Elastase-induced pulmonary emphysema: insights from experimental models

Several distinct stimuli can be used to reproduce histological and functional features of human emphysema, a leading cause of disability and death. Since cigarette smoke is the main cause of emphysema in humans, experimental researches have attempted to reproduce this situation. However, this is an expensive and cumbersome method of emphysema induction, and simpler, more efficacious alternatives have been sought. Among these approaches, elastolytic enzymes have been widely used to reproduce some characteristics of human cigarette smoke-induced disease, such as: augmentation of airspaces, inflammatory cell influx into the lungs, and systemic inflammation. Nevertheless, the use of elastase-induced emphysema models is still controversial, since the disease pathways involved in elastase induction may differ from those occurring in smoke-induced emphysema. This indicates that the choice of an emphysema model may impact the results of new therapies or drugs being tested. The aim of this review is to compare the mechanisms of disease induction in smoke and elastase emphysema models, to describe the differences among various elastase models, and to establish the advantages and disadvantages of elastase-induced emphysema models. More studies are required to shed light on the mechanisms of elastase-induced emphysema.

Diversos estímulos podem ser utilizados para reproduzir características histológicas e funcionais do enfisema humano, uma das principais causas de incapacidade e morte. Uma vez que a fumaça de cigarro é a principal causa de enfisema em humanos, estudos experimentais têm tentado reproduzir esta situação. No entanto, esse é um método dispendioso e complicado para a indução do enfisema e, alternativas mais simples e eficazes, têm sido pesquisadas. Entre essas abordagens, enzimas elastolíticas vêm sendo amplamente utilizadas para reproduzir algumas das características do enfisema humano, tais como: aumento dos espaços aéreos, influxo de células inflamatórias nos pulmões e inflamação sistêmica. Entretanto, o uso de modelos de enfisema induzido por elastase permanece controverso, uma vez que as vias de ação da doença envolvidas na indução com elastase podem diferir das que ocorrem no enfisema induzido pelo fumo. Isso indica que a escolha de um modelo de enfisema pode influenciar os resultados de novas terapias ou drogas a serem testadas. O objetivo desta revisão é comparar os mecanismos da indução da doença em modelos de enfisema por fumaça e elastase, descrever as diferenças entre os vários modelos de elastase e, estabelecer as vantagens e desvantagens dos modelos de enfisema por elastase. Mais estudos são necessários para elucidar os mecanismos relacionados ao enfisema induzido por elastase.

Diagnóstico da síndrome do desconforto respiratório agudo na criança / Diagnosis of pediatric acute respiratory distress syndrome

Este estudo faz uma revisão crítica da definição da Conferência Americana e Europeia de Consenso em lesão pulmonar aguda (LPA) e síndrome do desconforto respiratório agudo (SDRA), procurando responder as seguintes questões: 1) é superior a outras definições existentes?; 2) identifica um grupo de pacientes com os mesmos mecanismos fisiopatológicos?; 3) tem valor prognóstico?; 4) identifica um grupo de pacientes que pode se beneficiar das mesmas estratégias terapêuticas?; e 5) pode ser extrapolada adequadamente para a faixa etária pediátrica? Os autores buscam também soluções para contornar as limitações da definição de hipoxemia na faixa etária pediátrica e apresentam que a maneira mais simples e homogênea de se diagnosticar hipoxemia precocemente na criança é a medida não invasiva da SpO2 em ar ambiente. Por fim, são apresentadas duas propostas de definição da LPA/SDRA na criança: uma mais abrangente, para diagnóstico precoce e aplicação em estudos de triagem sobre abordagem preventiva, e outra mais restrita, para utilização em crianças submetidas à ventilação mecânica, em estudos explanatórios de eficácia terapêutica.

This study critically evaluates the American-European Consensus Conference definition of acute lung injury (ALI)/acute respiratory distress syndrome (ARDS) and attempts to answer the following questions: 1) Is it better than other definitions?; 2) Does it identify a group of patients with the same pathophysiological mechanisms?; 3) Does it have prognostic value?; 4) Does it distinguish a group of patients that will benefit from the same therapeutic strategies?; and 5) Can it be effectively extrapolated to children? Alternatives to the invasive procedures employed in order to identify hypoxemia are also discussed. The authors presented a simple way to diagnose early hypoxemia in children based on SpO2. Finally, two definitions of pediatric ALI/ARDS are proposed: a broader and more sensitive definition, to be used in screening for early ALI and in pragmatic trials; and a more restrictive and specific definition, to be used in mechanically ventilated children evaluated in explanatory trials for therapeutic intervention purposes.

