呼吸干冷空氣對氣道功能的影響

王明明

冬季晨練者和冬訓(xùn)運動員易出現(xiàn)呼吸道癥狀，對鍛煉和訓(xùn)練造成不同程度的影響。我國氣候的特點顯示，冬季空氣的溫度和濕度在一年中均處于最低范圍，故冬季晨練者和冬訓(xùn)運動員呼吸道癥狀的產(chǎn)生與冬季干冷的空氣特點明顯相關(guān)，本文擬從吸入干冷空氣對氣道功能影響的角度，闡述冬季晨練者和冬訓(xùn)運動員呼吸道癥狀產(chǎn)生的機(jī)理。

1 氣道對吸入空氣的生理性調(diào)節(jié)

1.1 氣道對吸入空氣溫度和濕度的調(diào)節(jié)

氣道可以成功地將一定溫度和濕度范圍內(nèi)的吸入空氣在到達(dá)肺泡表面前變成體核溫度(血液溫度)和100%相對濕度的狀態(tài)[1]。吸入氣體在通過咽部、氣管和細(xì)支氣管的粘膜層時，溫度和濕度被提高，但該過程同時使粘膜溫度和濕度都降低，并且，在正常情況下，調(diào)節(jié)溫度和濕度的過程均發(fā)生在咽部和氣管內(nèi)。所以氣道內(nèi)存在一個溫度和濕度到達(dá)體核溫度和100%相對濕度的分界線(即恒溫飽和分界線)，同時在氣道內(nèi)也存在著從周圍溫度和濕度到恒溫飽和分界線的溫度和濕度梯度。該梯度和恒溫飽和分界線都是動態(tài)變化的，其變化圍繞周圍溫度和濕度的變化[2]、鼻腔或口腔呼吸方式[2]、通氣方式[3]和疾病狀態(tài)[4]等而表現(xiàn)出不同程度。例如，在平靜狀態(tài)下，一個健康的人通過鼻腔呼吸室內(nèi)空氣(22℃，50%相對濕度，10 mg/L絕對濕度)，吸入空氣溫度和濕度在氣道內(nèi)的梯度如下：咽部為31～33℃，26～32mg/L絕對濕度；中段氣管約為34℃，34～38mg/L絕對濕度；主氣管達(dá)到體核溫度和100%相對濕度即37℃，44mg/L絕對濕度[4]。

1.2 氣道對吸入空氣溫度和濕度的修復(fù)

氣道溫度和濕度的修復(fù)途徑有三個，即從吸入氣體、呼出氣體以及系統(tǒng)貯備中得到補(bǔ)充。

氣道粘膜的終末呼吸溫度和水含量是動態(tài)變化的，其受體核溫度(血液溫度)和吸入空氣的溫度和濕度來調(diào)節(jié)[4]。在每次呼吸過程中，氣道粘膜所含的部分熱和濕在吸氣時被轉(zhuǎn)移到吸入空氣中，在呼氣時可以得到補(bǔ)償。在恒溫飽和分界線之上氣道粘膜，在吸氣時被冷卻和干燥，但在呼氣之前從系統(tǒng)中得不到完全補(bǔ)償[5]，故呼出的肺泡氣體將遇到一個較冷而干燥的粘膜，氣體被濃縮，從而釋放熱和濕度到氣道粘膜。所以呼出氣體的溫度和濕度直接與吸入氣體的溫度和濕度相關(guān)，即可以通過呼出氣體預(yù)測吸入氣體的動態(tài)變化[3]。例如，一個正常人在室內(nèi)平靜地通過鼻腔呼吸，肺泡氣體通過以下的溫度和濕度梯度得到冷卻：在咽部大約36℃，40mg/L絕對濕度，從鼻孔部呼出時約為32～34℃，27～34mg/L絕對濕度[4]。所以，每次呼吸都有熱和濕正常地從氣道粘膜散失到周圍空氣中。熱和濕需要從系統(tǒng)中得到補(bǔ)償以滿足下一次的呼吸。

2 干冷空氣導(dǎo)致氣道的病理性改變

2.1 氣道狹窄

在干燥環(huán)境中，劇烈運動超過6分鐘～8分鐘時，水液補(bǔ)充到氣道表面的速度明顯不能達(dá)到氣道濕化的需要[6]。水液不能及時補(bǔ)充首先反映在滲透壓的變化。由于氣道表面Na+和 Cl-平衡優(yōu)先于滲透壓平衡[7]，所以由滲透梯度引起的Na+和Cl-濃度升高以滯留水分，從而形成氣道的高滲環(huán)境。高滲環(huán)境被認(rèn)為可以激活細(xì)胞包括釋放介質(zhì)在內(nèi)的防御機(jī)制。這些介質(zhì)可導(dǎo)致氣道平滑肌(ASM)收縮，直接引發(fā)氣道狹窄。同時，這些介質(zhì)也可以引起氣道暫時性的水腫，從而加重ASM收縮引起的狹窄。

大量吸入寒冷空氣可導(dǎo)致氣道冷卻。而氣道冷卻首先引起支氣管血管收縮，之后可出現(xiàn)血管反應(yīng)性充血和水腫[8]，形成氣道狹窄。同時，在冷環(huán)境中，由于氣道脫水后的冷刺激和滲透壓改變[9]以及感覺神經(jīng)[10]和粘液腺[11]的刺激可引起粘液分泌過多，從而加重氣道狹窄。

