馬薩諸塞州綜合醫(yī)院團(tuán)隊(duì)揭示哮喘發(fā)作時(shí)氣道平滑肌結(jié)構(gòu)與功能變化

哮喘是一種與氣道重塑和氣道高反應(yīng)性(AHR)相關(guān)的慢性炎癥性疾病，據(jù)估計(jì)僅在美國(guó)就有超過(guò)2500萬(wàn)人受到影響。在急性哮喘發(fā)作期間，氣道平滑肌(ASM)異?；顒?dòng)導(dǎo)致支氣管過(guò)度收縮，氣道官腔面積減少，患者會(huì)出現(xiàn)明顯氣促或者窒息等癥狀。盡管氣道反應(yīng)的強(qiáng)度似乎與潛在的炎癥密切相關(guān)，但調(diào)節(jié)氣道平滑肌收縮的機(jī)制尚不清楚。在哮喘患者氣道重塑方面，由于ASM的增生和肥厚而導(dǎo)致支氣管壁厚度顯著增加是臨床目前廣泛接受的哮喘病理機(jī)制。ASM厚度的增加直接后果便是氣道有效通氣面積減少，通氣血流比嚴(yán)重失調(diào)，其最終結(jié)果便是肺功能損害。最近的報(bào)道表明，即使在非重癥哮喘中，ASM重塑也在哮喘疾病進(jìn)展中發(fā)揮重要作用。目前實(shí)驗(yàn)室和器械檢查尚無(wú)法評(píng)估這一重塑過(guò)程，并無(wú)法確定其嚴(yán)重程度、空間異質(zhì)性以及ASM重塑對(duì)患者氣道高反應(yīng)性的終末影響?，F(xiàn)有研究對(duì)哮喘性ASM的了解大多來(lái)自活檢或尸檢研究。但ASM的活檢結(jié)果差異很大，尸檢時(shí)ASM的評(píng)估只能提供單一的組織學(xué)證據(jù)，雖然已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了通過(guò)這些類(lèi)型的組織學(xué)研究能夠評(píng)估哮喘疾病中氣道ASM增厚情況，但組織學(xué)檢查首先缺乏活體檢測(cè)能力，其次欠缺評(píng)估整個(gè)氣道條件的能力，因此單純組織活檢對(duì)于判斷氣道高反應(yīng)引起的ASM增厚并不適合實(shí)時(shí)研究這一病理變化機(jī)理。了解ASM功能的調(diào)節(jié)并將這些信息與潛在的免疫過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，對(duì)于提高對(duì)哮喘的理解、靶向治療和改善患者病程是一個(gè)關(guān)鍵因素。相應(yīng)的，對(duì)患者ASM結(jié)構(gòu)和功能的成像能力是建立這種聯(lián)系的關(guān)鍵。

光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)（Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱(chēng)OCT）是一種基于光學(xué)原理的非侵入性、無(wú)接觸的顯微成像技術(shù)。OCT通過(guò)測(cè)量光在樣品中反射或散射的強(qiáng)度和時(shí)間延遲信息，可以獲得高分辨率、高對(duì)比度的斷層結(jié)構(gòu)圖像，OCT 技術(shù)可以在不影響組織結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)人體組織進(jìn)行成像，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于既減少了傳統(tǒng)放射性檢查對(duì)人體造成的潛在傷害，又消除了人們對(duì)侵入性檢查產(chǎn)生的恐懼心理。

在支氣管哮喘的應(yīng)用方面，馬薩諸塞州綜合醫(yī)院的David C. Adams團(tuán)隊(duì)將OCT技術(shù)與雙折射內(nèi)鏡相融合，并展示了該技術(shù)對(duì)氣道平滑肌功能和結(jié)構(gòu)觀察的能力。相關(guān)的數(shù)據(jù)與文字描述發(fā)表于Science子刊《Science Translational Medicine》中。

方向分辨光學(xué)相干層析成像(OR-OCT)用于氣道平滑肌成像

由于ASM其高度有序的結(jié)構(gòu)特征使得ASM具有雙折射的光學(xué)特性。應(yīng)用OCT對(duì)氣道進(jìn)行掃描時(shí)，在接受到組織信號(hào)后，通過(guò)拆分ASM這種雙折射信號(hào)，能夠?qū)SM與相鄰的雙折射組織(包括固有層中的膠原)區(qū)分開(kāi)來(lái)。下圖為OCT掃描支氣管組織并與HE染色對(duì)比，上:普通OCT掃描；中:對(duì)ASM附加偽彩；下:HE染色

