摘要
气道重塑是指气道结构的改变,包括上皮下纤维化、平滑肌增重、粘膜下腺增大、新生血管和上皮改变。在对慢性损伤的反应中观察到重塑,不仅在哮喘中可见,而且在所有气道疾病中都可见。
哮喘患者气道重构与更严重的气流阻塞和气道高反应性相关;然而,其临床意义仍有争议。应该继续进行研究,以更好地理解疾病中气道重塑的准确含义及其治疗调节。
为了允许在该领域进行研究,应利用准确和标准化的方法来测量疾病和治疗后的气道改变。结构改变的标准检测是通过在A期间获得的气道组织进行直接分析事后剖析,手术或柔性支气管镜检查。为了避免侵入性技术,已经开发了其他工具来间接测量重塑,包括诱导痰、支气管肺泡灌洗液、血液和尿液分析、生理学和放射学评估以及在体外技术。
虽然有很大的兴趣,但通过这种间接技术获得的气道重塑测量的确切意义尚不确定,需要进一步的研究。尽管有侵袭性,直接的方法应该是有利的,以充分测量疾病中的气道重塑和其治疗调节。
气道重塑:从基础科学到临床实践
帮编辑。鲍利特和p。j。斯特克
本系列中的2号
气道重塑包括上皮下纤维化、平滑肌增重、腺体增大、新生血管和上皮改变。重塑不仅局限于气道,还发生在广泛的组织和器官,包括硬皮病的皮肤1和伤口愈合过程1,2以及炎症性肠病的肠道3.,4.几乎在所有损伤组织中都可以观察到重塑,特别是在反复遭受慢性损伤的组织中。在气道疾病中,气道重塑与临床结果相关,如更严重的气流阻塞和气道高反应性5- - - - - -9.气道重塑的临床意义仍有争议。然而,针对气道重塑的治疗有可能降低严重程度,改善控制和预防疾病表达。为了更好地了解气道重塑在疾病中的准确含义以及其在治疗中的调控,还需要进行更多的研究。目前的手稿是评估气道重塑的当前技术的概述。
气道疾病中的重塑
哮喘患者的气道重塑
1922年,H.L. Huber和K.K. Koessler首次在致命的哮喘病例中描述了哮喘的气道重塑10).气道重塑已被证明不仅在大的,而且在小的哮喘气道11.上皮完整性丧失12,基底膜增厚13、牙龈纤维化14,杯状细胞和粘膜下腺肿大15,16,增加平滑肌质量15,减少了软骨完整性17并且增加了气道血管性是在哮喘呼吸道中记录的结构变化18,19.哮喘上皮改变是上皮脆性和脚酚细胞增生。争论是否是上皮脱离是一种真正的疾病现象还是只是一种活组织检查抽样的人工制品12,15,20.,21.上皮下纤维化见于网状层,纤维化过程可深入到上皮下层。纤维化是细胞外基质(ECM)蛋白沉积增加的结果,包括胶原I、III和V、纤维连接蛋白、tenascin、lumican和biglycan13,22- - - - - -25.平滑肌层的变化表现为平滑肌细胞的肥大、增生和向上皮下区迁移15,26,27.气道平滑肌细胞可以通过释放细胞因子,趋化因子和ECM蛋白来增强炎症和重塑28- - - - - -30..血管改变包括增加气道壁血管的大小和血管生成18.这些结构变化可能源于持续的慢性炎症过程,涉及炎症细胞的激活,包括CD4 + T细胞,嗜酸性粒细胞,中性粒细胞和肥大细胞31- - - - - -35.驱动这一过程的炎症介质包括细胞因子(白介素(IL)-4、IL-5、IL-9和IL-13)、转化生长因子(TGF)-β、粒细胞/巨噬细胞集落刺激因子、脂质介质和组胺。其中一些介质具有强大的重构特性,如TGF-β、IL-11和IL-175,36,37.
