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馬薩諸塞州綜合醫院團隊揭示哮喘發作時氣道平滑肌結構與功能變化
哮喘是一種與氣道重塑和氣道高反應性(AHR)相關的慢性炎癥性疾病，據估計僅在美國就有超過2500萬人受到影響。在急性哮喘發作期間，氣道平滑肌(ASM)異常活動導致支氣管過度收縮，氣道官腔面積減少，患者會出現明顯氣促或者窒息等癥狀。盡管氣道反應的強度似乎與潛在的炎癥密切相關，但調節氣道平滑肌收縮的機制尚不清楚。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，通氣血流比嚴重失調，其最終結果便是肺功能損害。最近的報道表明，即使在非重癥哮喘中，ASM重塑也在哮喘疾病進展中發揮重要作用。目前實驗室和器械檢查尚無法評估這一重塑過程，并無法確定其嚴重程度、空間異質性以及ASM重塑對患者氣道高反應性的終末影響。現有研究對哮喘性ASM的了解大多來自活檢或尸檢研究。但ASM的活檢結果差異很大，尸檢時ASM的評估只能提供單一的組織學證據，雖然已有大量文獻報道了通過這些類型的組織學研究能夠評估哮喘疾病中氣道ASM增厚情況，但組織學檢查首先缺乏活體檢測能力，其次欠缺評估整個氣道條件的能力，因此單純組織活檢對于判斷氣道高反應引起的ASM增厚并不適合實時研究這一病理變化機理。了解ASM功能的調節并將這些信息與潛在的免疫過程聯系起來，對于提高對哮喘的理解、靶向治療和改善患者病程是一個關鍵因素。相應的，對患者ASM結構和功能的成像能力是建立這種聯系的關鍵。
光學相干斷層掃描技術（Optical Coherence Tomography，簡稱OCT）是一種基于光學原理的非侵入性、無接觸的顯微成像技術。OCT通過測量光在樣品中反射或散射的強度和時間延遲信息，可以獲得高分辨率、高對比度的斷層結構圖像，OCT 技術可以在不影響組織結構的情況下，對人體組織進行成像，該技術的優勢在于既減少了傳統放射性檢查對人體造成的潛在傷害，又消除了人們對侵入性檢查產生的恐懼心理。
在支氣管哮喘的應用方面，馬薩諸塞州綜合醫院的David C. Adams團隊將OCT技術與雙折射內鏡相融合，并展示了該技術對氣道平滑肌功能和結構觀察的能力。相關的數據與文字描述發表于Science子刊《Science Translational Medicine》中。
方向分辨光學相干層析成像(OR-OCT)用于氣道平滑肌成像
由于ASM其高度有序的結構特征使得ASM具有雙折射的光學特性。應用OCT對氣道進行掃描時，在接受到組織信號后，通過拆分ASM這種雙折射信號，能夠將ASM與相鄰的雙折射組織(包括固有層中的膠原)區分開來。下圖為OCT掃描支氣管組織并與HE染色對比，上:普通OCT掃描；中:對ASM附加偽彩；下:HE染色
OCT融合氣管鏡捕獲生理條件下氣管內影像
為了證明OR-OCT融合雙折射內鏡平臺評估ASM結構的準確性，團隊研究了新鮮切除的犬(A.B)和豬(C.D)的支氣管。離體組織經OCT掃描后，進行免疫組對平滑肌內的肌動蛋進行染色，通過計算ASM圖像附加偽彩面積，OCT識別ASM與α-平滑肌肌動蛋白染色的組織學結果成高度相關，二者總相關系數為R2=0.91。用于犬類評估的80張配對圖像的R2為0.81，而用于豬類評估的82張配對圖像的R2為0.92。犬類樣本中計算的相關性降低可能原因在于動物犧牲導致成像的延遲，另外組織降解增加，可能對圖像保真度有一定影像。隨后在豬氣管成像中進行Bland-Altman分析，評估ASM的OR-OCT測量值與對應組織學切片的測量值之間的一致性。結果展示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則，ASM和軟骨膜組織的豐度增加，特別是在遠端氣道中更為明顯。
哮喘患者ASM重構的體內評估
為了深入了解與哮喘相關的形態學變化，并證明OR-OCT在監測這些變化中的潛在作用，該團隊對輕度過敏性哮喘患者和健康對照者進行了體內成像。采集部位為右上肺葉的直徑相當的亞段支氣管，并評估ASM形態學以確定兩組之間的差異。為了增加ASM重構的可見性，對ASM厚度定量后采用附加偽彩的方式來展現ASM的厚度。
該測試評估了6名志愿者(3名哮喘患者(B)和3名健康對照(A))氣道內ASM纖維帶的寬度和厚度。在每個研究參與者中評估了6mm(+/- 0.1mm)相同氣道直徑的縱向段。選擇沒有氣道分叉和無過多粘液的區域。圖E.G為健康志愿者氣道ASM的信號頻帶峰值以及組織厚度，圖F.H為哮喘受試者氣道相應指標統計結果。根據統計結果可看出，ASM厚度測量值為健康組:35.90 μm, SD=4.28，哮喘組:70.30μm, SD=14.70。
ASM收縮力的動態評估
雖然哮喘發作時ASM重構已經是被確認的事件，但目前關于ASM重構如何引發氣道高反應的研究相對較少。目前有待證實的是在哮喘發作過程中，ASM細胞本身是否過度收縮，或者在哮喘患者中觀察到的氣道高反應是否僅僅是ASM體積增加還是與ASM與炎癥細胞相互作用的結果。這種對于ASM病理機能的研究除能夠評估ASM結構外，還能夠評估在患者體內的ASM功能并有助于增加對哮喘功能方面的理解，指導患者管理，并評估治療效果。該團隊利用機械顯微鏡和OCT技術基于ASM的雙折射特征對ASM的收縮力進行了定量分析。
體外實驗中，將豬離體氣管固定后，通過粘膜表面噴涂乙酰膽堿的方式刺激ASM產生收縮效應，通過將光學信號轉換成數字信號，可以觀察到ASM纖維產生的延遲信號與ASM纖維上力學的變化呈現對應的線性關系，基于這種線性關系，團隊依舊選擇了一段完整的豬離體支氣管，通過乙酰膽堿刺激的方式分析了對照組與實驗組ASM厚度和氣管半徑。通過計算氣道壓力值能夠清晰的看出當ASM明顯收縮時，氣道壓力也隨之上升，由此可以推斷在哮喘急性發作時，患者明顯的喘憋癥狀是由于ASM劇烈收縮引發的氣道壓力升高所導致的。
對于ASM結構和功能的量化評估可能成為判斷哮喘疾病嚴重程度的關鍵部分。對臨床醫生來說，有效的治療與預防哮喘急性發作意義更為重大。
正如評估免疫調節劑的臨床試驗所證明的那樣，哮喘的內源性類型不同，對治療的反應也不同。同樣，ASM厚度增加的哮喘患者對支氣管熱成形術的反應增加進一步表明ASM可以作為哮喘的關鍵治療靶標。將ASM質量、激活狀態和支氣管運動張力與可能驅動哮喘發病機制的潛在炎癥過程聯系在一起可能會成為解決哮喘治療難題的重要突破點。
參考文獻：
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.