摘要
呼出一氧化碳水平升高(呼出气体中CO的分数浓度(FE、 公司),用电化学传感器测量,已报道在有炎症性气道疾病的患者,如哮喘,鼻炎和囊性纤维化。这项研究的目的是通过使用快速响应非分散红外(NDIR)分析仪来评估这些结果,并将这些测量结果与呼出空气中一氧化氮的分数浓度(FE、 没有).
包括32名激素治疗的哮喘患者、24名激素治疗的哮喘患者(16名过敏性鼻炎患者、9名囊性纤维化患者)和30名不吸烟的健康对照。NDIR分析仪的CO测量与一氧化氮(NO)分析(化学发光技术)同时进行。15岁以后 屏住呼吸,单次呼气超过10秒 在两种流速下进行s,并记录潮末平台浓度。一个电化学CO传感器被单独使用,在15分钟后呼气至残余体积 让我们屏住呼吸。
两种一氧化碳分析仪都没有显著增加FE、 公司在有炎症性气道疾病的患者组中与对照组相比。FE、 没有在steroid-naïve哮喘患者和变应性鼻炎患者中显著升高,但在类固醇治疗的哮喘患者和囊性纤维化患者中没有升高。呼气流速降低50%,则增加了两倍FE、 没有虽然FE、 公司未受影响。在FE、 公司,但不在FE、 没有当进行或不进行10秒屏气时。
综上所述,任何一组患者呼出气体中一氧化碳分数浓度均未升高,而steroid-naïve哮喘和变应性鼻炎患者呼出气体中一氧化氮分数浓度显著升高。此外,一氧化碳不受流速的影响,但随着屏气而增加,表明起源于肺泡而不是传导的气道。
本研究由瑞典研究理事会(批准号为。10354)、瑞典心肺基金会、瑞典保健科学和过敏研究基金会、瑞典哮喘和过敏协会研究基金会。
自从首次发现哮喘患者呼出空气中一氧化氮(NO)水平升高以来1对呼出空气中NO的测量一直很有兴趣。现在有大量的研究支持这些原始发现,因此,NO已经确立了自己作为呼吸道炎症的标志2- - - - - -4.然而,最近的一些研究报告了另一种空气分子的水平升高,即一氧化碳(CO),逗号;用于哮喘患者和其他气道炎症相关的患者5- - - - - -12并认为这可能是另一种可以非侵入性测量的候选炎症标志物。在这些报告中,有结果显示呼出的CO水平增加(呼出气体中CO的部分浓度(FE、 公司囊性纤维化(CF)患者8,这与呼出NO(呼出气体中NO的分数浓度)的结果形成对比(FE、 没有))13在美国,有报道称其水平正常或甚至下降14- - - - - -16.此外,甚至有报道称,上呼吸道感染患者呼出的空气中一氧化碳含量增加17以及无哮喘的特应性受试者18,即。与下气道黏膜明显炎症无关的情况。
炎症组织中NO生成的增加是由炎症细胞和上皮细胞中诱导型一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, iNOS)表达的增加引起的。例如,在哮喘患者的呼吸上皮中,iNOS的表达明显增加19.关于CO,众所周知,CO从血流扩散到肺泡空气,因此,明显的肺泡起源FE、 公司然而,有人认为哮喘和呼吸道其他炎症状态中CO生成的可能增加可能是通过诱导血红素加氧酶(HO-1)在支气管的呼吸道上皮中产生的7.HO‐1的诱导是氧化应激的一种反应,氧化应激被认为在许多疾病的发病机制中发挥重要作用,包括慢性炎症性肺疾病7. HO-1催化血红素氧化降解为胆红素的初始步骤,该反应还产生CO分子。胆红素本身是一种抗氧化剂,CO具有刺激鸟苷酸环化酶等生物活性,因此,HO-1诱导可能对氧化剂介导的细胞损伤起到保护作用21.然而,与iNOS的情况相反,目前还没有令人信服的研究表明在炎症性气道疾病中HO‐1的表达实际增加22.
