Abstrakt

Chronická obstrukční plicní nemoc, konkrétně emfyzém plic a chronická bronchitida, je chronická zánětlivá reakce dýchacích cest na škodlivé částice nebo plyny s výslednými patologickými a patofyziologickými změnami v plicích. Hlavními patofyziologickými aspekty onemocnění jsou obstrukce proudění vzduchu a hyperinflace. Mechanické vlastnosti dýchacího systému a jeho součástí jsou studovány stanovením odpovídajících vztahů objem-tlak (P-V). Důsledky zánětlivé reakce na strukturu a funkci plic jsou znázorněny na vztazích objem-tlak.

1. Úvod

Chronická obstrukční plicní nemoc (COPD), běžná preventabilní a léčitelná nemoc, je charakterizována trvalým omezením průtoku vzduchu, které je obvykle progresivní a je spojeno se zvýšenou chronickou zánětlivou odpovědí v dýchacích cestách a plicích na škodlivé částice nebo plyny. Omezení dýchacích cest se připisuje třem různým mechanismům: (1) částečný blok lumenu (např. Kvůli nadměrné produkci sliznic tvořících polotuhé ucpávky), (2) zesílení stěny dýchacích cest, ke kterému dochází v důsledku otoku nebo hypertrofie svalů, a ( 3) abnormality tkáně obklopující dýchací cesty (destrukce parenchymu a zúžení dýchacích cest v důsledku ztráty radiální trakce). Obě entity CHOPN, jmenovitě chronická bronchitida a emfyzém, se vyznačují dřívějšími mechanismy. Chronická bronchitida je charakterizována částečným blokováním lumenu a zesílení stěny dýchacích cest, zatímco emfyzém ztrátou radiální trakce.

Nejběžnějším rizikovým faktorem pro CHOPN na celém světě je cigaretový kouř. Kuřáci cigaret vykazují vyšší prevalenci respiračních příznaků a abnormalit plicních funkcí než nekuřáci. V důsledku toho je roční míra poklesu FEV1 vyšší než očekávaný pokles FEV1 s klesajícím věkem. Pasivní expozice kouři je také důležitým aspektem onemocnění. Měli bychom vzít v úvahu pracovní expozice, včetně organických a anorganických prachů, chemických látek a výparů, a samozřejmě vnitřní znečištění z biomasy během vaření a vytápění ve špatně větraných domech.

2. Patologie CHOPN

Patologické změny se vyskytují ve velkých a malých dýchacích cestách, v parenchymu a plicní vaskulatuře, které jsou důsledkem opakovaného poranění a opravy. Zánětlivá reakce může být geneticky podmíněna nebo může být způsobena škodlivými částicemi, jako je cigaretový kouř. U některých pacientů se však vyvine CHOPN bez expozice cigaretovému kouři. Oxidační stres a nerovnováha mezi proteázami a antiproteázami, které mají roli v ochraně pojivové tkáně před rozpadem, zesilují zánětlivou reakci onemocnění. Zánětlivá odpověď se zhoršuje zánětlivými buňkami CD8 + cytotoxickými Tc1 lymfocyty a zánětlivými mediátory (chemotaktické faktory, prozánětlivé cytokiny a růstové faktory).

Scénář, který je v experimentálním průzkumu, odhaluje atraktivní model pro zahájení zánětu, který zahrnuje poškození oxidační DNA LEBC a imunitní odpověď hostitele. Podle toho škodlivé částice indukují oxidativní poškození DNA buněk plicní epiteliální bariéry (LEBC) a získané mutace jsou exprimovány na úrovni mikrosatelitních DNA LEBC. Pozměněné LEBC jsou rozpoznávány dendritickými buňkami (DC) jako „samo“ DC cestují s novými informacemi do lymfatických uzlin, prezentují je naivním T lymfocytům a poté dochází k převládající proliferaci CD8 + cytotoxických T-lymfocytů. lymfocyty uvolňují perforin a granzymy a přitahují změněné LEBC a aktivují kaskády buněčné smrti.

