Sammanfattning

Kronisk obstruktiv lungsjukdom, nämligen lungemfysem och kronisk bronkit, är ett kroniskt inflammatoriskt svar på luftvägarna på skadliga partiklar eller gaser med resulterande patologiska och patofysiologiska förändringar i lungan. De viktigaste patofysiologiska aspekterna av sjukdomen är luftflödesobstruktion och hyperinflation. De mekaniska egenskaperna hos andningsorganen och dess beståndsdelar studeras genom att bestämma motsvarande volym-tryck (P-V) förhållanden. Konsekvenserna av det inflammatoriska svaret på lungstrukturen och funktionen avbildas på förhållandet mellan volym och tryck.

1. Introduktion

Kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL), en vanlig förebyggbar och behandlingsbar sjukdom, kännetecknas av ihållande luftflödesbegränsning som vanligtvis är progressiv och associerad med ett förbättrat kroniskt inflammatoriskt svar i luftvägarna och lungorna mot skadliga partiklar eller gaser. Luftvägsbegränsning tillskrivs tre olika mekanismer: (1) partiellt block av lumen (t.ex. på grund av överdriven slemhinneproduktion som bildar halvfasta proppar), (2) förtjockning av luftvägsväggen, vilket uppstår på grund av ödem eller muskelhypertrofi, och ( 3) abnormitet i vävnaden som omger luftvägarna (förstörelse av parenkym och minskning av luftvägarna på grund av förlust av radiell dragkraft). Båda enheterna av KOL, nämligen kronisk bronkit och emfysem, kännetecknas av de tidigare mekanismerna. Kronisk bronkit kännetecknas av partiellt block av lumen och luftväggens förtjockning, medan emfysem av radiell dragförlust.

Den vanligaste riskfaktorn för KOL globalt är cigarettrök. Cigarettrökare visar en högre förekomst av andningssymtom och lungfunktionsavvikelser än icke-rökare. Som en konsekvens är den årliga nedgångstakten i FEV1 högre än den förväntade FEV1-nedgången med sjunkande ålder. Passiv exponering för rök är också en viktig aspekt av sjukdomen. Vi bör ta hänsyn till yrkesmässiga exponeringar, inklusive organiskt och oorganiskt damm, kemiska ämnen och ångor, och naturligtvis inomhusföroreningar från biomassan under tillagning och uppvärmning i dåligt ventilerade hus.

2. KOLS patologi

Patologiska förändringar finns i stora och små luftvägar, i parenkym och lungkärl, som är resultatet av upprepad skada och reparation. Det inflammatoriska svaret kan vara genetiskt bestämt eller kan orsakas av skadliga partiklar, såsom cigarettrök. Vissa patienter utvecklar dock KOL utan exponering för cigarettrök. Oxidationsstressen och obalansen mellan proteaser och antiproteaser, som har en roll för att skydda bindväv från att bryta ner, förstärker det inflammatoriska svaret hos sjukdomen. Det inflammatoriska svaret förvärras av de inflammatoriska cellerna CD8 + cytotoxiska Tc1-lymfocyter och de inflammatoriska medlarna (kemotaktiska faktorer, proinflammatoriska cytokiner och tillväxtfaktorer).

Ett scenario som är under experimentell undersökning avslöjar en attraktiv modell för initiering av inflammation, innefattande oxidativ DNA-skada av LEBC och värdens immunsvar. Enligt detta inducerar skadliga partiklar oxidativ DNA-skada på lungepitelbarriärcellerna (LEBC), och de förvärvade mutationerna uttrycks på LEBs mikrosatellit-DNA-nivå. De förändrade LEBC: erna känns igen av dendritiska celler (DCs) som ”icke-själva” DCs reser med den nya informationen till lymfkörtlarna och presenterar den för de naiva T-lymfocyterna, och därefter sker en dominerande CD8 + cytotoxisk T-lymfocytproliferation. CD8 + T lymfocyter släpper ut perforin och granzymer och lockar de förändrade LEBC: erna, vilket aktiverar celldödskaskader.

