Abstrakt

Kronisk obstruktiv lungesygdom, nemlig lungeemfysem og kronisk bronkitis, er en kronisk inflammatorisk reaktion i luftvejene på skadelige partikler eller gasser med resulterende patologiske og patofysiologiske ændringer i lungen. De vigtigste patofysiologiske aspekter af sygdommen er luftstrømningsobstruktion og hyperinflation. Åndedrætssystemets og dets komponenters mekaniske egenskaber undersøges ved at bestemme de tilsvarende forhold mellem volumen og tryk (PV). Konsekvenserne af det inflammatoriske respons på lungestrukturen og -funktionen er afbildet i forholdet mellem volumen og tryk.

1. Introduktion

Kronisk obstruktiv lungesygdom (COPD), en almindelig sygdom, der kan forebygges og behandles, er kendetegnet ved vedvarende luftstrømsbegrænsning, der normalt er progressiv og forbundet med en forbedret kronisk inflammatorisk reaktion i luftvejene og lungen mod skadelige partikler eller gasser. Luftvejsbegrænsning tilskrives tre forskellige mekanismer: (1) delvis blokering af lumen (fx på grund af overdreven slimproduktion, der danner halvfaste propper), (2) fortykkelse af luftvejsvæggen, som opstår på grund af ødem eller muskelhypertrofi, og ( 3) abnormitet i vævet, der omgiver luftvejene (ødelæggelse af parenkymet og indsnævring af luftvejen på grund af tab af radial trækkraft). Begge enheder af KOL, nemlig kronisk bronkitis og emfysem, er karakteriseret ved de tidligere mekanismer. Kronisk bronkitis er kendetegnet ved delvis blokering af lumen og luftvejsvæggens fortykning, mens emfysem ved radialt trækkraftstab.

Den mest almindelige risikofaktor for KOL globalt er cigaretrøg. Cigaretrygere viser en højere forekomst af åndedrætssymptomer og abnormiteter i lungefunktionen end ikke-rygere. Som en konsekvens er det årlige fald i FEV1 højere end det forventede FEV1-fald med faldende alder. Passiv eksponering for røg er også et vigtigt aspekt af sygdommen. Vi bør tage den erhvervsmæssige eksponering i betragtning, herunder organisk og uorganisk støv, kemiske stoffer og dampe, og selvfølgelig den indendørs forurening fra biomassen under madlavning og opvarmning i dårligt ventilerede huse.

2. KOLS Patologi

Patologiske ændringer findes i store og små luftveje, i parenkymet og lungevaskulaturen som følge af gentagen skade og reparation. Den inflammatoriske reaktion kan bestemmes genetisk eller kan være forårsaget af skadelige partikler, såsom cigaretrøg. Imidlertid udvikler nogle patienter KOL uden eksponering for cigaretrøg. Den oxidative stress og ubalancen mellem proteaser og antiproteaser, som har en rolle i beskyttelsen af bindevæv mod nedbrydning, forstærker sygdommens inflammatoriske respons. Den inflammatoriske reaktion forværres af de inflammatoriske celler CD8 + cytotoksiske Tc1-lymfocytter og de inflammatoriske mediatorer (kemotaktiske faktorer, proinflammatoriske cytokiner og vækstfaktorer).

Et scenarie, der er under eksperimentel efterforskning, afslører en attraktiv model til initiering af inflammation, der omfatter oxidativ DNA-beskadigelse af LEBC’er og værtsimmunrespons. Ifølge dette inducerer skadelige partikler oxidativ DNA-beskadigelse af lungeepitelbarriere celler (LEBC’er), og de erhvervede mutationer udtrykkes ved mikrosatellit DNA niveau af LEBC’er. De ændrede LEBC’er genkendes af dendritiske celler (DC’er) som “ikke-selv” DC’er, der rejser med den nye information til lymfeknuderne og præsenterer den for de naive T-lymfocytter, og derefter optræder en fremherskende CD8 + cytotoksisk T-lymfocytproliferation. CD8 + T lymfocytter frigiver perforin og granzymer og tiltrækker de ændrede LEBC’er, der aktiverer celledødskaskader.

