Sammendrag

Kronisk obstruktiv lungesykdom, nemlig lungeemfysem og kronisk bronkitt, er en kronisk inflammatorisk respons i luftveiene på skadelige partikler eller gasser, med resulterende patologiske og patofysiologiske endringer i lungen. De viktigste patofysiologiske aspektene av sykdommen er luftstrømningsobstruksjon og hyperinflasjon. De mekaniske egenskapene til luftveiene og dets komponentdeler blir studert ved å bestemme de tilsvarende volum-trykk (PV-forhold). Konsekvensene av den inflammatoriske responsen på lungestrukturen og funksjonen er avbildet i forholdet mellom volum og trykk.

1. Innledning

Kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS), en vanlig forebyggbar og behandlingsbar sykdom, er preget av vedvarende luftstrømbegrensning som vanligvis er progressiv og assosiert med en forbedret kronisk inflammatorisk respons i luftveiene og lungene mot skadelige partikler eller gasser. Luftveisbegrensning tilskrives tre forskjellige mekanismer: (1) delvis blokkering av lumen (f.eks. På grunn av overdreven slimproduksjon som danner halvfaste plugger), (2) fortykning av luftveggen, som oppstår på grunn av ødem eller muskelhypertrofi, og ( 3) unormalt i vevet som omgir luftveiene (ødeleggelse av parenkymet og innsnevring av luftveien på grunn av tap av radial trekkraft). Begge enhetene av KOLS, nemlig kronisk bronkitt og emfysem, er preget av de tidligere mekanismene. Kronisk bronkitt er preget av delvis blokkering av lumen og luftveggs fortykning, mens emfysem ved radialt trekkraft.

Den vanligste risikofaktoren for KOLS globalt er sigarettrøyk. Sigarettrøykere viser en høyere forekomst av luftveissymptomer og unormale lungefunksjoner enn ikke-røykere. Som en konsekvens er den årlige nedgangen i FEV1 høyere enn den forventede FEV1-nedgangen med fallende alder. Passiv eksponering for røyk er også et viktig aspekt av sykdommen. Vi bør ta i betraktning yrkesmessig eksponering, inkludert organisk og uorganisk støv, kjemiske midler og røyk, og selvfølgelig innendørs forurensning fra biomassen under matlaging og oppvarming i dårlig ventilerte hus.

2. KOLS Patologi

Patologiske endringer finnes i store og små luftveier, i parenkymet og lungevaskulaturen, som skyldes gjentatt skade og reparasjon. Den inflammatoriske responsen kan være genetisk bestemt, eller kan være forårsaket av skadelige partikler, for eksempel sigarettrøyk. Noen pasienter utvikler imidlertid KOLS uten eksponering for sigarettrøyk. Oksidativt stress og ubalansen mellom proteaser og antiproteaser, som har en rolle i beskyttelsen av bindevev fra å bryte ned, forsterker den inflammatoriske responsen til sykdommen. Den inflammatoriske responsen forverres av betennelsescellene CD8 + cytotoksiske Tc1-lymfocytter og de inflammatoriske mediatorene (kjemotaktiske faktorer, proinflammatoriske cytokiner og vekstfaktorer).

Et scenario som er under eksperimentell utforskning avslører en attraktiv modell for initiering av betennelse, omfattende oksidativ DNA-skade på LEBCs og vertsimmunrespons. I henhold til det induserer skadelige partikler oksidativ DNA-skade på lungepitelbarriere-celler (LEBCs), og de ervervede mutasjonene uttrykkes på microsatellite DNA-nivået til LEBCs. De forandrede LEBC-ene blir gjenkjent av dendritiske celler (DCs) som «ikke-selv» DCs som reiser med den nye informasjonen til lymfeknuter, og presenterer den for de naive T-lymfocyttene, og etter det oppstår en dominerende CD8 + cytotoksisk T-lymfocyttproliferasjon. CD8 + T lymfocytter frigjør perforin og granzymer og tiltrekker seg de forandrede LEBC-ene, og aktiverer celledødskaskader.