慢性阻塞性肺疾病的结构改变
慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者的气道以鳞状细胞化生、上皮纤毛缺失、杯状细胞增生、黏液腺增大和平滑肌肥大为特征38- - - - - -41.,随着较大的气道比较大的肌肉质量增加增加42..小气道也可见气道壁纤维化和狭窄病变43.前纤维蛋白酶和保护性抗蛋白酶之间的不平衡与肺气肿的发展有关44..通常,基底膜增稠不是COPD患者的气道重塑的特征,尽管已经在具有主要嗜酸性炎症性兴趣的COPD患者的亚组中报道45..在COPD气道中也可以观察到血管生成46..在COPD中,炎症的特征在于增加巨噬细胞,CD8 + T细胞和中性粒细胞,并且在很大程度上由IL-8,肿瘤坏死因子-α,白酮(LT)B.4和TGF -β39,47.- - - - - -53..慢性阻塞性肺病肺部的许多(如果不是全部)结构性变化可归因于香烟烟雾成分造成的直接损伤和炎症。
其他气道疾病的结构改变
支气管扩张
支气管扩张是指归因于气道壁破坏的支气管的异常扩张与传染性后过程强烈相关。在支气管扩张中,通过肉芽肿的支气管式软骨和平滑肌层,支气管溃疡和血管阻塞的破坏是常见的54..除此之外,对具体的气道异常了解甚少。
囊性纤维化
囊性纤维化(CF)是一种涉及CF跨膜调节基因突变的遗传疾病。CF肺常出现支气管扩张、支气管扩张和纤维化改变。CF气道的结构改变包括杯状细胞和粘膜下腺延伸到细支气管和更高的上皮高度。软骨损失55.,过度的血管生成56.外周气道内壁和平滑肌区厚度增加57..在支气管壁中报道了胶原蛋白I和III,TenAscin和Elastin的致密纤维沉积58..CF气道用嗜中性粒细胞渗透,以及B-和T细胞59..IL-8,嗜中性粒细胞化学针,和LTB4是CF中的主要炎症介质60..
如表1所述⇓,大多数结构变化都不是一种特定的气道疾病的特征,而是由所有气道疾病共享。这些相似之处表明,人类气道的过度修复过程是解决慢性杂项损伤的常见方式。
气道重塑评估方法
表2给出了在评估气道重塑方法中使用的工具,这些工具将在下面的章节中讨论。重构的直接评价和重构的间接评价。
直接评估重塑:气道组织
事后剖析和外科肺标本
气道疾病的病理特征首先在手术或尸检获得的肺标本中被描述。手术组织提供了一种独特和全面的疾病病理特征的观点。在同一个体中,可以从中央气道到肺泡研究肺树。其他成分,如肺循环也可以研究。尸体解剖的标本对于了解致命哮喘的原因是有帮助的10.由里德设计的索引61.肺气肿亚型的特征40,43.已经通过来自COPD患者的手术肺部建立。发现重塑的发现也发生在哮喘和COPD中的远端气道和肺泡基于使用事后剖析肺组织。与因其他原因死亡的哮喘患者相比,致死性哮喘患者远端气道以气道壁增厚和平滑肌面积增加为主62..最近,在远端气道中检测胰酶阳性的肥大细胞被认为对严重哮喘患者的肺功能有保护作用63..通过开胸或胸腔镜获得的外科肺活检是获取肺/气道组织的最具侵入性的方法。这一过程需要全身麻醉和住院,并包括不可忽视的并发症风险。由于这些原因,外科活组织检查不用于研究目的。然而,在对某种疾病进行病理评估后未使用的肺标本可用于研究,许多中心正在建立组织库,以便收集、保存和分配这些组织供未来研究使用。主要的局限性事后剖析并且手术组织是样品代表疾病的严重阶段,这导致死亡或手术。还有对过去病史的准确了解,无法进行生理试验,治疗研究的不适用性以及需要手术干预的潜在肺病(在大多数情况下肺癌)。尽管如此,这一点事后剖析或外科标本,使一个独特的和全面的了解气道疾病的发病机制。
支气管活检
在柔性支气管镜下进行的支气管内活检(EBB)是目前研究中广泛使用的方法,也是研究疾病气道重塑的标准方法64.,65..柔性支气管镜检查是一种最微创的方式来获得中心气道标本。这些小型气道组织的组织学分析允许鉴定各种疾病之间的病理变化。EBB还用于评估药理学研究的潜在治疗效果。EBB的技术和研究方面在最近由EndObronial活检车间的专家出版中非常详细地详细说明66..与外科手术组织相比,EBB不允许研究通气道的整个厚度,因此必须用这种限制来解释结果。eBB允许评估仅对大型气道进行重塑。在大多数医院可以访问支气管镜检查单元。通过训练有素的呼吸道学家易于表现EBB,由研究受试者耐受,并且可以在攻击,治疗或加剧期间重复。与跨刻度活组织检查相比,EBB具有显着降低的并发症率。
