Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
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EZIOPATOGENESI E FISIOPATOLOGIA
RESPIRATORIA IN CORSO DI RECURRENT AIRWAY
OBSTRUCTION (RAO) DEL CAVALLO
ETHIOPATHOGENESIS AND RESPIRATORY PATHOPHYSIOLOGY IN RECURRENT
AIRWAY OBSTRUCTION (RAO) OF HORSES
G. SARLI1, L. MACCARONE1, M. PIETRA2, C. BENAZZI1
1
Dipartimento di Sanità Pubblica Veterinaria e Patologia Animale Sezione di Patologia Generale e Anatomia Patologica
2
Dipartimento Clinico Veterinario - Sezione di Medicina Interna
Riassunto
Gli Autori presentano una rassegna sulle più recenti acquisizioni in campo eziopatogenetico e di fisiopatologia respiratoria
in corso di Recurrent Airway Obstruction (RAO) del cavallo. Dal punto di vista eziopatogenetico risulta un eccessivo reclutamento ed un ritardo nell’eliminazione dei neutrofili nel favorire il danno polmonare ed uno squilibrio nella composizione delle
sottopopolazioni linfocitarie Th nell’innescare la reazione immunopatologica. I meccanismi di fisiopatologia respiratoria sono
prevalentemente conseguenti a componenti broncospastiche e bronchiolitiche che portano ad alterazione di diversi parametri
polmonari (resistenza delle vie aeree, compliance, compliance dinamica, rapporto ventilazione/perfusione, volume residuo)
condizionanti, nella manifestazione progredita della malattia, un enfisema alveolare.
Summary
This paper is a review of the most recent findings concerning the etiopathogenesis and respiratory pathophysiology mechanisms in Recurrent Airway Obstruction (RAO) of the horse. From the etiopathogenetical point of view RAO is characterized by an excessive recruitment and a delay in the elimination of neutrophils that enhances the pulmonary damage and a unbalance in the composition of lymphocyte Th subpopulations deputed to prime the immunopathologic reaction. The
pathophysiological mechanisms are due prevalently by to bronchospasm and bronchiolitis, which lead to the alteration of different respiratory parameters (airway resistance, compliance, dynamic compliance, ventilation/perfusion ratio, residual volume) and influence the production of alveolar emphysema in the late stages of the disease.
INTRODUZIONE
INTRODUCTION
La ventilazione polmonare è il meccanismo fisico che
consente lo scambio di gas respiratori tra ambiente e capillari degli acini polmonari. Tramite la ventilazione l’organismo viene rifornito di ossigeno mentre il sangue dei capillari alveolari viene depauperato di anidride carbonica.
Quando il sistema respiratorio non riesce ad assicurare tali
scambi si instaura una sindrome fisiopatologica denominata insufficienza respiratoria.
Questo è il caso di una frequente patologia polmonare
del cavallo per la quale sono state usate in Letteratura diverse definizioni quali: bronchiolite e/o bronchite cronica,
bronchiolite e/o bronchite asmatica, enfisema alveolare
cronico, pneumopatia cronica ostruttiva (chronic obstructive pulmonary disease - COPD) (Ferro et al., 1993; Robinson et al., 1996; Derksen, 1992). Più comunemente viene indicata da allevatori e proprietari come bolsaggine e,
nei paesi anglosassoni, con il suggestivo nome di “Broken
Wind”. Ultimamente è stata proposta la denominazione
Pulmonary ventilation is a physical mechanism allowing the exchange of respiratory gases between environmental air and capillary of alveoli. The organism receives
oxygen by ventilation while blood of alveolar capillaries is
deprived of carbon dioxide. When the respiratory system
is not able to assure these exchanges a pathophysiologic
syndrome develops called respiratory failure. This is the
case of a frequent condition of the horse, which has received in literature different denominations such as:
chronic bronchiolitis and/or bronchitis, asthmatic bronchiolitis and/or bronchitis, chronic alveolar emphysema,
chronic obstructive pulmonary disease (COPD) (Ferro et
al., 1993; Robinson et al., 1996; Derksen, 1992).
The lay names for the condition is heaves and broken
wind. Recently the term “recurrent airway obstruction”
(RAO) has been suggested instead of COPD because this
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Eziopatogenesi e fisiopatologia respiratoria in corso di RAO del cavallo
“Ostruzione ricorrente delle vie aeree” (recurrent airway
obstruction - RAO) al posto del termine COPD in quanto
quest’ultimo in medicina umana corrisponde ad una patologia cronica bronchiale con modesta componente broncocostrittiva (Robinson, 1998). Va però sottolineato che
della RAO si distinguono due forme, tra loro diverse per
contesto stagionale in cui si verificano, ma uguali per patogenesi: una, quella che è oggetto della presente trattazione
e che era in passato siglata come COPD ed ora riportata
semplicemente come RAO, che si verifica nel periodo invernale in cavalli stabulati e l’altra siglata SPAOPD (summer pasture-associated obstructive pulmonary disease) che
si verifica in cavalli al pascolo nella stagione estiva (Robinson et al., 1996, Seahorn et al., 1996).
La RAO può essere definita una malattia dell’addomesticamento, in quanto si manifesta soprattutto in cavalli
che vengono stabulati per lunghi periodi su lettiere in paglia ed alimentati con fieno spesso di qualità scadente (Robinson et al., 1996). Tale patologia è particolarmente diffusa nell’emisfero Nord dove la maggior parte dei cavalli vive in condizioni di stabulazione e dove il fieno viene prodotto durante estati umide, mentre risulta più rara in climi
caldi e secchi come in California ed Australia.
La maggior parte degli animali affetti è in età medioavanzata (dai 7 anni in poi), quindi proprio nel periodo in
cui di solito i cavalli esprimono appieno le loro potenzialità agonistiche in discipline quali il salto ostacoli, il completo o il dressage. Attualmente la RAO rappresenta una
delle principali cause di calo del rendimento atletico del
cavallo sportivo (Ferro et al., 1993).
EZIOPATOGENESI
La RAO equina assomiglia alle pneumopatie occupazionali dell’uomo, indotte dalla inalazione di polveri organiche. La polvere della stalla contiene muffe, endotossine,
acari del foraggio, polveri inorganiche e gas irritanti, che
possono indurre o esacerbare l’infiammazione polmonare,
sebbene non sia nota l’importanza di ognuna (McGorum,
1998). Spore di miceti quali Aspergillus fumigatus, Faenia
rectivirgula (prima nota come Micropolyspora faeni) e
Thermactinomyces vulgaris sono imputati come i più importanti allergeni di origine micotica (McGorum, 1998), le
cui spore sono sufficientemente piccole da essere portate
ai bronchioli con la corrente di aria inspirata. Una volta
raggiunta tale sede esse mediano reazioni di ipersensibilità
di I e III tipo innescando così un processo flogistico nelle
piccole vie aeree.
Sperimentalmente McGorum (1998) ha evidenziato che
l’inalazione di estratti acquosi di Aspergillus fumigatus o
Faenia rectivirgula induce una reazione neutrofilica meno
marcata rispetto a quella risultante da esposizione a fieno
e paglia mal conservati, per cui è possibile che ci siano altri agenti nella polvere della stalla, ad esempio endotossine
batteriche, che causino o aggravino la RAO (Pirie et al.,
2001). Le endotossine infatti peggiorano l’asma nell’uomo,
ancora di più che gli acari della polvere domestica
(Schwartz, 1998).
Non è ancora ben definito il ruolo che rivestono, nella
RAO, infezioni respiratorie ad eziologia virale. Seppure,
come loro conseguenza nelle vie respiratorie, viene invoca-
condition in human medicine is a chronic bronchial disease characterized by mild bronchoconstriction (Robinson,
1998). However, it is important to distinguish between
two forms of RAO which differ for the time period, but
share the pathogenetic mechanism: the first, considered in
the present paper, in the past known as COPD and now
with the acronym RAO, is typical of stabled horses in
winter; the second, reported as SPAOPD (summer pasture-associated obstructive pulmonary disease), develops
in pastured horses in summer (Robinson et al., 1996; Seahorn et al., 1996).
RAO has been defined as an occupational disease of
horses because it results especially in horses stabled for
long time on straw and often fed on poor quality hay
(Robinson et al., 1996). This condition is diffuse especially in the Northern hemisphere where most horses live in
stables and where hay is produced during humid summers, while it is rare in hot and dry climate such as that of
California and Australia.
Most affected animals are middle aged-old subjects
(from 7 years onwards), in the period of the full expression of the agonistic potentiality of horses in disciplines
such as jumping, three-days event and dressage. Nowadays RAO is one of the major causes of decrease of the
athletic performance of sport horses (Ferro et al., 1993).
