Studies of Mucociliary Activity and Blood Flow in the Upper Airways, with Special Reference to Endothelins and Nitric Oxide

Abstract

The aim with this thesis was to investigate effects of vasoactive mediators on mucociliary activity and blood flow in rabbit and human experimental models. Mucociliary activity in vivo and ciliary beat frequency (CBF) in vitro were measured with photoelectric techniques. Blood flow was measured with laser Doppler flowmetry. Substance P (SP) and methacholine increased human nasal blood flow. Pretreatment with ipratropium bromide or lidocaine abolished the blood flow increase induced by methacholine, indicating the involvement of neurogenic mechanisms. The effect of SP was unaffected by lidocaine pretreatment. Endothelins (ET)-1, -2 and -3 were ciliostimulators in vivo and in vitro, their effect being greater in sinus than in tracheal samples. Pretreatment with diclofenac inhibited the ciliostimulation induced by the endothelins, indicating the involvement of the cyclooxygenase pathway. All endothelins decreased mucosal blood flow in the maxillary sinus of the rabbit, ET-3 having the weakest effect. ET-1 decreased blood flow in the human nose. Positive immunostaining for nitric oxide synthase (NOS) was found in the sinus mucosa and sphenopalatine ganglion of the rabbit. The NO substrate L-arginine increased CBF, an increase reversibly blocked by pretreatment with the NOS inhibitor NG-nitro-L-arginine. D-arginine was without effect. The NO donor sodium nitroprusside (SNP) increased mucociliary activity in the rabbit maxillary sinus. This increase was not reduced by pretreatment with atropine, diclofenac, or propranolol. Nebulized SNP increased the NO concentration in nasal air, nasal blood flow, and nasal mucociliary activity in humans, supporting the view that NO is a regulator of mucociliary activity.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Slemhinnorna i näsan, bihålorna, nasofarynx (nässvalgrummet), örontrumpeten och främre delen av mellanörat, är beklädda med celler på vars yta det finns flimmerhår (cilier). De ciliebeklädda slemhinnorna är täckta av ett tunt slemskikt som transporteras av ciliernas rörelser. I slemskiktet fastnar inandade partiklar, bakterier och döda celler, och transporteras av cilierna i riktning mot svalget. Man anser att cilierna har en självständig aktivitet, som dock kan stimuleras respektive bromsas av impulser i de nerver som försörjer slemhinnan. Luftvägsirriterande ämnen stimulerar ciliernas slemtransport genom nervreflexer som frisätter olika signalsubstanser (transmittorer). De nervsystem som påverkar ciliernas aktivitet är känselnerver (sensoriska C-fibrer), och det autonoma nervsystemet, vilket omfattar sympatiska och parasympatiska nerver. Blodkärlen i näsans slemhinnor har flera funktioner. Det ytliga nätet av fina blodkärl (kapillärer) har som uppgift att försörja slemhinnans olika delar med näring och syre, samt att avlägsna nedbrytningsprodukter från ämnesomsättningen. I näsan, framförallt på näsmusslorna, finns det också specialiserade svällkroppar vilka är tunnväggiga blodkärl (sinusoider) som reglerar nässlemhinnans svullnad. Arteriovenösa shuntar är specialiserade kärl vars uppgift är att koppla förbi olika kärlavsnitt. Blodkärlens funktion styrs i hög grad av aktivitet i det autonoma nervsystemet och påverkas liksom cilierna av de sensoriska C-fibrerna. Regleringen av ciliefunktionen och blodkärlens sammandragningsgrad är komplex, då det cilierade epitelet och innerhinnan i blodkärlen (endotelet) själva frisätter ämnen som kan påverka de egna vävnadernas funktioner. Endothelin-1, -2 och -3 (ET-1, ET-2 och ET-3) är faktorer som har påvisats både i blodkärlsendotel och i nervvävnad, och har en sammandragande effekt på blodkärl och luftrör. Endotel och nerver frisätter även kärlvidgande substanser som prostaglandiner och kväveoxid (NO). Studier på senare år har antytt att endotheliner och NO även deltar i regleringen av mukociliär aktivitet. Målet för denna avhandling har varit att studera effekter av blodkärlsaktiva ämnen på mukociliär aktivitet och blodflöde i de övre luftvägarna på en djurmodell och i nässlemhinna på människa. I. I delarbete I redogörs för en metod att studera mukociliär funktion i människans näsa. Metoden bygger på att ljus som reflekteras från den cilierade slemhinnan varierar i intensitet, beroende på att cilieaktiviteten orsakar rörelser i slemskiktet. Ett speciellt mätinstrument (prob) byggdes för detta ändamål. Ljus utsänt av proben reflekteras tillbaka från slemhinnan till ett fönster i samma prob. Ett optiskt system i proben med spegel, lins och fiberoptik, leder ljusvariationerna till en fotodetektor där de omvandlas till elektriska signaler. Mukociliär aktivitet beräknas ur de elektriska signalerna med hjälp av dator. Reproducerbarheten i uppmätt mukociliär aktivitet var god vid mätningar från olika närliggande slemhinneområden och vid mätningar på olika dagar. Pulsslagen utgjorde den främsta orsaken till artefakter vid mätningarna. Vid kontrollförsök gavs det kända ciliestimulerande ämnet terbutalin i aerosolform. Terbutalin stimulerade mukociliär