摘要
在静态和动态条件下比较异丙肾上腺素、硝普钠(SNP)和电场刺激(EFS)对气道舒张的影响。舒张剂减少气道僵硬的能力,因此,可能有助于支气管扩张也被调查。
在静态条件下,在模拟潮汐和两次潮汐动作的体积振荡中,记录了猪充满液体的支气管段的松弛反应。通过卡巴酚诱导的管腔压力的降低来评估支气管扩张,在体积振荡产生的压力循环中等体积点来评估,通过周期振幅来评估刚度。
在静态条件下,所有三种抑制性刺激均使卡巴胆碱诱导的收缩部分松弛。体积振荡也以振幅依赖的方式减少收缩。然而,当异丙肾上腺素或SNP与体积振荡相结合时,观察到最大松弛,实际上在最高药物浓度下消除了收缩。在静态或振荡条件下,异丙肾上腺素和EFS的比例效应没有差异,而在振荡气道中对SNP的松弛作用稍大。所有三种抑制性刺激也强烈降低了卡巴胆碱诱导的气道硬化。
目前作者的结论是,通过将气道平滑肌的抑制性刺激与周期性机械应变相结合,可以强烈抑制支气管收缩。气道平滑肌松弛剂降低僵硬的能力可能进一步促进支气管扩张。
气道口径由神经、药理学和机械因素调节,这些因素向气道平滑肌(ASM)提供兴奋性或抑制性输入。近年来,人们也越来越认识到正常呼吸期间肺部动态机械环境的重要性,特别是一系列收缩剂因潮气和深呼吸的动态应变而产生的ASM主动力的丧失1- - - - - -4.应变诱导力调节的确切机制尚不确定,但可能包括跨桥循环和/或细胞骨架和收缩蛋白可塑性的改变3.,5. 因此ASM tone and airway calibre is regulated by summed and possibly interlacing effects of the various signalling pathways evoked by contractile agonist-induced airway activation and by downstream contractile regulation of ASM through the dynamic mechanical environment of the lung.
在这种机械环境中,对ASM的抑制输入了解较少。正如Fust和Stephens所指出的6在美国,ASM的放松能力与收缩能力对气道生理学和高反应性同样重要。据目前作者所知,只有一个报告比较了在静态和振荡条件下药理学诱发的弛缓4.在该研究中,异丙肾上腺素和应变每个还原力在孤立的ASM;然而,没有证据表明药理学和机械干预有实质性的协同效应4.目前尚不清楚振荡应变如何与其他抑制性信号通路相互作用。ASM抑制输入体内通常涉及药理学(例如β2肾上腺素受体激动剂)和神经输入,主要是后者通过nitrergic神经传递7- - - - - -9.来自神经和非神经来源的一氧化氮也被认为在炎症性疾病中发挥作用,包括促炎和ASM松弛作用10.考虑到动态条件对肺功能的重要性,在抑制刺激和周期性张力共同存在的情况下,ASM的松弛反应显然与维持正常气道直径和可能在疾病中过度气道狭窄有关。