Cell therapy in acute lung injury / Terapia celular em lesão pulmonar aguda

Acute lung injury (ALI) and acute respiratory distress syndrome (ARDS) continue to be major causes of morbidity and mortality in critically ill patients. Investigations indicate that stem cells represent a viable therapeutic option for patients with ALI/ARDS. Recent studies have described the mechanistic pathways of stem cells in critical illness. This article reviews the use of stem cells as a potential for exogenous cell-based therapy in ALI. Further studies are needed in order to fully elucidate the mechanisms involved in the immunomodulatory activities of stem cells, as well as in their mobilisation and tissue engraftment.

A lesão pulmonar aguda (LPA) e a síndrome do desconforto respiratório agudo (SDRA) permanecem como uma das principais causas de morbidade e mortalidade em pacientes internados em unidades de terapia intensiva. Diversos estudos demonstram que as células-tronco podem representar uma opção terapêutica viável para pacientes com LPA/SDRA. Estudos recentes têm descrito as vias mecanísticas das células-tronco em doenças graves. Este artigo faz uma revisão crítica do uso de células-tronco em LPA como um potencial para a terapia celular com utilização de células exógenas. Mais estudos são necessários para delinear completamente os mecanismos responsáveis pelas características imunomoduladoras das células-tronco, além de sua capacidade de movimentação e de integração a tecidos.

Understanding the mechanisms of glutamine action in critically ill patients

Glutamine (Gln) is an important energy source and has been used as a supplementary energy substrate. Furthermore, Gln is an essential component for numerous metabolic functions, including acid-base homeostasis, gluconeogenesis, nitrogen transport and synthesis of proteins and nucleic acids. Therefore, glutamine plays a significant role in cell homeostasis and organ metabolism. This article aims to review the mechanisms of glutamine action during severe illnesses. In critically ill patients, the increase in mortality was associated with a decreased plasma Gln concentration. During catabolic stress, Gln consumption rate exceeds the supply, and both plasma and skeletal muscle pools of free Gln are severely reduced. The dose and route of Gln administration clearly influence its effectiveness: high-dose parenteral appears to be more beneficial than low-dose enteral administration. Experimental studies reported that Gln may protect cells, tissues, and whole organisms from stress and injury through the following mechanisms: attenuation of NF (nuclear factor)-kB activation, a balance between pro- and anti-inflammatory cytokines, reduction in neutrophil accumulation, improvement in intestinal integrity and immune cell function, and enhanced of heat shock protein expression. In conclusion, high-doses of parenteral Gln (>0.50 g/kg/day) demonstrate a greater potential to benefit in critically ill patients, although Gln pathophysiological mechanisms requires elucidation.

A glutamina (Gln) é uma importante fonte de energia e tem sido usada como substrato energético suplementar. Além disso, a Gln é um componente essencial para numerosas funções metabólicas tais como: homeostase ácido-base, gliconeogênese, transporte de nitrogênio e síntese de proteínas e ácidos nucléicos. Portanto, a glutamina desempenha um papel importante na homeostase celular e no metabolismo dos órgãos. Esse artigo objetiva rever os mecanismos de ação da glutamina na doença grave. Em pacientes criticamente enfermos, o aumento da mortalidade foi associado com uma diminuição de Gln plasmática. Durante o estresse catabólico, o consumo de Gln excede a oferta, e a quantidade de glutamina livre no plasma e músculo esquelético encontra-se reduzida. A dose e via de administração da Gln claramente influencia sua eficácia: alta dose por via parenteral parece ser mais benéfica do que uma dose baixa administrada por via enteral. Estudos experimentais relataram que Gln protege as células, tecidos, e todo o organismo do estresse através dos seguintes mecanismos: atenuação na ativação do fator nuclear (NF)-kB, balanço entre citocinas pró- e anti-inflamatórias, redução no acúmulo de neutrófilos, melhora na integridade intestinal e função mune celular, e aumento da expressão da proteína de choque térmico. Em conclusão, o uso de glutamina em altas doses e por via parenteral (>0,50 g/kg/dia) demonstrou ser benéfica em pacientes criticamente enfermos, embora os mecanismos fisiopatoló-gicos necessitam ser melhor elucidados.

Síndrome do desconforto respiratório agudo pulmonar e extrapulmonar: existem diferenças? / Pulmonary and extrapulmonary acute respiratory distress syndrome: are they different?

JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS: A patogênese da síndrome do desconforto respiratório agudo (SDRA) tem sido explicada pela presença de uma agressão direta (SDRA pulmonar) e/ou indireta (SDRA extrapulmonar) ao parênquima pulmonar. Evidências indicam que a fisiopatologia da doença pode diferir com o tipo de lesão. O objetivo deste estudo foi apresentar breve revisão das diferenças entre a SDRA pulmonar e a SDRA extrapulmonar e discutir as interações entre os aspectos morfofuncionais e a resposta aos diferentes tratamentos. CONTEÚDO: Esta revisão bibliográfica baseou-se em uma pesquisa sistemática de artigos experimentais e clínicos sobre SDRA incluídos nas bases de dados MedLine e SciElo nos últimos 20 anos. Muitos pesquisadores concordam, com base em estudos experimentais, que a SDRA pulmonar e a SDRA extrapulmonar não são idênticas no que diz respeito aos aspectos morfofuncionais, a resposta à pressão positiva ao final da expiração (PEEP), manobra de recrutamento alveolar, posição prona e outras terapias farmacológicas. Entretanto, os estudos clínicos têm descrito resultados contraditórios, os quais podem ser atribuídos à dificuldade de se classificar a SDRA em uma ou outra etiologia, e de se precisar o início, a fase e a gravidade da SDRA nos pacientes. CONCLUSÕES: Pacientes com SDRA de etiologias distintas perduram sendo considerados como pertencendo a uma mesma síndrome e, assim, são tratados da mesma forma. Logo, é fundamental entender as diferenças fisiopatológicas entre a SDRA pulmonar e extrapulmonar para que a terapia seja mais bem direcionada.

BACKGROUND AND OBJECTIVES: The pathogenesis of acute respiratory distress syndrome (ARDS) has been described by the presence of direct (pulmonary) and/or indirect (extrapulmonary) insult to the lung parenchyma. Evidence indicates that the pathophysiology of ARDS may differ according to the type of primary insult. This article presents a brief overview of differences between pulmonary and extrapulmonary ARDS, and discusses the interactions between morpho-functional aspects and response to differents therapies, both in experimental and clinical studies. CONTENTS: This systematic review included clinical and experimental ARDS studies found in MedLine and SciElo databases in the last 20 years. Many researchers acknowledge that experimental pulmonary and extrapulmonary ARDS are not identical with regard to morpho-functional aspects, the response to positive end-expiratory pressure (PEEP), recruitment manoeuvre, prone position and other adjunctive therapies. However, contradictory results have been reported in different clinical studies, which could be attributed to the difficulty of classifying ARDS in one or the other category, and to the assurance regarding the onset, phase and severity of ARDS in all patients. CONCLUSIONS: Heterogeneous ARDS patients are still considered as belonging to one syndrome, and are therefore treated in a similar manner. Thus, it is important to understand the pathophysiology of pulmonary and extrapulmonary ARDS in an attempt to better treat these patients.

Entendendo os mecanismos determinantes da lesão pulmonar induzida pela ventilação mecânica: [revisão] / Understanding the mechanisms of ventilator-induced lung injury: [review]

JUSTIFICATIVA E OBJETIVOS: A ventilação mecânica é considerada elemento básico de suporte de vida nas unidades de terapia intensiva e, indubitavelmente, essencial para os pacientes com lesão pulmonar aguda (LPA) e síndrome do desconforto respiratório agudo (SDRA). Estudos experimentais demonstraram que a ventilação mecânica (VM) com altos volumes e/ou altas pressões pode exacerbar ou iniciar uma lesão pulmonar, denominada lesão pulmonar associada à VM (LPAV) ou lesão pulmonar induzida pelo ventilador (LPIV), respectivamente, com aspecto histológico similar ao da LPA/SDRA. CONTEÚDO: Realizou-se uma pesquisa sistemática dos artigos incluídos na MedLine e SciElo dos últimos 20 anos, que abordavam uma visão crítica dos principais mecanismos determinantes da LPIV. Dentre os principais mecanismos da LPAV/LPIV pode-se citar: volutrauma causado por hiperdistensão e expansão desigual das unidades alveolares em função de altas pressões transpulmonares ou volumes; aletectrauma resultante da abertura e fechamento cíclicos das vias aéreas distais e o biotrauma determinado pelo processo inflamatório conseqüente às estratégias ventilatórias lesivas adotadas. CONCLUSÕES: Os mecanismos responsáveis pelo volutrauma, atelectrauma e biotrauma devem ser bem entendidos para que se possa evitar a lesão associada à ventilação mecânica.

BACKGROUND AND OBJECTIVES: Mechanical ventilation is considered a basic element of life support in the intensive care unit and is essential for patients with acute lung injury (ALI) and acute respiratory distress syndrome (ARDS). Experimental studies have demonstrated that mechanical ventilation with high volumes and/or high pressures can exacerbate (VALI) or induce lung injury (VILI) with histological aspect similar to ALI/ARDS. CONTENTS: This systematic review included the literature on MedLine and SciElo database published in the last 20 years. In this review, we will highlight the most recent data on the mechanisms of VILI. The main mechanisms of VILI are: volutrauma caused by overinflation and uneven expansion of the lungs due to high ventilation pressures or volumes; aletectrauma induced by shear forces generated during cyclic closure and reopening of terminal airways; and biotrauma where the injury resulted from the release inflammatory mediators due to physical stresses associated with mechanical ventilation. CONCLUSIONS: It is fundamental to understand the mechanisms related to volutrauma, atelectrauma, and biotrauma to avoid ventilator-associated lung injury.