3. Patofysiologiske aspekter i KOL

3.1 Luftstrømshindring

Luftstrøm under udånding er resultatet af balancen mellem den elastiske rekyl i lungerne, der fremmer strømning og modstand i luftvejene, der begrænser strømmen. De faktorer, der fører til blokering af lumen og den øgede modstand med konsekvens af strømningsbegrænsning, er tilstedeværelsen af sekretioner, den øgede tone i glat bronkial muskel, hypertrofi af submukøse kirtler og fremspringet mod den indre del af lumen i den dorsale del af luftrøret under udløbet. Disse faktorer er involveret i luftstrømmen o obstruktion på grund af den store forskel mellem intraluminal tryk og trykket i omgivelserne. Tabet af elastisk rekyl vedrørende væggen i de små luftveje på grund af reduktionen af elastisk væv i lungeparenchymet er tydeligt hovedsageligt ved emfysem. Fraværet af brusk i væggen i de små perifere luftveje bidrager yderligere til tabet af den elastiske rekyl.Patienter med KOL siges at være strømningsbegrænset, når den ekspiratoriske strøm, som de genererer under tidevandsånding, repræsenterer den maksimalt mulige strøm, som de kan generere ved dette volumen. Hos flowbegrænsede patienter er tiden, der er tilgængelig til lungetømning (udåndingstid) under spontan vejrtrækning, ofte utilstrækkelig til at lade den endelige udåndingsluftvolumen (EELV) falde til dets naturlige afslapningsvolumen. Dette fører til lungehyperinflation.

3.2. Hyperinflation

Tabet af den elastiske rekyl, især i tilfælde af emfysem, det faktum, at KOL-patienten ånder “et højere niveau”, hvilket betyder, at funktionstestene viser en funktionel restkapacitet (FRC), som overstiger den forudsagte, for at holde luftvejene åbne, og luftfangsten under for tidlig lukning er alle aspekter af lungehyperinflation.

Hos normale forsøgspersoner tilnærmer lungevolumen ved slutudløb respirationssystemets afslapningsvolumen Hos patienter med luftstrømningsobstruktion kan den end-ekspiratoriske lungevolumen imidlertid overstige det forudsagte FRC. Faktisk nedsættes lungetømningen, og udløbet afbrydes af den næste inspiratoriske indsats, før patienten har nået det statiske ligevægtsvolumen. Dette er betegnes dynamisk hyperinflation og påvirkes af VT, udåndingstid, modstand og overholdelse. Det kaldes også iboende positivt slutudblødningstryk (auto-PEEP) og blev først beskrevet af Bergman i 1972 en d Johnson et al. i 1975 og repræsenterer det positive intrapulmonale tryk i slutningen af udløbet. Tilstedeværelsen af auto-PEEP betyder, at de inspiratoriske muskler først skal overvinde den kombinerede indadgående rekyl i lungen og brystvæggen, før inspiratorisk flow kan igangsættes. Således fungerer auto-PEEP i det væsentlige som en inspiratorisk tærskelbelastning og er målt til at være så meget som 6-9 cmH2O under stille vejrtrækning i hvile hos klinisk stabile, men hyperinflaterede KOL-patienter.

Under alvorlige forhindringer af luftstrømmen øger øget ekspiratorisk indsats simpelthen alveolært tryk uden at forbedre ekspiratorisk luftstrøm. Når tidevandsvolumen (VT) øges, eller udåndingstiden er kort på grund af en høj åndedrætsfrekvens, kan lungen ikke tømme til sin sædvanlige hvilevægt mellem vejrtrækning. Denne stigning i alveolært tryk og lungevolumen resulterer i flere begivenheder, som påvirker lungens dynamiske status. Åndedræt finder sted nær den samlede lungekapacitet. Tidevandsånding under en forværring hos en patient med KOL kan forskydes opad tæt på den samlede lungekapacitet som følge af dynamisk hyperinflation.