ETIOPATHOGENESIS
Equine RAO resembles human occupational lung diseases, induced by inhalation of organic dusts. Dust in
horse stables contains moulds, endotoxins, forage mites,
inorganic dusts and irritant gases, which are capable of inducing or exacerbating pulmonary inflammation, even if
the relative importance of each of these agents in the etiology of RAO is unknown (McGorum, 1998).
Spores of fungi such as Aspergillus fumigatus, Faenia
rectivirgula (previously known as Micropolyspora faeni)
and Thermactinomyces vulgaris are considered the most
important allergens of mycotic origin (McGorum, 1998),
and their spores are so little as to be carried in the peripheral airways by the inspired air. Once these spores reach
the bronchioles they mediate type I and III hypersensitivity reactions, initiating inflammation of the peripheral
airways.
McGorum (1998) reported the results evidencing that
inhalation challenges with aqueous extracts of either Aspergillus fumigatus or Faenia rectivirgula induced a neutrophilic response in the lung less marked than that induced by exposure to poorly conserved hay and straw.
Therefore it is possible that other agents are present in
stable dust (such as bacterial endotoxins), which are additional causal or potentiating factors for RAO (Pirie et al.,
2001). Endotoxins, in fact, exacerbate human asthma,
even more than house dust mites (Schwartz, 1998).
The role of viral respiratory infections in RAO is not
yet properly established. As a consequence of their action
in the respiratory airways various factors are evoked: decreased antigen clearance by the mucociliary apparatus,
higher permeability of the mucosa to antigens, and lower
immune capacity of controlling antigens. However the
Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
ta una minore clearance degli antigeni da parte dell’apparato mucociliare, una maggiore permeabilità della mucosa,
alterata, agli antigeni e una minore capacità immunitaria
locale di controllo degli stessi, il ruolo delle virosi respiratorie è oggi per lo più dubbiosamente considerato predisponente alla malattia nella possibilità di innescare reazioni immunopatologiche ad altri antigeni che non rivestire
un ruolo diretto nell’eziologia della malattia (Mair e Derksen, 2000).
La patogenesi della RAO non è completamente nota,
ma episodi acuti di ostruzione delle vie aeree sono caratterizzati dalla presenza di polimorfonucleati, broncospasmo
e ipersecrezione, soprattutto nei bronchioli terminali (Olszewski e Laber, 1993).
Poiché la RAO è una patologia molto complessa che implica simultaneamente l’intervento di più meccanismi nella
patogenesi dell’ostruzione bronchiale, a sua volta condizionante l’insorgenza di circuiti di fisiopatologia polmonare, la trattazione che segue sarà articolata in una fase iniziale riguardante la componente flogistica alla base delle
modificazioni organiche delle vie aeree, seguita da un’altra
sui meccanismi più accreditati nell’insorgenza del broncospasmo ed infine sarà dato spazio alla fisiopatologia respiratoria conseguente all’infiammazione e al broncospasmo.
COMPONENTE FLOGISTICA
È ormai assodato che la flogosi ha un ruolo fondamentale nella patogenesi della RAO. Infatti essa è alla base della tosse, del broncospasmo, dell’iperreattività delle vie aeree, dell’ipersecrezione di muco e dell’ispessimento delle
vie aeree, tutti fattori che contribuiscono alle manifestazioni cliniche della malattia (Brazil, 2001).
L’analisi delle secrezioni respiratorie, dell’aspirato transtracheale, del lavaggio tracheale e del fluido di lavaggio
broncoalveolare (BALF acronimo dell’inglese bronchoalveolar lavage fluid) ha permesso di studiare il ruolo delle
singole cellule infiammatorie nell’instaurarsi della patologia. Quelle che sembrano avere maggior importanza dal
punto di vista patogenetico sono i granulociti neutrofili e,
secondariamente, i linfociti.
Granulociti neutrofili
I neutrofili appaiono essere le cellule predominanti nelle secrezioni e nei lavaggi dell’albero respiratorio dei cavalli con RAO (Cinotti et al., 1998; Franchini et al., 1998)
(Fig. 1) mentre nei soggetti clinicamente sani la maggior
quota è costituita da macrofagi e linfociti. Il quadro citologico non è costante nel tempo ed è stato provato che i cavalli con RAO che vivono in un ambiente ottimale, quale il
pascolo, arrivano ad avere una quantità di neutrofili sovrapponibile a quella dei cavalli di controllo che vivono
nello stesso ambiente (Tremblay et al., 1993).
L’aumento dei neutrofili nel BALF non è accompagnato
da una corrispondente neutrofilia del sangue, quindi si
tratta di una risposta infiammatoria locale che provoca un
reclutamento di queste cellule dal circolo periferico
(Derksen et al., 1987; McGorum et al., 1993c). Pertanto,
dal punto di vista istopatologico, la RAO è stata classifica-
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role of respiratory viral infections is, with some doubts,
considered predisposing of initiating immunopathologic
reactions to other agents, which do not play a direct role
in the etiology of the disease (Mair e Derksen, 2000).
The pathogenesis of RAO is not completely clear, but
acute episodes of airway obstruction are characterized by
the presence of neutrophils, bronchospasm and hypersecretion, especially in the terminal airways (Olszewsky e
Laber, 1993).
RAO is a complex condition involving the simultaneous partecipation of many mechanisms in the pathogenesis of bronchial obstruction that gives rise to reactions of
pulmonary pathophysiology. To simplify the presentation
of such mechanisms the first part of the paper will concern
the airway modifications due to inflammation, followed
by theories on bronchospasm pathogenesis, and finally to
their consequences in terms of pathophysiology.
INFLAMMATION
It is now clear that inflammation is central to the
pathogenesis of heaves. The pulmonary inflammatory response is the cause of the cough, bronchospasm, airway
hyperresponsiveness, mucus hypersecretion, and airway
wall thickening that characterize this disease clinically
(Brazil, 2001).
The analysis or bronchial secretion, transtracheal aspirate, tracheal wash and bronchoalveolar lavage fluid
(BALF) allowed the study of the role of single inflammatory cells in the establishment of the condition. Neutrophils seem to play a major part from a pathogenetic
viewpoint, followed by lymphocytes.
Neutrophils
Neutrophils seem to be the predominant cell type in secretions and bronchoalveolar lavages in RAO-affected
horses (Cinotti et al., 1998; Franchini et al., 1998) (Fig.
1), while in clinically healthy subjects macrophages and
lymphocytes are the most common types. The cytological
pattern is inconstant and RAO-affected horses living in
an optimal environment, such as pasture, tend to have a
quantity of neutrophils similar to the control animals living in the same environment (Tremblay et al., 1993).
The increase in the number of BALF neutrophils is not
parallel to an increased blood neutrophilia, proving to be
a local inflammatory response that recruits these cells
from peripheral blood (Derksen et al., 1987; McGorum et
al., 1993c). Therefore, from a histological point of view,
RAO has been classified as neutrophilic endobronchiolitis
(McGorum et al., 1993c) (Fig. 2). Traub-Dargatz et al.
(1992) instead interpreted tracheal lavage and BALF cytology as consistent with suppurative inflammation; no
other author, from the literature available, agrees with
this hypothesis based on the fact that seriously affected
horses present a mucopurulent nasal discharge.
The hypothesis that the neutrophil exudation, even if
scant, can contribute to bronchial obstruction seems not
to be confirmed by investigations showing accumulation
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Eziopatogenesi e fisiopatologia respiratoria in corso di RAO del cavallo
ta come un’endobronchiolite neutrofila (Fig. 2) (McGorum et al., 1993c). Traub-Dargatz et al. (1992) hanno invece interpretato la citologia del lavaggio tracheale e del
BALF come indice di una risposta suppurativa; nessun altro Autore, dalla bibliografia in nostro possesso, concorda
con questa ipotesi che potrebbe trovare un riscontro oggettivo nel fatto che, in cavalli colpiti in modo grave, viene
rilevato spesso uno scolo nasale mucopurulento.
L’ipotesi che, seppure scarsa, l’essudazione dei neutrofili possa contribuire all’ostruzione bronchiale non è suffragata da studi che dimostrano un accumulo di neutrofili
senza segni clinici di ostruzione bronchiolare, mentre in
alcuni animali si assiste ad una evidente disfunzione dell’albero bronchiale prima della comparsa di accumuli di
neutrofili. Inoltre, mediante ausili istomorfometrici, sono
stati chiaramente discriminati ponies ammalati e controlli
sulla base del solo spessore della parete delle vie aeree ma
non dell’infiltrazione neutrofilica (Brazil, 2001). Va però
ricordato che i neutrofili possono contribuire indirettamente all’ostruzione bronchiale, poiché molti loro prodotti causano ipersecrezione mucosa.
