哮喘是一种与气道重塑和气道高反应性(AHR)相关的慢性炎症性疾病，据估计仅在美国就有超过2500万人受到影响。在急性哮喘发作期间，气道平滑肌(ASM)异常活动导致支气管过度收缩，气道官腔面积减少，患者会出现明显气促或者窒息等症状。尽管气道反应的强度似乎与潜在的炎症密切相关，但调节气道平滑肌收缩的机制尚不清楚。在哮喘患者气道重塑方面，由于ASM的增生和肥厚而导致支气管壁厚度显著增加是临床目前广泛接受的哮喘病理机制。ASM厚度的增加直接后果便是气道有效通气面积减少，通气血流比严重失调，其最终结果便是肺功能损害。最近的报道表明，即使在非重症哮喘中，ASM重塑也在哮喘疾病进展中发挥重要作用。目前实验室和器械检查尚无法评估这一重塑过程，并无法确定其严重程度、空间异质性以及ASM重塑对患者气道高反应性的终末影响。现有研究对哮喘性ASM的了解大多来自活检或尸检研究。但ASM的活检结果差异很大，尸检时ASM的评估只能提供单一的组织学证据，虽然已有大量文献报道了通过这些类型的组织学研究能够评估哮喘疾病中气道ASM增厚情况，但组织学检查首先缺乏活体检测能力，其次欠缺评估整个气道条件的能力，因此单纯组织活检对于判断气道高反应引起的ASM增厚并不适合实时研究这一病理变化机理。了解ASM功能的调节并将这些信息与潜在的免疫过程联系起来，对于提高对哮喘的理解、靶向治疗和改善患者病程是一个关键因素。相应的，对患者ASM结构和功能的成像能力是建立这种联系的关键。
光学相干断层扫描技术（Optical Coherence Tomography，简称OCT）是一种基于光学原理的非侵入性、无接触的显微成像技术。OCT通过测量光在样品中反射或散射的强度和时间延迟信息，可以获得高分辨率、高对比度的断层结构图像，OCT 技术可以在不影响组织结构的情况下，对人体组织进行成像，该技术的优势在于既减少了传统放射性检查对人体造成的潜在伤害，又消除了人们对侵入性检查产生的恐惧心理。
在支气管哮喘的应用方面，马萨诸塞州综合医院的David C. Adams团队将OCT技术与双折射内镜相融合，并展示了该技术对气道平滑肌功能和结构观察的能力。相关的数据与文字描述发表于Science子刊《Science Translational Medicine》中。
方向分辨光学相干层析成像(OR-OCT)用于气道平滑肌成像
由于ASM其高度有序的结构特征使得ASM具有双折射的光学特性。应用OCT对气道进行扫描时，在接受到组织信号后，通过拆分ASM这种双折射信号，能够将ASM与相邻的双折射组织(包括固有层中的胶原)区分开来。下图为OCT扫描支气管组织并与HE染色对比，上:普通OCT扫描；中:对ASM附加伪彩；下:HE染色
OCT融合气管镜捕获生理条件下气管内影像
为了证明OR-OCT融合双折射内镜平台评估ASM结构的准确性，团队研究了新鲜切除的犬(A.B)和猪(C.D)的支气管。离体组织经OCT扫描后，进行免疫组对平滑肌内的肌动蛋进行染色，通过计算ASM图像附加伪彩面积，OCT识别ASM与α-平滑肌肌动蛋白染色的组织学结果成高度相关，二者总相关系数为R2=0.91。用于犬类评估的80张配对图像的R2为0.81，而用于猪类评估的82张配对图像的R2为0.92。犬类样本中计算的相关性降低可能原因在于动物牺牲导致成像的延迟，另外组织降解增加，可能对图像保真度有一定影像。随后在猪气管成像中进行Bland-Altman分析，评估ASM的OR-OCT测量值与对应组织学切片的测量值之间的一致性。结果展示OCT成像与组织观察的高度一致性以及较小偏差(偏差:-0.02mm2;95% CI:-0.277 mm2;+0.236mm2)。此外，还能够观察到，猪支气管具有干净有序的组织层和较小的软骨膜，而犬支气管显得更加不规则，ASM和软骨膜组织的丰度增加，特别是在远端气道中更为明显。
哮喘患者ASM重构的体内评估