在本研究中,我们测定了周期性紧张对若干松弛剂刺激的效果,即神经诱发松弛、一氧化氮供体(硝普钠(SNP))和异丙肾上腺素。SNP、异丙肾上腺素和神经刺激的不同细胞信号通路也可能提供有关机械张力调节ASM收缩和药理学和神经刺激调节收缩过程之间可能的交叉点的信息。研究是在完整的气道准备模型中进行的体内在这种情况下,机械应变是由跨壁压力的周期性变化而产生的,它对壁内ASM施加应力,然后使其应变。这种方法比孤立的ASM研究更可取,因为ASM壁面应变的量和动力学取决于组成多层气道壁的各种结构的刚度。换句话说,除了ASM松弛直接导致支气管扩张外,抑制刺激也可能降低气道的刚度,这可能有利于支气管扩张,因为ASM对机械振荡的应变更大。由于支气管扩张剂对气道刚度的影响以前没有文献记载,目前的作者也评估了神经和药物刺激松弛后气道段的压力-容量特性。目前的发现进一步支持肺的动态条件和气道刚度在调节气道口径的重要性。
方法
组织准备
所有动物实验均符合机构伦理和动物护理单位条例(西澳大利亚大学动物伦理委员会,珀斯,澳大利亚)。雄性长白猪~ 25公斤的初始注射替他明-唑拉西泮(4.4 mg·kg)−1坜)和噻嗪(2.2 mg·kg−1坜),然后在戊巴比妥钠麻醉下放血(30 mg·kg)−1注射。).肺被取出,用冰块运送到实验室。
从左下叶主支气管干中分离支气管段。将所有侧枝结扎,在支气管两端形成长20毫米、内径约2毫米的支气管段,放置在器官腔内。插管后,支气管水平放置于含气体(95% O2和5%的公司2克雷布斯溶液(121 mM NaCl, 5.4 mM KCl, 1.2 mM MgSO4, 25mm NaHCO3.、5.0 mM吗啡酰丙烷磺酸钠、11.5 mM葡萄糖和2.5 mM氯化钙2), pH 7.3保持在37°C。支气管腔相通通过将三路水龙头连接到充满克雷布斯溶液的储液库,而另一端连接到伺服控制的1ml注射器。打开水龙头,可以用储液器中的克雷布斯溶液冲洗管腔。所有的连接都采用坚硬的聚乙烯管,以最大限度地降低系统的适应性,并且无泄漏。在完全放气的肺中,该段的长度被拉伸到其长度的105%,先前显示的是在功能剩余容量下的长度的近似11.起初,将腔内(也就是透壁)压力设为5 cmH2O (0.49 kPa)使用充满Krebs溶液的储层,并通过校准传感器(Gould,型号P23ID)和PowerLab数据采集系统(ADInstruments, Bella Vista, Australia)测量腔内压力。
在解剖和安装后,在5 cmH的静态被动压力下,让各节段在器官浴条件下平衡1小时2O(0.49 (千帕)。通过乙酰胆碱(ACh;10−4米)。在支气管段和储液器之间插入一个水龙头,关闭后支气管收缩(如. 至ACh)测量为腔内压力上升,定义为主动压力。
体积振荡
使用伺服控制注射器产生腔内体积和ASM周长的周期性振荡。注射器柱塞由直流电机驱动(JDTH-2250-FX-1C型;利顿克利夫顿精密公司,克利夫顿高地,宾夕法尼亚州,美国)通过一个BioPWM顺序电机控制器(V1.0模型)和定制设计的软件(S. De Catania©2005)。通过附在注射器柱塞上的线性位移电位器对电机控制器进行反馈控制。这个伺服控制系统允许振幅和频率的正弦变化的音量被控制。除说明外,每个支气管段在静态条件下和体积振荡下进行研究,模拟潮汐呼吸和两次潮汐呼吸。为了模拟潮汐呼吸,选择了正弦体积振荡振幅,以便在放松条件下产生5-10 cmH的压力波动2O(0.49–0.98 千帕;即。一个5厘米高的波谷2O和10cmh的峰2O产生5厘米每小时的潮汐变化2O)频率为0.25赫兹。在以前的一项研究中,潮汐体积振荡被证明会使ASM周长增加约4%12.两次潮汐呼吸时,振荡体积是潮汐呼吸的两倍。
试验协议
三组支气管分别在静态和振荡条件下测定对神经刺激、一氧化氮供体(SNP)和异丙肾上腺素的松弛反应。
