支气管芯片技术揭示了哮喘患者难以缓解的原因
支气管气道是一个将空气输送到肺部的管道网络，它被称为气道平滑肌的肌肉串包裹着。没有人知道这些肌肉有什么生理功能，但普遍的共识是，它们是进化过程中的残余。这就是为什么气道平滑肌有时被称为“肺的阑尾”。就像阑尾一样，它也可能是严重医疗问题的根源。与身体的任何肌肉一样，气道平滑肌也会突然收缩。类似于数百只小手挤压和阻塞呼吸道，这可能导致呼吸困难，或者在最严重的情况下，因窒息而死。
这种气道的突然收缩被称为支气管痉挛，可能发生在健康人以及患有严重呼吸道疾病(如哮喘或慢性阻塞性肺病)的人身上。支气管痉挛可由多种因素引起。一些常见的诱因是过敏原(如灰尘和宠物皮屑)、冷空气、运动、药物(尤其是阿司匹林)、激素水平波动、感染和吸烟。在非哮喘患者中，一旦触发因素被移除，或在做几次深呼吸后，支气管痉挛通常就会逆转。然而，对于患有哮喘的人来说，支气管痉挛和相关的呼吸困难在消除触发因素后仍会持续很长时间。
为什么健康人群和哮喘患者的支气管痉挛表现如此不同尚不清楚。现在，由约翰霍普金斯大学和耶鲁大学的研究人员领导的一个合作团队在《纽约时报》上发表了一项研究的新发现自然生物医学工程。
“支气管痉挛涉及呼吸道中不同细胞类型之间的机械和化学相互作用。这使得基于实际气道进行对照研究变得困难，因为在这些系统中很难控制实验条件，例如定量评估细胞的机械反应或分离细胞分泌物，”该研究的主要作者Onur Kilic说。他在约翰霍普金斯大学担任美国心脏协会博士后时发明了这项技术。“为了解决这个问题，我们发明了一种微型设备，它模拟了支气管气道的几个生理特征，这对于理解为什么支气管痉挛会像哮喘患者那样起作用很重要。”
硅聚合物微装置内衬支气管气道来自哮喘和非哮喘肺供体的细胞，以测试导致支气管痉挛的机制差异。该设备能够呼吸空气，并模拟类似支气管痉挛的过程，即气道内的细胞被压缩。使用该设备，研究小组得到了几个意想不到的发现。
事实证明，当平滑肌在烟雾等诱因引起的支气管痉挛期间收缩气道时，a积极的反馈循环就开始了。首先，狭窄的气道激活了一种细胞机制，该机制检测到由于支气管痉挛引起的机械压力。这就启动了一种叫做前列腺素的激素类化合物的分泌。前列腺素会导致肌肉进一步收缩，导致气道进一步收缩。幸运的是，积极的反馈是暂时的，随着时间的推移，前列腺素开始启动一个负反馈回路。
在正常气道中，在触发解除后不久，这种负反馈会迅速放松收缩的平滑肌。在哮喘气道中，平滑肌是高度反应性的，这意味着它对触发物反应更积极，更容易收缩。中度哮喘患者高反应性，与正常气道相比，激活的负反馈在较长时间后使气道放松。在严重的哮喘病例中，平滑肌收缩得非常强烈，以至于最初的正反馈回路足以让它保持收缩，即使是负的反馈循环被激活。因此，即使从环境中去除烟雾等最初的诱因，患有严重哮喘的人也无法得到缓解。
这项研究还得出了一些自相矛盾的发现，表明对于某些严重的病例，用扳机第二次刺激狭窄的气道实际上可能会导致气道放松，而不是恶化或延长病情。然而，研究人员警告说，这是在非常特殊的条件下发生的，实验系统比实际气道简单得多，因此这些结果不应被视为医学建议。研究小组认为，他们的发现可以为哮喘提供更好的治疗策略，他们的技术也可以为其他与哮喘相关的疾病提供线索肌肉功能障碍，如消化不良，膀胱过度活动，痛经。
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