Dopo esposizione agli allergeni i neutrofili si accumulano nel BALF dei cavalli affetti entro 5 ore (Robinson et al.,
1996); ciò avviene per effetto di fattori chemiotattici derivati dalla degranulazione dei mastociti o da altre cellule residenti nelle vie aeree (macrofagi alveolari, cellule epiteliali) e sono rappresentati da leucotriene B4 (LTB4) e altri metaboliti dell’acido arachidonico, interleuchina 1 (IL-1) e 8
(IL-8), mieloperossidasi, fattore attivante piastrinico
(PAF), frazione C5a del complemento (attivato da complessi antigene-anticorpo o anche da estratti di grani di
polvere), tumor necrosis factor α (TNF-α) (Derksen et al.,
1987; Olszewski e Laber, 1993), macrophage inflammatory protein-2 (MIP-2). Attualmente nei cavalli la funzione
più importante viene attribuita all’IL-8, la cui concentrazione nel BALF aumenta già a 5 ore dal challenge ed alla
MIP-2 (Franchini et al., 1998; Brazil, 2001).
La mobilitazione dei neutrofili ha suggerito in passato, e
resta ancora valida tutt’oggi, l’implicazione di reazioni di
ipersensibilità di tipo III con formazione di immunocomplessi che, attraverso l’attivazione del complemento, ed in
particolare della frazione C5a, darebbero luogo a fenomeni
chemiotattici. In modo significativo, la stimolazione antigenica dei cavalli sensibili aumenta l’adesività dei neutrofili
del sangue periferico. L’adesività viene infatti stimolata dall’esposizione, in vitro, dei neutrofili del sangue alle chemiochine (IL-8), frammenti del complemento (C5a) e mediatori
lipidici dell’infiammazione (PAF e LTB4) (Brazil, 2001).
Nei cavalli predisposti alla bolsaggine il reclutamento dei
neutrofili può essere indotto dal fieno e dalla paglia e dall’inalazione di endotossine ed estratti acquosi di muffe poiché
questi agenti stimolano la produzione di tali mediatori chemiotattici da parte delle cellule delle vie aeree. È oggi noto
che, nel mediare l’adesività dei neutrofili nel cavallo, sono
implicate le citochine chemiotattiche IL-8 e MIP-2 e i mediatori lipidici PAF e LTB4 (Brazil, 2001). Esse inducono
sui neutrofili una maggiore espressione di integrina
CD11b/CD18 coinvolta nel processo di adesione all’endotelio vasale dove essa riconosce come ligando la ICAM-1
(intercellular adhesion molecule-1) (Brazil, 2001), con conseguente concentrazione selettiva di tali cellule nei vasi polmonari prima e nelle vie respiratorie poi.
FIGURA 1 - Cavallo. Microfotografia di preparato citologico di BALF denotante la presenza di numerosi granulociti neutrofili, muco e rarissime
cellule epiteliali (MGG Quick stain). La presenza di granulociti neutrofili
nel BALF è uno degli elementi diagnostici della RAO. I neutrofili, però,
seppure cellule notoriamente connesse a meccanismi di difesa dell’organismo, sono la principale causa di danno polmonare in corso di RAO.
FIGURE 1 - Horse. Cytological aspect of BALF showing many neutrophils, mucus and rare epithelial cells (MGG Quick stain). The presence of neutrophils in BALF is a diagnostic element in RAO. Neutrophils, even if usually connected to defense mechanisms, are the major cause of lung damage in RAO.
of neutrophils without evidence of airway obstruction and
in some animals airway dysfunction developing prior to
significant pulmonary neutrophil sequestration. Furthermore histomorphometry clearly discriminated affected and
control ponies on the basis of airway wall thickness but
not on neutrophil infiltration (Brazil, 2001). Neutrophil
products may also be a stimulus for the mucus hypersecretion in heaves.
Five hours after challenge to allergens neutrophils accumulate in BALF (Robinson et al., 1996). This happens
due to release of chemotactic factors derived from mast
cell degranulation or from other cells of the airways (alveolar macrophages, epithelial cells), namely leukotriene B4
(LTB 4) and other arachidonic acid metabolites, interleukin 1 (IL-1) and 8 (IL-8), mieloperoxidase, platelet activating factor (PAF), C5a complement fraction (activated
by antigen-antibody complexes or even by dust particle
extracts), tumor necrosis factor α (TNF-α) (Derksen et
al., 1987; Olszewski and Laber, 1993), macrophage inflammatory protein-2 (MIP-2). Nowadays in the horse the
most important function is attributed to IL-8, which
shows an increase in concentration in BALF within 5
hours after challenge, and to MIP-2 (Franchini 1998;
Brazil, 2001).
Neutrophil mobilization suggests the involvement of III
type hypersensitity reactions. These reactions are followed
by the formation of immune-complexes that, by complement activation, in particular of C5a fraction, would give
origin to chemotactic phenomena. Significantly, antigen
challenge of susceptible horses enhances adherence of peripheral blood neutrophils. Adherence is also enhanced by
exposure of blood neutrophils to chemokines (IL-8), complement fragments (C5a) and lipid inflammatory media-
Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
FIGURA 2 - Cavallo. Polmone. Bronchiolite in corso di RAO. Ematossilina-eosina. La flogosi bronchiolare, nella figura denunciata da accumulo prevalente di granulociti a sede sia peri- che endo-bronchiolare,
portando ad ispessimento della parete contribuisce all’ostruzione
bronchiale oltre ad indebolire la parete e predisporla al collasso durante l’espirazione.
FIGURE 2 - Horse. Lung. Bronchiolar inflammation. H-E stain. Bronchiolar inflammation (here characterized by prevalent accumulation of
neutrophils in both peribronchiolar and endobronchiolar localization)
causes thickening of the bronchiolar wall and contributes to obstruction, besides predisposing it to collapse during expiration.
I benefici ottenuti dalla difesa antimicrobica dei neutrofili, sia essa mediante fagocitosi che mediante secrezione di
prodotti, sono paradossalmente di frequente oscurati dagli
effetti negativi sui tessuti dell’ospite delle citotossine da essi liberate (Brazil, 2001). Infatti l’attività fagocitaria e soprattutto la produzione di radicali dell’ossigeno da parte
dei neutrofili sembrano avere un ruolo particolarmente rilevante nella patogenesi della RAO, col risultato di una
iperproduzione di metaboliti dello scoppio respiratorio e
con la liberazione di altre sostanze ad azione microbicida
quali proteinasi, proteine cationiche e aldeidi reattive. Va
inoltre ricordato che il danno da neutrofili è esacerbato
quando tali cellule si trovano in uno stato c.d. di “pre-attivazione”. Sebbene inizialmente descritto come un fenomeno in vitro, la “pre-attivazione” è ora riconosciuta come
un prerequisito per un efficace reclutamento dei neutrofili
ed è definita come un processo in cui la risposta del neutrofilo verso uno stimolo “attivatore” è sinergicamente potenziata da una iniziale esposizione verso un agente pre-attivante (Brazil, 2001).
Mediatori pro-infiammatori quali prodotti batterici, citochine e mediatori lipidici possono pre-attivare i neutrofili. Quest’ultima funzione è stata dimostrata in vitro nei
neutrofili del sangue negli equini, dopo esposizione a
TNF-α, IL-8 e lipopolisaccaridi (LPS) (Brazil, 2001). Olszewski e Laber (1993) hanno riscontrato mediante il test
di riduzione del Blu tetrazolio secondo Segal e Peters
(1975) una maggior attività dei fagociti dell’albero respiratorio rispetto a quelli del sangue. Si assiste quindi ad una
iperstimolazione delle cellule presenti nei secreti respiratori dei cavalli con RAO, la cui attivazione avviene durante il
passaggio dal torrente ematico al lume delle vie aeree terminali durante i processi di adesione e migrazione sotto
l’influsso dei mediatori prima chemiotattici e poi pre-atti-
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tors (PAF and LTB4) in vitro (Brazil, 2001). In heavessusceptible horses neutrophil recruitment can be induced
by hay and straw challenge and by inhalation of endotoxin and aqueous mould extracts as these challenge agents
stimulate production of an array of chemotactic mediators
by resident airway cells. Currently there is data implicating the chemotactic cytokines IL-8 and MIP-2 and the
lipid mediators PAF and LTB4 as mediators of the neutrophil adhesion in the horse (Brazil, 2001).
