PATOGENEZE BRONCHIÁLNÍ OBSTRUKCE ASTMA, CHOPN Zuzana Humlová Ústav patologické fyziologie 1. LF UK

1. ASTMA Definice dle GINA (Global Initiative for Asthma): Astma je chronické zánětlivé onemocnění dýchacích cest, kde hrají roli mnohé buňky (mastocyty, eozinofily, T-lymfocyty) a buněčné částice. Chronický zánět je spojen s průduškovou hyperreaktivitou a vede k opakujícím se epizodám pískotů, dušnosti, tíže na hrudi a kašle, zvláště v noci nebo časně ráno. Tyto epizody jsou obvykle spojeny s variabilní obstrukcí, která je často reverzibilní buď spontánně nebo vlivem léčby.

Intermitentní x perzistující Alergické astma = astma zprostředkované imunologickými mechanismy. IgE zprostředkované astma – IgE protilátky spouští jak okamžitou tak pozdní reakci. T-lymfocyty pozdní a opožděné reakce. Nealergické astma = neimunologické typy astmatu. Intermitentní x perzistující

Zánět navozuje obstrukci: akutní bronchokonstrikcí otokem stěny dýchacích cest chronickou tvorbou hlenu přestavbou (remodelací) stěny dýchacích cest

Rizikové faktory: individuální predispozice (genetické vlivy – 5. a 11. chromosom - atopie, bronchiální hyperreaktivita, pohlaví, rasa) okolní prostředí – expozice alergenům a profesním látkám, které způsobí senzibilizaci, virové a bakteriální infekce, strava, kouření, socioekonomický stav a velikost rodiny, neurogenní vlivy

Buňky uplatňující se na chronickém alergickém zánětu 1. Eozinofilní granulocyty 2. Mastocyty 3. T-lymfocyty 4. Neutrofilní granulocyty 5. Bazofilní granulocyty

Histologie Histopatologické nálezy při vyšetření bioptických vzorků nemají jednoznačný vztah k průběhu onemocnění a změně plicní funkce, neboť i prokazovaná bronchiální hyperreaktivita nekoreluje vždy s histologickým nálezem.

Zánětlivé změny vyvolávají: Akutní zánět Chronický zánět Remodelace dýchacích cest Příznaky bronchokonstrikce Exacerbace Nespecifická hyperreaktivita Přetrvávající obstrukce v dýchacích cestách

Změny ventilačních parametrů jsou prokazovány i u pacientů s adekvátní protizánětlivou léčbou x Trvale přítomná obstrukce dýchacích cest není prokazována u všech astmatiků.

Přestavba dýchacích cest = remodeling destrukce řasinkového epitelu dýchacích cest edém bronchiální stěny stimulace proliferace fibroblastů depozice kolagenu v lamina reticularis bazální membrány hypertrofie hladkých svalů hyperplazie pohárkových buněk

Na remodelingu se podílejí Th2 lymfocyty (CD25+, produkce IL-4,13, 5, 6,10) antigen prezentující buňky mastocyty (tryptáza-tvorba angiotenzinu II z angiotenzinu I, hypertrofie hladkých svalů, histamin – profibrotický efekt) eozinofily (prodloužené přežívání v epitelu a submukoze, tvoří lipidy –PAF, LTC4,LTD4, LTB4, peptidy, cytokiny , TGF-α, TGF-β, IL-1,3, GM-CSF, ECP)

alveolární makrofágy (produkce TNF-α, IL-6) buňky epiteliální (deskvamace epitelu, ztráta integrity, TGF-β, IGF-1, KGF- β, alterace diferenciace a proliferace epiteliálních bb., apoptóza) buňky endoteliální

myocyty (proliferace myocytů - po stimulaci IL-11, produkovaný mezenchymálními buňkami po stimulaci alergenem, PGDF, EGF, efekt gelatinázy A (MMP-2) a B (MMP-9), produkce IL-6,8, eotaxinu, PGE2, RANTES, MCP-1,2,3, exprese ICAM-1, VCAM-1, produkce NO, GM-CSF, IL-5) fibroblasty (aktivace fibroblastů, vznik myofibroblastů, uvolnění GM-CSF a TGF-β, zvýšení prozánětlivé aktivity eozinofilů)