3. Patofysiologiska aspekter i KOL

3.1 Luftflödesstopp

Luftflöde under utandning är resultatet av balansen mellan den elastiska rekylen i lungorna som främjar flödet och motståndet i luftvägarna som begränsar flödet. De faktorer som leder till att lumen blockeras och den ökade motståndskraften med följd av flödesbegränsning är närvaron av sekretioner, den ökade tonen i glatt bronkial muskulatur, hypertrofi av submukosala körtlar och utsprånget mot den inre delen av lumen i den dorsala delen av luftstrupen under utgången. Dessa faktorer är involverade i luftflödet o på grund av den stora skillnaden mellan intraluminal tryck och trycket i omgivningen. Förlusten av elastisk rekyl rörande väggen i de små luftvägarna, på grund av minskningen av elastisk vävnad i lungparenkymet, är tydligt främst vid emfysem. Frånvaron av brosk i de små perifera luftvägarnas vägg bidrar ytterligare till förlusten av den elastiska rekylen.Patienter med KOL sägs vara flödesbegränsade när det andningsflöde som de genererar under tidvattenandning representerar det maximala möjliga flöde som de kan generera vid den volymen. Hos flödesbegränsade patienter är tiden som är tillgänglig för lungtömning (utandningstid) under spontan andning ofta otillräcklig för att tillåta slututandnings lungvolym (EELV) att sjunka till dess naturliga avslappningsvolym. Detta leder till hyperinflation i lungorna.

3.2. Hyperinflation

Förlusten av elastisk rekyl, speciellt vid emfysem, det faktum att KOL-patienten andas in ”en högre nivå” vilket innebär att funktionstesterna visar en funktionell restkapacitet (FRC) som för att hålla luftvägarna öppna och luftfångandet under för tidig stängning är alla aspekter av lunghyperinflationen.

Hos normala försökspersoner ungefär lungvolymen i slutet av andningsvägarna Men hos patienter med luftflödesobstruktion kan den end-expiratoriska lungvolymen överstiga den förutspådda FRC. Faktum är att lungtömningen saktar ner och expirationen avbryts av nästa inspirerande ansträngning innan patienten har nått den statiska jämviktsvolymen. Detta är kallas dynamisk hyperinflation och påverkas av VT, utandningstid, motstånd och överensstämmelse. Det kallas också inneboende positivt slututandningstryck (auto-PEEP) och beskrevs först av Bergman 1972 d Johnson et al. 1975 och representerar det positiva intrapulmonala trycket i slutet av utgången. Närvaron av auto-PEEP innebär att inspirationsmusklerna först måste övervinna den kombinerade inåtgående rekylen i lungan och bröstväggen innan inspiratoriskt flöde kan initieras. Således fungerar auto-PEEP i huvudsak som en inspirerande tröskelbelastning och har uppmätts till så mycket som 6–9 cmH2O under tyst andning i vila hos kliniskt stabila men hyperinflaterade KOL-patienter.

Under svåra luftflödesobstruktioner ökar ökade andningsinsatser helt enkelt alveolärtryck utan att förbättra expiratoriskt luftflöde. När tidvattenvolymen (VT) ökas eller utandningstiden är kort på grund av hög andningsfrekvens, kan lungan inte tappas till sin vanliga vilande jämvikt mellan andetag. Denna ökning av alveolärtryck och lungvolym resulterar i flera händelser som påverkar lungens dynamiska status. Andningen sker nära den totala lungkapaciteten. Tidvattenandning under en förvärring hos en patient med KOL kan flyttas uppåt nära den totala lungkapaciteten som en följd av dynamisk hyperinflation.