记录猪气道抑制电场刺激(EFS)反应的方案取自Kannan和Johnson8康奈兰和米切尔9.简而言之,支气管暴露于低浓度(10−7M)注射阿托品20分钟,阻断胆碱能神经对efs诱导的反应的作用。在彻底冲洗后,在振荡或静态条件下,气道与卡巴醇收缩。为了使有效压力标准化,使用了氨基甲酸乙酯(10−5M)在静态条件下产生非阿托品制剂最大收缩量的约50%。使用Grass医疗器械刺激器(型号S44;Ugo Basile脉冲助推器(型号T3165;美国弗吉尼亚州Comerio)。在这些阿托品制剂中,EFS产生松弛反应,即。主动腔内压力的降低。在静态、潮汐和两次潮汐条件下,以随机序列记录efs诱导的弛豫。
在另外两组支气管中使用了一个单独的方案,以确定对SNP和异丙肾上腺素的松弛反应。在静态或振荡条件下,用氨基甲酸乙酯预收缩气道制剂。为了提供EFS实验中使用的相同数量的主动压力,使用浓度为10−6M)在静态条件下产生的最大反应量的50%。由于气道未暴露于阿托品,卡巴醇的浓度低于EFS方案。一旦静态或振荡的主动压力稳定下来,SNP (3×10−6, 10−5和3×10−5或异丙肾上腺素(10−7, 10−6和10−5M)补充道。一旦对前一浓度的反应稳定(每浓度约5分钟),就累积添加各浓度。图1显示了异丙肾上腺素诱导弛豫反应的一个例子⇓.按随机顺序分别在静态、潮汐或两次潮汐条件下进行试验。
![图1-](http://www.qdcxjkg.com/content/erj/33/4/844/F1.medium.gif)
例示潮气量振荡时腔内压力循环,首先在松弛气道内,然后用氨基甲酸乙酯(10−6M),最后加上10−6异丙肾上腺素。卡巴醇收缩气道段(在压力槽处测量)和增加刚度(从槽到峰值压力幅值),而异丙肾上腺素放松气道,降低刚度。
分析和统计
被动压力定义为器械压头施加在支气管上的压力,主动压力定义为在相同体积下ASM收缩产生的压力变化。在振荡条件下,主动压力在压力循环的波谷测量,因为这些等体积点可以直接比较静态和振荡条件。为了研究振荡与EFS、SNP或异丙肾上腺素之间可能的相互作用,在加入弛豫刺激剂或药剂之前,诱发弛豫在主动压力下被正常化。即。基线压力。个压力产生的体积变化振荡被用作索引的刚度在动态条件下,包括墙的墙弹性和粘性阻力运动,使它的墙阻抗测量显示了支气管充气有多难。
对松弛药物的反应、EFS和振荡采用单、双方差分析或配对t检验进行分析。在适当的地方使用重复测量方差分析。数值用平均值±表示扫描电镜n为准备物和动物数量。
结果
在静态和振荡条件下记录主动气道压力(收缩)。在没有ASM激活的情况下,体积振荡产生的压力循环的波谷-波峰振幅为4.7±0.4 cmH2O(0.46±0.04 kPa),潮汐振荡11.7±0.6 cmH2O(1.15±0.06 kPa)。在氨基甲酸乙酯激活ASM时,两种循环机制的波幅均增加到21.6±2.9 cmH2O(2.12±0.28 kPa)的潮汐振荡(图1)⇑)和48.2±5.6 cmH2O(4.72±0.55 kPa),表明气道刚度增加,气道浓度增加12.然而,氨基甲酸乙酯(10−6M)在振荡气道中明显少于静止气道,在潮汐振荡期间减少27.8±4.3%,在两次潮汐振荡期间减少66.8±4.1% (p<0.001;重复测量单因素方差分析;n = 12)。