They induce in neutrophil a higher expression of
CD11b/CD18 integrin, involved in the process of adhesion to the vascular endothelium where it recognizes
ICAM-1 (intercellular adhesion molecule-1) as a ligand
(Brazil, 2001), with subsequent selective concentration of
these cells in pulmonary vessels first and then in the respiratory airways.
The benefits to host defence afforded by the neutrophil’s armoury of microbicidal secretory products are,
paradoxically, frequently overshadowed by the detrimental effects of these indiscriminate cytotoxins on host tissues. In fact the phagocytic and above all the neutrophil
production of oxygen radicals seem to have a relevant role
in the pathogenesis of RAO, resulting in assembly of the
respiratory burst oxidase and degranulation with elaboration of microbicidal reactive oxygen species (ROS) and secretion of other anti-microbial agents including proteinases, cationic proteins and reactive aldehydes. Moreover, the
damage due to neutrophils is enhanced when these cells
are in a s.c “priming” state. “Priming”, although initially
defined as an in vitro phenomenon, is now recognized as
a prerequisite for efficient neutrophil recruitment, and is
defined as a process whereby the response of the neutrophil to an “activating” stimulus is synergistically potentiated by prior exposure to a priming agent (Brazil, 2001).
Pro-inflammatory mediators such as bacterial products,
cytokines and lipid mediators may prime neutrophils.
Functional priming has been demonstrated in equine
blood neutrophils in vitro following exposure to TNF-α,
IL-8 and lipopolysaccharides (LPS) (Brazil, 2001). Olszewski and Laber (1993), by means of the Nitro Blue
Tetrazolium Test (NTB-Test) according to Segal and Peters (1975), revealed a higher activity of phagocytes from
the respiratory tract than those from blood. This finding
suggests a hyperstimulation of these cells, which takes
place during the passage from the blood stream to the lumen of the terminal airways in the course of adhesion and
migration processes due to the influx of the above mentioned chemotactic and priming mediators. Once the
phagocytes reach the surface of the mucosa lining the airways, they maintain their activity because of other stimulating factors present in the mucus, such as chemical mediators and antigen-antibody complexes. Beyond the early
phase of the inflammatory response neutrophils may become the dominant source of pro-inflammatory cytokines
(Brazil, 2001).
In such a condition of hyper-recruitment and activation
of neutrophils, tissue damage derives from reactions of
protein oxidation/decarboxylation and membrane phospholipids peroxidation mediated by respiratory burst
metabolites, besides the action of many neutrophilic en-
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Eziopatogenesi e fisiopatologia respiratoria in corso di RAO del cavallo
vanti sopra citati. Una volta sulla superficie della mucosa, i
fagociti mantengono la loro attività a causa degli ulteriori
fattori stimolanti presenti nel muco, come mediatori chimici e complessi antigene-anticorpo. I neutrofili diventano
così la principale fonte di citochine pro-infiammatorie, a
parte la fase iniziale, la cui produzione, come già detto, dipende da altre cellule (Brazil, 2001).
In tale situazione di iper-reclutamento ed attivazione dei
neutrofili il danno tissutale deriva da reazioni di ossidazione/decarbossilazione di proteine e perossidazione di fosfolipidi di membrana mediate dai metaboliti dello scoppio
respiratorio, oltre che dall’azione sulla matrice extracellulare di diversi enzimi liberati dai neutrofili. Il metabolita 8epi-PGF2α, uno stereoisomero della PGF2α, è prodotto
dalla perossidazione dei fosfolipidi di membrana e viene
considerato un indicatore di stress ossidativo del polmone
nei cavalli con RAO. Esso partecipa inoltre anche ad altri
eventi nella patogenesi della malattia. È infatti in grado di
esercitare anche un’azione broncospastica (Lekeux et al.,
2001).
Tra gli enzimi proteolitici è assodato il ruolo della metalloproteinasi 9 o gelatinasi B, della quale i neutrofili del
cavallo sono forti produttori, ed i cui livelli aumentano significativamente nel liquido di lavaggio tracheale e broncoalveolare di cavalli con RAO (Brazil e McGorum, 2001;
Maisi, 2001). L’intensità del danno polmonare dipende da
due ordini di eventi: da un lato dalla capacità costitutiva
intrinseca dei tessuti di contrastare tale azione con inibitori (livelli tissutali di antiproteasi e antiossidanti) e dall’altro
di far cessare la produzione dei metaboliti “dannosi” da
parte dei neutrofili mediante eliminazione degli stessi col
fenomeno detto apoptosi1 o morte cellulare programmata.
Circa quest’ultimo aspetto noto in diverse patologie polmonari umane e animali sperimentali (Rossi et al., 2001),
nel cavallo è oggi noto che la resistenza dei neutrofili all’apoptosi, e quindi la possibilità di prolungare la fase attiva
di permanenza degli stessi nelle vie aeree, è legata alla disponibilità nel BALF della citochina “fattore stimolante le
colonie - granulociti e macrofagi” (GM-CSF) e che essa
può essere contrastata (cioè si può accelerare l’apoptosi e
così ridurre il danno) mediante anticorpi anti-recettore
per il GM-CSF (Lekeux et al, 2001).
zymes on the extracellular matrix. Eight-epi-PGF2α, a
stereoisomer of PGF2α, is a product of membrane phospholipids and is considered as an indicator of oxidative
stress of the lung in RAO-horses. It has a part as well in
other events of the disease, such as in the induction of
bronchospasm (Lekeux et al., 2001).
Among the proteolytic enzymes the role of metalloproteinase 9 or gelatinase B is established; neutrophils of the
horse are strong producers of these enzymes, the levels of
which increase significantly in the tracheal and bronchoalveolar lavage fluid from RAO-horses (Brazil and McGorum, 2001; Maisi, 2001). The intensity of lung damage
depends on two orders of events: on the one side the intrinsic constitutive capacity of the tissue to oppose such action with inhibitors (tissue levels of anti-protease and anti-oxidant), and on the other to stop the production of
“detrimental” neutrophil metabolites by induction of neutrophil apoptosis 1 or programmed cell death. About this
latter aspect well-known in a number of experimental
pulmonary conditions in man and animals (Rossi et al.,
2001), in the horse current knowledge is that neutrophils
resistance to apoptosis (and therefore the possibility of
prolonging the active phase of their permanence in the
airways) is influenced by the presence of GM-CSF (granulocyte-macrophage colony-stimulating factor) cytokine in
BALF, and that it can be contrasted (i.e. apoptosis can be
accelerated and the damage reduced) by anti-GM-CSF receptor antibodies (Lekeux et al., 2001).
Lymphocytes
B and T lymphocytes and their humoral and cell mediated immune response play a central part in the pathogenesis of many inflammatory diseases of the lung.
Heaves-affected horses have a lower number of lymphocytes in BALF than normal subjects, and this is proportional to the severity of the disease (Bendali-Achene et al.,
1995; Traub-Dargatz et al., 1992). A further decrease both
in number and percentage of these cells is recorded after
stabling the affected horses (Tremblay et al., 1993). Some
of these lymphocytes show an abnormal morphology,
which was considered a sign of activation (Bentley et al.,
1992).
Immunohistochemical studies have shown that most of
the lymphocytes, normally present as solitary cells
throughout the epithelium and lamina propria of bronchi
and bronchioles, or organised in bronchiolar patches and
interstitial lymphoid foci do not express surface immunoglobulin (Ig) and are considered to be T lymphocytes, also on the basis of the expression of CD3+ phenotype (McGorum et al., 1993c).
In normal horses BALF shows a prevalence of CD3+
lymphocytes, with a predominance of CD8+ (s.c. suppres-
Linfociti
I linfociti B e T e la loro risposta immunitaria sia umorale che cellulo-mediata hanno un ruolo centrale nella patogenesi di molte malattie infiammatorie polmonari.
Nei cavalli affetti da RAO si riscontra un numero inferiore di linfociti nel BALF rispetto ai soggetti normali:
questa diminuzione è anche direttamente proporzionale
alla gravità della malattia (Bendali-Achene et al., 1995;
Traub-Dargatz et al., 1992); un ulteriore calo sia del numero che della percentuale di queste cellule si registra dopo
1
Apoptosi o morte cellulare programmata: fenomeno biologico utilizzato
dall’organismo per eliminare cellule in sovrannumero, invecchiate o la
cui funzione non sia più necessaria. È un fenomeno che si contrappone
alla necrosi che corrisponde alla morte accidentale e quindi “non programmata” di una cellula da cause endogene o esogene.