在呼出的空气中使用CO作为炎症标志物的可能好处是,它的浓度比NO高得多。呼出空气中的CO浓度达到百万分之一(ppm),而NO通常只能检测到十亿分之一(ppb),这使得在测量气道中的CO时可以使用不那么复杂和昂贵的分析仪。在以前对呼出空气中的一氧化碳的研究中,曾使用过电化学传感器,设计成戒烟工具5- - - - - -12.相反,香烟烟雾,甚至可能是其他形式的污染,如汽车尾气,会导致空气质量的升高FE、 公司这显然是一氧化碳作为炎症标志物的一个主要缺点。
这项研究的目的是调查报告中增加的FE、 公司在炎症性气道疾病患者中,一组哮喘患者(类固醇和非类固醇治疗)、一组过敏性鼻炎患者和一组CF患者可重复出现。一种快速反应、非分散红外(NDIR)CO分析仪与电化学传感器一起使用。作者还希望将FE、 公司测量FE、 没有,作为FE、 没有是一种更为确定的气道炎症标志物。由于呼出空气中NO浓度具有良好的流量依赖性,支持NO的支气管来源23,CO测量也在不同的呼气流速下进行,以确定这是否也适用于CO。为了进一步澄清这两种气体的来源,即。屏气后记录支气管或肺泡内的CO和NO,如果这些分子主要来自肺泡,屏气后潮底平台浓度应增加,而如果是在支气管内产生的则不受影响。最后,研究人员进行了一项吸烟实验,以观察尼古丁对人体健康水平的影响FE、 公司和FE、 没有.
材料和方法
这项研究得到了当地伦理委员会的批准。
学科
比较研究FE、 公司和FE、 没有对32例激素性哮喘患者(8-57)进行了研究 年,19名女性),24名类固醇治疗的哮喘患者(12-64岁) 年,11名女性),16名过敏性鼻炎患者(10-61岁) 年,7名女性),9名CF受试者(7-32 年,6名女性)和30名不吸烟健康对照组(13-45岁) 12岁,女性)。
哮喘受试者通过卡罗林斯卡医院(瑞典斯德哥尔摩)的肺部和过敏诊所、乌普萨拉大学医院(瑞典乌普萨拉)儿科诊所的过敏科和瑞典哮喘和过敏协会(瑞典斯德哥尔摩)招募。他们都有哮喘症状的历史,要么是由于过敏原暴露的结果,要么是非过敏性气道过敏反应。除了他们的症状外,他们都显示了一秒钟用力呼气量(FEV)的显著可逆性1)及在使用支气管扩张剂治疗后用肺活量计测量的中呼吸流速(即。β2-激动剂)在接受哮喘诊断之前。类固醇性哮喘患者组中几乎一半的受试者(n=14)有轻度和间歇性症状的记录,在实验时没有受到疾病的影响。这组未经治疗的哮喘患者中的其余受试者有更频繁甚至持续的喘息和咳嗽症状。类固醇治疗的哮喘患者通常有更持久或致残性哮喘的病史,但由于他们的治疗,他们现在或多或少没有症状。过敏性鼻炎的受试者都有复发性鼻结膜炎的记录,没有任何支气管症状,除了两个例外,他们是从上述两个过敏诊所招募的,在那里他们正在接受免疫治疗(即。低敏感)对抗相关过敏原。这些患者在接受β治疗后均表现正常肺活量测定,无可逆性迹象2-激动剂。他们目前都没有任何鼻炎症状。CF患者均为乌普萨拉大学医院(瑞典乌普萨拉)儿科诊所的门诊患者,其疾病记录良好,通常在出生后一年内诊断。他们都是移民假单胞菌和/或葡萄球菌但在研究时未接受任何抗生素治疗的细菌,因此未被认为处于恶化状态。两名CF患者正在接受吸入类固醇治疗;其他患者仅使用支气管扩张剂和祛痰剂治疗。
患者和健康对照组在获得知情同意后被纳入研究。
测量呼出空气中的一氧化碳和一氧化氮
的注册FE、 公司如上所述,采用两种不同的测量技术进行测量;一个电化学传感器(Bedfont EC50微型烟雾分析仪;英国肯特Bedfont Scientific)和一个快速响应NDIR分析仪(UNOR 610;德国汉堡Maikak AG)。前者是一个小而简单的装置,主要用作戒烟装置,检测限为1 ppm和无信号输出功能。因此,无法对检测到的一氧化碳水平进行计算机分析。但是,NDIR分析仪的响应时间小于3 s,检测限为0.1 ppm,允许进行在线测量,可将其纳入正常的计算机设置中进行无分析(见下文),提供流量图和浓度曲线图。
使用Bedfont EC50进行测量的程序如先前发布的报告和制造商的指南所述。因此,受试者吸入室内空气至总肺容量(TLC),然后进行15 s在呼气进入分析仪的吹口之前屏住呼吸。呼气没有设定时间,也没有记录气流。取而代之的是,要求受试者呼气至剩余容积。最大值为10–20 s延迟为ppm(无小数),然后记录为受试者气道的CO浓度。根据已知CO浓度为16的气体校准分析仪 ppm和无CO空气(见下文)。
