Резюме

вземането на проби от издишвания дъх е често срещана процедура в много професии за определяне на медицински или юридически статус. Респираторните терапевти измерват въглероден диоксид с издишване, за да определят ефективността на газообмена на белия дроб. Промишлените хигиенисти използват проба за дишане, за да оценят излагането на работника на химически разтворители като толуен и ацетон. Токсиколозите и полицейските служители разчитат на тест с едно дишане, за да оценят съдържанието на алкохол в кръвта при работници и шофьори на автомобили. Съвсем наскоро клиничните изследователи започнаха да вземат проби от издишването при крайни издишвания за ендогенни газове като етан, пропан, изопрен и ацетон, които могат да бъдат маркери на често срещани нарушения като рак на белия дроб (31), остър миокарден инфаркт (23) и застойна сърдечна недостатъчност (21).

Поради тясната му връзка с кетогенното състояние, много изследователи са измерили ендогенен ацетон в издишания дъх и са свързали тази концентрация с клиничните резултати. Едно проучване използва дъх ацетон за оценка на кетотичното състояние по време на гладуване (36) и метаболитното състояние при новородени бебета (28). Ацетонът за дишане е изследван като инструмент за изследване на връзката между кетогенната диета и контрола на гърчовете (26, 27). Освен това участниците в програма за отслабване с ограничено калории са използвали ацетон за дъх като мотивационен инструмент и мярка за ефективността на програмата (20). Друг екип от изследователи съобщава за повишени нива на ацетон в дъха по време на застойна сърдечна недостатъчност (21). Други изследователи предполагат, че дишането на ацетон е по-ефективно от пробите на урината за проследяване на кетонемия при пациенти с диабет, зависими от инсулин с високи нива на кетон (20). Напоследък се използва анализът на дишането на ацетон и етанол, и двата от ендогенен произход, за приблизително определяне на нивото на кръвната глюкоза по време на натоварване с глюкоза (10).

Въпреки че тези проучвания изследват различни клинични резултати, тези проучвания имат две общи черти: ендогенен ацетон и, по-важното, дихателен тест. Дихателният тест изисква субектът да вдъхновява чист въздух и да изтича в контейнер за събиране или измервателно устройство. Много проучвания изискват от субектите да поемат прилив на въздух (25, 27, 36). В други проучвания изследователите са помолили субектите да извършат продължителен издишване: вдъхновяват до общия белодробен капацитет (TLC) и изтичат бавно до остатъчния обем (10, 21). Въпреки че сред проучванията са използвани различни дихателни маневри, изследователите изглежда споделят две предположения относно събирането на проба от издишан газ. При събиране на издишан дъх, повечето изследователи изхвърлят първата част от дъха, като приемат, че това е „въздух от мъртвото пространство“, който не допринася за обмяната на газ, и вземат проби от крайната част на издишването, като приемат, че тя представлява алвеоларен въздух (10, 21, 25, 27, 36). Въпреки че тези предположения са стандартни за обмена на въглероден диоксид в белия дроб, няма проучвания, които да демонстрират, че тези предположения са верни за обмена на ацетон.

Математически модел

Подробно описание на модела е публикувано преди това (1). Тук ще бъдат описани само основните характеристики. Моделът има симетрична бифуркационна структура през 18 поколения. Размерите на дихателните пътища за горните дихателни пътища са от Hanna и Scherer (14), а тези за долните дихателни пътища са от Weibel (40). Горните дихателни пътища и интрапаренхимните дихателни пътища са разделени на 480 аксиални контролни обема. Радиално дихателните пътища са разделени на шест слоя: 1) лумена на дихателните пътища, 2) тънък лигавичен слой, 3) съединителна тъкан (епител и лигавична тъкан), 4) бронхиалната циркулация, 5) адвентицията и 6) белодробната циркулация. Хрущялни дихателни пътища (поколение

маса 1. Характеристики на предмета

MEV, максимален обем на издишване; М, мъжки; F, женски.

Мас спектрометър.

Концентрацията на ацетон в издишания дъх е измерена с квадруполен масспектрометър (Balzers Omnistar, Balzers, Лихтенщайн) чрез наблюдение на пика при съотношението маса към заряд 58. С настройка инструментът може да измерва 0,25 части на милион (ppm) нива на ацетон със съотношение сигнал/шум 3. Времето за забавяне на транзита е 450 ms, а времето за реакция 0–90% е 400 ms. Масспектрометърът взема проба от въздушния поток със скорост 7,5 ml/min през нагрят вход, поддържан при 100 ° C. Инструментът се калибрира с известна концентрация на ацетон (серийно се разрежда до .51,5 ppm) на всеки 15 минути през целия експеримент, което позволява офлайн корекция на отклонението на сигнала от инструмента. Въз основа на измерванията за калибриране, средният (± SD) дрейф на сигнала на масспектрометъра от осемте експеримента е 0,06 ± 0,15 ppm/h. Скоростта на дрейфа е била постоянна по време на всеки 2-часов експеримент.