1
Apoptosis or programmed cell death: biological phenomenon utilized by
the organism to eliminate supernumerary or aged cells or in case their function is no more necessary. It is opposed to necrosis that corresponds to accidental and consequently “non-programmed” cell death due to endogenous
or exogenous causes.
Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
la stabulazione dei cavalli affetti (Tremblay et al., 1993).
Alcuni di questi linfociti presentano morfologia anomala
che è stata interpretata come segno di attivazione (Bentley
et al., 1992).
Studi immunoistochimici hanno dimostrato che la maggior parte dei linfociti normalmente presenti, sia come cellule isolate tra epitelio e lamina propria dei bronchi e
bronchioli, sia organizzati in placche bronchiolari e in piccoli ammassi linfoidi interstiziali, non esprimono immunoglobuline (Ig) di superficie e vengono dunque classificati
come linfociti T, anche in base all’espressione del fenotipo
CD3+ (McGorum et al., 1993c).
Anche nel BALF di cavalli normali i linfociti CD3+ sono il tipo prevalente: tra questi, la porzione maggiore è costituita dai CD8+ (c.d. fenotipo suppressorio o citotossico/Tc) mentre è minore la quota dei CD4+ (c.d. fenotipo
helper inducer/Th); l’analisi della stessa proporzione nel
sangue periferico ha fornito il reciproco dei risultati ottenuti sul BALF. Questa diversa distribuzione dei fenotipi
linfocitari tra BALF e sangue periferico potrebbe essere
causata da una raccolta selettiva di alcuni fenotipi con la
tecnica del lavaggio alveolare o, più verosimilmente, da
due diversi meccanismi di reclutamento immunitario (McGorum et al., 1993c; Watson et al., 1997) .
Il cambiamento di reclutamento selettivo dei sopracitati
fenotipi linfocitari conferma che il meccanismo immunitario riveste un ruolo nella patogenesi. Le cellule T attivate
producono linfochine che hanno numerosi effetti tra cui la
regolazione della produzione di Ig (tramite attivazione dei
linfociti B) e la differenziazione di mastociti, neutrofili,
monociti e macrofagi (Robinson et al., 1996). In corso di
RAO sia nel sangue periferico che nel BALF si registra un
aumento di linfociti CD4+ o Th (McGorum et al,. 1993c;
Watson et al., 1997). Inoltre è oggi accertato che il profilo
di citochine presenti nel BALF di cavalli con RAO è quello tipico di una attivazione Th2, che fa registrare la presenza prevalente di interleuchina 4 (IL-4) e 13 (IL-13)
(Horohov, 2001). Entrambe sono responsabili di un fenomeno importante, il c.d. shift isotipico2 ε nella maturazione dei linfociti B, cioè della produzione di IgE che fissandosi sui mastociti sensibilizzano le vie respiratorie agli antigeni (muffe, polvere, ecc.) ed innescano la risposta flogistica all’entrata degli stessi. È questa la componente di
ipersensibilità di tipo I nella patogenesi della flogosi polmonare in corso di RAO. Essa innesca la reazione flogistica che, come riferito circa i neutrofili, è poi mantenuta da
altre condizioni. Giova ricordare che cavalli sani o soggetti
dopo risoluzione di un episodio di RAO hanno nel BALF
una prevalenza di interferone γ (IFN-γ) che è la tipica citochina prodotta dall’attivazione dei linfociti Th1 (Horohov,
2001). Anche nella RAO del cavallo quindi, analogamente
a patologie allergiche umane, nel determinare la suscettibilità dei soggetti alla patologia sembra avere un ruolo importante il diverso rapporto delle sottopopolazioni di
linfociti Th.
27
sor or cytotoxic phenotype - Tc), while CD4+ (s.c.
helper/inducer phenotype - Th) are in a lower number.
The analysis of the phenotype distribution in peripheral
blood has given opposite results when compared to BALF.
This different distribution of lymphocyte subpopulations
in both BALF and peripheral blood could be due to a selective collection of some phenotypes with alveolar lavage
technique or more likely to two different immune control
mechanisms of recruitment (McGorum et al., 1993c; Watson et al., 1997).
The change in selective recruitment of the above mentioned lymphocyte phenotypes confirms that the immune
mechanism plays a role in the pathogenesis of RAO. Activated T lymphocytes produce lymphokines with numerous
effects, above which there is the regulation of Ig production (by B lymphocytes activation) and the differentiation
of mast cells, neutrophils, monocytes and macrophages
(Robinson et al., 1996).
In RAO animals an increase in CD4+ or Th lymphocytes is reported both in the peripheral blood and in
BALF (McGorum et al., 1993c; Watson et al., 1997). Currently it is ascertained that the cytokines present in BALF
of RAO-horses are those typical of Th2 (T-helper 2) activation, with a consequent prevalence of IL-4 and IL-13
(Horohov, 2001). Both are essential for B-cell class
switching2 to IgE antibody production. IgE sensitize respiratory airways to antigens (moulds, dust, etc.) binding to
mast cells. After antigen challenge inflammation initiates.
This is the component of type I hypersensitivity in the
pathogenesis of lung inflammation in RAO, activating inflammatory reaction which is maintained by other conditions, as reported for neutrophils. Important to note is
that healthy horses or subjects recovered from an episode
of RAO have in BALF a prevalence of interferon γ (IFNγ), that is the typical cytokine produced by the activation
of Th1 lymphocytes (Horohov, 2001). In RAO of the
horse, as well as in allergic human conditions, the different ratio of Th lymphocyte subpopulations seems to have
an important role in determining the susceptibility of the
subjects to this pathological event.
Certain mast cell mediators, notably histamine, may
function as CD4+ lymphocyte chemoattractant factor
(Berman et al., 1984); however, today IL-4 is considered
as the most important (Horohov, 2001).
A recent study by Kleiber et al. (1999) reports the presence of activated CD8+ lymphocytes (expressing positivity
for class II histocompatibily antigens as well) in BALF of
RAO-horses and emphasizes their significance for the
pathogenesis of the disease and the diagnosis of subclinical cases.
The percentage of B lymphocytes that is normally present in equine BALF accounts only for a small amount of
the total cell number: horses with asymptomatic RAO
have increased percentage of BALF B cells (10.5-14.2%
2
Shift isotipico: i linfociti B nel rispondere ad un antigene possono cambiare il tipo di immunoglobulina che producono (in genere IgM) o che
produrrano maturando a plasmacellula. Ciò è dovuto alla capacità che
essi hanno, sotto l’influenza di alcune citochine, di cambiare il tipo di catena pesante, che caratterizza appunto la classe o isotipo anticorpale, dell’anticorpo che stanno producendo.
2
Class switching: activation and differentiation of B lymphocytes after challenge with antigens can induce immunoglobulin class shifting, i.e. the
change from IgM (normally produced) to another type of heavy chain, that
characterize the immunoglobulin classes. This is influenced by cytokines.
28
Eziopatogenesi e fisiopatologia respiratoria in corso di RAO del cavallo
Per il reclutamento dei linfociti CD4+ nel BALF durante l’episodio di RAO è stata ipotizzata l’azione di alcuni
mediatori, tra cui l’istamina (Berman et al., 1984), sebbene
oggi venga considerata l’IL-4 il fattore chemiotattico più
importante (Horohov, 2001).
Una recente indagine di Kleiber et al. (1999) riporta
della presenza di linfociti CD8+ attivati (esprimenti cioè
anche positività per antigeni di istocompatibilità di classe
II) nel BALF di cavalli con RAO, ed enfatizza il loro significato ai fini della patogenesi della malattia e della diagnosi
di casi subclinici.
La percentuale dei linfociti B che normalmente si riscontra nel BALF equino costituisce solo una piccola parte delle cellule totali. Nei cavalli colpiti da RAO, anche
asintomatica, questa percentuale sale notevolmente (10,514,2% contro 2,4-5,6% dei controlli); data la differenza
dei valori tra i due gruppi, si è presa in considerazione l’analisi dei linfociti B del BALF come utile mezzo per prevedere se un soggetto, una volta esposto a condizioni ambientali non favorevoli, abbia possibilità di sviluppare i
sintomi della malattia (McGorum et al., 1993c).
