結構生物化學/細胞訊號通路/呼吸系統/慢性阻塞性肺病

概述

慢性阻塞性肺病（COPD），也稱為肺氣腫和慢性支氣管炎，是由氣道暴露於潛在有害氣體或顆粒引起的。吸入這些有害氣體會導致氣道本身持續炎症，最終表現為氣流明顯阻塞和過度膨脹 - 肺部的非預期擴張。從純粹的機械角度來看，COPD 對呼吸系統的影響可以通過了解壓力-體積 (P-V) 關係來揭示。

氣道阻塞

氣道阻塞分為三類：（1）氣道周圍的組織異常，（2）氣道壁增厚，（3）腔隙部分阻塞；在本例中，指的是位於肺部的支氣管。第一類是指由於徑向牽引力迅速喪失而導致的氣道收縮，第二類是指由肌肉肥大或水腫引起。最後，第三類是粘液堆積的直接結果，導致氣道周圍形成半固體栓塞。肺氣腫和慢性支氣管炎都與 COPD 有關，因此它們具有上述三類特徵。

慢性阻塞性肺病的病理

在 COPD 患者中，不僅小氣道，而且大氣道也存在明顯的病理改變。這些改變通常位於肺血管和實質血管周圍區域，是氣道本身持續損傷和修復的典型表現。由此引發的炎症反應可能是一個內部遺傳因素，也可能歸因於香菸煙霧的有害影響。儘管香菸煙霧的存在是 COPD 表現形式的警示指標，但已經證實了一些患者在沒有香菸煙霧暴露的情況下也會患上 COPD，這最終導致了這種呼吸道疾病的根本原因。隨著氧化應激和蛋白酶與抗蛋白酶之間失衡的加劇，該疾病的炎症反應大大增強。這兩種蛋白酶都起到保護系統中結締組織免於惡化和它們之間的張力觸發炎症狀態的作用。更具體地說，炎症反應是由 CD8+ 細胞毒性 Tc1 淋巴細胞和炎症介質（炎症細胞）增強的。這些現象的解釋嵌入在肺上皮屏障細胞 (LEBCs) 的氧化性 DNA 損傷中。詳細地說，損傷性吸入氣體誘導 LEBCs 的 DNA 損傷，這些突變在 LEBCs 本身的小衛星 DNA 水平上被突出顯示。新突變的 LEBCs 然後透過樹突狀細胞 (DC) 識別將資訊傳遞給淋巴結。一旦 T 淋巴細胞接收到此資訊，就會導致大量產生 CD8+ 細胞毒性 T 淋巴細胞。最後，這些 CD8+ T 淋巴細胞將釋放顆粒酶和穿孔素，它們會吸引突變的 LEBCs，導致細胞破壞。

慢性阻塞性肺病的病理生理特徵

如前所述，COPD 的特徵是兩種症狀：過度膨脹和氣流阻塞。

過度膨脹通常用呼吸系統部分彈性回縮的喪失來描述。這種症狀經常出現在患有肺氣腫的 COPD 患者身上，而身體則會不斷試圖保持氣道開放，並在過早閉合時將空氣困住。過度膨脹無疑會對包括肺在內的主要呼吸系統以及膈肌產生不利影響。它往往會影響膈肌調節呼吸的功能，增加呼吸功。過度膨脹透過兩種方式影響膈肌。首先，膈肌變平，會導致腹部壁與膈肌本身之間的貼合區域減小。其次，膈肌的肌纖維變短，因此無法產生足夠的吸氣壓力來克服跨肺壓力。鑑於這兩種影響，I 型纖維（抗疲勞和慢速抽搐）的比例會增加，線粒體濃度和電子傳遞鏈 (ETC) 的效率也會增加。這種現象隨後會導致呼吸肌功能進一步受損，因為膈肌變得越來越弱。

呼氣過程中的氣流被定義為限制氣流的氣道阻力和促進氣流的肺部彈性回縮之間的平衡。因此，導致管腔阻塞和阻力增加的因素是分泌物的存在、粘膜下腺體肥大和支氣管平滑肌張力增加。最終導致氣流阻塞的是管腔內壓力與周圍壓力之間巨大的差異。例如，在肺氣腫中，由於肺實質中彈性組織減少，小氣道壁的彈性回縮明顯喪失。此外，這些氣道壁上缺乏軟骨會導致彈性回縮排一步降低。

肺順應性

呼吸系統依靠其彈性來促進呼吸肌的功能；隨後，這些肌肉將為呼吸系統提供移動空氣進入氣道所需的壓力梯度（差值）。透過使用壓力-體積 (P-V) 關係，呼吸系統的靜態機械特性被映射出來。由 (P-V) 關係表示的曲線是在將體積從殘氣量 (RV) 遞增到肺總容量 (TLC) 以形成環路的過程中獲得的。更具體地說，這些環路是由胸壁和肺部的彈性特性促進的，包括肺充氣和放氣的單位變化。P-V 曲線所表示的非線性趨勢線表明，隨著肺容積的增加，彈性部分接近可膨脹性極限。