在用卡巴醇收缩的阿托品化气道制剂中,电场刺激组产生松弛(图2)⇓).先前的研究表明,在上述条件下对电场刺激的松弛反应起源于神经,因为它们被神经阻断剂河豚毒素所消除9.这在本研究中得到了证实(数据未显示)。研究了四种在一氧化氮合酶抑制剂L-NOARG (10−4 M) 为了∼30 静态条件下的最小值。L-NOARG在很大程度上消除了对EFS的舒张(反应抑制率为95.4±3.9%),而不改变卡巴胆碱诱导的收缩。静态和动态条件下记录的平均EFS响应如图所示 3.⇓.随着振荡气道主动压力的降低,响应EFS的压力绝对下降也减少了。然而,在刺激前与基线音(主动压力)对比正常化时,不同条件下的松弛率相似(静态、潮汐和二次潮汐分别为37.1±6.0%、37.4±5.1%和32.2±4.4%;p > 0.05;重复测量单因素方差分析;n = 6)。
取样腔内压力曲线(cmH)2O)在猪孤立呼吸道中记录的碳水化合物(10−5M)在a)静态和振荡体积条件下,b)潮汐和c)两次潮汐条件下。体积振荡在气道腔内产生周期性压力,两倍潮汐体积振荡时气道腔内压力大于潮汐振荡时气道腔内压力。在等体积点(即。振荡条件下的槽压)。电场刺激(2 ms, 20 Hz, 299 mA应用30 s;····)在所有条件下均产生等体积点(箭头)主动压力的瞬态降低。
a)卡巴酚诱导的张力松弛(cmH)2O)通过电场刺激(EFS;□)在静、潮和两次潮振荡下的隔离气道内。数据显示EFS前、后的主动压力(p< 0.0001-0.01;重复测量双向方差分析)。b)当对EFS的反应正常化到基线压力(%基线音调)时,没有显著差异(p>0.05;匹配的单向方差分析;N = 6)在静态和振荡条件下的百分率响应之间。
在静态条件下,SNP和异丙肾上腺素都产生浓度依赖性的松弛(图4a)⇓和5a⇓).类似地,SNP和异丙肾上腺素在气道受到振荡时产生松弛,气道中的主动压力已经因振荡而降低。当在加入药物前正常化到基线音调时,异丙肾上腺素诱导的弛豫在振荡和静态条件下是相似的(图4b)⇓).然而,两种振荡参数均增强了SNP的正常化松弛反应(p<0.001;重复测量双向方差分析;n = 6;图5 b⇓).
异丙肾上腺素的浓度-响应曲线(10−7, 10−6和10−5 M) 在与卡巴胆碱(10−6米)。a)卡巴酚诱导的主动压力(cmH)的放松2在静态(□)和振荡条件下显示:潮汐(▴)和两次潮汐(•)。异丙肾上腺素和振荡均引起松弛(p< 0.0001-0.01;重复测量双向方差分析)。b)将每个气道对异丙肾上腺素的反应归一化至基线压力(%基线张力)。差异无统计学意义(p>0.05;重复测量双向方差分析;N = 6)在静态和振荡条件下的百分比松弛。
硝普钠浓度-反应曲线(SNP;3×10−6, 10−5和3×10−5 M) 在与卡巴胆碱(10−6米)。a)卡巴酚诱导的主动压力(cmH)的放松2O)由SNP显示在静态(□)和振荡条件下:潮汐(▴)和两次潮汐(•)。SNP和振荡均引起弛豫(p<0.001;重复测量双向方差分析)。b) SNP反应与每个气道的基线压力(%基线张力)正常。在每种振荡条件下,SNP反应百分比显著增加(p<0.0001;重复测量双向方差分析;n = 6)。
如前所述,卡巴醇增加气道刚度和主动管腔压力。除了如前所述降低气道主动压力外,三种抑制信号都能降低气道僵硬度,通过SNP和异丙肾上腺素(p> 0.0001-0.001;重复测量双向方差分析;n = 6)和20-30%的EFS逆转(p<0.05;无花果1⇑和6⇓).不同振荡条件下气道刚度逆转程度差异无统计学意义(p>0.05;配对t检验;n = 6)。