Il ruolo della risposta umorale dei linfociti B nella patogenesi trova conferma nel reperto di elevate quote di IgA
ed IgG nel polmone (McGorum et al., 1993c), di IgE,
IgA ed IgG nel BALF (Halliwell et al., 1993; McGorum
et al., 1998) di soggetti malati che, unitamente a reazioni
cutanee positive all’inoculazione degli allergeni incriminati (Evans et al., 1992), rafforza il concetto di classificare la
RAO come malattia dovuta a ipersensibilità di tipo I e/o
di tipo III (Marcato, 1988; McGorum et al., 1993c). Va
però ricordato che i livelli sierici di tali anticorpi verso gli
allergeni comunemente implicati nell’eziologia della malattia non hanno un significato diagnostico e risentono
esclusivamente del livello ambientale degli stessi (McGorum et al., 1993a).
Mediatori
I cavalli con RAO hanno un aumento della produzione
locale polmonare di IgE e IgG il cui contributo patogenetico è quello di indurre risposte di ipersensibilità di I e/o
III tipo, durante le quali avviene il rilascio di numerosi
mediatori (McGorum, 1998), tra i quali sembrano rivestire
maggior importanza il 15-HETE, la PGE2 ed i leucotrieni.
Sul ruolo dei prodotti dello scoppio respiratorio e delle
proteasi dei neutrofili si è già riferito.
15-HETE
Piuttosto importante appare l’intervento dell’acido 15idrossieicosatetraenoico (15-HETE), un eicosanoide metabolita dell’acido arachidonico, prodotto attraverso la 15-lipossigenasi da vari tipi di cellule quali: neutrofili, eosinofili, linfociti, macrofagi alveolari e intravascolari, cellule endoteliali polmonari. Nell’uomo anche le cellule epiteliali
tracheali hanno dimostrato di poter produrre questo eicosanoide, ma nessun segno di tale produzione è stato rilevato nel cavallo (Gray et al., 1992a; Gray et al., 1992b).
Sia in vivo che in vitro il 15-HETE provoca un notevole
aumento delle secrezioni e stimola la chemiotassi di neutrofili ed eosinofili (De Benedetti, 1992). L’evidente neutrofilia nel BALF di cavalli affetti porta a pensare che sia-
versus 2.4-5.6% of control horses). These differences may
be important in determining whether or not a horse exposed to poor environmental conditions develops RAO
symptoms (McGorum et al., 1993c).
The role of the humoral response in the pathogenesis of
RAO might be confirmed by significantly elevated levels
of IgA and IgG in the lung tissue (McGorum et al.,
1993c), and of IgE, IgA and IgG in BALF (Halliwell et
al., 1993; McGorum et al., 1998) of affected animals that,
together with positive cutaneous reactions to the inoculation of specific agents (Evans et al., 1992), supports the
origin of RAO as a type I and/or type III hypersensitivity
condition (Marcato, 1988; McGorum et al., 1993c). It is
important to note that serum levels of these antibodies to
allergens commonly involved in the etiology of the condition have no diagnostic significance and feel only the effects of the levels of these agents in the environment (McGorum et al., 1993a).
.
Mediators
Horses with RAO have significantly increased local
pulmonary production of IgE and IgG which may contribute to the pathogenesis of RAO by inducing type I
and/or type III hypersensitivity responses that contribute
to the release of numerous mediators (McGorum, 1998),
among which 15-HETE, PGE2 and leukotrienes seem to
have a major importance. The roles of the products of the
respiratory burst and neutrophil proteases have already
been debated.
15-HETE
15-Hydroxyeicosatetraenoic acid (15-HETE) is an
arachidonic acid metabolite produced via the 15-lipoxygenase pathway in a number of cell types, namely neutrophils, eosinophils, lymphocytes, pulmonary alveolar
and intravascular macrophages, pulmonary endotheliocytes. In man tracheal epithelial cells have shown to produce this eicosanoid, but no reports document this production in the horse (Gray et al., 1992a; Gray et al., 1992b).
Both in vivo and in vitro 15-HETE is a potent secretagogue and stimulates neutrophil and eosinophil chemotaxis (De Benedetti, 1992). The marked neutrophilia in
BALF of affected horses suggests that neutrophils produce
15-HETE; however a possible contribution of alveolar
macrophages cannot be ruled out (Gray et al., 1992b).
The role of 15-HETE in the pathogenesis of equine
RAO is still debated. The detection of increased concentrations of HETE in the blood of affected horses compared to controls, both after taking the animals to pasture
again and following stabling, suggests that this substance
is not a major cause of the respiratory failure but a modulator of the activity of the inflammatory cells and a regulator of the reactivity of smooth muscle cells to the mediators released from these cells (Takata et al., 1994).
Airway inflammation would be necessary because 15HETE can contribute to the establishment of bronchospasm and the increase of secretions responsible for
airway obstruction present in RAO. This could explain
why during remission of RAO 15-HETE levels in heaves-
Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
no i neutrofili a produrre il 15-HETE; comunque, non si
può escludere un possibile contributo dei macrofagi alveolari (Gray et al., 1992b).
Nella patogenesi della RAO equina il ruolo del 15-HETE è piuttosto dibattuto. Il riscontro del significativo aumento della sua concentrazione ematica nei cavalli affetti
rispetto a quelli di controllo, sia nel periodo di reinmissione al pascolo che in quello di crisi provocata dalla stabulazione, porta a pensare che questa sostanza non sia uno dei
mediatori scatenanti la crisi, quanto piuttosto un modulatore dell’attività delle cellule richiamate dalla risposta infiammatoria, nonché un regolatore della reattività della
muscolatura liscia ai mediatori liberati dalle cellule stesse
(Takata et al., 1994).
L’infiammazione delle vie aeree sarebbe la conditio sine
qua non per far sì che il 15-HETE possa contribuire all’instaurarsi del broncospasmo ed all’aumento delle secrezioni
responsabili dell’ostruzione bronchiale propria della RAO.
In questo modo si spiegherebbe come mai nel periodo di
remissione i livelli di 15-HETE nei soggetti affetti si mantengono alti pur senza provocare segni clinici. Inoltre, in
studi condotti in vitro, il 15-HETE si è rivelato essere un
inibitore della formazione di anione superossido da parte
dei polimorfonucleati, meccanismo, quest’ultimo, già riportato essere di notevole importanza per lo sviluppo delle
lesioni conseguenti all’infiammazione in corso di RAO
(Takata et al., 1994). Dunque, gli aumentati livelli plasmatici di 15-HETE osservati nei cavalli affetti, possono essere
interpretati come un freno naturale all’infiammazione delle vie aeree che si sviluppa dopo stabulazione (Robinson et
al., 1996).
affected horses remain high even in absence of symptoms.
Furthermore, in vitro studies documented inhibitory actions of 15-HETE on polymorphonucleates (PMN) superoxide generation, which appears to have great importance
in the development of RAO inflammatory lesions (Takata
et al., 1994). Therefore the increase of 15-HETE levels in
plasma of affected horses may be considered as a natural
brake to airways inflammation developing after stabling
(Robinson et al., 1996).
Prostaglandins
PGE2 is the major prostanoid produced in RAO. Under
experimental conditions monocytes of the tracheal epithelium and lamina propria of the horse release PGE2, which
has a prevalent bronchodilating action. In vitro experiments by strips of tracheal epithelium evidenced a decreased production of PGE2 in samples from RAO-affected horses compared to controls. Moreover PGE2 production is positively correlated with the time necessary to the
development of bronchial obstruction. All this suggests
that this prostanoid is an important moderator of airway
response to antigen inhalation, and a decreased production of this mediator has been associated with airway hyperresponsiveness (Gray et al., 1992a).
Blocking the cyclooxygenase pathway by administration
of flunixin meglumine to horses with RAO did not ameliorate either clinical signs of the disease or compliance3
(Watson et al., 1990). This observation suggests that excitatory prostanoids do not play a major role in disease
pathogenesis (Robinson et al., 1996).
Another explanation could be that cyclooxygenase inhibition may allow shunting of arachidonate into the
leukotriene pathway, that, as shown in a while, is bronchoconstrictor and might obscure the ameliorative effect
of decreased concentrations of prostaglandins (Watson et
al., 1990).
Prostaglandine
In corso di RAO la PGE2 ha un ruolo prevalente sulle
altre prostaglandine. In condizioni sperimentali i monociti
dell’epitelio tracheale e della lamina propria del cavallo rilasciano PGE2 a funzione prevalentemente broncodilatatrice. Esperimenti in vitro condotti su strisce di tessuto
tracheale hanno messo in risalto una diminuita produzione
di PGE2 nei campioni provenienti da cavalli con RAO rispetto a quelli dei cavalli di controllo. Inoltre la produzione di PGE2 presenta una correlazione positiva con il tempo necessario all’insorgenza dell’ostruzione bronchiale.