Hyperinflation har skadliga effekter på membranets funktion som ökar andningsarbetet. Först och främst förskjuts membranet till ett tillplattat läge vilket resulterar i en minskning av anbringningszonen mellan membranet och bukväggen. För det andra är muskelfibrerna i det tillplatta membranet kortare och är mindre kapabla att generera inandningstryck som kommer att överväldiga det transpulmonala trycket. Det positiva trycket i den hyperinflaterade lungan höjer det genomsnittliga intratorakala trycket och får inspiratoriska muskler att fungera vid en högre lungvolym än vilande. Membranets sarkomerlängd hos KOL-patienter är kortare och indirekt proportionell mot TLC och RV. Denna justering förbättrar förmågan hos membranet att generera kraft i ”högre lungvolymer.” Den ideala längden på inandningsmusklerna under avkoppling anses vara nära nivån på restvolym (RV). Hos KOL-patienter är dock muskelfibrernas längd på grund av hyperinflation ännu kortare. Dessutom ökar den relativa andelen. av typ I-fibrer som är långsamma ryckningar och utmattningsbeständiga och en ökning av mitokondrialkoncentrationen och effektiviteten hos elektrontransportkedjan som förbättrar oxidativ kapacitet är andra strukturella anpassningar till kronisk inneboende mekanisk belastning. Som ett resultat är den utvecklande kraft som produceras av musklerna minskas ännu mer på bekostnad av en betydande mekanisk nackdel, vilket ytterligare försämrar andningsmuskelfunktionen vilket gör membranet svagare på detta sätt.

Ventilationsmusklerna anpassar sig delvis till kronisk hyperinflation för att bevara sin kraftgenererande kapacitet under vilande andning Under COPD-förvärringar kan dessa anpassningar bli överväldigade försvagade inspirationsmuskler utsätts för ökad elastisk belastning, vilket innebär att de kräver större ansträngning för en given volymförändring. Akut dynamisk hyperinflation förkortar ytterligare inandningsmusklerna, särskilt membranet, och orsakar funktionell muskelsvaghet. Exponering för oxidativ stress och lokal aktivering av proteaser kan också resultera i diafragmatisk skada under perioder med ökad inandningsbelastning och resultera i inandningsmuskeldysfunktion.Nettoeffekten av denna ökade belastning och funktionella svaghet hos inspiratoriska muskler är att den ansträngning som krävs för tidvatteninspiration representerar en relativt hög bråkdel av den maximala möjliga ansträngning som patienten kan utveckla vid den lungvolymen.

4 . Lungefterlevnad

Andningssystemet äger sin elastiska egenskap till andningsmusklernas funktion, som förser hela systemet med nödvändig tryckdifferens så att luft rör sig in i luftvägarna. De statiska mekaniska egenskaperna hos andningsorganen och dess komponentdelar studeras genom att bestämma motsvarande tryck-volym (P-V) förhållanden. P-V-kurvorna som erhålls som volym ändras i progressiva steg från restvolym (RV) till total lungkapacitet (TLC) och tillbaka igen är slingor. De elastiska egenskaperna hos lungan och bröstväggen liksom förändringarna i lungenheterna mellan inflation och deflation är ansvariga för närvaron av dessa öglor. Lungelasticiteten avbildas av den statiska volym-tryckkurvan. Det faktum att P-V-kurvan är olinjär betyder praktiskt taget att när lungvolymen ökar, närmar sig de elastiska elementen sina gränser för distensibilitet.

Vid KOL, på grund av den vilande och dynamiska hyperinflationen som är lika med en ytterligare ökning av den end-expiratoriska lungvolymen (EELV), tränger tidvattenvolymen (VT) in på den övre alinära extremiteten av andningsvägarnas PV-kurva där det finns ökad elastisk belastning. Vid KOL reduceras förmågan att ytterligare expandera VT, så inspiratorisk reservvolym (IRV) minskas. Till skillnad från hälsan är det kombinerade rekyltrycket i lungorna och bröstväggen hos hyperinflaterade patienter med KOL riktat inåt under både vila och träning. Detta resulterar i en inandningströskelbelastning på andningsmusklerna (figur 1). Intrapulmonala tryck återgår inte till noll, vilket representerar detta auto-PEEP som påför extra belastning på de inspirerande musklerna. Under den efterföljande andningscykeln måste auto-PEEP övervinnas för att generera inandningsflöde.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 1