异丙肾上腺素、硝普钠(SNP)和电场刺激(EFS)降低气道僵硬度刚度是通过潮汐(▴)和两次潮汐(〇)体积振荡期间的波谷-峰值压力振荡的振幅来评估的。每一种松弛剂的气道僵硬度的降低都表示为卡巴醇产生的僵硬度初始增加的百分比,这里称为百分比逆转。a)异丙肾上腺素的最大浓度(10−5M)导致~ 85%的逆转回到松弛僵硬。差异无统计学意义(p>0.05;重复测量双向方差分析)的响应在潮汐和两次潮汐振荡。b) SNP的最大浓度(3×10−5M)导致~ 80%的逆转回到松弛僵硬。差异无统计学意义(p>0.05;重复测量双向方差分析)的响应在潮汐和两次潮汐振荡。c)电场刺激可使僵硬度恢复至松弛僵硬度20-30% (p<0.05)。差异无统计学意义(p>0.05;重复测量双向方差分析;N = 6)。
讨论
本研究比较了在静态和动态条件下可能遇到的一系列生理和药物刺激的作用体内.ASM对收缩药理学药物的反应依赖于流行的动态条件1- - - - - -4,13. 然而,在动态条件下,ASM或气道对其他常用抑制性药理学或生理刺激的反应性知之甚少。目前的研究结果表明,在动态环境中,ASM振荡与神经和药物松弛相结合,导致ASM张力的主要抑制,从而导致气道狭窄。此外,抑制剂降低了气道壁的刚度,从而体内可能是支气管扩张剂疗效的重要组成部分。
肌肉长度单次或连续变化引起的ASM力衰减是有充分证据的1- - - - - -4,13. 因此体内,气道张力或口径很可能由呼吸波动力与内源性ASM收缩或通过药理手段(如乙酰甲胆碱激发)诱发的收缩之间的持续动态调节。然而,这只是等式的一个方面,也可能包括ASM抑制信号的活性或存在。这些可能包括来自神经输入的生理活动(通常为氮能),以及来自激素或用于治疗阻塞性气道疾病的药物的β-肾上腺素能输入。本研究提供了动态条件下气道舒张的信息。与之前的全气道准备研究一致12,13,腔体积的周期性振荡抑制了主动力,或如这里所测的主动腔压力。在松弛气道中使用两个水平的体积振荡来产生与潮汐呼吸相对应的压力波动(5 cmH)2O振幅)和两倍于潮汐呼吸和叹息之间的深度呼吸的音量。除了机械振荡产生的松弛外,所有三种抑制干预(EFS、SNP和异丙肾上腺素)都产生了进一步的松弛,因此与更传统的等距测量方法记录的刺激诱导的松弛相比,气道整体张力显著降低。例如,中浓度的SNP或异丙肾上腺素,加上潮汐振荡,气道张力降低了约70%,而如果再加上两次潮汐振荡,气道张力几乎消失。
由于在振荡的气道中有较少的主动张力,在动态条件下诱发松弛的绝对幅度小于静态条件。因此,放松是正常的基线音调。在电场刺激和异丙肾上腺素的情况下,静态和动态条件下的正常化松弛没有区别。因此,两种干预措施(振荡和诱发松弛)的联合松弛效果相同或类似于这两种干预措施的分数变化的倍数。电场诱导的神经弛豫被L-NOARG阻断,L-NOARG是一种以前用于识别一氧化氮介导的神经弛豫的阻滞剂8,9.对EFS或异丙肾上腺素和振荡的反应的乘法模型可能表明,干预作用在独立的、非相互作用的位点,正如阿甘之前提出的等.4异丙肾上腺素。电场效应和异丙肾上腺素作用于收缩机制的上游,因此振荡和诱发弛缓之间没有相互作用,这与机械应变对ASM收缩影响的分子机制相一致3.,5.
