Az endogén aceton légúti cseréjének mérése egyszeri kilégzéses légzési manőverrel

Absztrakt

a kilélegzett lélegzetvétel mintavétele sok szakmában általános eljárás az orvosi vagy jogi státusz meghatározásához. A légzőterapeuták mérik a kilélegzett szén-dioxidot a tüdő gázcseréjének hatékonyságának meghatározásához. Az ipari higiénikusok leheletmintát használnak arra, hogy megbecsüljék a munkavállaló kémiai oldószerekkel, például toluollal vagy acetonnal való kitettségét. A toxikológusok és a rendőrök az egylégzéses tesztre támaszkodva becsülik meg a munkavállalók és az autóvezetők véralkohol-tartalmát. A közelmúltban a klinikai kutatók elkezdtek mintát venni a végső kilégzésből az endogén gázok, például az etán, a propán, az izoprén és az aceton között, amelyek olyan gyakori rendellenességek jelzői lehetnek, mint a tüdőrák (31), akut miokardiális infarktus (23) és pangásos szívelégtelenség (21).

A ketogén állapottal való szoros összefüggése miatt sok kutató megmérte az endogén acetont a kilégzett légzésben, és ezt a koncentrációt összefüggésbe hozta a klinikai eredménnyel. Egy tanulmányban lehelet-acetont alkalmaztak az éhezés alatti ketotikus állapot (36) és az újszülöttek metabolikus állapotának becsléséhez (28). A légzési acetont a ketogén étrend és a rohamkontroll közötti kapcsolat vizsgálatának eszközeként tanulmányozták (26, 27). Ezenkívül a korlátozott kalóriatartalmú fogyókúrás program alanyai a lehelet-acetont használták motivációs eszközként és a program hatékonyságának mérésére (20). Egy másik kutatócsoport beszámolt az acetonszint légzésének emelkedéséről pangásos szívelégtelenség alatt (21). Más kutatók szerint a lehelet-aceton a vizeletmintáknál hatékonyabb volt a ketonémia monitorozásában magas ketonszinttel rendelkező inzulinfüggő cukorbetegeknél (20). A közelmúltban a lehelet aceton és az endogén eredetű etanol elemzését alkalmazták a vércukorszint közelítésére glükózterhelés alatt (10).

Bár ezek a tanulmányok különféle klinikai eredményeket vizsgálnak, ezeknek a vizsgálatoknak két közös vonása van: endogén aceton és ami még ennél is fontosabb, a lélegzetvizsgálat. A légzéstesztnél az alanynak friss levegőt kell sugároznia, és le kell töltenie egy gyűjtőedénybe vagy mérőeszközbe. Sok tanulmány megkövetelte az alanyoktól, hogy árapály lélegzetet vegyenek (25, 27, 36). Más vizsgálatokban a kutatók arra kérték az alanyokat, hogy végezzenek hosszabb lejáratot: inspirálják a teljes tüdő kapacitást (TLC), és lassan lejáratják a maradék térfogatig (10, 21). Bár a vizsgálatok során különböző légzési manővereket alkalmaztak, a nyomozók két feltevésben osztották meg a kilélegzett gázminta összegyűjtését. A kilélegzett levegő összegyűjtésekor a legtöbb nyomozó eldobta a lélegzet első részét, feltételezve, hogy „holt tér levegő” nem járult hozzá a gázcseréhez, és a kilégzés utolsó részéből mintát vettek, feltételezve, hogy az alveoláris levegőt képviseli (10, 21, 25, 27, 36). Míg ezek a feltételezések a tüdő szén-dioxid-cseréjére vonatkoznak, egyetlen tanulmány sem bizonyította, hogy ezek a feltételezések helyesek az acetoncseréhez.

Matematikai modell

A modell részletes leírását korábban közzétették (1). Csak a lényeges jellemzőket írjuk le itt. A modell szimmetrikus kétágú felépítésű, 18 generáción keresztül. A felső légúti légutak méretei Hanna és Scherer (14), az alsó légutak Weibel (40). A felső légutakat és az intraparenchymás légutakat 480 axiális kontrolltérfogatra osztjuk. Sugárirányban a légutak hat rétegre vannak osztva: 1) a légúti lumen, 2) vékony nyálkás réteg, 3) kötőszövet (hám és nyálkahártya szövet), 4) a hörgőkeringés, 5.) az adventitia, és 6.) a pulmonalis keringés. Porcos légutak (nemzedék

Asztal 1. A tantárgy jellemzői

MEV, maximális kilélegzett térfogat; M, férfi; F, nő.

