您好, 歡迎來(lái)到化工儀器網(wǎng)
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。用于犬類評(píng)估的80張配對(duì)圖像的R2為0.81，而用于豬類評(píng)估的82張配對(duì)圖像的R2為0.92。犬類樣本中計(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)的線性關(guān)系，基于這種線性關(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)：
1.Adams DC, Hariri LP, Miller AJ, Wang Y, Cho JL, Villiger M, Holz JA, Szabari MV, Hamilos DL, Scott Harris R, Griffith JW, Bouma BE, Luster AD, Medoff BD, Suter MJ. Birefringence microscopy platform for assessing airway smooth muscle structure and function in vivo. Sci Transl Med. 2016 Oct 5;8(359):359ra131.
2.Aumann S, Donner S, Fischer J, Müller F. Optical Coherence Tomography (OCT): Principle and Technical Realization. 2019 Aug 14. In: Bille JF, editor. High Resolution Imaging in Microscopy and Ophthalmology: New Frontiers in Biomedical Optics [Internet]. Cham (CH): Springer; 2019. Chapter 3.