然而,SNP的发现与EFS和异丙肾上腺素不同,在振荡条件下,SNP的正常化反应更大,重要的是,比乘法模型预测的更大。而静态和振荡条件下的弛豫差异不大(即。图5b的正常化松弛有10-20%的差异⇑仅为几厘米h2O),这一发现有许多可能的含义。首先是与电场刺激的明显冲突,振荡对神经介导的放松反应没有影响,而对外源性一氧化氮的放松增强。SNP是一氧化氮供体,在很大程度上应该模拟EFS的连接后成分。鉴于SNP和EFS共同的连接后通路,有人可能认为,振荡对神经递质的释放施加了一些抑制连接前效应,然后抵消了振荡增加的连接后效应。这种可能性似乎不太可能,因为振荡对发射器释放的抑制作用必须与一氧化氮对ASM的增加作用完全匹配,因为efs诱导的反应在静态和振荡条件下是相同的。其次,SNP增加的连接后效应结合菌株振荡表明这两个途径可能相互作用。尽管SNP行为通过因此,不能排除SNP与ASM株之间的某些机制相互作用。最后,一种可能的物理化学解释,SNP的增强效应与振荡可以提供。在振荡气道的物理搅拌环境中与组织接触可能促进了SNP的化学还原以释放一氧化氮14,15,从而增加了产生的松弛量。在这种情况下,在振荡条件下增加的弛豫在某种意义上可能是系统的人工产物,而不是反映真实的信号相互作用。
通过使用完整的气道准备,目前的作者也能够确定有力的软化收缩的气道壁通过所有三种抑制干预。收缩激活增加ASM刚度16,它增加完整气道壁的刚度,在没有ASM收缩的情况下,其强度远远大于被动气道壁的刚度12.在本研究中还观察到碳水化合物对气道壁的强力加强作用,证明了在碳水化合物存在时,从谷到峰的压力增加了四倍。SNP和异丙肾上腺素以浓度依赖的方式降低了氨甲酚诱导的僵硬,因此在高浓度时,僵硬几乎恢复到前氨甲酚水平。在动态条件下,壁面弹性和壁面组织阻力(粘度/粘弹性)都会改变压力摆动(谷-峰)以实现固定体积变化。支气管扩张剂和抑制性神经刺激对气道僵硬的影响以前没有报道,尽管β-肾上腺素能激活已知在细胞水平降低僵硬17- - - - - -19.这一新描述的生理和药物抑制剂的作用,在一个更综合的组织水平在激活的气道,可能有相当重要的意义,维持气道张力体内. 深吸气和潮气呼吸保持气道通畅的能力体内已是不争20..这种效应是次级的ASM应变,反过来是由呼吸过程中气道的透壁压力和应力产生的。应变是气道僵硬的关键因素;刚度越小,呼吸运动带来的张力越大,ASM力的减小就越大,因此支气管扩张的可能性也就越大12.β-肾上腺素受体激动剂和神经刺激的支气管扩张作用通常被认为是在它们对ASM收缩的直接影响的框架内。目前的研究结果提出了一个不同的概念,其中抑制性神经和药理学信号也通过降低气道刚度,最大限度地减少应变诱导的ASM力,从而放大支气管扩张,从而促进支气管扩张。因为应变被认为是气道口径最有力的调节因素之一4,气道在支气管扩张剂刺激下的弹性和粘性特性可能对逆转气道收缩的整体效果至关重要。
上面的范例可能更重要体内,与本研究不同的是,气道长度可自由扩展和扩张。正如Maksym所讨论的,ASM在气道周围大致呈周向排列,因此随着ASM收缩和周向硬化,吸气时气道可能更容易延长et al。21. 呼吸时气道延长的趋势增加,可抵消周向ASM张力,从而增加支气管收缩刺激产生的ASM力。如果ASM应变低于临界值(1–2%),则机械应变的松弛作用可能会丧失4,12.如前所述,通过向周向软化气道,支气管扩张剂可能会增加ASM应变,通过在吸气时改变气道长度和直径之间的平衡,回到气道扩张而不是气道延长,可以进一步增加松弛。支气管扩张剂的疗效可以在气道相对周向和轴向刚度的三维环境中考虑,呼吸压力产生的相应气道扩张(即。扩张与加长)和ASM力。
总之,目前的作者已经证明呼吸运动结合抑制性神经支配或药理学支气管扩张剂可使气道平滑肌收缩有力下降。通过环磷酸腺苷或环磷酸鸟苷途径的气道平滑肌伸展和放松的作用似乎在很大程度上是独立的,一旦纠正了较低水平的张力,振荡对抑制反应的主要影响不大。然而,抑制激动剂和神经也能降低气道僵硬体内在潮汐或深吸气时,可使经肺压力固定变化时,更大的气道平滑肌伸展,增加支气管扩张剂的功效。
支持声明
P. Noble的工资由西澳大利亚Raine医学研究基金会(澳大利亚奈德兰)提供。目前的工作得到了澳大利亚国家卫生和医学研究理事会(澳大利亚堪培拉)的一个项目赠款的支持。
感兴趣的语句
没有宣布。
- 收到了2008年7月31日。
- 接受2008年10月17日。
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