Subepitelové struktury: ztluštění bazální membrány vyšší depozice extracelulární matrix pod epitelem depozice kolagenu I., III., IV., V. a VII. V retikulární membráně zvýšená depozice proteoglykanů (lumican, biblycan, decorin, fibromodulin, hyaluron, versica) tenascin (odráží aktivitu chronického zánětu) fibronectin

Zvýšení počtu hladkých svalových vláken Zvýšení počtu mukózních žlázek Přetrvávání zánětlivých buněk Uvolnění fibrogenních růstových faktorů Elastolýza Těžké bronchospazmy během exacerbace Zvýšení mukozní sekrece během exacerbace Následný zánět Depozice kolagenu na bazální a epiteliální membráně Snížená elasticita stěny

Patofyziologické a klinické důsledky: u řady pacientů pak nemusí korelovat stupeň remodelingu s bronchiální hyperreaktivitou remodeling může korelovat s hladinou eozinofilů v periferní krvi, ale nekoreluje ani se stupněm bronchiální hyperreaktivity ani s délkou či tíží astmatu při delším průběhu změn spojených s ukládáním kolagenu a fibronectinu se snižuje stupeň bronchiální hyperreaktivity pokles FEV1 i přes léčbu není souvislost mezi ztluštěním retikulární membrány a délkou trvání astmatu a poklesem FEV1 u dospělých

Zánětlivé buňky Přetrvávání zánětu Aktivace fibroblastů a makrofágů Aktivace zánětlivých buněk Snížení apoptózy Edém Remodeling Mediátory zánětu Cytokiny a GF Proliferace hladkých svalů a buněk mukózy Bronchokonstrikce Bronchiální hyperreaktivita Epiteliální buňky deskvamace

Eozinofily terminální buňky vyvíjející se z kostní dřeně pod vlivem GM-CSF, IL-3 a IL-5, který u člověka aktivuje pouze eozinofily a bazofily eozinofily migrují krátce ve tkáních a procházejí do GIT mukózy, proces je regulován eotaxinem a usídlovacím střevním adhezivním receptorem α4β7, který se váže na molekulu MAdCAM-1 exprimovanou ve střevní tkání ve tkáni přežití 2 týdny (střevní parazitózy)

eozinofilie v krvi není výsledkem migrace do tkání, ale je dána vlivem migratorních signálů z vaskulatury cílového orgánu IL-4, IL-13 indukují expresi VCAM-1, která se váže s velmi pozdním antigenem –4, receptorem eozinofilů a P- selektinem CC chemokiny typu eotaxinu, váží CC chemokinový receptor 3, přitahují eozinofily do tkání, kde přežívají delší dobu díky IL-5 (brání apoptóze) a GM-CSF

Mediátory uvolňované eozinofily: bazicke proteiny (MBP), kationický protein (ECP), peroxidáza, neurotoxin, sulfidované peptidické leukotrieny, PAF, GM-CSF, TGF-α, TGF-β Degranulace eozinofilů – nejspíše přes Fcγ, Fcα, společně s adhezivním receptorem makrofágovým antigenem-1 – Mac-1

Cytokiny uplatňující se při patogenezi astmatu IL-4 přesmyk izotypů imunoglobulinů B lymfocyty k tvorbě IgE a IgG4 zvyšuje expresi VCAM-1 a sekreci hlenu inhibuje aktivaci Th1 a tvorbu IFNγ

IL-13 indukce tvorby IgE a IgG4 aktivace žírných buněk zvyšuje bronchiální hyperreaktivitu a kontraktilitu hladkých svalů, narušuje diferenciaci cilií indukce eotaxinu, VCAM-1 potlačuje tvorbu prozánětlivých cytokinů

IL-5 produkován žírnými buňkami a Th2 lymfocyty, epiteliálními buňkami a eozinofily ovlivňuje proliferaci a diferenciaci B lymfocytů indukuje expresi IL-2R proliferační a diferenciační faktor pro eozinofily

IL-12 makrofágy, dendritické buňky, monocyty potlačuje tvorbu Th2 cytokinů a snižuje tak tvorbu IgE a IgG1 snižuje eozinofilii v periferní krvi a ve sputu