Tömeg-spektrométer.

Az acetonkoncentrációt a kilégzett lélegzetben kvadrupól tömegspektrométerrel (Balzers Omnistar, Balzers, Liechtenstein) mértük, a csúcs figyelemmel kísérésével az 58 tömeg/töltés arány mellett. A hangolással a készülék 0,25 ppm-et (ppm) mérhet. Az aceton szintje 3 jel és zaj arány mellett. A tranzit késleltetési ideje 450 ms, a 0–90% válaszidő pedig 400 ms. A tömegspektrométer 7,5 ml/perc sebességgel vett mintát a légáramból egy 100 ° C-on tartott fűtött bemeneten keresztül. A műszert ismert kísérleti koncentrációval (sorozatban ~ 1,5 ppm-re hígítva) kalibráltuk 15 percenként a kísérlet során, lehetővé téve a műszerből érkező jel sodródásának off-line korrekcióját. A kalibrációs mérések alapján a tömegspektrométer jele átlagos (± SD) sodródása a nyolc kísérletből 0,06 ± 0,15 ppm/h volt. A sodródás sebessége minden 2 órás kísérlet során állandó volt.

Hosszan tartó kilégzési mérések.

A szájrészszerelvény egy eldobható szájrészből állt, amelynek két kis nyílása volt az aljára fúrva, lehetővé téve a tömegspektrométer és egy hőelem (K-típusú, 0,002 hüvelyk átmérőjű, Omega Engineering, Stamford, CT) bemenetét. és ~ 2, illetve 2,5 cm-re helyezkednek el az alany ajkától. A szájrész disztális végéhez egymás után sorakoztak: egy pneumotach (RSS 100, Korr Medical Technologies, Salt Lake, UT), egy kapnométer (CO2SMO, Novametrix Medical Systems, Wallingford, CT) és egy lineáris ellenállás, amely manuálisan változtatták meg, a kívánt kilégzett áramlási sebesség függvényében. A mind a négy műszer jeleit analógról digitálisra konvertálták, 20 Hz-es mintavétellel vették fel, és egy Macintosh 7100-as számítógépen, amely Chart-ot futtatott (AD Instruments, Mountain View, CA) monitoron jelenítették meg. Az 1. ábra bemutatja ennek a beállításnak a diagramját.

1. ábra.A kísérleti beállítás sémája. A szájrész végéhez rögzített lineáris ellenállás és a számítógépen keresztül megjelenített kilégzett áramlási sebességük segítettek az alanyoknak állandó kilégzett áramlási sebességet fenntartani. Az aceton koncentrációt tömegspektrométerrel mértük. A/D, analóg és digitális.

Izoterm újra-légző készülék.

Az izoterm újra-légző készülék, hasonló az Ohlsson és munkatársai által leírtakhoz. (29) és Martin (22) egy 10 literes Mylar táskából és fűtőpárnából állt, amely egy hungarocell dobozban volt elhelyezve. A doboz belsejében lévő hőmérsékletet hőelem segítségével mértük, amelyet a kísérlet során 37 és 40 ° C között tartottunk, és elektronikusan szabályoztuk a fűtőbetét be- vagy kikapcsolásával. A hungarocell dobozában lévő oldalsó lyuk lehetővé tette, hogy a Mylar táskát a csövek kis szegmensén keresztül egy külső szájrészhez és pneumotachhoz csatlakoztassák. Kezdetben a Mylar tasak 2 liter meleg (37 ° C-nál magasabb) levegőt tartalmazott. Miután az újravételi manőver befejeződött, az újból kilélegzett levegőből meleg gyomor-fecskendővel vettünk mintát.

Jegyzőkönyv.