3. Patofyziologické aspekty u CHOPN

3.1. Obstrukce proudění vzduchu

Proudění vzduchu během výdechu je výsledkem rovnováhy mezi pružným zpětným rázem plic podporujícím průtok a odporem dýchacích cest, který omezuje průtok. Faktory, které vedou k ucpání lumenu a zvýšenému odporu, v důsledku omezení průtoku, jsou přítomnost sekrece, zvýšený tonus hladkého svalstva průdušek, hypertrofie submukózních žláz a výčnělek směrem k vnitřní části lumen hřbetní části průdušnice během výdechu. Tyto faktory se podílejí na proudění vzduchu o konstrukce kvůli velkému rozdílu mezi intraluminálním tlakem a tlakem v okolí. Ztráta elastického zpětného rázu týkající se stěny malých dýchacích cest v důsledku redukce elastické tkáně v plicním parenchymu je patrná zejména u emfyzému. Absence chrupavky ve stěně malých periferních dýchacích cest dále přispívá ke ztrátě pružného zpětného rázu.U pacientů s CHOPN se říká, že mají omezený průtok, když výdechový tok, který generují během dechového dýchání, představuje maximální možný průtok, který mohou při tomto objemu generovat. U pacientů s omezeným průtokem je čas, který je k dispozici k vyprázdnění plic (expirační doba) během spontánního dýchání, nedostatečný k tomu, aby umožnil, aby konečný výdechový objem plic (EELV) poklesl na svůj přirozený relaxační objem. To vede k hyperinflaci plic.

3.2. Hyperinflace

Ztráta elastického zpětného rázu, zejména v případě emfyzému, skutečnost, že pacient s CHOPN dýchá „na vyšší úrovni“, což znamená, že funkční testy ukazují funkční zbytkovou kapacitu (FRC), která překračuje předpokládanou hodnotu, aby byly udrženy otevřené dýchací cesty a zachycování vzduchu během předčasného uzavření jsou všechny aspekty hyperinflace plic.

U normálních subjektů se objem plic na konci výdechu blíží relaxačnímu objemu dýchacího systému U pacientů s obstrukcí proudění vzduchu však může konečný výdechový objem plic překročit předpokládaný FRC. Vyprázdnění plic je ve skutečnosti zpomaleno a výdech je přerušen dalším inspiračním úsilím, než pacient dosáhne statického rovnovážného objemu. označována jako dynamická hyperinflace a je ovlivněna VT, expiračním časem, odporem a poddajností. Nazývá se také vnitřní pozitivní endexpirační tlak (auto-PEEP) a byl poprvé popsán Bergmanem v roce 1972 d Johnson a kol. v roce 1975 a představuje pozitivní intrapulmonální tlak na konci exspirace. Přítomnost auto-PEEP znamená, že inspirační svaly musí nejprve překonat kombinovaný zpětný ráz plic a hrudní stěny dovnitř, než lze zahájit inspirační tok. Auto-PEEP tedy působí v podstatě jako inspirační prahová zátěž a bylo naměřeno až 6–9 cmH2O během klidného dýchání v klidu u klinicky stabilních, ale hyperinflovaných pacientů s CHOPN.

Během epizod těžké obstrukce proudění vzduchu zvýšené výdechové úsilí jednoduše zvyšuje alveolární tlak, aniž by zlepšilo výdechové proudění vzduchu. Když se zvýší dechový objem (VT) nebo je doba výdechu krátká kvůli vysoké dechové frekvenci, nemůže plíce vyfouknout do své obvyklé klidové rovnováhy mezi dechy. Toto zvýšení alveolárního tlaku a objemu plic vede k několika událostem, které ovlivňují dynamický stav plic. Dýchání probíhá téměř u celkové kapacity plic. Přílivové dýchání během exacerbace u pacienta s CHOPN lze v důsledku dynamické hyperinflace posunout nahoru téměř k celkové kapacitě plic.