aktivitet medan koksaltlösning ej hade någon effekt. II. I delarbete II studerades effekter på blodflödet i human nässlemhinna och i kaninens käkhåla av substans P (SP) och metakolin. SP är en transmittor i sensoriska C-fibrer, och metakolin är ett syntetiskt ämne som liknar transmittorn acetylkolin. Blodflödet undersöktes med laser Doppler teknik. Laser Doppler signalen, som beror på antalet rörliga blodkroppar och deras medelhastighet, är ett relativt mått på blodflödet. Blodflödet ökade måttligt efter tillförsel av SP i aerosolform. Effekten kunde inte blockeras av förbehandling med lokalbedövningsmedlet lidokain, vilket talar för att SP utövar sin effekt direkt på blodkärl. Metakolin orsakade en kraftig blodflödesökning, som kunde hämmas med den kolinerga blockeraren ipratropium bromid. Metakolins effekt försvann efter förbehandling med lidokain, vilket visar att nervösa mekanismer förmedlar metakolinets effekter på blodkärl. III. I delarbete III påvisades förekomst av endothelin i slemhinna från käkhåla och luftstrupe på kanin. ET-1,-2 och -3 stimulerade ciliär slagfrekvens (CBF) på biopsier från slemhinnorna. Effekten på CBF av de olika endothelinerna var lika sinsemellan, men CBF ökade mer på slemhinna tagen från käkhåla än på slemhinna från luftstrupe. Endothelinerna ökade även mukociliär aktivitet in vivo vid försök på käkhåleslemhinna på kanin. Effekten kunde blockeras av förbehandling med prostaglandinsynteshämmaren diklofenak. Förbehandling med kalciumantagonisten nifedipin, eller den kolinerga blockeraren atropin, blockerade ej svaret på endothelinerna. Undersökningen visar att endothelinernas ciliestimulerande effekt till stor del är medierad genom frisättning av prostaglandiner. IV. Endothelinernas effekter på blodflöde i käkhåla hos kanin och i human nässlemhinna utvärderades i delarbete IV. Blodflödet minskade efter tillförsel av alla endotheliner, effekten var starkare för ET-1 och ET-2 än för ET-3. De låga doser som användes påverkade inte systemblodtrycket. Förbehandling med diklofenak kunde inte påverka effekten av ET-1. I human nässlemhinna orsakade ET-1 ett sänkt blodflöde. Undersökningen talar för att endotheliner har en funktionell betydelse för regleringen av blodkärlstonus i de övre luftvägarnas slemhinnor. Endothelinernas blodkärlssammandragande effekt medieras inte genom prostaglandinfrisättning, till skillnad från den mukociliära effekten. V. I delarbete V undersöktes effekter av NO på mukociliär aktivitet på käkhåleslemhinna hos kanin. Enzymet NO-syntas (NOS) bildar NO från aminosyran L-arginin. L-arginin stimulerade CBF in vitro, till skillnad från D-arginin som inte påverkade CBF. Förbehandling med NOS-blockeraren L-NNA hämmade den ciliestimulerande effekten av L-arginin. NO-donatorn nitroprussid (SNP) accelererade mukociliär aktivitet in vivo. Förbehandling med atropin, eller med -blockeraren propranolol, kunde ej hämma effekten av SNP. Immunocytokemisk och histokemisk analys visade förekomst av NOS i käkhåleslemhinnans nerver och i ganglion sphenopalatinum. Det påvisade NOS är sannolikt av neuronal typ. Undersökningen talar för att mekanismer som frisätter NO reglerar mukociliär aktivitet, och att NO-produktionen i bihåleslemhinna kan vara begränsad av mängden substrat. VI. Effekten av NO på blodflöde och mukociliär aktivitet i human nässlemhinna undersöktes i delarbete VI. NO koncentrationen i luft från näsan ökade efter tillförsel av SNP i aerosolform. SNP ökade blodflödet i nässlemhinnan, och stimulerade mukociliär aktivitet på nässkiljeväggen. De påvisade effekterna av SNP i nässlemhinna hos människa stärker tidigare gjorda fynd i den djurexperimentella modellen, och tyder på att NO har flera viktiga funktionella roller i styrningen av de övre luftvägarnas försvar och homeostas. Sammanfattningsvis har visats att mediatorer som frisätts från endotel, nervändar och sannolikt från epitelet självt i de övre luftvägarna, endotheliner och NO, deltar i regleringen av både blodflöde och mukociliär funktion. Förhoppningsvis kan dessa kunskaper utnyttjas för behandling av sjukliga tillstånd i luftvägarna, exempelvis kronisk bihåleinflammation, där mukociliär funktion är nedsatt.

• author: Runer, Thomas
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Associate professor Lundblad, Lars, Dept. of Otorhinolaryngology, Karolinska Institutet, Stockholm, Sweden
• publishing date: 1996
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Otorhinolaryngology
• keywords: Otorhinolaryngology, substance P, rabbit, nitric oxide, nasal mucosa, mucociliary clearance, methacholine, maxillary sinus, endothelins, human, cilia, blood flow, audiology, auditive system and speech, Otorinolaryngologi, audiologi, hörsel- och talorganen
• pages: 129 pages
• defense location: Föreläsningssal 1, Centralblocket, University Hospital of Lund
• defense date: 1996-05-03 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MERL--1041--SE
• ISBN: 91-628-1995-X
• language: English
• LU publication?: no
• id: 743b7678-4de9-48c2-a695-42066bfbf95d (old id 28338)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:25:58
• date last changed: 2018-11-21 21:04:49