Normalizált, hosszan tartó kilégzési profil létrehozása minden alany számára és a tömegspektrométerben történő sodródás korrigálása érdekében a tömegspektrométer nyers jelét ábrázoltuk a kilenc izoterm újra-légzési manőver mindegyikéhez az idő függvényében. Meghatároztuk a legjobban illeszkedő vonalat mind a kilenc újraélesztett aceton szignálon keresztül, hogy a tömegspektrométer jelét becsülni lehessen az újraszellőztetett aceton koncentrációra bármely időpontban. A tömegspektrométer által generált nyers jelet az aceton mérése közben, hosszan tartó kilégzési manőver során, az időnek megfelelő újrahelyezés értéke normalizálta. Így hosszan tartó kilégzési profilt hoztak létre, amelyet normalizáltak és korrigáltak a tömegspektrométer sodródása szempontjából.

Minden újraterhelési manőver esetében minden alany elvégezte a nyolc szükséges légzést. Az egyes lélegzetek térfogata 1-2 liter között mozgott. Az összes manőver során az izoterm újra-légző doboz belső hőmérsékletét 37 és 40 ° C között tartották. Az izoterm újra-légzési manőverekből származó aceton koncentrációját ábrázoltuk az idő függvényében minden alany esetében (2. ábra). Mindegyik szimbólum három manőver átlagát és DK-ját jelenti. A legjobban illeszkedő vonal meredeksége az egyes alanyok három adatpontján nem különbözött a nullától (P > 0,05).

2. ábra.Izoterm újra-légzés koncentrációja az időhöz viszonyítva mind a nyolc alany esetében. Mindegyik adatpont három újraélesztési manőver átlagát ± SE-t képviseli. Minden témához a legjobban illeszkedő sorok kerülnek bemutatásra. Az aceton koncentráció a nyolc alany mindegyikében viszonylag állandó az idő múlásával. PRB, részleges nyomás újrahelyezése; ppm, egymillió rész.

Az egyes alanyok által végrehajtott 12 hosszan tartó kilégzési manőver maximális kilégzett térfogatát az 1. táblázat sorolja fel. A nyolc alany mindegyikének átlagos kilélegzett térfogatát és áramlási sebességét a 2. táblázat tartalmazza. manőver A statisztikailag kevesebb volt (P

2. táblázat. Kilégzett mennyiségek és áramlási sebességek

3. ábra.Hat kilégzési profil a 4. tantárgy, manőver B. A II. És III. Fázist jelölik. A műszer holtterét képviselő időeltolódást korrigálták, ezzel kiküszöbölve az I. fázist ebből a diagramból. P̄e, a kilélegzett aceton normalizálva van az aceton részleges nyomásával.

4. ábra.Sűrített kilégzési profil (•) 4. tantárgy, manőver B, a matematikai modell jóslataival mutatjuk be, a kötőszövet vastagságának két értékét felhasználva (lt): az Anderson et al. (1) (szaggatott vonal; lt *) és Anderson értékének kétszerese (folytonos vonal; 2lt *). Megduplázza a lt drámai módon javítja a várható kilégzési profilt. A kondenzált profil minden pontja a 3. ábra hat megfelelő pontjának átlagát jelenti a normalizált kilégzett térfogat 1/20-as lépéseivel. Az értékek átlag ± SD.

Számítógépes szimulációk

3. táblázat. III. Fázis (SIII), P2 vége és R2

SIII., A III. Fázis meredeksége (Hgmm aceton levegőben · Hgmm aceton újraszellőztetett levegőben −1 · 1 −1); P̄ e vége, az aceton normalizált parciális nyomása a kilégzett levegőben a lejárat végén; lt, a kötőszövet vastagsága; lt *, lt Anderson és mtsai alapján. (1); 2lt *, lt kétszer annyi, mint Anderson et al.

* Statisztikailag nem különbözik a 0-tól (P † Statisztikai különbség manőverek A és B (P Az acetoncsere 95% -a a légutakban történik, míg 100 (1).

