摘要
在支气管混合物的弹性后,由于狭窄的气道肺实质扭曲而产生。在本研究中,确定了实质弹性后负荷对气道缩小的功能作用。
测量气道狭窄体内在跨肺压力范围内进行比较体外在相应的透气压力下测量缩小。支气管10次,内径为〜4毫米。在活的有机体内通过videobronchoccopy在麻醉和通风猪中测量腔变窄。体外在离体支气管段用视频内镜测量管腔狭窄。最大迷走神经刺激和最大电场刺激可激活气道体内和体外,分别。
在5 cmh.2O时,腔径分别减少35.9±3.2% (n = 6)和36.5±2.4% (n = 11)体内和体外,分别。30而言不啻2O,管腔狭窄降至23.7±2.0%体内和23.4±2.5%体外.管腔狭窄无差异体内和体外任何压力。
总之,这些研究结果表明,在中尺寸的软骨间支气管中,实质弹性后载物不会限制气道缩小。
气道响应支气管电池刺激的气道狭窄的程度主要由气道平滑肌(ASM)收缩和相反机械载荷之间的平衡决定1.缩小的后载包括透气压力(PTm值;这也是ASM上的预负载)和弹性后的载荷,其开发为逐渐变窄逐渐变形组织结构。这些弹性后载物从气道墙内和周围的肺部牙科治疗1.孤立支气管的狭窄通过壁刚度减少,提示气道壁结构对ASM限制狭窄施加机械负荷2.在气道外,由于气道狭窄导致肺实质变形而产生弹性后负荷3.,4,通常称为实质相互依赖。气道狭窄的数学分析表明,实质变形产生的弹性负荷的大小足以限制气道狭窄,特别是在低肺容量时5.实质弹性后负荷对气道狭窄的影响也可以从肺和切除支气管段气道狭窄的比较中推断出来。犬的气道段,其周围的实质都被切除,显示比类似的肺气道更狭窄6,7,提示肺限制气道狭窄体内.然而,最近的褐色和秘密纳的研究8证明了体内气道会变窄至闭合,质疑实质力量限制气道变窄的能力。
中、大型气道是造成动物气道阻力的主要原因9,10.此外,在这些传导气道的口径中引起的变化对健康人的气道反应有很大的贡献11,12.有人认为,哮喘患者的实质负荷可能降低,这可能导致气道的过度狭窄,从而导致本疾病中所见的气道阻力增加13.然而,大气道的一些形态特性,如厚的外壁和刚度,可能限制在气道世代诱发狭窄时弹性后载荷的大小,认为这与反应有关。
本研究的目的是评估实质弹性后负荷对中等大小支气管狭窄的意义。根据刺激的位置和方式,测量麻醉猪的肺和切除的气道的气道狭窄。气道部分维持在模拟中体内通过控制由呼吸运动产生的气道长度和周长的变化来调节环境。据目前作者所知,在有或没有正常实质附着、长度和体积历史几乎相同的同一气道生成中,没有记录气道狭窄的研究报告。使用指支气管镜和内窥镜技术直接测量气道狭窄至最大神经刺激。由于孤立的气道已全部实质切除,因此认为气道狭窄之间存在差异体内和体外是由于实质弹性后载荷的影响。
方法
动物处理
进行的所有动物实验都符合“赫尔辛基公约”,用于使用动物的使用和护理'。实验由制度伦理和动物护理单位批准。雌性猪,25公斤的重量,最初沉淀着Tiletamine / Zolazepam(4.4 mg·kg−1肌内)和甲嗪(2.2mg·kg−1肌肉内)。然后使用动物体内实验(n = 6)或体外研究(n = 11)。后体内实验用过量戊巴比妥钠(160 mg·kg)处死动物−1).用于使用的动物体外在戊巴比妥钠麻醉下放血(30 mg·kg)−1).