Tutto ciò porta a pensare che questo prostanoide sia un
importante moderatore della risposta delle vie aeree all’inalazione di antigene, per cui, una delle possibili cause
dell’iperreattività bronchiale dei cavalli malati potrebbe
essere la ridotta produzione di questo mediatore (Gray et
al., 1992a).
Riguardo alle prostaglandine, e più generalmente ai prodotti della ciclossigenasi, si è visto che trattando i cavalli
affetti con flunixin meglumine (inibitore della ciclossigenasi), non si ottiene alcuna variazione della compliance3 o
dei segni clinici (Watson et al., 1990). Questa osservazione
ha portato alcuni Autori a concludere che questa classe di
mediatori non ha importanza rilevante nella patogenesi
della RAO (Robinson et al., 1996).
Un’altra spiegazione potrebbe essere che l’inibizione
3
Compliance: rapporto tra la variazione del volume del polmone o del
torace e la variazione di pressione esercitata sulla sua superficie.
29
Leukotrienes
Leukotrienes are other mediators produced from arachidonic acid by the lipooxygenase pathway. They are important for the realization of four main mechanisms leading
to airflow obstruction: bronchoconstriction, mucosal edema, increased mucus secretion, and inflammatory infiltration of the airways wall (Chanarin and Johnston, 1994;
Dodi, 1998).
In preparations in vitro leukotrienes C4 (LTC4) and D4
(LTD4) are at least 1000 times more potent than histamine in causing smooth muscle contraction (bronchospasm) (Chanarin and Johnston, 1994). Their action
seems to be selective for small caliber airways; in fact in
vitro experiments on horse tissues potently contract
parenchymal lung strips but not tracheal strips of horses.
This observation is compatible with the considerable obstruction of the peripheral airways that occurs in horses
with RAO (Robinson et al., 1996).
The formation of mucosal edema is the result of increased vascular permeability to water and protein at the
3
Compliance: rate between pulmonary or thoracic volume variation and
the variation of pressure on its surface (Watson et al., 1990).
30
Eziopatogenesi e fisiopatologia respiratoria in corso di RAO del cavallo
della ciclossigenasi porterebbe ad un maggior impiego dell’acido arachidonico disponibile nella via di formazione
dei leucotrieni che, come si vedrà successivamente, sono
broncocostrittori, quindi potrebbero oscurare l’eventuale
effetto migliorativo dato dalla diminuzione delle prostaglandine (Watson et al., 1990).
Leucotrieni
Dall’acido arachidonico, attraverso la via della lipossigenasi, vengono prodotti anche i leucotrieni. Questi ultimi
rivestono una certa importanza nei quattro meccanismi
fondamentali che portano all’instaurarsi dell’ostruzione
delle vie aeree, cioè: la broncocostrizione, l’edema della
mucosa, l’incremento della secrezione di muco, l’infiltrazione della parete delle vie aeree da parte delle cellule infiammatorie (Chanarin e Johnston, 1994; Dodi, 1998).
I leucotrieni C 4 e D 4, in vitro, esercitano un’azione
broncospastica 1000 volte più potente di quella dell’istamina (Chanarin e Johnston, 1994). La loro azione sembra
inoltre essere selettiva per le vie aeree di piccolo calibro,
infatti in esperimenti effettuati in vitro su tessuti di cavallo, provocano la contrazione delle strisce di parenchima
polmonare ma non di quelle di tessuto tracheale: questa
osservazione è compatibile con la considerevole ostruzione
delle vie aeree profonde che si verifica nei cavalli con
RAO (Robinson et al., 1996).
L’attività edemigena sulla mucosa è data dalla fuoriuscita di proteine ed acqua dovuta ad aumento della permeabilità vasale a livello delle venule post-capillari; ciò avviene
ad opera del leucotriene D4. Un’altra caratteristica che potrebbe coinvolgere questi composti, e per inciso il LTB4, è
l’azione chemiotattica esercitata soprattutto sui neutrofili,
che sappiamo essere il tipo cellulare più rappresentato nel
BALF dei cavalli con RAO (Chanarin e Johnston, 1994).
I cavalli affetti da RAO mostrano un’aumentata concentrazione urinaria di leucotrieni, mentre nel BALF degli
stessi soggetti non si riscontrano livelli diversi dai cavalli di
controllo. Ciò fa pensare ad un ruolo minore di queste sostanze nella patogenesi della RAO (Robinson et al., 1996).
BRONCOSPASMO
Il broncospasmo è una delle principali cause dell’ostruzione bronchiale nella RAO (Robinson et al., 1996; Yu et
al., 1994b) (Schema 1). Il tono della muscolatura liscia
bronchiale può essere modificato da numerosi fattori sia
eccitatori che inibitori quali: riflessi dati da recettori di distensione polmonare, CO2, liberazione di mediatori, catecolamine, sistema nervoso simpatico, sistema nervoso parasimpatico, sistema nervoso non adrenergico e non colinergico eccitatorio ed inibitorio e fattori rilassanti di derivazione epiteliale (Aguggini, 1992).
Sistemi nervosi eccitatori
L’innervazione eccitatoria della muscolatura liscia delle
vie aeree del cavallo è fornita dal parasimpatico e dal sistema nervoso eccitatorio non adrenergico e non colinergico
(eNANC).
La broncodilatazione che si verifica nei cavalli con RAO
site of postcapillary venules induced by LTD4. Another
characteristic that could involve these compounds is their
chemotactic action: LTB 4 , in particular, is a potent
chemoattractant predominantly of neutrophils, which are
the most represented cell type in BALF of heaves-affected
horses (Chanarin and Johnston, 1994).
The horses with RAO show and augmented urinary
concentration of leukotrienes while in BALF of the same
subjects levels of these substances are not different from
control horses. This allows to suppose that these substances play a minor role in the pathogenesis of RAO
(Robinson et al., 1996).
BRONCHOSPASM
Bronchospasm is a major cause of bronchial obstruction
in RAO (Robinson et al., 1996; Yu et al., 1994) (table 1).
Smooth muscle tone of airways can be influenced by numerous factors such as: sympathetic, parasympathetic and
nonadrenergic-noncholinergic inhibitory and excitatory
systems (Aguggini, 1992).
Excitatory nervous systems
The smooth muscle excitatory function in the horse is
supplied by parasympathetic and excitatory nonadrenergic-noncholinergic (eNANC) nervous systems.
The bronchodilation afforded by anticholinergic drugs
in RAO horses (Broadstone et al., 1988) indicates activation of muscarinic receptors (Robinson et al., 1996). This
phenomenon might be due to a decreased breakdown of
acetylcholine by cholinesterase, increased release of acetylcholine from parasympathetic nerves or lack of an in vivo
factor that inhibits contraction induced by this mediator.
However, the results obtained by in vitro experiments indicate that parasympathetic action in RAO-affected horses
has not a prevalent role in the pathogenesis of the disease.
Yu et al. (1994b) demonstrated that small bronchi of
these animals are hyporesponsive to exogenous acetylcholine compared to controls, providing no evidence for
an increased release of acetylcholine in the peripheral airways or of a diminished breakdown.
Acetylcholine hyporesponsiveness has been considered
as a sequel of the alteration of the function of muscarinic
receptors and/or cholinergic nerves or a diminution of
contractility of smooth muscle in response to cholinergic
activation. In vivo, there are mechanical factors, such as
increased bronchial wall thickness, or biochemical factors,
such as short-lived inflammatory mediators that may affect the overall response of airways (Yu et al., 1994b).
During the development of brochospasm in heaves-affected horses, an augmented release of acetylcholine from
post-ganglionic parasympathetic neurons is the reflex response to activation of airway receptors by inflammatory
mediators (Robinson et al., 1996). Among mediators
stimulating the parasympathetic system those produced by
mast cells seem to be more important than those derived
from the neutrophils (Mair and Derksen, 2000).
A second type of airways excitatory nerves is the nona-
Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
31
SCHEMA 1 - Fattori influenzanti il broncospasmo in corso di RAO. Lo spessore delle frecce indica l’importanza relativa di ogni fattore. Per la spiegazione si
veda il testo.
TABLE 1 - Factors influencing bronchospasm in RAO. The arrow thickness indicates the relative importance of each factor. See text for explanations.
mediante somministrazione di farmaci anticolinergici
(Broadstone et al., 1988) fa pensare ad un’intensa attivazione dei recettori muscarinici (Robinson et al., 1996).