Продължителни измервания на издишване.

Структурата на мундщука се състои от мундщук за еднократна употреба с два малки отвора, пробити в дъното, позволяващи входа на масспектрометъра и термодвойка (тип K, диаметър 0,002 инча, Omega Engineering, Stamford, CT) да бъдат заключени на място и позиционирани съответно на ∼2 и 2,5 см от устните на обекта. Към дисталния край на мундщука бяха прикрепени следните в последователен ред: пневмотач (RSS 100, Korr Medical Technologies, Солт Лейк, Юта), капнометър (CO2SMO, Novametrix Medical Systems, Wallingford, CT) и линейно съпротивление, което се променя ръчно, в зависимост от желаната скорост на издишвания поток. Сигналите от четирите инструмента са преобразувани от аналогови в цифрови, взети са проби при 20 Hz и са показани на монитора на компютър Macintosh 7100, работещ с Chart (AD Instruments, Mountain View, CA). Фигура 1 показва диаграма на тази настройка.

обмен

Фиг. 1.Схема на експериментална настройка. Линейното съпротивление, прикрепено към края на мундщука и показване на техния дебит на издишване на монитора на компютъра помогнаха на субектите да поддържат постоянен дебит на издишване. Концентрацията на ацетон се измерва с помощта на масспектрометъра. A/D, аналогов към цифров.

Изотермично устройство за дишане.

Устройството за изотермично дишане, подобно на това, описано от Ohlsson et al. (29) и Martin (22), се състоят от 10-литрова торбичка Mylar и нагревателна подложка, поставени в кутия от стиропор. Температурата вътре в кутията беше измерена с термодвойка, поддържана между 37 и 40 ° C по време на експеримента и контролирана по електронен път чрез включване или изключване на нагревателната подложка. Страничен отвор в кутията от стиропор позволява на чантата Mylar да бъде свързана чрез малък сегмент тръби към външен мундщук и пневмозакрепване. Първоначално чантата Mylar съдържа 2 литра топъл (температура> 37 ° C) околен въздух. След приключване на маневра за повторно дишане, от вдишания въздух се взема проба с топла газонепроницаема спринцовка.

Протокол.

За да се генерира нормализиран профил на продължително издишване за всеки обект и да се коригира за дрейф в масспектрометъра, суровият сигнал от масспектрометъра за всяка от деветте изотермични маневри за дишане беше начертан спрямо времето за всеки обект. Определена е най-подходящата линия през всичките девет дишащи ацетонови сигнала, така че да може да се направи оценка на сигнала на масспектрометъра за концентрацията на респириран ацетон във всеки момент от времето. Суровият сигнал, генериран от масспектрометъра по време на измерване на ацетон по време на маневра с продължително издишване, се нормализира с подходящата за времето стойност за повторно дишане. По този начин се получава удължен профил на издишване, който се нормализира и коригира за отклонение на масспектрометъра.

За всяка маневра за респирация всеки обект изпълнява осемте необходими вдишвания. Обемът на всяко вдишване варира между 1 и 2 литра. По време на всички маневри температурата в изотермичната респираторна кутия се поддържаше между 37 и 40 ° C. Концентрацията на ацетон от маневри за изотермично дишане беше начертана във времето за всеки обект (Фиг. 2). Всеки символ представлява средната стойност и SE от три маневри. Наклонът на най-подходящата линия през трите точки с данни за всеки обект не се различава от нулата (P > 0,05).

Фиг. 2.Концентрация на изотермично дишане спрямо времето за всички осем субекта. Всяка точка от данните представлява средната стойност ± SE от три маневри за повторно дишане. Представени са най-подходящите линии за всеки предмет. Концентрацията на ацетон при всеки от осемте субекта е относително постоянна във времето. PRB, парциално налягане за дишане; ppm, части на милион.

Максималният обем на издишване от 12-те маневри с продължително издишване, извършени от всеки обект, е посочен в Таблица 1. Средните обеми на издишване и дебитите за всеки от осемте субекта са дадени в Таблица 2. Скоростта на потока за маневра A беше статистически по-малко (P

Таблица 2. Издишани обеми и дебити

Фиг. 3.Шест профила за издишване за субект 4, маневра Б. Фазите II и III са обозначени. Закъснението във времето, представящо мъртвото пространство на инструмента, е коригирано, като по този начин се елиминира фаза I от този график. P̄ e, издишаният ацетон се нормализира чрез парциално налягане с респираторен ацетон.