Ezeknek az abszorpciós-deszorpciós jelenségeknek az egyszeri kilégzési manőver során történő vizsgálatához az aceton moláris áramlása a légutak falától a légutak lumenjéig egy adott időtartamra (pl. Inspiráció) és a légutak keletkezése kiszámítható a korábban leírt kifejezésekkel (1) . Az aceton áramlásának eloszlását a légutak falán és a légutak generációja után tanulmányoztuk az aceton cseréjének szimulációjával egy átlagos tüdőben. Az ezekben a szimulációkban alkalmazott paraméterek az átlagos vitális kapacitáson és az áramlási sebességen alapultak manőverek A és B a nyolc tantárgy közül. Ezenkívül a nyálkahártya-réteg vastagságának megváltoztatásának hatása lt * -tól 2-iglt * tanulmányozták, hol lt * van lt Anderson és mtsai alapján.

5. ábra.Az aceton parciális nyomás (P̄) axiális profiljai a légutakban (fekete vonalak) és a légutak falában (szürke vonalak) alveoláris parciális nyomásra normalizálódtak, a matematikai modell alapján számítva. Az árapály lélegzetének (folytonos vonal) végi lejáratának axiális profiljához viszonyítva a teljes tüdőkapacitásig tartó hosszantartó inspiráció (rövid, szaggatott vonal) axiális profilja drámai módon csökken, míg az axiális profil a a hosszan tartó kilégzési manőver (hosszú szaggatott vonal) fokozódik. Ezen tengelyirányú profilok közötti kapcsolat a 6. ábrán bemutatott fő tényező a légúti fluxusok meghatározásában.

6. ábra.Az aceton transzportjának axiális eloszlása az inspiráció során (A) és a lejárati idő (B) lassú kilégzési manőverhez. A szilárd oszlopok a tüdő modelljét jelzik lt Anderson et al. (1), lt *, és az árnyékolt sávok a tüdő modelljét jelzik lt = 2lt *. C: az aceton transzportjának axiális eloszlása lassú (árnyékos) és gyors (szilárd) kilégzés során lt = 2lt *. A pozitív áramlás a szövetet a levegőbe jelenti; negatív a szövetek levegőjét jelöli.

Az aceton parciális nyomás ezen tengelyirányú profiljaiból (5. ábra) kiszámítható az aceton (mol/s) áramlása a légutak falától a légút lumenéig egy adott axiális helyzetben (pl. A légcső) és az időtartam. függ a fal és a lumen közötti aceton parciális nyomás különbségétől (P̄wall - P̄air), szorozva a tömegátadási együtthatóval, amely a légáram sebességének függvénye. Egy adott tengelyirányú helyzetben, például a légutak keletkezésében, ezek az aceton áramlások vagy fluxusok összeadhatók az összes idõponton keresztül egy inspiráció és/vagy lejárat során. Ezeknek a légúti faltól a lumenig terjedő fluxusok összegét az egyes légúti generációk inspirációja alatt a 6. ábrán ábrázoljuk, amely az aceton transzportjának axiális eloszlását mutatja a légutak falától a lumenig (pozitív fluxus). Az aceton szállítása generációnként generációnként az inspiráció során (6. ábraA) és a lejárati idő (6. ábraB) lassú, hosszan tartó kilégzés során két esetben mutatják be: 1) lt * és 2) 2lt *.

Az inspirációról (6. ábraA), az acetonfluxusok axiális eloszlása bimodális. A kötőszövet vastagságától függetlenül egy kis csúcs fordul elő a légcsőben. Egy nagyobb csúcs a 15. generációban van, és amikor a 17. generációra vált lt megduplázódik. Független valamitől lt, ez a csúcs a felület növekedéséből, a kötőszöveti réteg vastagságának csökkenéséből és a Q̇br növekedéséből adódik az átlaghoz képest, amikor a légutak fokozatosan elágaznak. Megduplázódik lA t * fokozott diffúziós ellenállást okoz az aceton transzporttal szemben a hörgőkeringésből a légúti lumenbe. Így az aceton fluxus eloszlása kisebb légutakra tolódik, vékonyabb légúti falakkal (légutak falvastagsága = kötőszövet + adventitialis szövetvastagság), amelyek lehetővé teszik, hogy a pulmonalis keringés jelentős szerepet játsszon az acetoncserében a légutak lumenében lévő levegővel. Ezenkívül a modell azt jósolja, hogy az alveoláris gázcsere nagyobb szerepet játszik az acetoncserében, ha megnő a kötőszövet vastagsága.