3. Patofysiologiske aspekter ved KOLS

3.1 Luftstrømningshindring

Luftstrøm under utånding er resultatet av balansen mellom elastisk rekyl i lungene som fremmer strømning og motstand i luftveiene som begrenser strømningen. Faktorene som fører til obstruksjon av lumen og økt motstand, med konsekvens av strømningsbegrensning, er tilstedeværelsen av sekresjoner, økt tone i glatt bronkial muskel, hypertrofi av submukosale kjertler, og fremspring mot den indre delen av lumen i den dorsale delen av luftrøret under utløpet. Disse faktorene er involvert i luftstrømmen o bstruksjon på grunn av den store forskjellen mellom intraluminal trykk og trykket i omgivelsene. Tap av elastisk rekyl angående veggen til de små luftveiene, på grunn av reduksjonen av elastisk vev i lungeparenkymet, er tydelig hovedsakelig ved emfysem. Fraværet av brusk i veggen til de små perifere luftveiene bidrar ytterligere til tapet av elastisk rekyl.Pasienter med KOLS sies å være strømningsbegrenset når ekspirasjonsstrømmen de genererer under tidevanns respirasjon representerer den maksimale mulige strømmen de kan generere ved det volumet. Hos strømningsbegrensede pasienter er tiden som er tilgjengelig for lungetømming (utåndingstid) under spontan pust ofte utilstrekkelig for å tillate endelig ekspiratorisk lungevolum (EELV) å synke til sitt naturlige avslapningsvolum. Dette fører til lungehyperinflasjon.

3.2. Hyperinflasjon

Tap av elastisk rekyl, spesielt i tilfelle emfysem, det faktum at KOLS-pasienten puster inn «et høyere nivå» som betyr at funksjonstestene viser en funksjonell restkapasitet (FRC) som for å opprettholde luftveiene åpne og luftfangst under tidlig lukking er alle aspekter av lungehyperinflasjon.

Hos normale forsøkspersoner tilnærmer lungevolumet ved avsluttende utløp luftveis i luftveiene Imidlertid kan det endepiratoriske lungevolumet overskride det forutsagte FRC hos pasienter med luftstrømningsobstruksjon. Faktisk reduseres lungetømmingen, og utløpet avbrytes av neste inspirasjonsinnsats før pasienten har nådd det statiske likevektsvolumet. Dette er betegnet dynamisk hyperinflasjon og påvirkes av VT, utåndingstid, motstand og overholdelse. Det kalles også iboende positivt sluttutløpstrykk (auto-PEEP) og ble først beskrevet av Bergman i 1972 en d Johnson et al. i 1975 og representerer det positive intrapulmonale trykket på slutten av utløpet. Tilstedeværelsen av auto-PEEP betyr at inspirasjonsmusklene først må overvinne den kombinerte indre tilbakespylingen av lungen og brystveggen før inspirasjonsstrøm kan startes. Dermed fungerer auto-PEEP hovedsakelig som en inspirerende terskelbelastning og har blitt målt til så mye som 6–9 cmH2O under stille pust i hvile hos klinisk stabile, men hyperinflaterte KOLS-pasienter.

Under alvorlige hindringer i luftstrømmen øker økt ekspirasjonsinnsats ganske enkelt alveolært trykk uten å forbedre ekspiratorisk luftstrøm. Når tidevannsvolumet (VT) økes eller utåndingstiden er kort på grunn av høy luftveisfrekvens, kan ikke lungene tappes til sin vanlige hvilevikt mellom pusten. Denne økningen i alveolært trykk og lungevolum resulterer i flere hendelser som påvirker den dynamiske statusen til lungen. Puste foregår nær den totale lungekapasiteten. Tidevanns pust under en forverring hos en pasient med KOLS kan forskyves oppover nær den totale lungekapasiteten som en konsekvens av dynamisk hyperinflasjon.

