Lungencompliance und chronisch obstruktive Lungenerkrankung
Zusammenfassung
Chronisch obstruktive Lungenerkrankung, nämlich Lungenemphysem und chronische Bronchitis, ist eine chronisch entzündliche Reaktion der Atemwege auf schädliche Partikel oder Gase mit daraus resultierenden pathologischen und pathophysiologischen Veränderungen in der Lunge. Die wichtigsten pathophysiologischen Aspekte der Krankheit sind Luftstromobstruktion und Hyperinflation. Die mechanischen Eigenschaften des Atmungssystems und seiner Bestandteile werden untersucht, indem die entsprechenden Volumen-Druck-Beziehungen (P-V) bestimmt werden. Die Konsequenzen der Entzündungsreaktion auf die Lungenstruktur und -funktion sind in den Volumen-Druck-Beziehungen dargestellt.
1. Einleitung
Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), eine häufige vermeidbare und behandelbare Erkrankung, ist durch eine anhaltende Luftstrombegrenzung gekennzeichnet, die normalerweise progressiv ist und mit einer verstärkten chronischen Entzündungsreaktion in den Atemwegen und der Lunge auf schädliche Partikel verbunden ist oder Gase. Die Einschränkung der Atemwege wird auf drei verschiedene Mechanismen zurückgeführt: (1) Teilblockierung des Lumens (z. B. aufgrund einer übermäßigen Schleimproduktion, die halbfeste Stopfen bildet), (2) Verdickung der Atemwegswand, die aufgrund von Ödemen oder Muskelhypertrophie auftritt, und ( 3) Abnormalität des die Atemwege umgebenden Gewebes (Zerstörung des Parenchyms und Verengung der Atemwege aufgrund eines Verlustes der radialen Traktion). Beide Entitäten der COPD, nämlich chronische Bronchitis und Emphysem, sind durch die ersteren Mechanismen gekennzeichnet. Chronische Bronchitis ist durch eine teilweise Blockierung des Lumens und eine Verdickung der Atemwegswände gekennzeichnet, während ein Emphysem durch einen radialen Traktionsverlust auftritt.
Der weltweit häufigste Risikofaktor für COPD ist Zigarettenrauch. Zigarettenraucher zeigen eine höhere Prävalenz von Atemwegsbeschwerden und Lungenfunktionsstörungen als Nichtraucher. Infolgedessen ist die jährliche Abnahmerate von FEV1 höher als die erwartete Abnahme von FEV1 mit abnehmendem Alter. Passive Rauchexposition ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt der Krankheit. Wir sollten die berufliche Exposition berücksichtigen, einschließlich organischer und anorganischer Stäube, chemischer Arbeitsstoffe und Dämpfe, und natürlich die Verschmutzung der Biomasse durch Innenräume beim Kochen und Heizen in schlecht belüfteten Häusern.
2. COPD-Pathologie
Pathologische Veränderungen finden sich in großen und kleinen Atemwegen, im Parenchym und im Lungengefäßsystem, die auf wiederholte Verletzungen und Reparaturen zurückzuführen sind. Die Entzündungsreaktion kann genetisch bedingt sein oder durch schädliche Partikel wie Zigarettenrauch verursacht werden. Einige Patienten entwickeln jedoch eine COPD, ohne Zigarettenrauch ausgesetzt zu sein. Der oxidative Stress und das Ungleichgewicht zwischen Proteasen und Antiproteasen, die eine Rolle beim Schutz des Bindegewebes vor dem Abbau spielen, verstärken die Entzündungsreaktion der Krankheit. Die Entzündungsreaktion wird durch die CD8 + -zytotoxischen Tc1-Lymphozyten der Entzündungszellen und die Entzündungsmediatoren (chemotaktische Faktoren, proinflammatorische Zytokine und Wachstumsfaktoren) verstärkt.