Transbronchial活组织检查
也可在柔性支气管镜下进行经支气管活检(TBB),但取样远端肺,包括远端气道壁和肺泡组织。迄今很少有研究使用经支气管组织进行63.,67.,68..研究有限的主要原因是担心主要并发症,如出血和气胸。TBB的发病机制与EBB相似;然而,在TBB取样过程中,每次活检获得远端气道壁的成功率只有30-50%66..为了避免这种低成功率,需要进行多次活检,通常是4到8次,但随之而来的是并发症风险的增加。Balzar等.69.在哮喘患者的肺中使用TBB和手术获得的远端气道显示了类似的炎症轮廓。与EBB一样,TBB可在治疗前后进行。使用TBB,作者最近证明了重塑可以评估哮喘患者的远端气道,并且进一步描述了吸入皮质类固醇(ICS)对炎症和重塑的影响67.,70.TBB是研究远端气道受累和针对远端气道的治疗药物的有趣工具。TBB在气道重塑研究中的主要局限性是与手术本身相关的主要并发症的潜在风险,以及获取包含远端气道的足够样本的困难。
组织重塑评估技术
气道重塑的标准评估是通过气道组织的组织学检查。Jeffery详细描述了组织处理、可视化方法和量化et al。66..简而言之,事后剖析或者需要保留外科标本,EBB和TBB,以便在切除后保存,以允许未来的组织分析。组织通常保存冷冻或嵌入石蜡中。石蜡嵌入式组织显示出呼吸道壁形态的更好保存,并有利于改造研究。电子显微镜的一些重塑测量已经证明是非常有帮助评估耻骨纤维化和平滑肌增生的细节24.通过组织化学方法评估气道重塑(图1a)⇓)和免疫组织化学(图1B⇓和c)染色。一般来说,组织结构的评估是通过苏木精和伊红染色石蜡或冷冻组织来完成的。天狼红,范吉森或马森三色染色总胶原蛋白。用周期性酸移位染色法观察粘液腺。免疫组化可以检测被认为参与组织重塑的特定蛋白,如ECM蛋白13,23.此外,也可以使用针对抗靶细胞因子的特异性抗体。染色后,在光学显微镜下分析载玻片。结果通常表示为每种区域的阳性细胞的数量或特异性ECM组分(或其他)对活组织检查总面积的阳性细胞的数量。免疫组织化学检测的信号反映了蛋白质的组织表达。在组织中也可以检测到procibrotic细胞因子的mRNA表达原位杂交。(图1 d⇓).通过激光显微切割从全组织或特定组织区域提取mRNA,然后通过Northern blot、real-time PCR、逆转录mRNA或微阵列,研究重塑相关基因的表达。
间接评估重塑:体液
支气管肺泡灌洗
支气管肺泡灌洗(BAL)在柔性支气管镜下进行,可与EBB同时进行。BAL通常用于研究远端气道和肺泡的细胞组成和测定细胞因子/趋化因子的水平。然而,远端气道和肺泡室的个别组成部分无法区分。细胞成分主要为腔内炎性细胞和部分支气管上皮细胞。BAL中支气管上皮细胞过多提示哮喘中常见的上皮脆弱。这种对健康和疾病期间或治疗/挑战前后BAL含量的分析可以辅助气道壁分析。事实上,一些炎症细胞(如中性粒细胞)更容易在气道腔内被发现,而另一些细胞(如淋巴细胞)则主要在组织中被发现。由于气道重塑发生在组织中,BAL分析不是研究气道重塑的最佳工具,而只是作为可能正在进行的气道重塑和炎症过程的间接标记。许多介质,包括前胶原降解和合成产物,基质金属蛋白酶(MMP)和金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP)以及促纤维化细胞因子,都可以在BAL中被量化。MMP-9和TIMP-1已被成功量化,并在哮喘患者BAL液中评估其活性71..在严重的哮喘和哮喘患者中检测到升高的MMP-9活性,粘液过度分泌,这可能表明ECM在受伤的气道中提高了较高的营业额。与TBB相比,BAL流体采样是研究远端气道的低风险程序,受试者具有轻微并发症如轻度发烧的受试者耐受良好。使用BAL流体研究气道重塑的局限性是:1)远端气道和肺泡之间的歧视;2)对与ECM生产和降解有关的一些可溶性标记的间接和有限评估;3)撤回BAL卷和稀释因子的固有不一致。