Фиг. 4.Кондензиран профил на издишване (•) за субект 4, маневра Б, е показано с прогнози от математическия модел, като се използват две стойности за дебелината на съединителната тъкан (лt): стойността от Anderson et al. (1) (пунктирана линия; лt *) и два пъти стойността на Андерсън (плътна линия; 2лт*). Удвояване на лt драстично подобрява прогнозирания профил на издишване. Всяка точка в кондензирания профил представлява средната стойност на шестте съответни точки на фиг. 3 на стъпки от 1/20 от нормализирания обем на издишване. Стойностите са средни стойности ± SD.

Компютърни симулации

Таблица 3. Фаза III (SIII), P̄ e край и R 2

СIII, наклон на фаза III (mmHg ацетон във въздух · mmHg ацетон във въздух с респираторен въздух −1 · 1 −1); P̄ край, нормализирано парциално налягане на ацетон във издишания въздух при издишване; лt, дебелина на съединителната тъкан; лт*, лt въз основа на Anderson et al. (1); 2лт*, лt два пъти повече от Anderson et al.

* Не се различава статистически от 0 (P † Статистическа разлика между маневри A и Б. (P 95% от обмена на ацетон се случва в дихателните пътища, докато 100 (1).

За да се изследват тези явления на абсорбция-десорбция по време на маневра с едно издишване, моларният поток на ацетон от стената на дихателните пътища към лумена на дихателните пътища за даден период от време (напр. Вдъхновение) и генерирането на дихателните пътища могат да бъдат изчислени чрез изрази, описани по-рано (1) . Разпределението на ацетоновия поток към и от стената на дихателните пътища по поколение на дихателните пътища беше изследвано чрез симулиране на обмена на ацетон в средния бял дроб. Параметрите, използвани при тези симулации, се основаваха на средния жизненоважен капацитет и дебит за маневри A и Б. от осемте предмета. Освен това ефектът от промяната на дебелината на лигавицата от лt * до 2лt * е проучен, където лt * е лt въз основа на Anderson et al.

Фиг. 5.Аксиалните профили на парцелното налягане на ацетон (P̄) в дихателните пътища (черни линии) и стената на дихателните пътища (сиви линии) се нормализират до алвеоларно парциално налягане, изчислено от математическия модел. По отношение на аксиалния профил за крайното издишване на приливно дишане (плътна линия), аксиалният профил в крайното вдишване на продължително вдишване до общия белодробен капацитет (къса пунктирана линия) е драстично намален, докато аксиалният профил в края на изтичането на удължената маневра на издишване (дълга прекъсната линия) се увеличава. Връзката между тези аксиални профили е основен фактор, определящ потоците на дихателните пътища, представени на фиг. 6.


Фиг. 6.Аксиално разпределение на транспорта на ацетон по време на вдишване (A) и изтичане (Б.) за маневра с бавно издишване. Плътните ленти показват модел на белия дроб с a лt, описано от Anderson et al. (1), лt *, а засенчените ленти показват модел на бял дроб с a лt = 2лт*. ° С: аксиално разпределение на транспорта на ацетон по време на бавно (засенчено) и бързо (твърдо) издишване за лt = 2лт*. Положителният поток означава тъкан към въздух; отрицателен означава въздух към тъкан.

От тези аксиални профили на парцелното налягане на ацетон (фиг. 5) може да се изчисли потокът на ацетон (mol/s) от стената на дихателните пътища към лумена на дихателните пътища за дадено аксиално положение (например трахеята) и период от време и зависи от разликата в парциалното налягане на ацетон между стената и лумена, P̄wall - P̄air, умножена по коефициента на пренос на маса, който е функция от скоростта на въздушния поток. За дадено аксиално положение, като генериране на дихателни пътища, тези потоци или потоци ацетон могат да се сумират във всички времеви точки по време на вдишване и/или издишване. Сумата от тези потоци от стената на дихателните пътища към лумена върху вдъхновение за всяко поколение на дихателните пътища е нанесена на фиг. 6 и представлява аксиалното разпределение на ацетоновия транспорт от стената на дихателните пътища към лумена (положителен поток). Транспортът на ацетон на поколение по време на вдишване (фиг. 6A) и изтичане (Фиг. 6Б.) е представен за два случая по време на бавно, продължително издишване: 1) лt * и 2) 2лт*.