Hyperinflation har skadelige virkninger på membranens funktion, der øger vejrtrækningsarbejdet. Først og fremmest forskydes mellemgulvet i en flad position, hvilket resulterer i et fald i lokaliseringszonen mellem mellemgulvet og bugvæggen. For det andet er muskelfibrene i den flade membran kortere og er mindre i stand til at generere inspiratoriske tryk, der vil overvælde det transpulmonale tryk. Det positive tryk i den hyperinflaterede lunge hæver det gennemsnitlige intrathoracale tryk og får de inspiratoriske muskler til at fungere ved et højere end hvilende lungevolumen. Membranets sarkomerlængde hos KOL-patienter er kortere og indirekte proportional med TLC og RV. Denne justering forbedrer membranens evne til at generere kraft i “højere lungevolumener.” Den ideelle længde af inspiratoriske muskler under afslapning anses for at være nær niveauet for restvolumen (RV). Hos KOL-patienter er længden af muskelfibre dog på grund af hyperinflation endnu kortere. Desuden er en stigning i den relative andel af type I-fibre, der er langsomme trækninger og udmattelsesresistente og en stigning i mitokondrie-koncentrationen og effektiviteten af elektrontransportkæden, som forbedrer oxidativ kapacitet, er andre strukturelle tilpasninger til kronisk indre mekanisk belastning. Som et resultat er den udviklende kraft produceret af musklerne reduceres endnu mere på bekostning af en betydelig mekanisk ulempe, som yderligere forringer respiratorisk muskelfunktion, hvilket gør membranen svagere på denne måde.

Ventilationsmusklerne tilpasser sig delvist til kronisk hyperinflation for at bevare deres kraftgenererende kapacitet under hvilet vejrtrækning Under COPD-forværringer kan disse tilpasninger blive overvældede røde inspiratoriske muskler bliver udsat for øget elastisk belastning, hvilket betyder, at de kræver en større indsats for en given volumenændring. Akut dynamisk hyperinflation forkorter yderligere de inspiratoriske muskler, især mellemgulvet, og forårsager funktionel muskelsvaghed. Eksponering for oxidativ stress og lokal aktivering af proteaser kan også resultere i diafragmatisk skade i perioder med øget inspiratorisk belastning og resultere i inspiratorisk muskeldysfunktion.Nettovirkningen af denne øgede belastning og funktionelle svaghed i de inspiratoriske muskler er, at den krævede indsats for tidevandsinspiration repræsenterer en relativt høj brøkdel af den maksimalt mulige indsats, som patienten kan udvikle ved dette lungevolumen.

4 . Lungeoverensstemmelse

Åndedrætssystemet ejer sin elastiske egenskab til funktion af åndedrætsmusklerne, som forsyner hele systemet med den nødvendige trykforskel, så luft bevæger sig ind i luftvejene. Åndedrætssystemets og dets komponenters statiske mekaniske egenskaber undersøges ved at bestemme de tilsvarende tryk / volumen (PV) forhold. P-V-kurverne, der opnås som volumen, ændres i progressive trin fra restvolumen (RV) til total lungekapacitet (TLC) og tilbage igen er sløjfer. De elastiske egenskaber af lunge- og brystvæggen samt ændringer i lungeenheder mellem inflation og deflation er ansvarlige for tilstedeværelsen af disse sløjfer. Lungelasticiteten er afbildet af den statiske volumen-trykkurve. Det faktum, at P-V-kurven er ikke-lineær, betyder praktisk talt, at når lungevolumen øges, nærmer de elastiske elementer deres grænser for distensibilitet.

Ved KOL på grund af den hvilende og dynamiske hyperinflation, der er lig med en yderligere stigning i det end-ekspiratoriske lungevolumen (EELV), trænger tidevandsvolumenet (VT) ind på den øvre alinære ekstreme af åndedrætssystemets PV-kurve, hvor der er øget elastisk belastning. I KOL reduceres evnen til yderligere at udvide VT, så inspiratorisk reservevolumen (IRV) reduceres. I modsætning til helbredet er det kombinerede rekyltryk i lungerne og brystvæggen hos hyperinflaterede patienter med KOL indadrettet under både hvile og træning. Dette resulterer i en inspiratorisk tærskelbelastning på åndedrætsmusklerne (figur 1). Intrapulmonært tryk vender ikke tilbage til nul, hvilket repræsenterer denne måde auto-PEEP, som pålægger de inspiratoriske muskler ekstra belastning. Under den efterfølgende respirationscyklus skal auto-PEEP overvindes for at generere inspiratorisk flow.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 1