Ein Szenario, das derzeit experimentell untersucht wird, zeigt ein attraktives Modell für die Auslösung einer Entzündung, das eine oxidative DNA-Schädigung von LEBCs und eine Immunantwort des Wirts umfasst. Demnach induzieren schädliche Partikel eine oxidative DNA-Schädigung der Lungenepithel-Barrierezellen (LEBCs), und die erworbenen Mutationen werden auf der Mikrosatelliten-DNA-Ebene von LEBCs exprimiert. Die veränderten LEBCs werden von dendritischen Zellen (DCs) als „nicht selbst“ DCs erkannt, die mit den neuen Informationen zu den Lymphknoten gelangen und diese den naiven T-Lymphozyten präsentieren. Danach tritt eine vorherrschende CD8 + -zytotoxische T-Lymphozyten-Proliferation auf. Die CD8 + T. Lymphozyten setzen Perforin und Granzyme frei und ziehen die veränderten LEBCs an, wodurch Zelltodkaskaden aktiviert werden.
3. Pathophysiologische Aspekte bei COPD
3.1. Luftstromobstruktion
Luftstrom während des Ausatmens ist das Ergebnis des Gleichgewichts zwischen dem elastischen Rückstoß der Lunge, der den Fluss fördert, und dem Widerstand der Atemwege, der den Fluss begrenzt. Die Faktoren, die zur Verstopfung des Lumens führen, und der erhöhte Widerstand infolge der Flussbegrenzung sind das Vorhandensein von Sekrete, der erhöhte Tonus der glatten Bronchialmuskulatur, die Hypertrophie der submukosalen Drüsen und der Vorsprung zum dorsalen Teil des Lumens des dorsalen Teils der Luftröhre während des Ausatmens. Diese Faktoren sind am Luftstrom beteiligt Konstruktion aufgrund des großen Unterschieds zwischen dem intraluminalen Druck und dem Druck in der Umgebung. Der Verlust des elastischen Rückstoßes an der Wand der kleinen Atemwege aufgrund der Verringerung des elastischen Gewebes im Lungenparenchym ist hauptsächlich beim Emphysem erkennbar. Das Fehlen von Knorpel in der Wand der kleinen peripheren Atemwege trägt weiter zum Verlust des elastischen Rückstoßes bei.Patienten mit COPD gelten als flussbegrenzt, wenn der exspiratorische Fluss, den sie während der Gezeitenatmung erzeugen, den maximal möglichen Fluss darstellt, den sie bei diesem Volumen erzeugen können. Bei Patienten mit eingeschränktem Durchfluss reicht die für die Lungenentleerung (Exspirationszeit) während der Spontanatmung zur Verfügung stehende Zeit häufig nicht aus, damit das endexspiratorische Lungenvolumen (EELV) auf sein natürliches Entspannungsvolumen abfällt. Dies führt zu einer Lungenhyperinflation.
3.2. Hyperinflation
Der Verlust des elastischen Rückstoßes, insbesondere bei Emphysem, die Tatsache, dass der COPD-Patient „ein höheres Niveau“ einatmet, was bedeutet, dass die Funktionstests eine funktionelle Restkapazität (FRC) zeigen, die überschreitet den vorhergesagten Wert, um die Atemwege offen zu halten und die Lufteinschlüsse während des vorzeitigen Verschlusses sind alle Aspekte der Lungenhyperinflation.
Bei normalen Probanden nähert sich das Lungenvolumen am Ende der Exspiration dem Relaxationsvolumen des Atmungssystems an Bei Patienten mit Luftstromobstruktion kann das endexspiratorische Lungenvolumen jedoch die vorhergesagte FRC überschreiten. In der Tat wird die Lungenentleerung verlangsamt und die Exspiration durch die nächste Inspirationsanstrengung unterbrochen, bevor der Patient das statische Gleichgewichtsvolumen erreicht hat Wird als dynamische Hyperinflation bezeichnet und wird durch VT, Exspirationszeit, Widerstand und Compliance beeinflusst. Sie wird auch als intrinsischer positiver endexspiratorischer Druck (Auto-PEEP) bezeichnet und wurde erstmals 1972 von Bergman beschrieben d Johnson et al. im Jahr 1975 und repräsentiert den positiven intrapulmonalen Druck am Ende des Ablaufs. Das Vorhandensein von Auto-PEEP bedeutet, dass die Inspirationsmuskeln zuerst den kombinierten Rückstoß der Lunge und der Brustwand nach innen überwinden müssen, bevor der Inspirationsfluss eingeleitet werden kann. Daher wirkt Auto-PEEP im Wesentlichen als inspiratorische Schwellenlast und wurde bei ruhiger Atmung in Ruhe bei klinisch stabilen, aber hyperinflierten COPD-Patienten mit bis zu 6–9 cmH2O gemessen.