Tryck-Volym (PV) förhållanden för det totala andningssystemet i (a) normalt och (b) kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL). Tidvatten P-V-kurvor under vila och under träning visas. Hos KOL-individer återställs andningsorganens avslappningsvolym till en högre nivå än hos friska individer. Hyperinflation i KOL leder till ökad EELV, RV och en motsvarande minskning av IRV jämfört med normalt tillstånd. Till skillnad från normal lunga är det kombinerade rekyltrycket i lungorna och bröstväggen vid hyperinflation riktat inåt under vila och under träning. Detta resulterar i inandningströskelbelastning på inandningsmusklerna med följdmässig minskning av zonens placering (visas i PV-kurvan (b) under vila och träning). EELV: end-expiratory lung volume, RV: restvolym, IRV: inspiratory reserve volume, TLC: total lung capacity. Från O’Donnell och Laveneziana.

Lungans statiska överensstämmelse (C) är förändringen i lungvolym per enhetsförändring i det transpulmonala trycket; det vill säga tryckskillnaden mellan det inre av alveolerna och lungan i lungan som krävs för att påverka en given förändring i luftvolymen i lungorna: var är överensstämmelsen, är förändringen i lungvolymen och är förändringen i transpulmonärt tryck.

Strikt taget är transpulmonärt tryck lika med trycket i luftstrupen minus det intrapleurala trycket. Således är det tryckskillnaden över hela lungan. Trycket i alveolerna är dock detsamma som trycket i luftvägarna (inklusive luftstrupen) i början eller i slutet av varje normalt andetag. Det vill säga, det ändexpiratoriska eller slutinspiratoriska alveolära trycket är 0 cm H2O. Därför, i början eller i slutet av varje lunginflation, kan alveolärt utskjutande tryck kallas det transpulmonala trycket.

Volymen som motsvarar nolltryck (0 cm H2O) är vilovolym på andningsorganen, där trycket vid munnen är 0 cm H2O. Detta är nivån av funktionell restkapacitet (FRC) där det inte finns något luftflöde i luftvägarna och trycket vid munnen vid spirometriska studier motsvarar luftvägen och alveolärtrycket (0 cm H2O). I P-V-kurvan representerar det horisontella avståndet från punkten 0 det elastiska trycket i hela andningsorganet () som är negativt under FRC och positivt över FRC-nivån (Figur 2).Tryckskillnaden mellan trycket vid munnen och atmosfärstrycket representerar det tryck som behövs för att expandera andningssystemet under andningscykeln.

Figur 2

Kvasistatisk PV-kurva i andningsorganen, med ett spirogram som visar indelningar av lungvolymen . ERV: expiratorisk reservvolym, IC: inspiratorisk kapacitet, VC: vital kapacitet. Anpassad från Agostini och Hyatt.

Den loopade PV-kurvan betyder praktiskt taget att när lungvolymen ökar, närmar sig de elastiska elementen deras gränser för distensibilitet och en given förändring i transpulmonärt tryck ger mindre och mindre ökningar i lungvolym. Som ett resultat är lungens efterlevnad minst vid höga lungvolymer och störst när restvolymen (RV) närmar sig. En lunga med hög efterlevnad expanderar i större utsträckning än en med lägre överensstämmelse när båda utsätts för samma ökning av transpulmonärt tryck. Hyperinflation och tidvattenandning mot den totala lungkapaciteten tvingar andningsorganen att arbeta på den plattare delen av efterlevnadskurvan där progressivt tryck ökar genererar mindre stegvis volymförändringar.

Lungeförmågan mäts normalt som statisk, lungorna är stillastående. Den distensibilitet som uppskattas under normal tidvattenandning från mätningar av lungvolym och esofagustryck vid slutet av inspiration och utgång när lungorna uppenbarligen är stilla har ett index som ett resultat, vilket kallas dynamisk överensstämmelse. Hos personer med friska lungor ger de två mätningarna liknande resultat.

Eftersom tryckvolymkurvan i lungan kräver uppskattning av trycken i luftvägarna och runt lungan, kan detta erhållas genom mätning av matstrupen. En liten ballong i slutet av katetern förs ner genom näsan eller munnen, och skillnaden mellan munnen och matstrupen trycks in när patienten andas ut i steg om 1 liter från total lungkapacitet (TLC) till RV.