Relationer mellem tryk-volumen (PV) for det samlede luftvejssystem i (a) normalt og (b) kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL). Tidevands-P-V-kurver under hvile og under træning vises. Hos KOL-individer er der en nulstilling af åndedrætssystemets afslapningsvolumen til et højere niveau end hos de raske individer. Hyperinflation i KOL fører til øget EELV, RV og en tilsvarende reduktion i IRV sammenlignet med normal tilstand. I modsætning til normal lunge er det kombinerede rekyltryk i lungerne og brystvæggen i hyperinflation indadrettet under hvile og under træning. Dette resulterer i inspiratorisk tærskelbelastning på de inspiratoriske muskler med deraf følgende fald i zone for anbringelse (vist i PV-kurve (b) under hvile og motion). EELV: slut ekspiratorisk lungevolumen, RV: restvolumen, IRV: inspiratorisk reservevolumen, TLC: total lungekapacitet. Fra O’Donnell og Laveneziana.

Lungens statiske overensstemmelse (C) er ændringen i lungevolumen pr. Enhedsændring i det transpulmonale tryk; det vil sige trykforskellen mellem det indre af alveolerne og den pleurale overflade af lungerne, der kræves for at påvirke en given ændring i luftvolumenet i lungerne: hvor er overensstemmelse, er ændringen i lungevolumen og er ændringen i det transpulmonale tryk.

Strengt taget er det transpulmonære tryk lig med trykket i luftrøret minus det intrapleurale tryk. Således er det trykforskellen over hele lungen. Imidlertid er trykket i alveolerne det samme som trykket i luftvejene (inklusive luftrøret) i begyndelsen eller i slutningen af hver normale åndedræt. Det vil sige, at det endespiratoriske eller det sidste inspirerende alveolære tryk er 0 cm H2O. Derfor kan alveolært udspændende tryk i begyndelsen eller slutningen af hver lungeinflation kaldes det transpulmonære tryk.

Volumenet, der svarer til nul tryk (0 cm H2O), er hvilevolumenet åndedrætsorganerne, hvor trykket i munden er 0 cm H2O. Dette er niveauet for funktionel restkapacitet (FRC), hvor der ikke er nogen luftstrøm i luftvejene, og trykket på niveauet af munden, når der udføres spirometriske undersøgelser er lig med luftvejen og det alveolære tryk (0 cm H2O). I PV-kurven repræsenterer den vandrette afstand fra punktet 0 det elastiske tryk i hele åndedrætssystemet (), som er negativt under FRC og positivt over FRC-niveauet (figur 2).Trykforskellen mellem trykket på niveauet af munden og det atmosfæriske tryk repræsenterer det tryk, der er nødvendigt for at udvide åndedrætssystemet under åndedrætscyklussen.

Figur 2

Kvasistatisk PV-kurve i åndedrætssystemet med et spirogram, der viser underinddelinger af lungevolumen . ERV: ekspiratorisk reservevolumen, IC: inspiratorisk kapacitet, VC: vital kapacitet. Tilpasset fra Agostini og Hyatt.

Den loopede PV-kurve betyder praktisk talt, at når lungevolumen øges, nærmer de elastiske elementer deres grænser for distensibilitet, og en given ændring i transpulmonært tryk producerer mindre og mindre stigninger i lungevolumen. Som et resultat er lungens overensstemmelse mindst ved høje lungevolumener og størst, når det resterende volumen (RV) nærmes. En lunge med høj overensstemmelse udvider sig i større udstrækning end en med lavere overensstemmelse, når begge udsættes for den samme stigning i transpulmonært tryk. Hyperinflation og tidevandsånding mod den samlede lungekapacitet tvinger åndedrætssystemet til at fungere på den fladere del af overholdelseskurven, hvor progressivt trykstigninger genererer mindre trinvise volumenændringer.

Lungekompliciteten måles normalt som statisk, når lungerne er stationære. Distensibiliteten estimeret under normal tidevandsånding fra målinger af lungevolumen og spiserørstryk foretaget i slutningen af inspiration og udløb, når lungerne tilsyneladende er stationære, har et indeks som et resultat, der kaldes dynamisk overensstemmelse. Hos forsøgspersoner med sunde lunger giver de to målinger lignende resultater.

Da lungevægtkurven kræver estimering af trykket i luftvejene og omkring lungen, kan dette opnås ved måling af spiserøret. En lille ballon i enden af kateteret føres ned gennem næsen eller munden, og forskellen mellem munden og spiserørstrykket registreres, når patienten udånder i trin på 1 liter fra den samlede lungekapacitet (TLC) til RV.