NDIR分析仪输出的快速响应模拟信号使其能够并入计算机设置,以进行无测量。因此,使用相同的呼出空气,CO的在线测量与NO浓度的登记同时进行。使用化学发光分析仪(CLD 77 AM;生态物理,瑞士杜尔登)测量NO。对两台分析仪进行校准,并从非扩散气体收集袋(美国密苏里州堪萨斯州Hans Rudolph)连续供给NO和CO自由空气。通过将装有医用呼吸空气(瑞典斯德哥尔摩AGA AB)的气瓶连接至Purafill干粉洗涤器,并将电子洗涤器(Alphagaz气流;瑞典Kista液化空气AB)按预顺序连接至气体收集袋,以去除CO,从而获得净化空气。然而,环境中的一氧化碳水平<1 在所有的研究过程中使用ppm。气体收集袋位于吸入肢体中,并进一步连接到一个带有两个单向阀的Y形管上,而Y形管又与一个吹口相适应。作为标准程序,要求受试者从气体收集袋中吸入无NO和CO自由空气至TLC,屏息15分钟 s、 然后以恒定流速对着阻力呼气10分钟 s流速设置为0.15 L·s−1.和0.075 L·s−1.,同等口腔压力8-10 cmH2O(该压力用于研究中的所有呼气),使用50和100的线性电阻 cmH2O·L−1.·分别为s(Hans-Rudolph)。呼出空气通过Y形件中的另一个单向阀排出,该单向阀通向一个线性肺速计(Hans-Rudolph),其中记录了流量和压力。呼出空气的部分以0.5的流速取样到分析仪中,以检测CO和NO L·min−1.和0.1 L·分钟−1.,分别通过两个不同的窄孔管连接到靠近吹口处。来自两个分析器和气速计的信号被输入一台计算机,由一个软件程序(呼气分析器;Aerocrine AB,斯德哥尔摩,瑞典),并在计算机屏幕上实时可视化为曲线。他们展示了每个呼吸部分的CO和NO浓度,以及流量曲线,后者使受试者能够通过调整呼气到一个给定的范围来维持一定的流量。计算的CO和NO浓度平均值显示了最后40%的呼气,代表了平台阶段(斜率<10%)。每位受试者以0.15 L·s呼气两次−1.和0.075 L·s−1.,并将其平均值用于每个流量。
一系列不同流速下的一氧化碳测量
8名健康的非吸烟受试者(25-40岁,3名女性)被指导以四种不同的流速呼气,0.05 L·s−1., 0.1 L·s−1., 0.2 L·s−1., 0.5 L·s−1.,使用20、50、100和200的电阻 cmH2O·L−1.·s、 分别在前一次屏气15分钟后 s仅使用NDIR分析仪进行测量。
有无屏气时一氧化碳和一氧化氮的测量
这8名受试者还被要求在屏住呼吸10秒、20秒和40秒后,以0.15 L·s的流速进行一系列呼气−1.,以及一次无需屏息的测量。仅NDIR分析仪用于CO浓度。
抽一支烟后测量一氧化碳和一氧化氮
在相同的八名受试者中检查了吸烟的影响FE、 公司和FE、 没有而前者则是在屏气15秒后由两名分析仪测量的。呼气流速设定为0.15 L·s−1.NO和CO,用NDIR分析仪测量。然后受试者每人抽一支烟(万宝路;在1,10和30分钟后重复测量。
分析
除方框图和晶须图外,所有值均以平均值±sem表示,其中晶须图显示范围,方框图显示第25、50位(中位数),和第75百分位。CO和NO浓度值计算为所有时间和每个流速下两次连续测量的平均值。使用非参数Mann-Whitney U-test分析每个不同组的CO和NO浓度平均值。增加呼气-h后CO和NO值的变化通过配对测量的非参数Wilcoxon符号秩检验分析吸烟后和吸烟后以及CO随流速增加的变化。
结果
哮喘、变应性鼻炎和囊性纤维化患者的一氧化碳和一氧化氮
与对照组相比,未发现显著增加的FE、 公司在过敏性鼻炎(p=0.46)、激素性哮喘(p=0.74)、激素治疗哮喘(p=0.75)或CF(p=0.82;所有p值均使用NDIR UNOR 610分析仪获得)(图。 1.⇓).两种CO分析仪的CO浓度均未显著升高,即。Bedfont EC50分析仪和NDIR UNOR 610分析仪。然而,水平FE、 没有与对照组相比,变应性鼻炎(p<0.001)和激素性哮喘(p<0.001)患者的哮喘发生率显著升高,而激素治疗哮喘患者的哮喘发生率无显著升高(p=0.958)。与对照组相比,CF患者的NO浓度有降低的统计趋势(p=0.067)(图。 1.⇓).这一结果是通过两种流速获得的,但图 1.⇓仅显示0.15的浓度 L·s−1..