IL-10 široké působení imunosupresivní a protizánětlivé potlačuje expresi iNOS, COX2 potlačuje uvolnění IL-2, snižuje expresi MHCII. třídy, CD80, CD86 a CD32 na APC a tím i prezentaci alergenu, eotaxinu, RANTES,IL-5 korelace s tíží astmatu

IFNγ u atopiků snížené hladiny působí stimulačně na Th1 buňky, inhibičně na Th2 nebulizovaný IFNγ snižuje počet eozinofilů v BAL, ale efekt není významný

TGF-β remodeling indukce Fas receptoru na epiteliálních buňkách aktivace apoptózy, fagocytóza makrofágy, exsudace plasmy, fibroza

Klasifikace astmatu: A. Atopické (alergické) astma v kombinaci s alergickou rhinitidou, atopickým ekzémem, rodinná zátěž průkaze spec. IgE protilátek, kožní a inhalační testy B. Endogenní astma bez určité známé příčiny, často u žen po prochlazení, obvykle refrakterní na terapii C. Námahové astma fyzické zatížení, provokujícím momentem i inhalace chemických substancí, chlad nebo horko D. Aspirinové astma typická triáda-nosní polypy, urtikarie a astma po aplikaci aspirinu další léky

E. Alergická bronchopulmonální aspergiloza aspergilus působí jako alergen vyvolávající u atopiků aspergilové astma nebo alergickou bronchopulmonální aspergilozu v RTG obraze patrné prchavé plicní infiltráty, zvýšená viskozita hlenu vede někdy k tvorbě tzv. hlenových zátek, vznik bronchiektazií F. Gastroesofageální reflux reflektoricky navozený bronchospasmus G. Sinobronchiální syndrom kombinace sinusitidy s nosními polypy a astma H. Profesionální astma navozené inhalací a expozicí průmyslovým látkám CH. Astmatický ekvivalent v popředí suchý, dráždivý kašel, bez zřetelných stavů dušnosti

Rozdělení dle tíže příznaků: Stupeň 1. Intermitentní astma občasné příznaky < než 1x týdně, krátké epizody zhoršení noční příznaky 2x měsíčně žádné příznaky mezi záchvaty PEF nebo FEV1 > 80% n.h., variabilita < 20%

Stupeň 2. Lehké perzistující astma příznaky <1x denně, >1x týdně noční příznaky > 2x měsíčně exacerbace mohou narušovat aktivitu nebo spánek PEF nebo FEV1 > 80% n.h., variabilita 20-30%

Stupeň 3. Středně těžké perzistující astma každodenní obtíže exacerbace ovlivňující aktivitu a spánek noční příznaky > 1x týdně každodenní potřeba úlevových léků PEF nebo FEV1 mezi 60- 80% n.h., variabilita > 30%

Stupeň 4. Těžké perzistující astma trvalé příznaky časté exacerbace omezená fyzická aktivita časté noční příznaky PEF nebo FEV1 < 60% n.h., variabilita > 30%

Metody vyšetření: Klinický obraz variabilní – sezónní, diurnální, námaha dušnost, kašel, pískoty, rýma fyzikální vyšetření – normální, hyperinflace se zvučným poklepem, prodloužené exspirium, suché fenomeny, pulsus paradoxus, vtahování supraklavikulárních jamek, „tiché plíce“

Spirometrie stanovení dg, monitorace léčby, posudkové a preventivní účely, předoperační vyšetření základní – vyhledávací – PEF (Peak Exspiratory Flow) index variability PEF=nejvyšší-nejnižší x 100 0,5 x (nejvyšší+nejnižší) FVC, FEV1, FEV1%FVC rozšířené – spirometrie, křivka průtok-objem, bronchodilatační a bronchoprovokační testy, pulsní oxymetrie, rhinomanometrie

Celotělová pletysmografie referenční metoda měření odporů, dovoluje měření dechové práce, compliance a bývá doplněna o DLCO izotermické podmínky, má 2 fáze- měření nitrohrudního objemu plynu a měření odporu dýchacích cest

Bronchomotorické testy bronchodilatační testy – testy reverzibility bronchiální obstrukce salbutamol 200-400 ug, ipratropium 80 ug bronchokonstrikční – bronchiální hyperreaktivity histamin 1g na 100 ml fyziol. roztoku, metacholin, acetylcholin, adenosin-5- monofosfát, NaCl