Während schwerer Episoden von Luftstromobstruktionen erhöhen erhöhte Exspirationsbemühungen einfach den Alveolardruck, ohne den Exspirationsluftstrom zu verbessern. Wenn das Atemzugvolumen (VT) erhöht wird oder die Exspirationszeit aufgrund einer hohen Atemfrequenz kurz ist, kann die Lunge nicht zu ihrem üblichen Ruhegleichgewicht zwischen den Atemzügen entleert werden. Dieser Anstieg des Alveolardrucks und des Lungenvolumens führt zu mehreren Ereignissen, die den dynamischen Status der Lunge beeinflussen. Die Atmung erfolgt in der Nähe der gesamten Lungenkapazität. Die Gezeitenatmung während einer Exazerbation bei einem Patienten mit COPD kann infolge einer dynamischen Hyperinflation nahe der gesamten Lungenkapazität nach oben verschoben werden.
Eine Hyperinflation hat nachteilige Auswirkungen auf die Funktion des Zwerchfells, die die Atemarbeit erhöhen. Zunächst wird das Zwerchfell in eine abgeflachte Position gebracht, was zu einer Verringerung der Appositionszone zwischen dem Zwerchfell und der Bauchdecke führt. Zweitens sind die Muskelfasern des abgeflachten Zwerchfells kürzer und weniger in der Lage, Inspirationsdrücke zu erzeugen, die den transpulmonalen Druck überwältigen. Der positive Druck in der hyperinflierten Lunge erhöht den mittleren intrathorakalen Druck und bewirkt, dass die Inspirationsmuskeln bei einem höheren Lungenvolumen als im Ruhezustand arbeiten. Die Sarkomerlänge des Zwerchfells bei COPD-Patienten ist kürzer und indirekt proportional zur DC und zum RV. Diese Einstellung verbessert die Fähigkeit des Zwerchfells, Kraft in „höheren Lungenvolumina“ zu erzeugen. Die ideale Länge der Inspirationsmuskeln während der Entspannung wird als nahe dem Restvolumen (RV) angesehen. Bei COPD-Patienten ist die Länge der Muskelfasern aufgrund der Hyperinflation jedoch noch kürzer. Darüber hinaus steigt der relative Anteil von den Fasern des Typs I, die langsam zucken und ermüdungsbeständig sind, und eine Erhöhung der mitochondrialen Konzentration und Effizienz der Elektronentransportkette, die die Oxidationskapazität verbessert, sind weitere strukturelle Anpassungen an die chronische intrinsische mechanische Belastung. Infolgedessen ist die von den Muskeln erzeugte Entwicklungskraft wird auf Kosten eines erheblichen mechanischen Nachteils, der die Funktion der Atemmuskulatur weiter beeinträchtigt und das Zwerchfell auf diese Weise schwächer macht, noch weiter reduziert.