Hyperinflasjon har skadelige effekter på diafragmaens funksjon som øker pustearbeidet. For det første forskyves membranen til en flat posisjon som resulterer i reduksjon av tilsettingssonen mellom membranen og bukveggen. For det andre er muskelfibrene i den flatmembranen kortere og er mindre i stand til å generere inspirasjonstrykk som vil overvelde det transpulmonale trykket. Det positive trykket i den hyperinflaterte lungen øker det gjennomsnittlige intrathoraciske trykket og får inspirasjonsmusklene til å operere ved et høyere volum enn hvile. Sarkomerlengden på membranen hos KOLS-pasienter er kortere og indirekte proporsjonal med TLC og RV. Denne justeringen forbedrer membranens evne til å generere kraft i «høyere lungevolumer.» Den ideelle lengden på inspiratoriske muskler under avslapning anses å være nær nivået av restvolum (RV). Hos KOLS-pasienter er imidlertid lengden på muskelfibrene på grunn av hyperinflasjon enda kortere. Videre er en økning i den relative andelen av type I-fibre som er langsomme rykninger og utmattelsesresistente og en økning i mitokondrie-konsentrasjonen og effektiviteten til elektrontransportkjeden som forbedrer oksidasjonskapasiteten, er andre strukturelle tilpasninger til kronisk indre mekanisk belastning. reduseres enda mer på bekostning av en betydelig mekanisk ulempe som ytterligere svekker respiratorisk muskelfunksjon, noe som gjør membranen svakere på denne måten.

Ventilasjonsmusklene tilpasser seg delvis kronisk hyperinflasjon for å bevare deres kraftgenererende kapasitet under hvilepusten Under KOLS-forverring kan disse tilpasningene bli overveldet røde inspirasjonsmuskler blir utsatt for økt elastisk belastning, noe som betyr at de krever større innsats for en gitt volumendring. Akutt dynamisk hyperinflasjon forkorter ytterligere inspirasjonsmusklene, spesielt mellomgulvet, og forårsaker funksjonell muskelsvakhet. Eksponering for oksidativt stress og lokal aktivering av proteaser kan også resultere i diafragmatisk skade i perioder med økt belastning av inspirasjon og resultere i inspirasjonsmuskelfunksjon.Nettoeffekten av denne økte belastningen og funksjonelle svakheten til inspirasjonsmuskulaturen er at innsatsen som kreves for tidevannsinspirasjon representerer en relativt høy brøkdel av den maksimale mulige innsatsen pasienten kan utvikle ved dette lungevolumet.

4 . Lung Compliance

Åndedrettssystemet eier sin elastiske egenskap til funksjonen til luftveismuskulaturen, som forsyner hele systemet med den nødvendige trykkdifferansen slik at luft beveger seg inn i luftveiene. De statiske mekaniske egenskapene til luftveiene og dets komponentdeler studeres ved å bestemme de korresponderende trykk-volum (PV-forhold). PV-kurvene som oppnås når volumet endres i progressive trinn fra restvolum (RV) til total lungekapasitet (TLC) og tilbake igjen er sløyfer. De elastiske egenskapene til lunge- og brystveggen samt endringene i lungeenheter mellom inflasjon og deflasjon er ansvarlige for tilstedeværelsen av disse løkkene. Lungelastisiteten er avbildet av den statiske volumtrykkkurven. Det at P-V-kurven er ikke-lineær betyr praktisk talt at når lungevolumet øker, nærmer de elastiske elementene seg grenser for distensibilitet.

I KOLS, på grunn av den hvilende og dynamiske hyperinflasjonen som er lik en ytterligere økning i det end-ekspiratoriske lungevolumet (EELV), trener tidevannsvolumet (VT) på den øvre alinære ekstreme av luftveissystemets PV-kurve der det er økt elastisk belastning. Ved KOLS reduseres evnen til å utvide VT ytterligere, så inspiratorisk reservevolum (IRV) reduseres. I motsetning til helse er det kombinerte rekyltrykket i lungene og brystveggen hos hyperinflaterte pasienter med KOLS rettet innad under både hvile og trening. Dette resulterer i en inspiratorisk terskelbelastning på luftveismusklene (figur 1). Intrapulmonalt trykk går ikke tilbake til null, og representerer på denne måten auto-PEEP som påfører inspirasjonsmusklene ekstra belastning. I løpet av den påfølgende respirasjonssyklusen må auto-PEEP overvinnes for å generere inspirasjonsstrøm.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 1