慢性阻塞性肺病與休息性過度膨脹和動態過度膨脹之間的相互關係

在 COPD 患者中，存在疾病誘導的呼氣末肺容積 (EELV) 增加。這是由於運動潮氣量 (VT) 侵佔呼吸系統給定 P-V 曲線的上線性極端，如圖所示。在該極端，系統的彈性負荷以增加的方式清晰地感受到。COPD 患者面臨著無法進一步擴大其 VT 的挑戰，因此導致無法增加其吸氣儲備容積 (IRV)。在這些情況下，患有 COPD 的患者在休息期和運動期都會有向內指向的回縮壓力，這對呼吸肌造成額外的吸氣負荷，這顯然是不利的。

• 整個呼吸系統的 P-V 關係。（a）顯示正常分佈（b）顯示 COPD 分佈
  整個呼吸系統的 P-V 關係。（a）顯示正常分佈（b）顯示 COPD 分佈

總而言之，患有 COPD 的患者，擴大 VT 的能力降低；因此，吸氣儲備容積 (IRV) 也降低。因此，在經歷過度膨脹的患者中，肺和胸壁的回縮壓力不僅在休息時，而且在運動時也是向內指向的。結果，肺內壓力不再穩定在零值，這表明必須克服自發性 PEEP（呼氣末正壓）才能產生吸氣氣流。

肺的靜態順應性 (C) 被定義為肺容積變化量與肺泡內部和肺表面之間的壓力差變化量的比值。

$C={\frac {\Delta V_{L}}{\Delta (P_{A}-P_{Pl})}}$

在這個圖中，C 代表順應性，ΔV_L 代表肺容量的變化，Δ(P_A -P_Pl) 代表跨肺壓力的變化。根據上面的公式，氣管壓力減去胸膜內壓力等於跨肺壓力。因此，跨肺壓力的值代表了肺部跨膜的總壓力差。儘管有這一觀察結果，但需要注意的是，在每一次呼吸開始或結束時，內部肺泡壓力等於氣道壓力。嚴格來說，吸氣末和呼氣末的肺泡壓力為 0 cm H2O。在所示的 P-V 曲線上，可以清楚地看到這種現象，當從起始點或穩定點“0”的水平距離顯示了整個呼吸系統彈性力產生的壓力。在某些系統中，這種彈性壓力在 FRC 以下達到負值，而在 FRC 水平以上顯示為正值。透過這些特定的屬性，我們可以清楚地推斷出大氣壓和口部壓力之間的壓力差，顯示了在呼吸迴圈過程中，使呼吸系統伸長/擴張所需的壓力。關於圖本身，我們可以清楚地觀察到 P-V 曲線中的迴圈跡象。具體來說，這個迴圈代表了肺容量增加的影響。當肺容量增加時，與系統相關的特定彈性特性很容易達到可延展性極限。由於這種影響，跨肺壓力將發生新的變化，肺容量會以遞增的微小幅度增加。在這種情況下，當達到殘氣量 (RV) 時，肺順應性最大，而肺順應性的最低值是在肺容量達到較高極端值時。

高順應性導致的趨勢

隨著肺順應性的增加，過度膨脹和潮氣呼吸因素也需要考慮。在這種情況下，體積變化的減少是過度膨脹和潮氣呼吸迫使呼吸系統只關注順應性曲線較平坦部分（即壓力逐漸增加的區域）的直接結果。在直接測量方面，在靜止和運動事件中測量肺順應性時存在明顯的區別。當肺處於靜止狀態時，可以使用靜態方法測量順應性。然而，當在吸氣和呼氣結束時進行肺容量測量時，也使用動態順應性，此時肺部達到類似於普通/靜止肺部擴張時觀察到的偽靜止狀態。當對沒有 COPD 的患者使用靜態和動態順應性方法時，控制變數，兩種測試中都會獲得相似的結果。然而，在患有這種疾病的患者中，兩種方法之間存在差異。例如，那些患有肺氣腫的患者在靜態肺順應性的肺容量方面表現出偏差。

COPD 總結

鑑於 COPD 的多種病理學特徵，肺在 COPD 中的動態和靜態表現也不同。正如多次提到，肺部支氣管彈性回縮的喪失會導致肺泡內部和肺表面的異常壓力差。這種壓力差被定義為跨肺壓力。因此，患有肺氣腫的患者的肺部順應性較高，與順應性較低的正常肺相比，肺部擴張更大，這種現象被稱為過度膨脹。