Die Beatmungsmuskeln passen sich teilweise der chronischen Hyperinflation an, um ihre Krafterzeugungskapazität während der Ruheatmung zu erhalten Während COPD-Exazerbationen können diese Anpassungen überfordert sein Geradene Inspirationsmuskeln unterliegen einer erhöhten elastischen Belastung, was bedeutet, dass sie für eine bestimmte Volumenänderung eine größere Anstrengung erfordern. Akute dynamische Hyperinflation verkürzt die Inspirationsmuskeln, insbesondere das Zwerchfell, weiter und führt zu einer funktionellen Muskelschwäche. Die Exposition gegenüber oxidativem Stress und die lokale Aktivierung von Proteasen können auch zu Zwerchfellverletzungen in Zeiten erhöhter Inspirationsbelastung und zu Funktionsstörungen der Inspirationsmuskulatur führen.Der Nettoeffekt dieser erhöhten Belastung und Funktionsschwäche der Inspirationsmuskeln besteht darin, dass die für die Gezeiteninspiration erforderliche Anstrengung einen relativ hohen Bruchteil der maximal möglichen Anstrengung darstellt, die der Patient bei diesem Lungenvolumen entwickeln kann.
4 . Lungenkonformität
Das Atmungssystem besitzt seine elastische Eigenschaft gegenüber der Funktion der Atemmuskulatur, die das gesamte System mit der erforderlichen Druckdifferenz versorgt, damit Luft in die Atemwege gelangt. Die statisch-mechanischen Eigenschaften des Atmungssystems und seiner Bestandteile werden untersucht, indem die entsprechenden Druck-Volumen-Beziehungen (P-V) bestimmt werden. Die P-V-Kurven, die als Volumen erhalten werden, werden in progressiven Schritten vom Restvolumen (RV) zur gesamten Lungenkapazität (DC) und wieder zurück geändert. Dies sind Schleifen. Die elastischen Eigenschaften der Lunge und der Brustwand sowie die Veränderungen der Lungeneinheiten zwischen Inflation und Deflation sind für das Vorhandensein dieser Schleifen verantwortlich. Die Lungenelastizität wird durch die statische Volumendruckkurve dargestellt. Die Tatsache, dass die P-V-Kurve nichtlinear ist, bedeutet praktisch, dass sich die elastischen Elemente mit zunehmendem Lungenvolumen ihren Grenzen der Dehnbarkeit nähern.
Bei COPD greift das Atemzugvolumen (VT) aufgrund der ruhenden und dynamischen Hyperinflation, die einer weiteren Erhöhung des endexspiratorischen Lungenvolumens (EELV) entspricht, in das obere alineare Extrem des PV-Kurve des Atmungssystems bei erhöhter elastischer Belastung. Bei der COPD wird die Fähigkeit zur weiteren Expansion der VT verringert, so dass das inspiratorische Reservevolumen (IRV) verringert wird. Im Gegensatz zur Gesundheit ist der kombinierte Rückstoßdruck der Lunge und der Brustwand bei hyperinflierten Patienten mit COPD sowohl während der Ruhephase als auch während des Trainings nach innen gerichtet. Dies führt zu einer inspiratorischen Schwellenbelastung der Atemmuskulatur (Abbildung 1). Der intrapulmonale Druck kehrt nicht auf Null zurück, was auf diese Weise den Auto-PEEP darstellt, der die Inspirationsmuskeln zusätzlich belastet. Während des nachfolgenden Atemzyklus muss der Auto-PEEP überwunden werden, um einen inspiratorischen Fluss zu erzeugen.
(a)
(b)
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Die statische Compliance (C) der Lunge ist die Änderung des Lungenvolumens pro Einheitsänderung des transpulmonalen Drucks. Das heißt, die Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Alveolen und der Pleuraoberfläche der Lunge, die erforderlich ist, um eine bestimmte Änderung des Luftvolumens in der Lunge zu beeinflussen: Wo ist die Compliance, ist die Änderung des Lungenvolumens und ist die Änderung im transpulmonalen Druck.
Genau genommen ist der transpulmonale Druck gleich dem Druck in der Luftröhre abzüglich des intrapleuralen Drucks. Somit ist es der Druckunterschied über die gesamte Lunge. Der Druck in den Alveolen ist jedoch der gleiche wie der Druck in den Atemwegen (einschließlich der Luftröhre) zu Beginn oder am Ende jedes normalen Atemzugs. Das heißt, der endexspiratorische oder endeinspiratorische Alveolardruck beträgt 0 cm H 2 O. Daher kann zu Beginn oder am Ende jeder Lungeninflation der Alveolardehnungsdruck als transpulmonaler Druck bezeichnet werden.