Hyperinflace má nepříznivé účinky na funkci bránice, které zvyšují práci dýchání. Nejprve je bránice přemístěna do zploštělé polohy, což má za následek zmenšení oblasti apozice mezi bránicí a břišní stěnou. Za druhé, svalová vlákna zploštělé bránice jsou kratší a jsou méně schopná vytvářet inspirační tlaky, které převáží transpulmonální tlak. Pozitivní tlak v hyperinflovaných plicích zvyšuje průměrný nitrohrudní tlak a způsobuje, že inspirační svaly pracují při vyšším než klidovém objemu plic. Délka sarkomery bránice u pacientů s CHOPN je kratší a nepřímo úměrná TLC a RV. Toto nastavení zlepšuje schopnost bránice generovat sílu ve „vyšších objemech plic“. Za ideální délku inspiračních svalů během relaxace je považována téměř úroveň zbytkového objemu (RV). U pacientů s CHOPN je však délka svalových vláken z důvodu hyperinflace ještě kratší. Dále se zvyšuje relativní podíl vláken typu I, která jsou pomalá a odolná proti únavě, a zvýšení mitochondriální koncentrace a účinnosti elektronového transportního řetězce, které zvyšuje oxidační kapacitu, jsou dalšími strukturálními adaptacemi na chronické vnitřní mechanické zatížení. Výsledkem je, že vyvíjející se síla produkovaná svaly je ještě více snížena na úkor značné mechanické nevýhody, která dále zhoršuje funkci respiračních svalů, což vede k oslabení bránice.

Ventilační svaly se částečně přizpůsobují chronické hyperinflaci, aby si během klidového dýchání zachovaly svoji schopnost generovat sílu. Během exacerbací CHOPN mohou být tyto adaptace ohromeny. Již bu rdened inspirační svaly podléhají zvýšenému elastickému zatížení, což znamená, že vyžadují větší úsilí pro danou změnu objemu. Akutní dynamická hyperinflace dále zkracuje inspirační svaly, zejména bránici, a způsobuje funkční svalovou slabost. Vystavení oxidačnímu stresu a lokální aktivaci proteáz může také vést k poškození bránice během období zvýšené inspirační zátěže a vést k dysfunkci inspiračního svalu.Čistým účinkem této zvýšené zátěže a funkční slabosti inspiračních svalů je to, že úsilí potřebné pro přílivovou inspiraci představuje relativně vysoký zlomek maximálního možného úsilí, které může pacient vyvinout při daném objemu plic.

4 . Soulad s plicemi

Dýchací systém vlastní svou elastickou vlastnost vůči funkci dýchacích svalů, které zásobují celý systém nezbytným tlakovým rozdílem, takže vzduch se pohybuje do dýchacích cest. Statické mechanické vlastnosti dýchacího systému a jeho součástí jsou studovány stanovením odpovídajících vztahů tlak-objem (P-V). P-V křivky, které se získávají jako objem, se mění v postupných krocích od zbytkového objemu (RV) k celkové kapacitě plic (TLC) a zpět jsou smyčky. Za přítomnost těchto smyček jsou odpovědné elastické vlastnosti plic a hrudní stěny, jakož i změny v plicních jednotkách mezi nafouknutím a deflací. Elasticita plic je znázorněna křivkou statického objemového tlaku. Skutečnost, že křivka P-V je nelineární, prakticky znamená, že s rostoucím objemem plic se elastické prvky přibližují svým limitům roztažnosti.

U CHOPN kvůli klidové a dynamické hyperinflaci, která se rovná dalšímu nárůstu objemu plic na konci výdechu (EELV), zasahuje dechový objem cvičení (VT) do horního alineárního extrému PV křivka dýchacího systému, kde je zvýšené elastické zatížení. U CHOPN se snižuje schopnost dalšího rozšiřování VT, takže se snižuje inspirační rezervní objem (IRV). Na rozdíl od zdraví je kombinovaný tlak zpětného rázu plic a hrudní stěny u hyperinflovaných pacientů s CHOPN směrem dovnitř směřován během odpočinku i cvičení. To má za následek inspirační prahové zatížení dýchacích svalů (obrázek 1). Intrapulmonální tlaky se nevracejí na nulu, což představuje auto-PEEP, který ukládá inspiračním svalům další zátěž. Během následujícího dýchacího cyklu musí být překonán auto-PEEP, aby se vytvořil inspirační tok.

(a)

(b)

(a)
(b)

Obrázek 1

Vztah tlaku a objemu (PV) celkového dýchacího systému v (a) normálním a b) chronická obstrukční plicní nemoc (CHOPN). Jsou zobrazeny přílivové křivky PV během odpočinku a během cvičení. U jedinců s CHOPN dochází k resetování relaxačního objemu dýchacího systému na vyšší úroveň než u zdravých jedinců. Hyperinflace u CHOPN vede ke zvýšení EELV, RV a odpovídajícímu snížení IRV ve srovnání s normálním stavem. Na rozdíl od normálních plic je kombinovaný zpětný ráz plic a hrudní stěny při hyperinflaci směřován dovnitř během odpočinku a během cvičení. To má za následek inspirační prahové zatížení inspiračních svalů s následným snížením oblasti apozice (znázorněno na křivce P-V (b) během odpočinku a cvičení). EELV: konečný výdechový objem plic, RV: zbytkový objem, IRV: inspirační rezervní objem, TLC: celková kapacita plic. Od O’Donnella a Laveneziany.