诱导痰
高渗盐水诱导痰是一种相对无创且易于操作的技术。它通常用于评估中央气道的气道炎症。可在痰上清中检测到可溶性重构相关蛋白,如前胶原合成肽、MMPs、TIMPs和细胞因子。此外,诱导痰样本可以在特异性过敏原激发和/或治疗试验前后获得。在诱导痰中检测基质降解酶和抑制剂,如MMP-2, MMP-9, TIMP-1, TIMP-2, elastase和α1抗胰蛋白酶72.- - - - - -75..诱导痰中的MMP-9在过敏原攻击后严重哮喘升高,并且不受ICS治疗的影响75..这种MMP-9/TIMP-1比值的不平衡导致参与损伤修复过程的ECM蛋白的过度降解。通过定量I型前胶原c端肽(PICP)和I型胶原c端肽(ICTP),还可以间接检测I型胶原在痰上清中的周转情况。PICP是胶原合成的代表,而ICTP反映胶原降解。既往有报道称哮喘加重时痰中PICP升高,并与痰中嗜酸性粒细胞相关76..测定哮喘患者痰上清中血管生成因子、血管内皮生长因子(VEGF)和抗血管生成内皮抑制素的含量77.,发现VEGF在哮喘痰中升高,提示血管生成。痰处理需要添加一种还原性黏液溶解剂,以促进蛋白变性从黏液中释放细胞成分。然而,这明显降低了痰液中炎性细胞因子的浓度,直接干扰了免疫测定。这是研究诱导痰介质的主要局限性之一。为了避免这种限制,必须使用未经变性处理的新鲜痰标本。其他的限制包括稀释系数和获得足够标本的产量的不一致。然而,这是一种相对无创的技术,耐受性好,易于操作,只需要很少的设备和人员。痰诱导也可以反复进行,在攻毒/治疗前后,甚至在儿童和恶化的患者中。因此,通过诱导痰分析评估气道疾病的研究越来越多。
呼出的呼吸凝结
呼出气体凝析液(EBC)是研究气道重塑的一种无创方法,反映了气道内壁流体的组成。在EBC中成功测定了过氧化氢、lt、前列腺素、异前列腺素、一氧化氮衍生产物和氢离子等标志物78..这些标志物主要反映气道的炎症状态,在哮喘、COPD或CF患者中已有研究79.,80.然而,EBC中介质的测量重复性不高,技术需要改进81..迄今为止,没有通过EBC进行气道重塑的评估。
血
血液中胶原合成和降解的标记物可以被量化。在肝纤维化小鼠血液中测定了III型前胶原的氨基末端前肽和ICTP82.,这表明这些标记物可以在血液中有效地检测到。哮喘患者血浆中其他标志物如MMP-9、TIMP-1、细胞因子、eotaxin和嗜酸性粒细胞阳离子蛋白已被测定83.,84..急性加剧后,患有严重哮喘患者血清的产量和活性增加。已经提出了血清中的MMP-9水平,作为这些患者在这些患者中的炎症和气道重塑的有效,非侵入性的全身标志物83.,84..COPD中的血清TIMP-1与气流梗阻和恶化的负面相关85..低血清MMP-9/TIMP-1比值预测1秒用力呼气量(FEV)的不完全可逆性1)改为口服糖皮质激素治疗哮喘86..血液取样是一种微创技术,易于操作,在治疗或挑战前后都可能重复。然而,血液重塑的评估并不是针对气道的,来自其他器官的血液标记物可能会混淆测量结果。此外,缺乏可测量数量的重构相关介质不能排除它们的贡献,因为大多数这些蛋白质是在肺部局部合成的,并没有以足够高的量释放到血液中来测量。
尿
尿液采样不是评估气道重塑的常用方式。在肝病中,胶原蛋白交联,吡啶醇和弹性蛋白的尿浓度与肝硬化受试者的活组织检查标本中的肝纤维化分数相关82..最近的一项研究在哮喘患者的尿液样本中检测到了糖胺聚糖(GAGs),这是ECM的一种成分87..ICS长期治疗后,GAGs水平降低。虽然对气道重塑不是特异性的,但在尿液中检测气道重塑标志物可能是一个有趣的探索途径。
用于对体液中重塑的评估技术
液体中重构的评估与组织有很大的不同。针对胶原蛋白或蛋白酶和抗蛋白酶的特异性抗体也用于液体中的蛋白质定量。胶原蛋白降解和合成产物或MMP和TIMP可以通过酶联免疫吸附测定或放射免疫测定进行量化。如果蛋白质丰富,可以进行Western blot分析和酶谱分析。所有这些技术都能检测液体中的蛋白质水平。炎症细胞可以通过免疫细胞化学和原位杂交对血压细胞因子表达的杂交。MRNA可以从炎性细胞中提取,然后加工以研究通过NORTHERN印迹,在MRNA和微阵列的逆转录后的实时PCR研究基因表达。