A kilélegzett áramlási sebességnek az acetonfluxus axiális eloszlására gyakorolt hatásainak vizsgálatához csak a kilégzés alatti axiális fluxusokat kell megvizsgálni, mivel a belélegzett sebességet állandónak feltételeztük, függetlenül a kilégzési manővertől. 6. ábraC mutatja az acetonfluxusok axiális eloszlását lassú és gyors manőver során egy tüdővel lt = 2lt *. 6. ábraC azt mutatja, hogy a kilélegzett áramlási sebesség növekedése az acetonfluxus növekedését okozza az alveolusokhoz legközelebb eső légúti generációkban, generációk 13–18, és az aceton fluxusának csökkenése a szájból a 10. generáció. Az OK generációk 13–18 nagyobb aceton fluxusuk van egy gyors kilégzés során, mint a lassú kilégzés, meg lehet érteni az aceton transzport vizsgálatával 18. generáció. A teljes lejárati idő alatt az aceton részleges nyomása belép 18. generáció alveoláris (azaz megegyezik a vér parciális nyomásával) és független a kilégzési sebességtől. A fluxus növelésének egyetlen mechanizmusa tehát a tömegátadási együttható növelése, amely az áramlási sebesség függvényében növekszik. Ez a mechanizmus fontosabb, mint az alveolusokhoz legközelebb eső hat generáció tartózkodási ideje.

A matematikai modell jobban meg tudja jósolni a kísérleti adatokat azáltal, hogy megnövekedett kötőszöveti rétegvastagságot használ, amely kétszerese az Anderson et al. (1) Ezenkívül a modell azt jósolja, hogy az acetoncsere nagy része a vezető légutakban történik, és nem az alveolusokban. Az aceton és a légutak kölcsönhatása ezt követően felhasználható a kilégzési profil alakjának magyarázatára.

Tömeg-spektrométer

Izoterm újra-légzés

A kilégzett vég nem alveoláris levegő

Noha a P̄e vég áramlási sebességtől való függése érdekes, fontosabb az a tény, hogy P̄e vége nem egyenlő 1,0-vel (vagyis újraszellőztetett levegővel). A legtöbb endogén acetont mérő tanulmány azt feltételezi, hogy a végén kilégzett levegő alveoláris levegő (10, 21, 25, 27, 36). Vizsgálatunk alapján, és feltételezve, hogy az újravezetett levegő alveoláris levegő, a legtöbb tanulmány úgy tűnik, hogy alulbecsüli az alveoláris levegőt ~ 20% -kal, ha hosszan tartó kilégzést alkalmaznak, és ~ 30% -kal, ha árapályos lélegzetet használnak [lásd P̄air a szájban 5. ábra és Anderson et al. (1)]. Amint fentebb említettük, ez a variáció kevésbé teszi pontossá a különböző alanyok vagy laboratóriumok összehasonlítását. Az ebben a tanulmányban alkalmazott manőverek közül az izoterm újravezetés következetesebb és reprezentatívabb mértékű alveoláris levegőt szolgáltatott, mint a hosszan tartó kilégzési manőver.

Légúti acetoncsere

Modelljóslatok

Ezt a munkát részben az Országos Biomedicinális Képalkotási és Biomérnöki Intézet T32 EB001650 támogatása, valamint a Nemzeti Szív-, Tüdő- és Vérintézet HL24163 és HL073598 támogatása támogatta.

LÁBJEGYZETEK

A cikk megjelenésének költségeit részben az oldaldíjak megfizetése fedezte. A cikket ezért ezennel fel kell tüntetni:hirdetés”Szerint a 18 U.S.C. Az 1734. § kizárólag ennek a ténynek a feltüntetésére.

Köszönjük Sucheol Gilnek az emberi kísérletekben nyújtott segítséget, Dr. Martin Sadileknek, hogy időt és szakértelmet nyújtott a tömegspektrométer finomhangolásához, és Michael S. Morgan-nek az éleslátó megjegyzésekért és technikai tanácsokért.