當(dāng)水液蒸發(fā)導(dǎo)致氣道表面脫水達(dá)到一定程度時，小氣道參與了對吸入空氣的調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致了小氣道脫水而損傷；同時，吸入冷空氣通過增加參與調(diào)節(jié)空氣的氣道表面積，增加了氣道對運動的反應(yīng)性。如果損傷引起微血管滲漏浸入氣道粘膜下層，則可導(dǎo)致氣道對運動的正常反應(yīng)被放大。例如，在溫和的環(huán)境中，中等量運動，只需要10～12級氣道參與調(diào)節(jié)吸入空氣；而高強(qiáng)度運動或吸入冷空氣，則需要更多的氣道參與調(diào)節(jié)吸入的空氣，甚至涉及直徑小于1.0 mm的氣道[6]。小氣道參與空氣調(diào)節(jié)過程是導(dǎo)致氣道狹窄的關(guān)鍵事件。

2.2 氣道損傷

氣道損傷的產(chǎn)生與反復(fù)吸入大量的干冷空氣而產(chǎn)生的病理反應(yīng)有關(guān)，大量的研究積累了豐富的證據(jù)。首先，與創(chuàng)傷愈合和損傷相一致的證據(jù)是基底膜粘蛋白增加。氣道活檢顯示滑雪者細(xì)胞外基質(zhì)蛋白粘蛋白表達(dá)增加[12]。有研究發(fā)現(xiàn)，伴有呼吸道癥狀的冰上運動者誘導(dǎo)產(chǎn)生的痰液上，清液中基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP-8)濃度顯著升高[13]。其次，運動員痰液中性粒細(xì)胞數(shù)量增加。Larsson等[14]報道稱健康受試者在短時間暴露于冷空氣的跑步活動活動可導(dǎo)致其支氣管肺泡灌洗液中的中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞數(shù)量增加。Karjalainen等[15]發(fā)現(xiàn)滑雪運動員有更高水平的中性粒細(xì)胞浸潤。最直接證據(jù)是小鼠耐力運動后[16]和狗對干燥空氣應(yīng)激[17]出現(xiàn)的細(xì)支氣管上皮損傷和修復(fù)。

2.3 氣道高反應(yīng)性

上皮損傷后，迅速而短暫的血液滲出作為支氣管粘膜的一種防御作用已經(jīng)被深入研究[18]。從毛細(xì)血管后小靜脈的大量血液滲出不參與氣道上皮屏障的損害。其在數(shù)分鐘內(nèi)產(chǎn)生，持續(xù)的時間也很短。其作用好像是在脫水后恢復(fù)氣道表面液體水平，為覆蓋基底細(xì)胞提供物質(zhì)，修復(fù)損傷的上皮組織。但是，在冬季運動員體內(nèi)，上皮損傷和修復(fù)過程可能重復(fù)多次[19]。平滑肌反復(fù)暴露于血漿衍生物之后，其收縮特性改變的首要表現(xiàn)是氣道高反應(yīng)性[20]。同時，中性粒細(xì)胞引發(fā)的氣道炎癥可增加氣道平滑肌的敏感性[21]。

肥大細(xì)胞介質(zhì)存在于氣道粘膜，在氣道平滑肌變得敏感和介質(zhì)急性釋放之前，只是氣道反復(fù)損傷的一種物質(zhì)。若沒有經(jīng)典哮喘的氣道炎癥存在，導(dǎo)致肌肉對介質(zhì)的敏感/反應(yīng)增強(qiáng)的原因可能是由于PGE2水平的降低，PGE2是對上皮刺激反應(yīng)有防護(hù)作用的前列腺素。PGE2減少可能是由于氣道損傷和上皮細(xì)胞丟失或滲透液應(yīng)激導(dǎo)致其耗竭[22]。此外，水液通過蒸發(fā)散失或吸入高滲性氣溶膠引起短暫的高滲效應(yīng)可使氣道表面或其附近的炎性細(xì)胞(肥大細(xì)胞和嗜酸性細(xì)胞)釋放炎性介質(zhì)，這些介質(zhì)包括PGD2, LTE4和組胺，介質(zhì)作用于受體可引起平滑肌收縮和氣道狹窄[23]。

圖1干冷空氣對氣道功能影響示意圖

3 小結(jié)

過度吸入干冷空氣是冬季晨練者和冬訓(xùn)運動員出現(xiàn)呼吸道癥狀的主要原因。干冷空氣導(dǎo)致小氣道參與了吸入空氣溫度和濕度的調(diào)節(jié)而脫水受到損傷，小氣道反復(fù)損傷致使微血管滲漏和血液滲出，形成氣道狹窄以及氣道損傷，同時，氣道平滑肌由于反復(fù)暴露于血液滲出物而導(dǎo)致收縮特性改變而成氣道高反應(yīng)性。所以在冬季晨練或冬訓(xùn)時，應(yīng)該充分注意呼吸健康。運動時戴口罩，可以溫暖和濕潤吸入空氣，對在冬天進(jìn)行運動的運動員有特殊的價值[24]。與用口呼吸比較，用鼻呼吸通過溫暖、過濾和濕潤空氣，緩減氣道被冷卻和干燥[25]。防治呼吸干冷空氣影響氣道功能的機(jī)理尚需進(jìn)一步深入研究。

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