$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Choroby dróg oddechowych powodujące obturację śluzów, w tym astma, przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP), mukowiscydoza (CF) i inne choroby układu oddechowego, takie jak wirusowe i bakteryjne zapalenie płuc, są powszechnymi problemami zdrowotnymi na całym świecie. Chociaż patofizjologia różni się znacznie w zależności od stanu, wspólną kluczową cechą jest nieprawidłowy klirens śluzowo-rzęskowy. W zdrowych płucach śluz wyściela nabłonek dróg oddechowych, zatrzymując wdychane cząstki i zapewniając fizyczną barierę przed patogenami. Po wydzieleniu śluz dróg oddechowych, składający się z ~97,5% wody, 0,9% soli, ~1,1% białek globularnych i ~0,5% mucyn, jest stopniowo transportowany w kierunku głośni przez skoordynowane bicie rzęsek1,2. Mucyny to duże glikoproteiny połączone z O, które oddziałują poprzez wiązania niekowalencyjne i kowalencyjne, aby zapewnić wyraźne właściwości lepkosprężyste śluzu, co jest wymagane do wydajnego transportu3. Zmiany w ultrastrukturze sieci mucyny spowodowane zmienionym transportem jonów, rozwijaniem mucyny, oddziaływaniami elektrostatycznymi, sieciowaniem lub zmianami składu mogą znacząco wpływać na lepkosprężystość śluzu i upośledzać klirens śluzowo-rzęskowy 4,5. W związku z tym identyfikacja zmian we właściwościach biofizycznych śluzu dróg oddechowych jest niezbędna do zrozumienia patogenezy choroby i testowania nowych związków mukoaktywnych6.
Różne czynniki mogą prowadzić do produkcji nieprawidłowego śluzu w płucach. W POChP przewlekłe wdychanie dymu papierosowego powoduje nadmierne wydzielanie śluzu w wyniku metaplazji komórek kubkowych, a także odwodnienie dróg oddechowych poprzez regulację w dół kanału transbłonowego regulatora przewodnictwa mukowiscydozy (CFTR), powodując nadkoncentrację śluzu i małą niedrożność dróg oddechowych7,8. Podobnie mukowiscydoza, zaburzenie genetyczne związane z mutacjami w genie CFTR, charakteryzuje się wytwarzaniem lepkiego, przylegającego śluzu, który jest nieodpowiedni do transportu8,9. Krótko mówiąc, dysfunkcja CFTR indukuje zubożenie płynów na powierzchni dróg oddechowych, splątanie polimerowej mucyny i zwiększone interakcje biochemiczne, co skutkuje przewlekłym stanem zapalnym i infekcjami bakteryjnymi. Ponadto komórki zapalne uwięzione w statycznym śluzie dodatkowo pogarszają lepkosprężystość śluzu poprzez dodanie kolejnej dużej cząsteczki, DNA, do matrycy żelowej, pogarszając niedrożność dróg oddechowych5. Jednym z najlepszych przykładów wpływu reologii śluzu na ogólny stan zdrowia płuc jest przykład rekombinowanej ludzkiej DNFazy (rhDNazy) w leczeniu pacjentów z mukowiscydozą. Wpływ rhDNazy został po raz pierwszy zademonstrowany ex vivo na odkrztuszoną plwocinę, która wykazała przejście od lepkiego śluzu do płynącej cieczy w ciągu kilku minut10,11. Badania kliniczne z udziałem pacjentów z mukowiscydozą wykazały, że zmniejszenie lepkosprężystości śluzu w drogach oddechowych za pomocą wdychania rhDNazy zmniejszyło częstość zaostrzeń płuc oraz poprawiło czynność płuc i ogólne samopoczucie pacjenta12,13,14. W rezultacie, inhalacja rhDNazy mająca na celu ułatwienie jej usunięcia stała się standardem opieki nad pacjentami z mukowiscydozą przez ponad dwie dekady. Podobne korzyści kliniczne zaobserwowano po zastosowaniu wziewnego soli fizjologicznej w celu nawodnienia śluzu w mukowiscydozie, co korelowało ze zmianami właściwości reologicznych i skutkowało przyspieszeniem klirensu śluzowo-rzęskowego i poprawą czynności płuc15,16. W związku z tym szybki i niezawodny protokół pomiaru właściwości lepkosprężystych śluzu w warunkach klinicznych jest ważny dla optymalizacji podejść terapeutycznych.