Pressure-Volume (PV) forhold til det totale luftveiene i (a) normalt og (b) kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS). Tidevanns P-V-kurver under hvile og under trening vises. Hos KOLS-individer er det en tilbakestilling av luftveiene til avslapningsvolumet til et høyere nivå enn hos de sunne individene. Hyperinflasjon i KOLS fører til økt EELV, RV og en tilsvarende reduksjon i IRV, sammenlignet med normal tilstand. I motsetning til normal lunge er det kombinerte rekyltrykket i lungene og brystveggen i hyperinflasjon rettet innover under hvile og under trening. Dette resulterer i inspiratorisk terskelbelastning på inspirasjonsmusklene med påfølgende reduksjon i sone for apposisjon (vist i PV-kurve (b) under hvile og trening). EELV: end-expiratory lung volume, RV: residual volume, IRV: inspiratory reserve volume, TLC: total lung capacity. Fra O’Donnell og Laveneziana.

Lungens statiske samsvar (C) er endringen i lungevolum per endring i det transpulmonale trykket; det vil si trykkforskjellen mellom det indre av alveolene og den pleurale overflaten av lungene som kreves for å påvirke en gitt endring i volumet av luft i lungene: hvor er samsvaret, er endringen i lungevolumet, og er endringen i det transpulmonale trykket.

Strengt tatt er det transpulmonale trykket lik trykket i luftrøret minus det intrapleurale trykket. Dermed er det trykkforskjellen over hele lungen. Imidlertid er trykket i alveolene det samme som trykket i luftveiene (inkludert luftrøret) i begynnelsen eller på slutten av hver normale pust. Det vil si at det end-ekspiratoriske eller end-inspiratoriske alveolære trykket er 0 cm H2O. Derfor, ved begynnelsen eller på slutten av hver lungeinflasjon, kan det alveolære distribusjonstrykket kalles det transpulmonale trykket.

Volumet som tilsvarer nulltrykk (0 cm H2O) er hvilevolumet på luftveiene, der trykket på munnnivået er 0 cm H2O. Dette er nivået av funksjonell restkapasitet (FRC) der det ikke er luftstrøm i luftveiene, og trykket på munnnivået når du utfører spirometriske studier tilsvarer luftveien og det alveolære trykket (0 cm H2O). I PV-kurven representerer den horisontale avstanden fra punktet 0 det elastiske trykket i hele luftveiene () som er negativt under FRC og positivt over FRC-nivået (figur 2).Trykkforskjellen mellom trykket på munnnivået og atmosfæretrykket representerer trykket som trengs for å utvide luftveiene under respirasjonssyklusen.

Figur 2

Kvasistatisk PV-kurve i luftveiene, med et spirogram som viser underavdelinger av lungevolum . ERV: ekspirasjonsreservvolum, IC: inspirasjonskapasitet, VC: vital kapasitet. Tilpasset fra Agostini og Hyatt.

Den sløyfede PV-kurven betyr praktisk talt at når lungevolumet øker, nærmer de elastiske elementene seg grenser for distensibilitet, og en gitt endring i transpulmonært trykk gir mindre og mindre økninger i lungevolum. Som et resultat er lungens samsvar minst ved høye lungevolum og størst når restvolumet (RV) nærmer seg. En lunge med høy samsvar utvides i større grad enn en med lavere samsvar når begge utsettes for samme økning i transpulmonalt trykk. Hyperinflasjon og tidevanns pusting mot den totale lungekapasiteten tvinger luftveiene til å operere på den flatere delen av samsvarskurven der progressivt trykk øker, genererer mindre trinnvise volumendringer.

Lungekomplikasjonen måles normalt som statisk når lungene er stasjonære. Distensibiliteten estimert under normal tidevanns pusting fra målinger av lungevolum og spiserørstrykk som er gjort ved slutten av inspirasjon og utløp når lungene tilsynelatende er stasjonære, har en indeks som et resultat, som kalles dynamisk samsvar. Hos personer med sunne lunger gir de to målingene lignende resultater.

Siden trykkvolumkurven i lungen krever estimering av trykket i luftveiene og rundt lungen, kan dette oppnås ved måling av spiserøret. En liten ballong på enden av kateteret føres ned gjennom nesen eller munnen, og forskjellen mellom munnen og spiserøret blir registrert når pasienten puster ut i trinn på 1 liter fra total lungekapasitet (TLC) til RV.