不同流速下的一氧化碳测量
呼气流量在0.05、0.1、0.2 ~ 0.5 L·s范围内变化,8个健康对照组呼出空气中CO浓度无显著差异−1.(图2⇓).
此外,当测量过敏性鼻炎、哮喘或CF受试者的CO浓度并将流速从0.15更改为0.15时,CO浓度没有显著差异 L·s−1.0.075 L·s−1..相反,当流速从0.15 L·s改变时,各组NO浓度均如预期的那样增加了~ 100%−1.0.075 L·s−1.. 图形 3.⇓在steroid-naïve哮喘患者和CF患者中显示了改变流速的结果。
屏气后一氧化碳和一氧化氮的测量
8名健康对照者憋气10秒后,呼出空气中的CO浓度比不憋气时上升了约80% (p<0.01)。然而,与屏住呼吸10秒相比,当屏住呼吸20秒和40秒时,CO浓度没有额外增加。在没有屏住呼吸的呼气和屏住呼吸10秒、20秒和40秒的呼气中,No的潮末高原浓度没有显著差异(图4)⇓).然而,屏气后出现初始NO峰值,其幅度随着屏气时间的增加而增加(未显示)。相反,CO浓度的初始峰值从未出现过。
吸烟后一氧化碳和一氧化氮的测量
层次FE、 公司增加了三倍(p<0.01)1 如两个CO分析仪所示,吸一支香烟后的分钟数。虽然在10和30分钟后略有下降 min时,浓度仍然显著升高,而对于NO浓度,吸烟后没有明显变化(图。 5.⇓).
讨论
最近的几项研究报告了炎症性气道疾病患者呼出空气中CO浓度的升高,这两种疾病都是较慢性的,如哮喘、过敏性鼻炎、CF和支气管扩张5- - - - - -12,以及暂时性的上呼吸道感染17. 因此,CO被认为是气道炎症的可能标志物。CO水平可能因炎症活动而升高的想法来自氧化应激的概念,其中CO是已知的酶HO-1作用的最终产物之一21.一些证据表明氧化应激在肺部疾病中起作用6,但有关炎症性气道疾病患者气道上皮或炎症细胞中HO‐1水平升高的研究结果一直存在争议7.
然而,与先前的研究不同,本研究作者未发现哮喘、过敏性鼻炎或CF受试者呼出空气中CO水平显著升高。这两种测量技术都是如此,即使使用先前报告中描述的相同分析仪和测量技术。本文介绍的NDIR分析仪的结果与电化学传感器获得的值非常吻合。然而,由于电化学传感器给出的离散数,与NDIR分析仪给出的十进制值的分布相比,在一个或两个测量值处聚集,因此不可能进行线性回归分析。
与没有改变CO值相反,发现激素性哮喘患者和过敏性鼻炎患者呼出空气中NO水平显著升高,这与先前的研究一致1- - - - - -4.哮喘和过敏性鼻炎是两种气道炎症活动升高的情况,这再次表明NO是气道炎症的敏感标志。CF患者的血清中FE、 没有,这可能是由于从粘液膜到气道腔的NO扩散受损,上皮NO产生缺陷,或只是鼻NO污染较少,众所周知,鼻NO在这些患者中明显减少14.