OCT融合氣管鏡捕獲生理?xiàng)l件下氣管內(nèi)影像

為了證明OR-OCT融合雙折射內(nèi)鏡平臺(tái)評(píng)估ASM結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，團(tuán)隊(duì)研究了新鮮切除的犬(A.B)和豬(C.D)的支氣管。離體組織經(jīng)OCT掃描后，進(jìn)行免疫組對(duì)平滑肌內(nèi)的肌動(dòng)蛋進(jìn)行染色，通過(guò)計(jì)算ASM圖像附加偽彩面積，OCT識(shí)別ASM與α-平滑肌肌動(dòng)蛋白染色的組織學(xué)結(jié)果成高度相關(guān)，二者總相關(guān)系數(shù)為R²=0.91。用于犬類(lèi)評(píng)估的80張配對(duì)圖像的R²為0.81，而用于豬類(lèi)評(píng)估的82張配對(duì)圖像的R²為0.92。犬類(lèi)樣本中計(jì)算的相關(guān)性降低可能原因在于動(dòng)物犧牲導(dǎo)致成像的延遲，另外組織降解增加，可能對(duì)圖像保真度有一定影像。隨后在豬氣管成像中進(jìn)行Bland-Altman分析，評(píng)估ASM的OR-OCT測(cè)量值與對(duì)應(yīng)組織學(xué)切片的測(cè)量值之間的一致性。結(jié)果展示OCT成像與組織觀察的高度一致性以及較小偏差(偏差:-0.02mm²;95% CI:-0.277 mm²;+0.236mm²)。此外，還能夠觀察到，豬支氣管具有干凈有序的組織層和較小的軟骨膜，而犬支氣管顯得更加不規(guī)則，ASM和軟骨膜組織的豐度增加，特別是在遠(yuǎn)端氣道中更為明顯。

哮喘患者ASM重構(gòu)的體內(nèi)評(píng)估

為了深入了解與哮喘相關(guān)的形態(tài)學(xué)變化，并證明OR-OCT在監(jiān)測(cè)這些變化中的潛在作用，該團(tuán)隊(duì)對(duì)輕度過(guò)敏性哮喘患者和健康對(duì)照者進(jìn)行了體內(nèi)成像。采集部位為右上肺葉的直徑相當(dāng)?shù)膩喍沃夤?，并評(píng)估ASM形態(tài)學(xué)以確定兩組之間的差異。為了增加ASM重構(gòu)的可見(jiàn)性，對(duì)ASM厚度定量后采用附加偽彩的方式來(lái)展現(xiàn)ASM的厚度。

該測(cè)試評(píng)估了6名志愿者(3名哮喘患者(B)和3名健康對(duì)照(A))氣道內(nèi)ASM纖維帶的寬度和厚度。在每個(gè)研究參與者中評(píng)估了6mm(+/- 0.1mm)相同氣道直徑的縱向段。選擇沒(méi)有氣道分叉和無(wú)過(guò)多粘液的區(qū)域。圖E.G為健康志愿者氣道ASM的信號(hào)頻帶峰值以及組織厚度，圖F.H為哮喘受試者氣道相應(yīng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，ASM厚度測(cè)量值為健康組:35.90 μm, SD=4.28，哮喘組:70.30μm, SD=14.70。

ASM收縮力的動(dòng)態(tài)評(píng)估

雖然哮喘發(fā)作時(shí)ASM重構(gòu)已經(jīng)是被確認(rèn)的事件，但目前關(guān)于ASM重構(gòu)如何引發(fā)氣道高反應(yīng)的研究相對(duì)較少。目前有待證實(shí)的是在哮喘發(fā)作過(guò)程中，ASM細(xì)胞本身是否過(guò)度收縮，或者在哮喘患者中觀察到的氣道高反應(yīng)是否僅僅是ASM體積增加還是與ASM與炎癥細(xì)胞相互作用的結(jié)果。這種對(duì)于ASM病理機(jī)能的研究除能夠評(píng)估ASM結(jié)構(gòu)外，還能夠評(píng)估在患者體內(nèi)的ASM功能并有助于增加對(duì)哮喘功能方面的理解，指導(dǎo)患者管理，并評(píng)估治療效果。該團(tuán)隊(duì)利用機(jī)械顯微鏡和OCT技術(shù)基于ASM的雙折射特征對(duì)ASM的收縮力進(jìn)行了定量分析。

體外實(shí)驗(yàn)中，將豬離體氣管固定后，通過(guò)粘膜表面噴涂乙酰膽堿的方式刺激ASM產(chǎn)生收縮效應(yīng)，通過(guò)將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，可以觀察到ASM纖維產(chǎn)生的延遲信號(hào)與ASM纖維上力學(xué)的變化呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性關(guān)系，基于這種線(xiàn)性關(guān)系，團(tuán)隊(duì)依舊選擇了一段完整的豬離體支氣管，通過(guò)乙酰膽堿刺激的方式分析了對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組ASM厚度和氣管半徑。通過(guò)計(jì)算氣道壓力值能夠清晰的看出當(dāng)ASM明顯收縮時(shí)，氣道壓力也隨之上升，由此可以推斷在哮喘急性發(fā)作時(shí)，患者明顯的喘憋癥狀是由于ASM劇烈收縮引發(fā)的氣道壓力升高所導(dǎo)致的。

對(duì)于ASM結(jié)構(gòu)和功能的量化評(píng)估可能成為判斷哮喘疾病嚴(yán)重程度的關(guān)鍵部分。對(duì)臨床醫(yī)生來(lái)說(shuō)，有效的治療與預(yù)防哮喘急性發(fā)作意義更為重大。

正如評(píng)估免疫調(diào)節(jié)劑的臨床試驗(yàn)所證明的那樣，哮喘的內(nèi)源性類(lèi)型不同，對(duì)治療的反應(yīng)也不同。同樣，ASM厚度增加的哮喘患者對(duì)支氣管熱成形術(shù)的反應(yīng)增加進(jìn)一步表明ASM可以作為哮喘的關(guān)鍵治療靶標(biāo)。將ASM質(zhì)量、激活狀態(tài)和支氣管運(yùn)動(dòng)張力與可能驅(qū)動(dòng)哮喘發(fā)病機(jī)制的潛在炎癥過(guò)程聯(lián)系在一起可能會(huì)成為解決哮喘治療難題的重要突破點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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