Statická shoda (C) plic je změna objemu plic na jednotku změny transpulmonálního tlaku; tj. tlakový rozdíl mezi vnitřkem alveol a pleurálním povrchem plic potřebný k ovlivnění dané změny objemu vzduchu v plicích: kde je poddajnost, je změna objemu plic a je to změna v transpulmonárním tlaku.

Přesně řečeno, transpulmonální tlak se rovná tlaku v průdušnici minus tlak uvnitř těla. Jedná se tedy o tlakový rozdíl v celé plíci. Tlak v alveolách je však stejný jako tlak v dýchacích cestách (včetně průdušnice) na začátku nebo na konci každého normálního dechu. To znamená, že koncový výdechový nebo koncový inspirační alveolární tlak je 0 cm H2O. Proto na začátku nebo na konci každé inflace plic lze alveolární roztažný tlak označovat jako transpulmonární tlak.

Objem, který odpovídá nulovému tlaku (0 cm H2O), je klidový objem dýchací soustava, kde tlak na úrovni úst je 0 cm H2O. Jedná se o úroveň funkční zbytkové kapacity (FRC), při které nedochází k proudění vzduchu v dýchacích cestách a tlak na úrovni úst se při provádění spirometrických studií rovná dýchacím cestám a alveolárnímu tlaku (0 cm H2O). V křivce P-V představuje vodorovná vzdálenost od bodu 0 elastický tlak celého dýchacího systému (), který je negativní pod FRC a pozitivní nad úrovní FRC (obrázek 2).Rozdíl tlaku mezi tlakem na úrovni úst a atmosférickým tlakem představuje tlak potřebný k rozšíření dýchacího systému během dýchacího cyklu.

Obrázek 2

Kvazistatická PV křivka dýchacího systému se spirogramem zobrazujícím dělení objemu plic . ERV: expirační rezervní objem, IC: inspirační kapacita, VC: vitální kapacita. Převzato z Agostini a Hyatt.

v objemu plic. Ve výsledku je poddajnost plic nejméně při vysokých objemech plic a největší při přiblížení zbytkového objemu (RV). Plíce s vysokou poddajností se rozšiřují do většího rozsahu než jedna s nižší poddajností, když jsou obě vystaveny stejnému zvýšení transpulmonálního tlaku. Hyperinflace a dechové dýchání směrem k celkové kapacitě plic nutí dýchací systém pracovat na plošší části křivky shody, kde progresivní zvýšení tlaku generuje menší přírůstkové objemové změny.

Plicní komplikace se obvykle měří jako statická, když plíce jsou nehybné. Distensibility odhadovaná během normálního dechového dechu z měření objemu plic a tlaku jícnu provedeného na konci inspirace a výdechu, kdy jsou plíce zjevně nehybné, má ve výsledku index, který se nazývá dynamická shoda. U subjektů se zdravými plícemi poskytují obě měření podobné výsledky.

Jelikož křivka tlaku a objemu plic vyžaduje odhad tlaku v dýchacích cestách a kolem plic, lze toho dosáhnout měřením tlaku v jícnu. Malý balónek na konci katétru prochází nosem nebo ústy a rozdíl mezi tlakem v ústech a jícnu se zaznamenává, jak pacient vydechuje v krocích po 1 litru od celkové kapacity plic (TLC) k RV.

Některé faktory, které ovlivňují statickou poddajnost plic (včetně emfyzému), jsou uvedeny v tabulce 1.