Das Volumen, das dem Nulldruck (0 cm H 2 O) entspricht, ist das Ruhevolumen von das Atmungssystem, wo der Druck in Höhe des Mundes 0 cm H2O beträgt. Dies ist das Niveau der funktionellen Restkapazität (FRC), bei der kein Luftstrom in den Atemwegen vorhanden ist, und der Druck auf der Höhe des Mundes bei der Durchführung spirometrischer Untersuchungen entspricht dem Atemweg und dem Alveolardruck (0 cm H2O). In der P-V-Kurve repräsentiert der horizontale Abstand vom Punkt 0 den elastischen Druck des gesamten Atmungssystems (), der unterhalb des FRC negativ und oberhalb des FRC-Niveaus positiv ist (Abbildung 2).Die Druckdifferenz zwischen dem Druck auf Mundhöhe und dem atmosphärischen Druck stellt den Druck dar, der erforderlich ist, um das Atmungssystem während des Atemzyklus zu erweitern.
Die PV-Schleifenkurve bedeutet praktisch, dass sich die elastischen Elemente mit zunehmendem Lungenvolumen ihren Grenzen der Dehnbarkeit nähern und eine bestimmte Änderung des transpulmonalen Drucks zu immer geringeren Erhöhungen führt im Lungenvolumen. Infolgedessen ist die Compliance der Lunge bei hohen Lungenvolumina am geringsten und bei Annäherung an das Restvolumen (RV) am größten. Eine Lunge mit hoher Compliance dehnt sich stärker aus als eine mit niedrigerer Compliance, wenn beide dem gleichen Anstieg des transpulmonalen Drucks ausgesetzt sind. Hyperinflation und Gezeitenatmung in Richtung der gesamten Lungenkapazität zwingen das Atmungssystem dazu, auf dem flacheren Teil der Compliance-Kurve zu arbeiten, wo progressiver Druckanstieg kleinere inkrementelle Volumenänderungen erzeugt.
Die Lungen-Compliance wird normalerweise als statisch gemessen, wenn Die Lungen sind stationär. Die Dehnbarkeit, die während der normalen Gezeitenatmung aus Messungen des Lungenvolumens und des Ösophagusdrucks am Ende der Inspiration und Exspiration bei scheinbar stationären Lungen geschätzt wird, hat einen Index zur Folge, der als dynamische Compliance bezeichnet wird. Bei Probanden mit gesunder Lunge ergeben die beiden Messungen ähnliche Ergebnisse.
Da die Druck-Volumen-Kurve der Lunge eine Schätzung der Drücke in den Atemwegen und um die Lunge erfordert, kann dies durch Messung des Ösophagusdrucks erhalten werden. Ein kleiner Ballon am Ende des Katheters wird durch die Nase oder den Mund nach unten geführt, und die Differenz zwischen dem Mund- und dem Ösophagusdruck wird aufgezeichnet, wenn der Patient in Schritten von 1 Liter von der gesamten Lungenkapazität (DC) zum RV ausatmet.
Einige Faktoren, die die statische Lungencompliance beeinflussen (einschließlich Emphysem), sind in Tabelle 1 aufgeführt.
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5. P-V-Kurve und Emphysem
Die meisten frühen Studien, die die P-V-Beziehung bei COPD beschreiben, wurden durchgeführt, um den Schweregrad des Emphysems zu diagnostizieren und festzustellen. Die CT war jedoch als Methode bequemer. Die meisten frühen Studien wurden an spontan atmenden COPD-Patienten durchgeführt.