为了深入了解与哮喘相关的形态学变化，并证明OR-OCT在监测这些变化中的潜在作用，该团队对轻度过敏性哮喘患者和健康对照者进行了体内成像。采集部位为右上肺叶的直径相当的亚段支气管，并评估ASM形态学以确定两组之间的差异。为了增加ASM重构的可见性，对ASM厚度定量后采用附加伪彩的方式来展现ASM的厚度。
该测试评估了6名志愿者(3名哮喘患者(B)和3名健康对照(A))气道内ASM纤维带的宽度和厚度。在每个研究参与者中评估了6mm(+/- 0.1mm)相同气道直径的纵向段。选择没有气道分叉和无过多粘液的区域。图E.G为健康志愿者气道ASM的信号频带峰值以及组织厚度，图F.H为哮喘受试者气道相应指标统计结果。根据统计结果可看出，ASM厚度测量值为健康组:35.90 μm, SD=4.28，哮喘组:70.30μm, SD=14.70。
ASM收缩力的动态评估
虽然哮喘发作时ASM重构已经是被确认的事件，但目前关于ASM重构如何引发气道高反应的研究相对较少。目前有待证实的是在哮喘发作过程中，ASM细胞本身是否过度收缩，或者在哮喘患者中观察到的气道高反应是否仅仅是ASM体积增加还是与ASM与炎症细胞相互作用的结果。这种对于ASM病理机能的研究除能够评估ASM结构外，还能够评估在患者体内的ASM功能并有助于增加对哮喘功能方面的理解，指导患者管理，并评估治疗效果。该团队利用机械显微镜和OCT技术基于ASM的双折射特征对ASM的收缩力进行了定量分析。
体外实验中，将猪离体气管固定后，通过粘膜表面喷涂乙酰胆碱的方式刺激ASM产生收缩效应，通过将光学信号转换成数字信号，可以观察到ASM纤维产生的延迟信号与ASM纤维上力学的变化呈现对应的线性关系，基于这种线性关系，团队依旧选择了一段完整的猪离体支气管，通过乙酰胆碱刺激的方式分析了对照组与实验组ASM厚度和气管半径。通过计算气道压力值能够清晰的看出当ASM明显收缩时，气道压力也随之上升，由此可以推断在哮喘急性发作时，患者明显的喘憋症状是由于ASM剧烈收缩引发的气道压力升高所导致的。
对于ASM结构和功能的量化评估可能成为判断哮喘疾病严重程度的关键部分。对临床医生来说，有效的治疗与预防哮喘急性发作意义更为重大。
正如评估免疫调节剂的临床试验所证明的那样，哮喘的内源性类型不同，对治疗的反应也不同。同样，ASM厚度增加的哮喘患者对支气管热成形术的反应增加进一步表明ASM可以作为哮喘的关键治疗靶标。将ASM质量、激活状态和支气管运动张力与可能驱动哮喘发病机制的潜在炎症过程联系在一起可能会成为解决哮喘治疗难题的重要突破点。
参考文献：
1.Adams DC, Hariri LP, Miller AJ, Wang Y, Cho JL, Villiger M, Holz JA, Szabari MV, Hamilos DL, Scott Harris R, Griffith JW, Bouma BE, Luster AD, Medoff BD, Suter MJ. Birefringence microscopy platform for assessing airway smooth muscle structure and function in vivo. Sci Transl Med. 2016 Oct 5;8(359):359ra131.
2.Aumann S, Donner S, Fischer J, Müller F. Optical Coherence Tomography (OCT): Principle and Technical Realization. 2019 Aug 14. In: Bille JF, editor. High Resolution Imaging in Microscopy and Ophthalmology: New Frontiers in Biomedical Optics [Internet]. Cham (CH): Springer; 2019. Chapter 3.