手术和体内准备
在硫喷妥酮钠下进行外科手术(5 mg·kg−1·H−1)和枸橼酸芬太尼(5 g·kg)−1感应;20µg·公斤−1·H−1维护)麻醉管理通过耳静脉滴水。通过ECG和动脉血压评估麻醉水平,使得置于股动脉中的导管。在感受到麻醉后,进行了气管造口术,猪机械通风(型号708;哈佛仪,Edenbridge,英国)通过气管插管。使用血气分析仪(Rapidlab 800; Bayer,Leverkusen,Germany)和呼吸机设置来测量动脉血液,以维持4.6-5.3kPa(35-40mmHg)的二氧化碳动脉张力。诱导双侧肺炎,猪呼气通风,呼气压力为5cmH2O。
使用PowerLab记录系统(ADInstruments, Castle Hill, Australia)测量肺容量和压力。流是决定通过气速记录仪(3500系列;Hans Rudolph,堪萨斯城,MO,美国)和差压传感器(MPX2010DP;Motorola Semiconductors, Phoenix, AZ, USA)连接到气管内管的末端。潮气量由流量信号积分得到。Transpulmonary压力(PTP.从食管和气道开口压力之间的差异中记录。通过将差压换能器的一侧连接到空气填充的食管套管中,记录食管和气道开启压力,该插管位于中间胸部食道中的远端,另一种是从气管内管(气道开口压力)喂养的线.在肺炎的存在下,PTP.气道打开压力是一样的。
支气管镜检查
气道直径(静息和最大神经刺激后,见下文)使用Olympus支气管镜(IT10;奥林巴斯,梅尔维尔,纽约,美国)和数码相机(Fire-i400;Unibrain, San Ramon, CA, USA)。为便于支气管镜检查时通气,可使用旋转y型接头(Bodai PEEP-safe;Sontec Medical Inc., Denver, CO, USA)插入气管内管和气速仪之间。Y型接头的一端用聚丙烯和硅橡胶膜密封,以提供支气管镜周围的密封性。将支气管镜插入左肺至第10代干支气管,按支气管镜插入时的侧支计数确定(气管= 0)。通过支气管镜通道插入钢球轴承(直径0.5 mm)标记气道腔。
左迷走神经暴露在颈部并连接。形成皮肤袋并用石蜡油填充,以防止神经干燥。阴道刺激诱导气道缩小(草S44方波刺激器;草译业有限公司,昆西,马,美国)通过铂电极直接放置在神经尾部到结扎。使用的刺激参数(20V,0.5ms和30Hz)产生了迷走神经的最大激活。当初步实验中增加刺激参数时,观察到气道变窄的进一步增加。迷走刺激导致股骨血压记录评估的心脏骤停(图1⇓).最初进行了刺激试验,如果没有观察到心脏骤停,则重新放置电极。排除迷走神经刺激时未显示完全心脏骤停的动物。给予普萘洛尔0.5 mg·kg·h−1)以最大限度地减少儿茶酚胺释放对气道反应的可能影响14.
用肺部膨胀到一系列的肺部进行迷走刺激PTP.S(5,10,15,20和30 cmh2O,按随机顺序排列)。通过将气管内管连接到一个40升的塑料腔,用压缩空气对其加压,肺部被充气。肺两次充气至30cmh2OPTP.为规范刺激前2分钟的量史。在迷走神经刺激之前,立即关闭呼吸机,将肺部充气到所需的压力。迷走神经刺激维持到没有进一步气道狭窄为止,通常持续15-20秒。
的效果PTP.测量支气管长度,以便可以重复相应的长度变化体外.每次测量支气管和气管长度PTP.使用。气道总长度(支气管+气管长度)由支气管镜插入肺内的长度(左或右)加上滚珠标记物与支气管镜晶状体之间的距离计算。到标记点的距离由图像中标记点的大小与在已知距离记录的校准图像的大小进行比较确定。从气管内管的末端到置于分叉处的另一个标记处测量气管长度。在每一个PTP.从总气道长度减去气管长度以使支气管长度(从分叉到标记)。在逐步放气30至0 CMH后测量气道长度2OPTP..
支气管部门准备
在一组单独的动物中,来自左肺的支气管段不含薄壁症,并将所有侧枝连接。为了保持相同的支气管长度体外如发生体内,测量从分支到第10代(记录管腔狭窄)的支气管长度。0 cmH离体支气管长度2OPTm值与肺中测量的相同体内在0 CMH时支气管镜检查2OPTP.(65.4±0.7毫米在体外对61.8±2.4 mm体内),提示解剖后支气管长度无后坐力。测量分叉至第10代的距离后,取一段支气管,向第10代两侧各延伸2.5 cm(总长度5cm)。支气管节段两端均为空管,水平放置于含气体(95% O2, 5%的公司2)克雷布斯溶液(mM: NaCl 121;氯化钾5.4;MgSO41.2;Nahco.3.25;吗啡酰丙烷磺酸钠5.0;葡萄糖11.5;和CaCl22.5)在37°C。这一段的长度最初设定为5厘米,即。长度与体内在0 cmh.2OPTP..冲洗气管腔通过夹持储层含有克莱斯溶液。储层内克雷布斯解决方案的高度设定了PTm值细分市场。Krebs解决方案含有丙烯醛(10−6 M).