气道重塑的放射学评估
高分辨率计算机断层扫描
还可以通过胸部的高分辨率计算断层扫描(HRCT)来评估气道重塑。该技术允许在没有侵入性技术的情况下研究气道内腔和墙壁尺寸,这可能有助于在儿童中进行严重评估88.在临床试验中89..Awadhet al。90.报告更大的壁厚度与增加的哮喘严重程度。与可逆性气道梗阻的哮喘患者相比,HRCT显示,不完全性可逆性气道梗阻的哮喘患者壁厚增加91..然而,从HRCT聚集的观察结果并不像组织的组织学检查那样详细或信息,并且遗憾的是,没有关于迄今为止潮气道的组织学和放射检查的研究。
支气管内超声
在过去的几年里,已经开发了内核超声(EBUS),主要是允许肺癌分期中的支气管癌和靶向节点的临床诊断和靶向节点。但是,在2003年,案例报告描述了通过Ebus在哮喘中测量耻骨厚度/水肿的测量,在蒙特洛斯特治疗中降低了水肿92..一项研究验证了通过EBUS的气道壁增厚的测量,这与HRCT测量相比很好93..此外,肺移植受者最近的一项研究表明,EBUS可以区分不同的气道层,并有助于急性肺排斥反应的诊断94..虽然令人兴奋,但EBUS是一种相对侵袭性的技术,实际上缺乏组织学相关性。到目前为止,EBUS还不能区分气道壁的不同组成部分,如平滑肌束,因此,EBUS在气道重塑研究中的应用受到限制。
气道重塑的生理评估
肺功能数据被用来表示气道重塑。在一项从童年到成年的纵向研究中,低的支气管扩张剂后FEV1/致命能力(VC)比率与肺功能的加速下降相关,降低气道可逆性95..这项研究表明,低后胆管发作的FEV1/VC比率是气道重塑的代表,重要的是,重塑过程在儿童早期就开始了。通过测量解剖死腔随肺体积的变化而降低的气道扩张,已经在哮喘患者中观察到,并提出了反映气道重塑的建议96.- - - - - -98..一项研究证实了这一假设,该研究发现哮喘患者气道扩张性与网状基底膜(RBM)厚度之间存在负相关99..从本研究来看,死腔随肺容积的变化反映的是RBM的厚度,而不是其他的重塑特征。气道扩张度测量对哮喘严重程度和治疗反应的敏感性还有待进一步研究。气道重塑与肺功能损害的相关性并不一致,但仅使用肺功能评估气道重塑的研究应谨慎进行。
在体外改造模型
原代气道结构细胞,例如上皮细胞,成纤维细胞和平滑肌细胞,可以从人类气道成功分离。因此,可以研究,在体外,各种刺激后各个细胞的纤维化和增殖性质。最近,研究人员成功地重建了航空公司在体外利用组织工程One hundred..这些模型可用于研究结构细胞之间的相互作用及其对损伤的反应。这些重建的气道可以是物理或化学伤害以研究他们的在体外修复过程。
综上所述,临床上气道重塑被定义为尽管有积极的抗炎治疗仍持续存在的气流阻塞。重塑的标准评估是通过手术肺或气道标本通过柔性支气管镜采集。柔性支气管镜检查是一种微创技术,但需要专家的专业知识。已经开发出绕过活检取样的工具。通过间接分析血液、尿液或痰中重塑标记物,可以了解正在进行的纤维化过程;然而,尚不清楚胶原蛋白或蛋白酶的液体变化是否会对病变的气道壁产生重大影响。这些替代工具,包括高分辨率计算机断层扫描、支气管超声、肺功能测量和组织工程,可作为筛查工具,但气道重塑的调节需要在气道壁标本中得到证实。
哮喘和慢性阻塞性肺疾病(COPD)中的气道重塑评估的例子使用内核活检组织。a)血红素和曙红染色,允许在COPD中的气道墙上的一般形态学评估。b)哮喘平滑肌α-肌动蛋白(棕色)的免疫细胞化学。c)哮喘中龈上胶原III纤维(棕色)的免疫细胞化学。d)原位转化生长因子(TGF)-β的杂交表达炎症细胞表达TGF-β mRNA;正信号在暗场下显示为亮白色。
脚注
本系列以前的文章:Fixman ED, Stewart A, Martin JG。哮喘气道结构变化发展的基本机制。欧元和J2007;29日:379 - 389。
- 收到了2006年2月9日。
- 接受2006年8月29日。
- ©ers Journals Ltd