RTG Bronchoskopie Indukované sputum normální, hyperinflace Endobronchiální biopsie – submukóza Bronchoalveolární laváž – fenotypicky se liší od periferní krve, exprimují CD69 Indukované sputum hypertonický fyziologický roztok počty eozinofilů ve sputu korespondují s bronchiálními biopsiemi, BAL

ECP Měření kondenzátu vydechovaného vzduchu Krevní plyny hodnoty odpovídaly symptomatickému skóre a nepřímo úměrně PEF v indukovaném sputu signifikantní zánět –15 μg/l, kompemzované astma 23 μg/l Měření kondenzátu vydechovaného vzduchu LTB4, cysteinylové leukotrieny, NO –zvýšený u neléčených astmatiků, závisí na průtoku, čím nižší průtok, tím vyšší NO, proto konst. 50 ml/s Nízký NO u ciliární dyskinezy, cystické fibrózy, korelace s nálezy v biopsiích a s eozinofily ve sputu Krevní plyny

2. CHOPN Definice dle GOLD (Global Initiative for Chronic Obstructive Lung Disease): CHOPN je nemoc charakterizovaná omezením průtoku vzduchu v průduškách (bronchiální obstrukcí), která není úplně reverzibilní. Bronchiální obstrukce progreduje a je spojena s abnormální zánětlivou odpovědí plic na škodlivé částice a plyny.

Chronická bronchiální obstrukce kombinace poruchy malých dýchacích cest (obstrukční bronchiolitida) a destrukce plicního parenchymu (emfyzém) chronický zánět – remodelace a zúžení malých dýchacích cest destrukce plicního parenchymu a zánět vedou ke ztrátě spojení alveolů s malými dýchacími cestami snížení elastického napětí plic

Rizikové faktory faktory genetické (např. defekt α1- antitrypsinu, ABO sekreční stav, mikrozomální epoxidová hydroxyláza, glutathion S-transferáza, α1- antichymotrypsin, komplementární složka GcG, TNF- α, mikrosatelitová nestabilita), hyperreaktivita dýchacích cest, růst plic expozice tabákovému kouři, profesní prachy a chemikálie, znečištění ovzduší v zevním prostředí i v  místnostech, infekce, sociálně-ekonomické postavení

Buňky uplatňující se při zánětu: Neutrofily v BAL i ve sputu aktivované neutrofily, nejsou však zvýšené v řezech z bronchů nebo plicního parenchymu v indukovaném sputu zvýšení myeloperoxidázy a lidského neutrofilního lipokalinu secernují proteázy- neutrofilní elastáza, katepsin G neutrofilní proteázy-3

Makrofágy T lymfocyty CD8+ Eozinofily Epiteliální buňky produkce IL-8, LTB4, TNF- α T lymfocyty CD8+ uvolňování perforinu, granzymu B, TNF- α Eozinofily úloha nejasná, obvykle zvýšené při akutní exacerbaci zvýšení ECP, EPO v indukovaném sputu Epiteliální buňky produkce zánětlivých mediátorů (eikosanoidy, cytokiny, adhezivní molekuly) E-selektin-přísun a adheze neutrofilů TNF- α, IL-8

Mediátory podílející se na patogenezi CHOPN: Leukotrien B4 silný chemoatraktant neutrofilů produkován makrofágy IL-8 selektivní chemoatraktant pro neutrofily secernován makrofágy, neutrofily a epiteliálními buňkami bronchů TNF- α aktivuje NF-κB, který aktivuje gen pro IL-8 ve sputu, bronchiálních biopsiích

Chemotaktický protein pro makrofágy-1 ( MCP-1) - přísun makrofágů do plic Zánětlivý protein makrofágů-1 (MIP-1) Zánětlivý protein makrofágů-1 α (MIP-1 α) GM-CSF - zvýšení během exacerbace TGF-β, EGF – remodelace bronchů Endotelin-1 – vazokonstrikce, chronická hypoxémie Neuropeptidy – substance P, VIP – vliv na funkci cév a sekreci hlenu Komplement – složka C5a- akumulace neutrofilů