Aspekt Nízká shoda Vysoká shoda Plic normální struktury Malá osoba Velká osoba Plicní povrchově aktivní látka Syndrom respirační tísně. Nedostatek povrchově aktivního proteinu B Vláknitý stroma Poruchy plicního parenchymu Věk, rozedma plic a semikarbazid Viscerální pleurální zahuštění sekundární vůči TB, expozici azbestu a haemothoraxu Tón ve svalu alveolárních kanálků histamin Bronchodilatátor léky serotonin, hypoxie Objem plicní krve mitrální stenóza izokapnoická hypoxie selhání levé komory Plicní stenóza

Zdroj:.

Tabulka 1

5. P-V křivka a emfyzém

Většina časných studií popisujících vztah P-V u CHOPN byla provedena za účelem diagnostiky a stanovení závažnosti emfyzému. CT však bylo vhodnější jako metoda. Většina časných studií byla prováděna na spontánně dýchajících subjektech s CHOPN.

Gibson et al. zjistili, že faktor byl zvýšen u pacientů s CHOPN. Faktor popisuje konkávnost exponenciálního uložení a je nezávislý na objemu plic. Zvýšení znamená, že křivka má konkávnost směrem k ose tlaku bez ohledu na její polohu. To potvrdila studie Greaves a Colebatch, kteří studují normální a emfyzémové plíce. Zjistili, že když byl emfyzém přítomen, byl zvýšen o více než dvě standardní odchylky nad průměrnou předpokládanou hodnotu pro věk. Zjistili také přímý vztah mezi a střední velikostí alveol. Osborne a kol. studoval vztah mezi a průměrnou alveolární velikostí u emfyzémů podstupujících resekci plic. Zjistili, že koreluje se závažností CHOPN, dokud nebyl z důvodu uzavření dýchacích cest ztracen příspěvek velkých vzduchových prostorů ke tvaru křivky.

Dodržování se zvyšuje u obstrukčních plicních onemocnění, jako je plicní emfyzém, méně u astmatu a v menší míře u chronické bronchitidy.U emfyzému se pružný zpětný ráz sníží a křivka P-V se posune nahoru a doleva. To je způsobeno ztrátou elastické tkáně v důsledku destrukce alveolární stěny. U chronické bronchitidy bez emfyzému však může být křivka P-V normální, protože parenchyma je ovlivněn minimálně.

V praxi má měření shody a její výsledek omezenou klinickou hodnotu. Jak již bylo zmíněno dříve, výsledná křivka je nelineární a hodnota shody se měří podle změny tlaku. Měření nad úrovní FRC, blížící se TLC, ukazuje nižší hodnoty poddajnosti a zvýšenou ztuhlost plic v důsledku kolagenových vláken v plicním parenchymu, které ovlivňují roztažení plic ve vysokých objemech. Měření shody by tedy mělo být prováděno blízko úrovně FRC, jinak, blízko úrovní TLC a RV, mají výsledky omezenou klinickou hodnotu.

Přirozená historie vývoje plicní hyperinflace v Pacienti s CHOPN podle klinických zkušeností naznačují, že jde o zákeřný proces, který probíhá po celá desetiletí. Zdá se, že RV je první objemová složka, která se zvyšuje, což odráží zvýšené uzavření dýchacích cest. EELV se poté zvyšuje, což odráží účinky EFL a změny v mechanice plic, a nakonec se zvyšuje TLC, jak se zvyšuje kompliance plic. Je však pravděpodobné, že časový průběh změn v různých objemových kompartmentech je u pacientů velmi variabilní.

Křivka P-V ukazuje různé konfigurace během dýchacího cyklu, to znamená během inspirace a výdechu. Tento jev se nazývá hystereze a je vlastností elastických struktur. Rozdíl v konfiguraci nastává v důsledku skutečnosti, že v blízkosti RV (malé objemy plic) je během inspirace vyžadován další tlak k otevření malých distálních dýchacích cest. U větších objemů plic je fenomén hystereze pravděpodobně připisován odporu elastických vláken v parenchymu.

6. Závěr

Statické a dynamické studie plic u chronické obstrukční plicní nemoci se liší podle patologických aspektů onemocnění. Ztráta elastického zpětného rázu plic ovlivňuje tlakový rozdíl mezi vnitřkem plicních sklípků a pleurálním povrchem plic, tj. Transpulmonální tlak. Výsledkem je, že plíce s vysokou poddajností, jako je emfyzematická plíce, se rozšiřují ve větší míře než plíce s nízkou poddajností, když jsou obě vystaveny stejnému zvýšení transpulmonálního tlaku.