Testowany tutaj reometr laboratoryjny oferuje szybką i wygodną alternatywę do wykonywania kompleksowych pomiarów lepkosprężystych próbek śluzu/plwociny. Wykorzystując dynamiczne oscylacje z kontrolowanym przemieszczeniem kątowym, przyrząd zapewnia odkształcenie za pomocą pary regulowanych równoległych płytek (np. geometrii szorstkich lub gładkich) w celu pomiaru momentu obrotowego i przemieszczenia z rozdzielczością 15 nN.m i 150 nm, odpowiednio17. Domyślna znormalizowana kalibracja w połączeniu z wytycznymi dla użytkownika dostosowanymi do potrzeb specjalistów niebędących specjalistami w dziedzinie reologii pozwala na proste pomiary i zmniejsza ryzyko błędów operatora. Urządzenie wytwarza krzywą przemiatania odkształcenia, która jest przetwarzana i analizowana w czasie rzeczywistym (w ciągu ~5 minut) i automatycznie zapewnia zarówno liniową charakterystykę lepkosprężystą (G', G", G* i tan δ), jak i żelową (γc i σc) (patrz tabela 1). Moduł sprężystości lub modułu akumulacyjnego (G') opisuje, w jaki sposób próbka reaguje na naprężenie (tj. zdolność do powrotu do pierwotnego kształtu), podczas gdy moduł lepkości lub straty (G") opisuje energię rozpraszaną w cyklu odkształcenia sinusoidalnego (tj. energię traconą w wyniku tarcia cząsteczek). Moduł zespolony lub dynamiczny (G*) to stosunek naprężenia do odkształcenia, który opisuje wielkość narastania siły wewnętrznej w odpowiedzi na przemieszczenie ścinające (tj. ogólne właściwości lepkosprężyste). Współczynnik tłumienia (tan δ) to stosunek modułu lepkości do modułu sprężystości, który wskazuje na zdolność próbki do rozpraszania energii (tj. niska δ opalenizny wskazuje na zachowanie z dominacją sprężystości/ciałem stałym, podczas gdy wysoka δ opalenizny wskazuje na zachowanie z dominacją lepkości/cieczą). W przypadku charakterystyki punktu żelu odkształcenie krzyżowe (γc) jest miarą odkształcenia ścinającego, obliczaną przez stosunek ścieżki ugięcia do wysokości szczeliny ścinającej, przy której próbka przechodzi z zachowania podobnego do ciała stałego do zachowania podobnego do cieczy i zachodzi, z definicji, przy odkształceniu oscylacyjnym, gdzie G' = G" lub tan δ = 1. Granica plastyczności krzyża (σc) jest miarą wielkości naprężenia przyłożonego przez urządzenie, przy którym przecinają się moduły sprężystości i lepkości. W zdrowej plwocinie elastyczność dominuje w mechanicznej reakcji na odkształcenie (G' > G"). W chorobach śluzowo-obturacyjnych zarówno G', jak i G" zwiększają się w wyniku patologicznych zmian śluzu17,18,19. Prostota obsługi urządzenia ułatwia pomiary na miejscu i pozwala uniknąć konieczności przechowywania/transportu/wysyłki próbek do zakładu zewnętrznego w celu analizy, unikając w ten sposób wpływu czasu i zamarzania i rozmrażania na właściwości tych próbek biologicznych.
W tym badaniu, 8 roztworów tlenku etylenu MDa (PEO) o różnych stężeniach (1%-3%) zostało użytych do walidacji zakresu pomiarowego komercyjnego reometru stołowego (Tabela Materiałów), a uzyskana krzywa zależna od stężenia została bezpośrednio porównana z pomiarami uzyskanymi za pomocą tradycyjnego reometru masowego (Tabela materiałów). Powtarzalność pomiarów reologicznych oceniono następnie przy użyciu bronchoskopowo pobranego śluzu od zaintubowanego pacjenta cierpiącego na stan astmatyki (SA), skrajną postać zaostrzenia astmy charakteryzującą się skurczem oskrzeli, zapaleniem eozynofilowym i nadprodukcją śluzu w odpowiedzi na czynnik środowiskowy lub zakaźny8,20. W tym przypadku pacjent z SA został zaintubowany z powodu ciężkiej niewydolności oddechowej i wymagał ECMO (pozaustrojowego utlenowania błonowego) ze względu na niemożność skutecznego i bezpiecznego wspomagania pacjenta samą wentylacją mechaniczną, pomimo agresywnych standardowych terapii astmy. Podczas klinicznie wskazanej bronchoskopii w kierunku zapadnięcia się płata, zauważono, że gęste, klarowne, uporczywe wydzieliny blokują oskrzela płatowe i były odsysane za pomocą popłuczyn solą fizjologiczną. Bezpośrednio po pobraniu nadmiar soli fizjologicznej usunięto z aspiratu, a właściwości lepkosprężyste pozostałej próbki SA przeanalizowano za pomocą urządzenia laboratoryjnego. Dodatkowe podwielokrotności próbek poddano działaniu środka redukującego, chlorowodorku fosfiny tris (2-karboksyloetylo) (TCEP), w celu ustalenia, czy protokół ten można zastosować do scharakteryzowania skuteczności związku terapeutycznego ex vivo.
Wyniki pokazały, że ten protokół i urządzenie stacjonarne mogą być skutecznie stosowane w warunkach klinicznych. Właściwości reologiczne wyznaczone na podstawie krzywych zależnych od stężenia PEO (Rysunek 1A) były nie do odróżnienia między testowanym urządzeniem stacjonarnym a tradycyjnym reometrem z płytką równoległą (Rysunek 1B). Trzykrotne pomiary śluzu SA były powtarzalne, z 10% współczynnikiem zmienności dla punktów końcowych G*, G' i G" i odzwierciedlały istotne nieprawidłowości w lepkosprężystości śluzu, które były klinicznie widoczne w przypadku tego pacjenta (Ryc. 1D). Wreszcie, leczenie ex vivo TCEP spowodowało znaczne zmniejszenie G' i G" oraz wzrost δ opalenizny, wykazując reakcję na leczenie poprzez zmiany w sieci mucyny (Ryc. 2). Podsumowując, protokół ten wykorzystujący reometr laboratoryjny zapewnia proste i skuteczne podejście do oceny właściwości lepkosprężystych próbek śluzu uzyskanych w klinice. Zdolność ta może być wykorzystana do ułatwienia podejścia medycyny precyzyjnej do opieki, ponieważ klinicyści mogą testować skuteczność zatwierdzonych leków mukoaktywnych na miejscu, co może pomóc w zidentyfikowaniu alternatywnych opcji leczenia. Ponadto podejście to może być wykorzystywane w badaniach klinicznych w celu zbadania skutków działania badanych leków.