Några faktorer som påverkar statisk lungöverensstämmelse (inklusive emfysem) listas i tabell 1.

5. P-V-kurva och emfysem

De flesta tidiga studier som beskriver P-V-sambandet vid KOL gjordes för att diagnostisera och fastställa svårighetsgraden av emfysem. CT var dock mer praktiskt som en metod. Det mesta av den tidiga studien gjordes på spontant andade KOL-försökspersoner.

Gibson et al. fann att faktorn ökade hos KOL-patienter. Faktorn beskriver konkaviteten för den exponentiella passningen och är oberoende av lungvolymen. Därför innebär en ökning av kurvan konkavitet mot tryckaxeln, utan hänsyn till dess läge. Detta bekräftades av studien av Greaves och Colebatch som studerar normala och emfysematösa lungor. De fann att när emfysem var närvarande ökade det med mer än två standardavvikelser över det förutspådda medelvärdet för ålder. De hittade också ett direkt samband mellan och genomsnittlig alveolär storlek. Osborne et al. studerade sambandet mellan och genomsnittlig alveolär storlek vid emfysematös genomgående lungresektion. De fann att korrelerar med svårighetsgraden av KOL tills bidraget från stora luftrum till kurvens form förlorades på grund av luftvägsstängning.

Överensstämmelse ökar vid obstruktiv lungsjukdom som lungemfysem, mindre vid astma i mindre grad i kronisk bronkit.Vid emfysem minskar den elastiska rekylen och P-V-kurvan flyttas uppåt och vänster. Detta beror på förlusten av elastisk vävnad som ett resultat av alveolär vägg förstörelse. Vid kronisk bronkit utan emfysem kan emellertid P-V-kurvan vara normal eftersom parenkym påverkas minimalt.

I praktiken har mätningen av överensstämmelse och dess resultat begränsat kliniskt värde. Som nämnts tidigare är den resulterande kurvan icke linjär och värdet på efterlevnad mäts enligt tryckförändringen. Mätningen över FRC-nivån, närmar sig TLC, visar lägre värden för överensstämmelse och ökad lungstyvhet på grund av kollagenfibrerna i lungparenkymet, vilket påverkar lungdistansen i stora volymer. Således bör mätningen av överensstämmelse utföras nära FRC-nivån, annars, nära TLC- och RV-nivåerna, har resultaten begränsat kliniskt värde.

Den naturliga historien om utvecklingen av lunghyperinflation i KOL-patienter enligt klinisk erfarenhet indikerar att det är en smygande process som sker under årtionden. Det verkar som om RV är den första volymkomponenten som ökar, vilket återspeglar ökad luftvägsstängning. EELV ökar därefter, vilket återspeglar effekterna av EFL och förändring i lungmekanik, och så småningom ökar TLC när lungkonformiteten ökar. Det är dock troligt att förändringen i olika volymavdelningar är mycket varierande bland patienter.

P-V-kurvan visar olika konfigurationer under andningscykeln, det vill säga under inspiration och utgång. Detta fenomen kallas hysteres och är en egenskap hos elastiska strukturer. Skillnaden i konfiguration uppstår på grund av det faktum att närmare RV (små lungvolymer) krävs ytterligare tryck under inspiration för att öppna de små distala luftvägarna. I större lungvolymer tillskrivs fenomenet hysteres möjligen motståndet hos elastiska fibrer i parenkymet.

6. Slutsats

De statiska och dynamiska studierna av lungan vid kronisk obstruktiv lungsjukdom skiljer sig beroende på sjukdomens patologiska aspekter. Förlusten av lungens elastiska rekyl påverkar tryckskillnaden mellan det inre av alveolerna och lungens pleurala yta, det vill säga det transpulmonala trycket. Som ett resultat expanderar en lunga med hög överensstämmelse, liksom den emfysematösa lungan, i större utsträckning än den med låg efterlevnad, när båda utsätts för samma ökning av transpulmonärt tryck.