На вдъхновение (фиг. 6A), аксиалното разпределение на ацетоновите потоци е бимодално. Независимо от дебелината на съединителната тъкан, в трахеята се появява малък пик. По-голям пик е налице при 15-то поколение и преминава към 17-то поколение, когато лt удвоява. Независим от лt, този пик е резултат от увеличаване на повърхността, намаляване на дебелината на съединителната тъкан и увеличаване на Q̇br спрямо средната стойност, тъй като дихателните пътища прогресивно се раздвояват. Удвояване лt * причинява повишена дифузионна устойчивост на транспорт на ацетон от бронхиалната циркулация до лумена на дихателните пътища. По този начин разпределението на ацетоновия поток се измества към по-малки дихателни пътища с по-тънки стени на дихателните пътища (дебелина на стените на дихателните пътища = съединителна тъкан + дебелина на адвентициалната тъкан), които позволяват на белодробната циркулация да играе важна роля в обмена на ацетон с въздуха в лумена на дихателните пътища. В допълнение, моделът прогнозира, че алвеоларният газообмен играе по-голяма роля в обмена на ацетон, когато дебелината на съединителната тъкан се увеличи.

За да се изследват ефектите на скоростта на издишания поток върху аксиалното разпределение на ацетоновия поток, трябва да се изследват само аксиалните потоци по време на издишване, тъй като се предполага, че вдъхновената скорост е постоянна, независимо от маневра на издишване. Фигура 6° С показва аксиалното разпределение на ацетоновите потоци при бавна и бърза маневра за бял дроб с лt = 2лт*. Фигура 6° С показва, че увеличаването на скоростта на издишвания поток води до увеличаване на ацетоновия поток в поколенията на дихателните пътища най-близо до алвеолите, поколения 13–18, и намаляване на потока на ацетон от устата до поколение 10. Причината поколения 13–18 имат по-големи ацетонови потоци при бързо издишване, отколкото бавното издишване може да се разбере чрез изследване на транспорта на ацетон в поколение 18. По време на цялото издишване парциалното налягане на ацетона, влизащо поколение 18 е алвеоларен (т.е. равен на парциалното налягане в кръвта) и не зависи от скоростта на издишване. По този начин единственият механизъм за увеличаване на потока е да се увеличи коефициентът на пренос на маса, който се увеличава като функция от скоростта на потока. Този механизъм е по-важен от времето на престой за шестте поколения, най-близки до алвеолите.

Математическият модел е в състояние да предскаже по-добре експерименталните данни, като използва увеличена дебелина на слоя на съединителната тъкан, която е два пъти по-голяма от стойността, използвана в Anderson et al. (1). В допълнение, моделът прогнозира, че по-голямата част от обмяната на ацетон се случва в проводящите дихателни пътища, а не в алвеолите. Взаимодействието на ацетон с дихателните пътища може впоследствие да се използва за обяснение на формата на профила на издишване.

Масов спектрометър

Изотермично дишане

Крайният издишван не е алвеоларен въздух

Въпреки че зависимостта на P̄e края от скоростта на потока е интересна, фактът, че P̄e край не е равен на 1.0 (т.е., вдишан въздух) е по-важен. Повечето изследвания за измерване на ендогенен ацетон предполагат, че въздухът, издишван в края, е алвеоларен въздух (10, 21, 25, 27, 36). Въз основа на нашето проучване и предположението, че дишащият въздух е алвеоларен въздух, повечето проучвания изглежда подценяват алвеоларния въздух с ∼20%, ако използват продължително издишване, и с ∼30%, ако използват прилив на въздух [вж. P̄air в устата в Фиг. 5 и Anderson et al. (1)]. Както беше посочено по-горе, тази вариация прави сравненията между различни популации или лаборатории по-малко точни. От маневрите, използвани в това проучване, изотермичното дишане изглежда осигурява по-последователна и представителна мярка на алвеоларния въздух, отколкото удължената маневра на издишване.

Обмен на ацетон в дихателните пътища

Моделни прогнози

Тази работа бе подкрепена отчасти от Националния институт за биомедицинско изобразяване и биоинженеринг Grant T32 EB001650 и от Националния институт за сърдечни, белодробни и кръвни институти HL24163 и HL073598.

СТЪПКИ

Разходите за публикуване на тази статия бяха покрити отчасти чрез плащането на такси за страница. Следователно статията трябва да бъде маркирана с „реклама”В съответствие с 18 U.S.C. Раздел 1734 единствено, за да посочи този факт.

Благодарим на Sucheol Gil за помощта при експериментите с хора, д-р Мартин Sadilek за предоставяне на време и опит за фина настройка на масовия спектрометър и Michael S. Morgan за проницателни коментари и технически съвети.