The extracellular matrix of the lung and its role in edema formation

The extracellular matrix is composed of a three-dimensional fiber mesh filled with different macromolecules such as: collagen (mainly type I and III), elastin, glycosaminoglycans, and proteoglycans. In the lung, the extracellular matrix has several functions which provide: 1) mechanical tensile and compressive strength and elasticity, 2) low mechanical tissue compliance contributing to the maintenance of normal interstitial fluid dynamics, 3) low resistive pathway for an effective gas exchange, d) control of cell behavior by the binding of growth factors, chemokines, cytokines and the interaction with cell-surface receptors, and e) tissue repair and remodeling. Fragmentation and disorganization of extracellular matrix components comprises the protective role of the extracellular matrix, leading to interstitial and eventually severe lung edema. Thus, once conditions of increased microvascular filtration are established, matrix remodeling proceeds fairly rapidly due to the activation of proteases. Conversely, a massive matrix deposition of collagen fiber decreases interstitial compliance and therefore makes the tissue safety factor stronger. As a result, changes in lung extracellular matrix significantly affect edema formation and distribution in the lung.

A matriz extracelular é um aglomerado tridimensional demacromoléculas composta por: fibras colágenas (principalmente, tipos I e III), elastina, glicosaminoglicanos e proteoglicanos. No pulmão, a matriz extracelular tem várias funções, tais como: 1) promover estresse tensil e elasticidade tecidual, 2) contribuir para a manutenção da dinâmica de fluidos no interstício, 3) propiciar efetiva troca gasosa, 4) controlar a função celular através de sua ligação com fatores de crescimento, quimiocinas, citocinas e interação com receptores de superfície, e 5) remodelamento e reparo tecidual. A fragmentação e a desorganização da matriz extracelular pode acarretar edema intersticial e, eventualmente, edema alveolar grave. Logo, quando há aumento da filtração microvascular ocorre rápido remodelamento da matriz por ativação de proteases. Destarte, a deposição de fibras colágenas reduz a complacência intersticial limitando o edema. Em conclusão, modificações na matriz extracelular podem afetar a formação e distribuição do edema no pulmão.

Entendendo os mecanismos relacionados à obesidade e asma / Understanding the mechanisms related to obesity and asthma

Asma e obesidade são condições que representam problemas de saúde pública, sendo a obesidade fator de risco para a asma. Diversos estudos têm evidenciado que a obesidade aumenta a prevalência e a incidência da asma, sendo que a perda de peso melhora a evolução do indivíduo com asma. Vários são os mecanismos propostos para explicar a relação entre obesidade e asma, dentre eles: a) etiologias comuns (condições intra-uterinas e genéticas), b) existência de co-morbidades: refluxo gastro-esofágico, distúrbios respiratórios, diabetes tipo II e hipertensão, c) efeitos da obesidade na mecânica pulmonar, reduzindo a capacidade residual funcional, e d) modificações nas adipocinas (fator de necrose tumoral-α, interleucina-6, leptina, e adiponectina), influenciando a função da via aérea. O conhecimento dos diversos mecanismos envolvidos na relação entre asma e obesidade tornará possível uma melhor abordagem terapêutica.

Inibidores de fosfodiesterases: novas perspectivas de uma antiga terapia na asma? / Phosphodiesterase inhibitors: new perspectives on an old therapy for asthma?

A asma é uma doença inflamatória crônica com níveis variados de obstrução ao fluxo aéreo e diferentes formas de apresentação. Seu tratamento vem sendo modificado com a evolução do conhecimento sobre sua patogenia. A inflamação das vias aéreas, que é modulada por determinantes genéticos e ambientais, resulta na alteração definitiva da arquitetura da via aérea (remodelamento). O padrão inflamatório da asma é de natureza multicelular, envolvendo mastócitos, neutrófilos, eosinófilos, linfócitos T, células musculares e epiteliais. Diversas citocinas e quimiocinas contribuem para a orquestração do processo inflamatório. O reconhecimento do papel crítico da inflamação, que está associada à gravidade da doença, vem direcionando o eixo do tratamento para a prevenção ou para o bloqueio das alterações inflamatórias. Nesse sentido, além dos agentes beta2-adrenérgicos, da teofilina e dos corticosteróides, novos fármacos vêm sendo estudados. Dentre eles, os inibidores específicos de fosfodiesterases vêm apresentando resultados promissores. A partir dos resultados obtidos com a segunda geração dessas substâncias, pode-se imaginar que, em breve, elas representarão uma nova opção para o tratamento da asma.