内窥镜检查
使用硬纤维内窥镜记录气道直径(1711D;奥林巴斯Selfscope SES)和数码相机(DFW-SX900;索尼,帕克里奇,新泽西州,美国)。使用内窥镜记录气道狭窄的方法在其他地方有详细的描述15.简而言之,使用钢涂抹器用蓝色染料染色感兴趣区域。选择的区域与使用的区域相同体内.内窥镜插入腔内并用胶乳膜密封。通过使用铂电极的电场刺激(EFS)引起气道缩小。选择刺激参数以产生最大气道,以缩小神经刺激(300mA,3ms和30 Hz),即增加刺激参数没有产生任何进一步的缩小。用1mm直径探头校准图像,插入段的远端。
在制备后,支气管段平衡1小时,并确认支气管的生存能力−4 M acetylcholine (ACh). Following recovery, EFS was applied every 10 min with airways inflated to 5, 10, 15, 20 and 30 cmH2OPTm值以随机顺序。刺激持续到没有进一步的狭窄增加(约20秒)。气道节段的刺激长度与气道相似体内,并暴露于类似的体积历史。在每一个PTm值相应的支气管段以同样的百分比拉伸PTP.体内(见结果部分)。之间的刺激,PTm值振动的振幅和频率与通风时观察到的相似吗体内(5日至18日期间召开而言不啻2O在0.5 Hz)。PTm值使用椭圆活塞泵通过储存器中的克雷布溶液的高度进行振荡来进行振动。气道两次膨胀至30厘米2OPTm值,刺激前2分钟。
遵守
在另一组动物中,在室温下分别在切除的支气管段(左肺)和完整的下肺叶(左)从0到30 cmH绘制压力-容量曲线2O.用压力传感器监测气道或肺部的压力。用计算机软件控制步进电机驱动的微型注射器对充入克雷布斯溶液的支气管段进行充气。在大气压力下,管段的初始体积是由填充管段所需的溶液体积来测量的16.肺叶插管,用60ml注射器充气。用克雷布斯溶液保持肺表面湿润。肺内气体的初始体积是由肺叶体积(由水位移测量)减去肺叶重量(g)计算出来的,假设组织比重为1.0617,18.在每个压力下,利用波义耳定律对气体体积进行压缩校正。在>90%的应力松弛发生后记录压力。循环气道段和肺叶,直到获得一致的压力-容量曲线,并用于分析。每种压力下的体积变化均按0 cmH的体积归一化2o(即。应变=δV/δ.V0).特定的合规(不啻2O−1从应变压力曲线的线性部分的排气阀确定。通过计算相关系数和数据点从曲线的末端移除曲线的线性区域,直到r2> 0.99。
分析和统计
通过使用Optimas图像分析软件(媒体网络网络,MID MD,USA)追踪气道腔周围的区域来定量休息和收缩气道中的腔横截面积。还测量校准标记物(滚珠轴承体内或探测体外),它允许从像素转换面积测量值2到毫米2.气道直径由假设为圆形管腔的横截面面积确定15.对于通过支气管镜记录的图像,测量需要径向图像失真的校正19.为了校正畸变,使用了一种最近开发的方法,在支气管镜下观察带有1毫米正方形的网格,并通过在已知和畸变尺寸之间的曲线拟合生成校正函数20..为了确定所产生方程在校正镜片失真时的有效性,在支气管镜下面观察已知直径的盘。在数学校正之前,与镜头中心观察的盘相比,在镜片周边观察的盘的直径变形为〜20%(其中失真最小)。在数学校正之后,直径测量的误差减少到<1%。
在不同压力下,采用成对或非成对方差分析比较管腔直径、管腔狭窄反应和气道长度。气道和肺叶的平均顺应性采用未配对t检验进行比较。数据以平均值±表示se,其中n等于动物的数量。P值为<0.05被认为是统计学上显着的。
结果
在神经刺激之前,休息腔直径为3.7±0.2毫米体内(n = 6) 3.8±0.2 mm体外(n = 11)在5 cmh2O.最大通胀到30厘米2O将静息管腔直径增加到4.9±0.2 mm体内(P <0.001)和4.6±0.2毫米体外(p < 0.001)。记录休息的腔直径之间没有显着差异体内和体外在任何压力下(p = 0.6;图2⇓).