Noen faktorer som påvirker statisk lungefølsomhet (inkludert emfysem) er oppført i tabell 1.

5. PV-kurve og emfysem

De fleste av de tidlige studiene som beskriver P-V-forholdet ved KOLS ble gjort for å diagnostisere og fastslå alvorlighetsgraden av emfysem. Imidlertid var CT mer praktisk som en metode. Det meste av den tidlige studien ble gjort på spontanpustende KOLS-personer.

Gibson et al. fant at faktoren var økt hos KOLS-pasienter. Faktoren beskriver konkaviteten til den eksponensielle tilpasningen og er uavhengig av lungevolumet. Derfor betyr en økning i kurven konkavitet mot trykkaksen, uten hensyn til dens posisjon. Dette ble bekreftet av studien av Greaves og Colebatch som studerer normale og emfysematøse lunger. De fant at når emfysem var tilstede, ble det økt med mer enn to standardavvik over gjennomsnittlig forventet verdi for alder. De fant også et direkte forhold mellom og gjennomsnitt alveolær størrelse. Osborne et al. studerte forholdet mellom og gjennomsnitt alveolær størrelse i emfysematøs gjennomgått lunge reseksjon. De fant at korrelerer med alvorlighetsgraden av KOLS inntil bidrag fra store luftrom til kurvens form gikk tapt på grunn av luftveislukking.

Overholdelse økes i obstruktiv lungesykdom som lungeemfysem, mindre i astma og i mindre grad i kronisk bronkitt.Ved emfysem reduseres den elastiske rekylen og P-V-kurven forskyves opp og til venstre. Dette skyldes tap av elastisk vev som et resultat av ødeleggelse av alveolar veggen. Ved kronisk bronkitt uten emfysem kan imidlertid P-V-kurven være normal siden parenkymet påvirkes minimalt.

I praksis har måling av samsvar og resultatet begrenset klinisk verdi. Som nevnt tidligere er den resulterende kurven ikke lineær, og verdien av samsvar blir målt i henhold til trykkendringen. Målingen over nivået av FRC, nærmer seg TLC, viser lavere verdier for samsvar og økt lungestivhet på grunn av kollagenfibrene i lungeparenkymet, som påvirker lungedistensjonen i høye volumer. Måling av samsvar skal derfor utføres nær FRC-nivået, ellers, nær TLC- og RV-nivåene, har resultatene begrenset klinisk verdi.

Den naturlige historien om utvikling av lungehyperinflasjon i KOLS-pasienter ifølge klinisk erfaring indikerer at det er en lumsk prosess som skjer over flere tiår. Det ser ut til at RV er den første volumkomponenten som øker, noe som gjenspeiler økt luftveislukking. EELV øker deretter, noe som gjenspeiler effekten av EFL og endring i lungemekanikken, og til slutt øker TLC når lungekompatibiliteten øker. Imidlertid er det sannsynlig at tidsforløpet for endring i de forskjellige volumavdelingene er svært varierende blant pasienter.

P-V-kurven viser ulik konfigurasjon under respirasjonssyklusen, det vil si under inspirasjon og utløp. Dette fenomenet kalles hysterese og er en egenskap av elastiske strukturer. Forskjellen i konfigurasjon oppstår på grunn av at det er behov for ytterligere trykk i nærheten av bobilen (små lungevolum) under inspirasjon for å åpne de små distale luftveiene. I større lungevolumer tilskrives fenomenet hysterese muligens motstanden til elastiske fibre i parenkymet.

6. Konklusjon

De statiske og dynamiske studiene av lungene ved kronisk obstruktiv lungesykdom varierer i henhold til sykdommens patologiske aspekter. Tapet av elastisk rekyl i lungene påvirker trykkforskjellen mellom det indre av alveolene og lungens pleuroverflate, det vil si transpulmonalt trykk. Som et resultat utvides en lunge med høy samsvar, i likhet med den emfysematøse lungen, i større grad enn den med lav samsvar, når begge utsettes for samme økning i transpulmonalt trykk.