的气道中,放松气道略大的发现不能从之前的工作中预测出来,也不能用Danek最初使用的直接可视化方法检测出来等。1在支气管热成型术的原始描述中。Danek等。1只有检查气道与正常基线基调并没有做出任何企图废除基调。然而,他们没有组织学检查在不同的后处理时间处理和未处理的航空公司。在目前的工作中,平滑肌损伤的量没有组织学评估,但,由于治疗方案基本上是相同的,它被假定组织学变化类似于由丹历中所示的那些等。1。组织学显示,唯一可观察到的改变是处理后气道壁平滑肌数量的减少。平滑肌仍然存在,但有可识别的平滑细胞的气道周长有下降。既然如此,如何解释本研究的发现呢?
也许最大气道管腔面积增加的最可能的原因与平滑肌质量的绝对损失或改变有关。即使没有张力,气道周围总肌肉量的减少也可能使气道变得稍微大一些。尽管Danek等。1报告以下支气管热还原气道平滑肌的观察,通过支气管热治疗的平滑肌损伤的量的形态定量尚未完成,并且超出了本工作的范围。另一种可能性是,有一些结构上的改变在气道内其他(非肌肉)成分,如胶原蛋白或其它纤维元件未由丹历检测等。1。即使是轻微的改动从支气管热气道壁对这些结构元素可以有助于放宽气道的轻微扩张,即使没有在基线气道平滑肌张力降低。
虽然有可能是其他的呼吸道结构,如神经或船只,从支气管热急性损伤,故认为它是最有可能对气道平滑肌引起气道狭窄的衰减的直接行动。上皮,血管和神经都有很好的能力再生,通过呼吸道直接观察的支持的事实。期间,在处理时的支气管镜,在处理后立即观察到一些轻微的气道上皮损伤。但是,CT扫描没有对动物治疗后立即进行。第一CT测量后处理后并没有做,直到在治疗后至少2周,并且在这时间有气道或实质结构的CT扫描外观无毛的变化。
Gunst等。13有研究表明,如果平滑肌收缩足够高,生理上的跨肺压力增加可能不足以引起气道大小的任何增加。在Mch输注过程中未处理的气道,甚至在30 cmH时也是如此2O,气道只达到初始最大尺寸的50%。另外,处理过的气道能够即使在MCH的输注以增加它们的初始最大尺寸的〜75%。因此,如果以最大扩张压力的大小被简单地看了一下,与平滑肌色调处理过的气道明显比未处理的气道更扩张。这是符合在气道中存在具有功能性平滑肌的量减少1这一观察结果与冈斯特的推测有关等。13,并具有潜在的临床意义。在临床哮喘,收缩的固有的力可大于该其肺膨胀可以克服。这样的炒作是有一些意见显示,深吸气不减轻哮喘患者的支气管收缩一致8,14- - - - - -18。甲在支气管热处理过的气道减少平滑肌的量应允许气道收缩能够更容易地与一个深吸气胀得。在治疗呼吸道呼吸道合规性并没有改变,而这些航空公司的最大尺寸略有增加,导致外界认为如果一个人治疗哮喘气道,他们可能随后被预期行为更像是呼吸道健康的事实个人在他们的深吸气响应方面。一个潜在的相关意见源自从德拉赞·皮特在简要回顾了一个炒作19。有人指出,在气道无平滑肌张力,墙将更加兼容,这可能导致降低的最大呼气流量。虽然理论上是可能的,有几个事实会做出这样的情况极不可能的。首先,对于最大流量的波速度式中,实际的气道区域是更大的行列式(变化到第三功率)比气道顺应性。其次,在本研究中没有变化是在遵守在较低的肺容积发现,只有在压力 - 面积曲线位置的偏移。因此,增加的面积只能导致提高的最大流量。最后,有证据显示平滑肌的松弛是在实质气道导致减少的最大流量没有实验证据。如果这是一个连罕见的发生,治疗急性支气管痉挛有支气管扩张剂的不会是这样一个普遍推荐的治疗。
总之,已经在此示出的是减少对通货膨胀压力的正常范围的官能平滑肌与支气管热导致增加气道的尺寸在放松和收缩状态二者的量。如果在此过程中处理的人呼吸道中发现类似的效果,那么这加重呼吸道的大小很可能会在过度的气道狭窄的疾病的有益作用2。
- 收到2005年1月18日。
- 接受2005年4月25日。
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