Mediátory LTB4, IL-8, GRO-1α, MCP-1, MIP-1α, GM-CSF, Endotelin Substance P Buňky Makrofágy Neutrofily CD8+ lymfocyty Eozinofily Epitel. bb. Fibroblasty Účinky Hypersekrece hlenu Fibróza Destrukce stěny alveolu Proteázy Neutrofilní elastáza Katepsiny Proteáza-3 Soubor MMP

škodlivé částice a plyny zánět Patogeneze CHOPN škodlivé částice a plyny zánět kouření cigaret- stimulace makrofágů a epiteliálních buněk k tvorbě TNF- α, díle IL-8 a LTB4 naftové výfukové plyny, obilný prach nerovnováha mezi proteázami a antiproteázami v plicích Laurell a Eriksson –1963 – deficit α1-antitrypsinu a emfyzém-

periferní bronchy jsou hlavním místem obstrukce oxidační stres peroxid vodíku, NO přímo měřenými oxidanty, které se tvoří při kouření cigaret isoprostan F2 α-III, marker oxidačního stresu v plicích, bronchokonstrikce změny v centrálních a periferních bronších, plicním parenchymu a cévách periferní bronchy jsou hlavním místem obstrukce centrilobulární forma emfyzému

změny zahrnují: hypersekreci hlenu poruchu funkce řasinek, obstrukci, hyperinflaci plic poruchu výměny plynů – nejprve hypoxemii ( v důsledku nerovnoměrnosti ventilace a perfúze), následně hyperkapnii, plicní hypertenzi a cor pulmonale

Patologické změny u CHOPN Škodlivé částice a plyny Individuální faktory jedince Plicní zánět Antioxidanty Antiproteázy Oxidační stres Proteázy Reparační mechanizmy Patologické změny u CHOPN

Klasifikace tíže CHOPN: Stádium 0 – rizikové normální spirometrie chronické příznaky Stádium I – lehké FEV1/FVC < 70% n.h. FEV1> 80% n.h. Jsou anebo nejsou chronické příznaky (kašel, sputum)

Stádium II – střední Stádium III – těžké FEV1/FVC < 70% n.h. 50% n.h. < FEV1< 80% n.h. Jsou anebo nejsou chronické příznaky (kašel, sputum, dušnost) Stádium III – těžké 30% n.h. < FEV1< 50% n.h.

Stádium IV – velmi těžké FEV1/FVC < 70% n.h. FEV1< 30% n.h. nebo FEV1 < 50% n.h. a respirační selhání nebo klinické známky cor pulmonale

Metody vyšetření: Klinický obraz anamnéza, fyzikální vyšetření, inspekce, palpace, perkuse, auskultace Spirometrie, bronchodilatační test a test reverzibility kortikosteroidem je-li FEV1 po bronchodilatačním léku < 80% n.h. a FEV1/FVC <70%, svědčí pro bronchiální obstrukci, která není úplně reverzibilní po dobu 6-12 ti měsíců při léčbě inhalačními kortikosteroidy se FEV1 zvýší o 200 ml a o 15% před léčbou

Skiagram hrudníku, CT, HRCT známky hyperinflace – oploštění bránice na bočním snímku, zvětšení retrosternálního prostoru, zvýšená transparence plic, rychlé ubývání plicního cévního řečiště Krevní plyny u nemocných s FEV1< 40% n.h. u pacientů s klinickým podezřením na respirační insuficienci, selhání pravého srdce

Zhodnocení plicní hemodynamiky Hematokrit plicní hypertenze, cor pulmonale Hematokrit Screening deficitu α1-antitrypsinu CHOPN do 45 let

Rozdíly mezi astmatem a CHOPN Buňky Neutrofily Značné zvýšení makrofágů Zvýšení CD8+ T buněk Eozinofily Malé zvýšení makrofágů Zvýšení CD4+ Th2 lymfocytů Aktivace žírných buněk Mediátory LTB4 IL-8 TNF-α LTD4 IL-4, IL-5 A další Následky Squamózní metaplazie epitelu Destrukce parenchymu Hlenová metaplazie Zvětšení žláz Fragilní epitel Zesílení bazální membrány Odpověď na léčbu Kortikosteroidy mají malý nebo žádný účinek Kortikosteroidy potlačují zánět