记录的气道腔的示例图像体内和体外,如图3所示⇓.最大神经刺激5 cmH2o减少腔直径35.9±3.2%和36.5±2.4%体内和体外,分别。腔内缩小在5和15 cmh的压力之间没有显着差异2在阿体内或体外气道,但在较高压力下减少(图4⇓).30而言不啻2O,管腔狭窄降至23.7±2.0%体内(P <0.01)和23.4±2.5%体外(p < 0.001)。两组间腔狭窄无显著性差异体内和体外任何压力(p = 0.7)。
下肺叶片和气道段的典型压力 - 应变曲线如图5所示⇓.肺叶比气道段应变更大,表现出更大的滞后。肺顺应性>是气道顺应性的3倍(p<0.01)。从应变-压力曲线的通缩段确定,柔度为0.239±0.029 cmH2O−1和0.069±0.006而言不啻2O−1在肺部(n = 4)和气道(n = 4)。
肺膨胀引起明显的气道延长。膨胀从0到30 cmH2o将支气管拉伸18.9±3.4%(P <0.001)和旋流量14.0±2.8%(P <0.001)。支气管和气囊之间的气道长度的气道长度变化没有显着差异(p = 0.2;图6⇓;n = 8)。
讨论
航空公司体内暴露于由气道壁和肺实质产生的后负荷。这些包括由肺膨胀产生的跨壁负荷(即.PTm值)和来自气道壁和肺实质的弹性载荷,从而从狭窄的气道出现来自组织结构的变形。本研究的主要目的是确定支气管混凝土期间肺实质畸变产生的弹性后载荷的功能效果。在切除的支气管段中,保留了气道墙和透气载荷;然而,消除了实质的弹性后载荷,因为呼吸道与所有实体附件分离。这种实验方法允许在存在和不存在实质弹性后载载体中进行评估的缩小能力。使用新的方法,气道体外在一个环境中维护了体内通过控制气道长度和循环腔扩张的变化来控制条件,通过呼吸运动产生。目前的结果表明,在肺部或任何肺部的切除气道中测量的气道狭窄程度没有差异,表明来自薄壁症的弹性后载荷没有为中间的气道缩小提供显着的机械负荷大小的支气管。
在健康的状态下,中型支气管对航空响应性做出了重大贡献9- - - - - -12.考虑到在这些气道世代中实质的狭窄作用较弱或不存在,目前的作者认为弹性后负荷对正常肺的气道反应没有主要贡献。中等大小的支气管也是严重哮喘气道重塑的主要部位21,提示它们与肺部疾病相关的过度气道狭窄有关(即.Airway HyperResponsience(AHR))。如果这些航空公司确实有助于AHR,那么本结果进一步表明,如前所述,通过从实质弹性后载后的气道壁的解耦可能不会引起超反应性。如前所述13.较小的外周气道也参与哮喘的病理生理学,在气道关闭的情况下气体交换的主要后果。此外,研究表明,外周气道狭窄,通过异质性气道收缩,可诱发AHR22.实质弹性后负荷对小周围气道狭窄的影响尚不清楚;然而,它们的重要性也受到了质疑22.