Nogle faktorer, der påvirker den statiske lungefylde (inklusive emfysem), er anført i tabel 1.

5. PV-kurve og emfysem

De fleste af de tidlige undersøgelser, der beskriver P-V-forholdet ved KOL, blev udført for at diagnosticere og fastslå sværhedsgraden af emfysem. Imidlertid var CT mere praktisk som en metode. Det meste af den tidlige undersøgelse blev udført på spontant vejrtrækende KOL-forsøgspersoner.

Gibson et al. fandt ud af, at faktoren var øget hos KOL-patienter. Faktoren beskriver konkaviteten af den eksponentielle tilpasning og er uafhængig af lungevolumen. Derfor betyder en stigning i, at kurven har konkavitet mod trykaksen uden hensyntagen til dens position. Dette blev bekræftet ved undersøgelsen af Greaves og Colebatch, der studerer normale og emfysematøse lunger. De fandt ud af, at når emfysem var til stede, blev det øget med mere end to standardafvigelser over den gennemsnitlige forudsagte værdi for alder. De fandt også et direkte forhold mellem og gennemsnit alveolær størrelse. Osborne et al. undersøgte sammenhængen mellem og den gennemsnitlige alveolære størrelse i emfysematøs, der gennemgår lungeresektion. De fandt ud af, at korrelerer med sværhedsgraden af KOL, indtil bidraget fra store luftrum til kurvens form gik tabt på grund af lukning af luftvejene.

Overholdelse øges i obstruktiv lungesygdom som lungeemfysem, mindre i astma og i mindre grad i kronisk bronkitis.Ved emfysem mindskes den elastiske rekyl, og P-V-kurven forskydes opad og til venstre. Dette skyldes tab af elastisk væv som følge af ødelæggelse af alveolær væg. Ved kronisk bronkitis uden emfysem kan P-V-kurven imidlertid være normal, da parenkymet er minimalt påvirket.

I praksis har måling af overensstemmelse og dens resultat begrænset klinisk værdi. Som tidligere nævnt er den resulterende kurve ikke lineær, og værdien af overensstemmelse overholdes i henhold til trykændringen. Målingen over FRC-niveauet, der nærmer sig TLC, viser lavere værdier for overensstemmelse og øget lungestivhed på grund af kollagenfibrene i lungeparenkymet, som påvirker lungedistensionen i store volumener. Måling af overensstemmelse skal således udføres tæt på FRC-niveauet, ellers har resultaterne begrænset klinisk værdi tæt på TLC- og RV-niveauerne.

Den naturlige historie for udviklingen af hyperinflation i lunge i KOL-patienter ifølge klinisk erfaring indikerer, at det er en snigende proces, der finder sted over årtier. Det ser ud til, at RV er den første volumenkomponent, der øges, hvilket afspejler øget lukning af luftvejene. EELV øges derefter, hvilket afspejler virkningerne af EFL og ændring i lungemekanik, og til sidst øges TLC, når lungekompliciteten øges. Det er imidlertid sandsynligt, at tidsforløbet for ændring i de forskellige volumenkamre er meget variabelt blandt patienter.

P-V-kurven viser forskellig konfiguration under respirationscyklussen, det vil sige under inspiration og udløb. Dette fænomen kaldes hysterese og er en egenskab ved elastiske strukturer. Forskellen i konfiguration opstår på grund af det faktum, at tæt på RV (små lungevolumener) kræves yderligere tryk under inspiration for at åbne de små distale luftveje. I større lungevolumener tilskrives fænomenet hysterese muligvis modstanden af elastiske fibre i parenkymet.

6. Konklusion

De statiske og dynamiske studier af lungerne ved kronisk obstruktiv lungesygdom adskiller sig efter sygdommens patologiske aspekter. Tabet af lungens elastiske rekyl påvirker trykforskellen mellem det indre af alveolerne og lungens pleurale overflade, det vil sige det transpulmonale tryk. Som et resultat udvides en lunge med høj compliance, ligesom den emfysematøse lunge, i større grad end den med lav compliance, når begge udsættes for den samme stigning i transpulmonært tryk.