另一个发现质疑CO在传导气道中的存在和炎症诱导是测量时缺乏流量依赖FE、 公司.在本研究中,当改变呼吸道疾病组的流速时,CO浓度没有显著变化,甚至当健康对照组将流速改变10‐倍时也没有显著变化。这强烈表明气道上皮没有CO的贡献,因为CO浓度会随着呼出空气流量的减少而增加。然而,正如预期的那样,流速和NO值之间存在密切关系,流速增加两倍时,NO浓度大约减少了50%,因此,清楚地表明NO来自气道。
由于CO似乎没有来自传导气道的贡献,它必须起源于肺泡。屏气后CO浓度的增加也支持了这一点。短时间屏气10秒后的呼气和之前没有屏气的呼气比较,可以看到这种增加。在这10秒内,CO从肺泡微循环中扩散,并影响呼出的CO量。然而,似乎肺泡气体和血液之间的平衡是在前10秒建立的,因为随着屏气时间的增加没有进一步的变化。这里报告的所有实验都使用了15秒的标准屏气时间,这应该足以达到平衡。根据之前的发现26,发现对NO测量进行屏气会产生较大的NO初始峰值,但平台值从未受到影响。初始峰值随着屏气时间的增加而增加,这也表明NO几乎完全来自传导气道,而不是肺泡。当测量一氧化碳时,这个初始峰值从未出现过,这再次质疑一氧化碳的气道来源。
使用一氧化碳作为空气中气道疾病的标志的一个明显的缺点是香烟烟雾和可能的其他空气污染对测量的巨大影响。吸一根烟会使一氧化碳浓度增加三倍以上,这种影响持续30分钟,而FE、 没有浓度没有受到影响。被动吸烟和暴露在污染的环境空气中从未进行过测试,但可以推测它们可能是一个误差源。在目前作者的实验室中,从来没有超过1 当使用NDIR分析仪时,受试者甚至在呼气前从气体收集袋中吸入无CO的空气。在先前的研究中FE、 公司未报告环境水平。高浓度的一氧化碳是否可能对呼吸系统疾病患者产生更大的影响?以前的报告表明FE、 公司水平与FEV呈负相关19.因为它也被证明可以降低FEV1会导致气体扩散受损27CO与FEV呈负相关1可能是呼吸系统疾病患者体内一氧化碳滞留的影响。因此,与健康对照者相比,这些患者是否在一氧化碳暴露后呼吸脱离血红蛋白结合一氧化碳的能力受损?这一观点在一项初步研究中得到了支持28. 此外,在最近的另一项研究中,研究人员发现FE、 公司仅在患有严重不稳定哮喘的受试者中出现,而其他哮喘患者的水平正常12.这意味着,当对气体扩散产生负面影响的可能性更大时,需要肺功能受到更严重的损害才能产生更高的CO水平。
研究FE、 公司和FE、 没有提出了另一个问题。当诱导iNOS只增加ppb水平时,如何通过诱导HO‐1在气道上皮中获得ppm CO水平?特别是在哮喘患者的上皮表面发现了iNOS的表达升高19也没有令人信服的类似HO-1诱导的报告22.据报道,炎症性气道疾病中HO‐1的唯一增加是哮喘患者气道中巨噬细胞的表达升高7. 然而,内腔中一种或两种类型的炎性细胞中酶表达的增加不能提供与上皮表面表达相同的扩散表面。可以说,NO被肺循环更快地吸收29,但这并不能回答这个问题,因为NO是在单次呼气时从传导气道释放出来的,而且NO不会在死区被吸收29. 另一个论点可能是NO在很短的半衰期内被迅速消耗。但这只适用于液相中的NO,并且NO会迅速扩散到气相中31,在低浓度下非常稳定32.因此,CO的主要贡献来自肺泡,其大的总表面积,似乎是这种差异的唯一解释。
总之,本研究表明,与对照组相比,无论使用两种不同的测量技术,steroid-naïve或类固醇治疗的哮喘患者,或变应性鼻炎或CF患者的呼气中一氧化碳浓度均无显著增加。然而,在相同的研究对象中,steroid-naïve哮喘患者组和变应性鼻炎患者组的一氧化氮浓度均有所升高。实验进一步表明,废气中一氧化碳的浓度受到香烟烟雾的很大影响,也可能受到燃料碳氢化合物的污染。最后,研究表明,气体中一氧化碳的浓度不受流速变化的影响,但随着屏气而增加,与一氧化氮相反,这强烈表明一氧化碳来源于肺泡,并质疑其在气道中的存在和重要性,以及其作为气道炎症标志物的作用。
致谢
作者要感谢H. Sasaki, M. Yamaya和T. Ohrui(日本仙台东北大学医学院老年医学系)好心地将他们的电化学传感器用于一氧化碳测量(Bedfont EC50迷你烟熏器;Bedfont Scientific, Kent, UK),从而使这项研究得以启动。他们还要感谢P. Wennerholm和C. Pedroletti对实验的实际帮助。
- 收到2001年5月15日。
- 接受二○○二年二月三日。
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