在本研究中缩小的蓄气道缩小的实质弹性后载损失的效果很可能是由于外气道壁变窄的减少,这有效地从实质载荷中脱离了ASM。气道墙的几个特性可能限制外部气道壁运动。由于墙面几何形状,厚壁气道的含有比较薄的气道较少的含有较小的气道,在相同程度的腔缩小。因此,与支气管相比,在支气管上发育的实质弹性后载荷的大小可能小。气道墙的另一个性质可以减少实质弹性后载荷是气道壁刚度。由于外气道壁的限制运动,透析弹性后载物的重要性可能较小。本研究表明,支气管段为肺组织的三倍为僵硬。尽管有一个僵硬的气道墙体缩小到外膜缩小,但支气管内腔仍然可以缩小大约一半。对此的机制显然矛盾的情况可能是在ASM收缩期间从外墙的内气道壁的解耦23- - - - - -25.一些分析假设气道壁横截面积在支气管中的横截面积是恒定的26.然而,一些研究,在切除的气道和气道原位,表明由于气道内壁与软骨状的气道外壁分离,气道壁面积扩大24,25.因此,管腔狭窄和外膜狭窄之间的差异比单纯从壁厚来估计的要大27.如果发生气道解耦体内,正如一些研究表明的那样23然后,只有在外部气道直径的微小变化和肺部畸形的微小变化可能发生大量的腔变窄。
先前的研究表明,实质负荷对气道狭窄有显著的抑制作用,尽管实质负荷作用的肺容量在不同的研究中有所不同。丁等.28证明肺容量的微小变化,相当于潮气量,产生显著的衰减methacholine诱导的支气管收缩在人类。Gunst等.7确定了一个关键的PTP.7.5 cmh.2o,上述实质载荷足以防止气道闭合,并且低于易于观察到的气道闭合。但是,实质相互依存的贡献,即。通过畸变产生的弹性后载,并不知道通过肺充气施加到这些发现的载荷。在丁的研究中等.28和枪支等.7,气道变窄可以通过增加透气载荷而不是实质弹性后载荷来降低高肺体积。
目前作者对实质负荷的发现与Brown和Mitzner的报告一致8,提示最大气道狭窄更依赖于药物输送方式,而不是实质负荷限制气道狭窄的能力。当由灌注而不是更常用的气雾剂引起支气管收缩时,在呼气压力峰值时气道关闭29暗示实质载荷(包括实质弹性后载)不足以防止呼吸道闭合,即使在高肺体积中也是如此。然而,目前的研究与棕色和麻省理工学员的研究不同8在狗的实验中,最大的刺激没有观察到气道关闭。这些不同的发现很可能是由于猪和狗的气道之间的内在差异,而不是由于不同的刺激方法(注射乙酰胆碱)相对迷走神经刺激)。即使在超大剂量ACh灌注条件下,猪的支气管在5 cmH时也仅狭窄约40%2OPTm值30.,这与本研究中使用神经刺激记录的狭窄相似。目前尚不清楚相似大小的人类气道在最大的刺激条件下是否会收缩至闭合31.狗和猪的支气管狭窄程度可能受气道壁顺应性的影响。目前和以往的研究报告了猪支气管的顺应性2对于狗支气管而言,少于观察到32,并且可能由于更大的气道壁负荷阻止气道闭合2.
在目前的研究中,通过数字内窥镜检查记录了气道缩小(体外)及支气管镜检查(体内).以前,由于广角鱼眼晶状体造成的径向图像失真,使用支气管镜定量评估气道口径受到限制19.为了校正径向图像失真,通过支气管镜观察栅格纸,并通过已知网格图案和扭曲图案之间的曲线拟合产生校正功能,如前所述20..当使用产生的校正方程时,直径测量的误差可忽略不计。
通过比较气道狭窄情况,确定实质弹性后负荷的功能效果体内和体外.因此,在这两个实验过程中,控制几个关键变量是非常必要的。首先,通过计数侧枝来测量同一代气道的管腔狭窄。气管直径相似体内和体外确认一个共同的解剖位置。其次,不同于以往的研究2,33,切除的气道段暴露于相似的体积史体内由振荡PTm值以模拟通风的振幅和频率。作者最近证明,在压力振荡周期后,猪支气管段对电场刺激的支气管收缩反应增强34.,强调了在类似条件下记录气道狭窄的重要性体内和体外.作者还控制了气道长度的变化,通过将气道段拉伸到各自确定的长度,通过肺充气或通气发生。PTP.体内.这是一种新的方法,因为已经显示了气道长度的变化来调节支气管内容35..气道延长可能会改变ASM的长度原位,这可能改变气道的收缩响应。衡量体内在支气管镜固定位置的情况下,不同肺容量的气道长度,分别在肺膨胀或收缩时,根据校准标记物的大小来确定气道长度的变化。最大肺膨胀(0至30 cmH2OPTP.)通过~19%拉伸支气管的长度。这种气道延长程度小于凯悦报道的程度等.36.谁发现了30%的猪延长,休斯和休斯等.37.谁展示了40%的气道在狗延长。