Gibson et al. fanden heraus, dass der Faktor bei COPD-Patienten erhöht war. Der Faktor beschreibt die Konkavität der Exponentialanpassung und ist unabhängig vom Lungenvolumen. Daher bedeutet eine Zunahme des Mittels, dass die Kurve zur Druckachse konkav ist, unabhängig von ihrer Position. Dies wurde durch die Untersuchung von Greaves und Colebatch bestätigt, die normale und emphysematöse Lungen untersuchen. Sie fanden heraus, dass bei Vorliegen eines Emphysems die Abweichung um mehr als zwei Standardabweichungen über dem vorhergesagten Mittelwert für das Alter lag. Sie fanden auch eine direkte Beziehung zwischen und mittlerer Alveolargröße. Osborne et al. untersuchten die Beziehung zwischen und die mittlere Alveolargröße bei emphysematöser Lungenresektion. Sie fanden heraus, dass dies mit dem Schweregrad der COPD korreliert, bis der Beitrag großer Lufträume zur Form der Kurve aufgrund des Verschlusses der Atemwege verloren ging.
Die Compliance ist bei obstruktiven Lungenerkrankungen wie Lungenemphysem erhöht, weniger bei Asthma und in geringem Maße bei chronischer Bronchitis.Beim Emphysem wird der elastische Rückstoß verringert und die P-V-Kurve nach oben und links verschoben. Dies ist auf den Verlust von elastischem Gewebe infolge der Zerstörung der Alveolarwand zurückzuführen. Bei chronischer Bronchitis ohne Emphysem kann die P-V-Kurve jedoch normal sein, da das Parenchym nur minimal betroffen ist.
In der Praxis hat die Messung der Compliance und ihres Ergebnisses einen begrenzten klinischen Wert. Wie zuvor erwähnt, ist die resultierende Kurve nicht linear und der Wert der Nachgiebigkeit wird gemäß der Druckänderung gemessen. Die Messung über dem FRC-Wert, die sich dem DC nähert, zeigt niedrigere Compliance-Werte und eine erhöhte Lungensteifigkeit aufgrund der Kollagenfasern im Lungenparenchym, die die Lungendehnung in hohen Volumina beeinflussen. Daher sollte die Messung der Compliance in der Nähe des FRC-Niveaus durchgeführt werden, andernfalls haben die Ergebnisse in der Nähe des DC- und RV-Niveaus einen begrenzten klinischen Wert.
Die Naturgeschichte der Entwicklung einer Lungenhyperinflation in COPD-Patienten weisen nach klinischer Erfahrung darauf hin, dass es sich um einen heimtückischen Prozess handelt, der über Jahrzehnte stattfindet. Es scheint, dass RV die erste Volumenkomponente ist, die zunimmt, was einen erhöhten Atemwegsverschluss widerspiegelt. Das EELV steigt danach an, was die Auswirkungen der EFL und der Veränderung der Lungenmechanik widerspiegelt, und schließlich nimmt die DC mit zunehmender Lungencompliance zu. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass der zeitliche Verlauf der Änderung in den verschiedenen Volumenkompartimenten bei Patienten sehr unterschiedlich ist.
Die P-V-Kurve zeigt eine unterschiedliche Konfiguration während des Atemzyklus, dh während der Inspiration und Exspiration. Dieses Phänomen wird als Hysterese bezeichnet und ist eine Eigenschaft elastischer Strukturen. Der Unterschied in der Konfiguration tritt aufgrund der Tatsache auf, dass in der Nähe des RV (kleine Lungenvolumina) während der Inspiration weiterer Druck erforderlich ist, um die kleinen distalen Atemwege zu öffnen. Bei größeren Lungenvolumina wird das Phänomen der Hysterese möglicherweise auf den Widerstand elastischer Fasern im Parenchym zurückgeführt.
6. Schlussfolgerung
Die statischen und dynamischen Untersuchungen der Lunge bei chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen unterscheiden sich je nach den pathologischen Aspekten der Erkrankung. Der Verlust des elastischen Rückstoßes der Lunge beeinflusst die Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Alveolen und der Pleuraoberfläche der Lunge, dh den transpulmonalen Druck. Infolgedessen dehnt sich eine Lunge mit hoher Compliance wie die emphysematöse Lunge stärker aus als eine Lunge mit niedriger Compliance, wenn beide dem gleichen Anstieg des transpulmonalen Drucks ausgesetzt sind