虽然这些实验旨在消除实质弹性后载体外,所有其他可能限制ASM收缩的负荷都是类似的体内和体外(即.预载入)。在静态条件下体内,通过实质反冲将预载物应用于ASM,其等于PTP.并以弹性反冲压力的形式转移到气道壁上38..因此,在气道放松时体内有效的PTm值预紧力等于PTP..这种预加载被复制体外通过应用流体静力学PTm值和气管吻合的PTP.使用体内.气道腔几乎相同的扩张体外和体内表明,PTm值和PTP.相当于,表明在引入气道缩小之前暴露在相同的预载荷上。
增加PTm值在气道上明显缩小体内和体外,可能是由于较高载荷的更大载荷PTm值年代。是否PTm值用作静水压力体外或通过实质反冲体内对气道缩小没有区别。Airway Lumen直径随着施用而增加PTm值建议ASM的工作长度增加。以前的研究表明,猪支气管段中的力量产生落在PTm值年代> 10而言不啻2O39.,建议增加预载的预载也可能有助于减少缩小。
本研究的一个假设是,两种制剂的ASM激活水平相似。因为激动剂对ASM的激活依赖于给药途径8,迷走神经刺激直接导致气道狭窄体内和EFS体外.没有显着的非肾上腺素能或无胆管能物质对猪支气管和普萘洛尔均使用体内和体外抑制因刺激交感神经而产生的作用14.因此,EFS.体外同时刺激了迷走神经控制下的神经节后副交感神经体内.使用最大电刺激参数,即增加刺激参数而不使管腔进一步狭窄体内和体外在初步实验中(数据未显示),表明神经在最大程度上被激活体内和体外.如果副交感神经节的突触传递效率低,那么刺激就被传递了体外可能比体内.然而,这将减少狭窄体内比体外并且会高估实质弹性后载荷的重要性。它不能解释实质弹性后负荷对气道狭窄明显没有任何影响。
目的:探讨不同神经刺激方式引起的ASM激活水平体内和体外,估计由ASM产生的主动压力使用先前通过Macklem开发的理论分析估计40.简而言之,可以根据呼吸道狭窄,气道壁的弹性特性和通过实质变形产生的泛血管压力的增加来计算由ASM产生的主动应力(零体外).Macklem的分析假设气道的弹性特性是相同的PTm值和ASM收缩。因此,气道顺应性曲线可以用来估计松弛直径和收缩直径之间的压力变化。为航空公司体内实质变形所产生的支气管周围应力也必须计算出来。支气管周围应力是由肺外径的减少和肺的剪切模量决定的41.,舒张猪肺为0.6PTP.42..用于计算泛激压力胁迫的外部气道直径的变化是从先前研究的未发表的数据,其中通过视频成像直接测量响应最大EF的外部气道的外部气道15.在该研究中,外部气道直径的10%降低了20 cmh2o伴随着腔直径减少29%,类似于本研究报告的腔直径(〜27%)体内和〜29%体外).ASM在气道中产生的主动压力膨胀为20 cmh2O被计算,因为松弛和收缩的直径在压力-体积分析收集的数据范围内,以及伴随的数据外膜狭窄PTm值可用15.通过ASM在气道中产生的主动压力膨胀为20 cmh2O被计算为~ 22 cmH2O体内和20 cmh.2O体外.该分析的结果证实导演迷走刺激体内和EFS.体外产生了类似的ASM收缩力。
总之,支气管收缩时肺实质扭曲产生的实质弹性后负荷并不限制中等支气管的气道狭窄。结果表明,中等尺寸气道平滑肌的后载荷主要来源于透壁压力或气道壁变形,实质弹性后载荷对其影响很小或没有影响。这些结果表明,在大中型气道中,气道高反应性的产生机制与实质弹性后载荷的解耦无关。
致谢
作者要感谢ct潘的技术支持体内实验。作者还想感谢P.D. Sly和Z. Hantos对实质力量的批判性讨论。
- 收到了2005年6月6日。
- 接受2005年8月9日。
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