Questo fenomeno potrebbe essere causato da una diminuita scissione dell’acetilcolina da parte dell’acetilcolinesterasi, dall’aumentato rilascio di acetilcolina da parte del
parasimpatico o ancora dalla diminuzione di qualche fattore che in vivo inibisce la contrazione indotta da questo
mediatore. Tuttavia, i risultati ottenuti da esperimenti in
vitro portano a pensare che l’azione del parasimpatico nei
cavalli affetti non sia di primaria importanza nella patogenesi della RAO. Yu et al. (1994b) dimostrarono infatti che
i piccoli bronchi di questi animali mostrano una minor
reattività all’acetilcolina esogena rispetto agli animali di
controllo, non fornendo alcuna evidenza di un aumentato
rilascio di acetilcolina nelle vie aeree periferiche o di una
sua diminuita degradazione.
Il riscontro dell’iporeattività all’acetilcolina ha portato a
considerare una possibile compromissione della funzione
dei recettori muscarinici e/o dei nervi colinergici oppure
una diminuzione della contrattilità del muscolo liscio ad
una attivazione colinergica. In vivo si può supporre che ci
drenergic-noncholinergic (eNANC) system. It is hypothesized that eNANC is activated by inhaled irritants and releases neuropeptides both locally and centrally and initiates reflexes that cause bronchospasm. In the horse there
is a rich supply of neuropeptide-containing nerves around
bronchial vessels; the local secretion of these substances
could contribute to bronchial edema and chemotaxis of
neutrophils as in other species (Robinson et al., 1996).
Inhibitory nervous systems
The smooth muscle inhibitory function in the horse is
supplied by sympathetic and inhibitory nonadrenergicnoncholinergic (iNANC) nervous systems. Even though
immunohistochemical studies showed a wide distribution
of adrenergic nerves in equine airways, their inhibitory effect on smooth muscle cells can be demonstrated only in
cranial trachea, where relaxation is partially inhibited by
propanolol (β-antagonist) (Yu et al., 1994a).
The inhibition of smooth muscle contraction produced
32
Eziopatogenesi e fisiopatologia respiratoria in corso di RAO del cavallo
sia qualche fattore meccanico, come l’aumentato spessore
della parete bronchiale, o biochimico, come mediatori infiammatori a vita breve, capace di modificare la risposta
(Yu et al., 1994b). Durante lo sviluppo del broncospasmo
nella RAO, si verifica un aumentato rilascio di acetilcolina
da parte dei neuroni parasimpatici postgangliari, dovuto
ad una risposta riflessa scatenata dall’attivazione di recettori irritanti bronchiali da parte di mediatori dell’infiammazione (Robinson et al., 1996). Sembra che tra i mediatori capaci di stimolare il parasimpatico siano più importanti
quelli prodotti dai mastociti rispetto a quelli dei neutrofili
(Mair e Derksen, 2000).
L’altro tipo di innervazione eccitatoria delle vie aeree è
quello fornito dall’eNANC (Sistema nervoso eccitatorio
non adrenergico-non colinergico). Si ipotizza che l’eNANC sia attivato dall’inalazione di sostanze irritanti e secerna, sia localmente che a livello centrale, dei neuropeptidi che attiverebbero dei riflessi che causano broncospasmo. Nel cavallo sono stati ritrovati nervi contenenti neuropeptidi attorno ai vasi bronchiali; la secrezione locale di
queste sostanze potrebbe contribuire all’edema bronchiale
ed alla chemiotassi dei neutrofili come avviene in altre specie (Robinson et al., 1996).
Sistemi nervosi inibitori
L’innervazione inibitoria della muscolatura liscia delle
vie aeree del cavallo è fornita dal simpatico e dal sistema
nervoso inibitorio non adrenergico e non colinergico
(iNANC).
Anche se studi immunocitochimici hanno dimostrato
un’ampia distribuzione dei nervi adrenergici nelle vie aeree equine, il loro effetto inibitorio sulle cellule muscolari
lisce può essere dimostrato solo nella trachea craniale nella
quale il rilassamento viene parzialmente inibito dal propanololo (β bloccante) (Yu et al., 1994a).
L’inibizione della contrazione della muscolatura liscia
prodotta dagli agonisti β adrenergici è identica sia nei cavalli affetti che in quelli di controllo, per cui nulla fa pensare che in questi ultimi ci sia una disfunzione del simpatico (Robinson et al., 1996).
Il sistema inibitorio non adrenergico-non colinergico
sembra essere il principale responsabile del rilassamento
della muscolatura bronchiale nel cavallo. Come mediatori
dell’iNANC sono stati proposti il peptide intestinale vasoattivo (VIP) e l’ossido di azoto (NO). Nel cavallo l’innervazione inibitoria dell’albero respiratorio è stata studiata sottoponendo a campo elettrico i tessuti precontratti
con istamina: in questo modo si è verificato un rilassamento, dipendente dalla presenza di NO, dei campioni provenienti dalla trachea e dai bronchi principali; l’entità di
questo fenomeno decresce andando verso le vie profonde
e scompare nei bronchi di 5 mm di diametro, suggerendo
che l’influenza del sistema nervoso inibitorio diminuisce
lungo l’albero tracheobronchiale (Yu et al., 1994a).
Comunque la carente funzione dell’iNANC può essere
una delle cause dell’ostruzione delle vie aeree e dell’iperreattività caratteristiche della RAO. È molto probabile che
gli animali malati abbiano una disfunzione dell’iNANC,
che potrebbe essere causata dall’inattivazione dell’ossido
di azoto da parte di molecole ad ossigeno reattivo, come
by the β-adrenergic agonists is identical in heaves-affected
and control animals. For this reason the existence of a
dysfunction of the sympathetic system in RAO affected
animals cannot be assumed (Robinson et al., 1996). The
inhibitory nonadrenergic-noncholinergic system is likely
to be the major responsible for bronchial muscle relaxation in the horse. Vasoactive intestinal peptide (VIP)
and nitric oxide (NO) have been proposed as neurotransmitter or mediators of the iNANC nervous system. In the
horse the inhibitory innervation has been studied electrically stimulating tissues precontracted with histamine:
electrical field stimulation produced NO-dependent relaxation, and the magnitude of the relaxation decreased from
trachea to central bronchi and was absent in the 5 mm diameter bronchi (Yu et al., 1994a). This suggests that the
influence of iNANC diminishes along the tracheobronchial tree.
A lacking in iNANC function could be a cause of airways obstruction and hyperresponsiveness typical of
RAO. Affected animals are likely to have an iNANC dysfunction that could be due to the inactivation of NO by
reactive oxygen molecules, such as superoxide anion, released by neutrophils (Robinson et al., 1996; Yu et al.,
1994b). The absence of iNANC function would be a result of the inflammatory response during acute RAO, but
could also be a peculiarity of horses predisposed to this
disease (Robinson et al., 1996).
Some attention must be paid to the regulation of vascular tone by NO that has a major basal vasodilator function. The vascular endothelial cells have a high capacity
for NO production. During inflammatory pulmonary diseases such as human asthma and equine RAO, there is an
increased exhalation of this product: it has been hypothesized that NO production derives from NO-synthase stimulation in endothelial cells due to the inflammatory response and in particular to cytokines (Mills et al., 1996).
Epithelium-derived relaxing factor
Smooth muscle is inhibited by a non-prostanoid relaxing factor produced by the airway epithelium, beside the
inhibition provided by the sympathetic and iNANC nervous systems. The ultrastructural changes concerning the
epithelium of the airways of affected horses suggest that
epithelium-derived relaxing factor may be lacking (Kaup
et al., 1990a; Kaup et al., 1990b). Experimental evidence
shows there is an increased production of this factor in
heaves-affected animals (Robinson et al., 1996). The contractile response of bronchi to acetylcholine after epithelial removal augments more in animals with heaves than
in controls, indicating an enhanced function of the epithelial-derived relaxing factor, that acts as a protection
against bronchospasm (Yu et al., 1994b).
Airway hyperresponsiveness
Nonspecific airway hyperresponsiveness is an exaggerated narrowing of the airways in response to physical or
pharmacological stimuli (Derksen et al., 1987; Robinson
Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
l’anione superossido, rilasciate dai neutrofili (Robinson et
al., 1996; Yu et al., 1994b). L’assenza di funzione dell’iNANC sarebbe quindi verosimilmente dovuta alla risposta
infiammatoria della fase acuta, ma potrebbe anche essere
una caratteristica peculiare dei cavalli predisposti a questa
malattia (Robinson et al., 1996) .
Una certa attenzione merita anche l’azione di regolatore
del tono vasale svolta dall’ossido di azoto che è uno dei
maggiori vasodilatatori rilasciati dalle cellule endoteliali.
Durante malattie infiammatorie polmonari come l’asma
umana e la RAO equina, si verifica un aumento dell’esalazione di tale prodotto: è stato ipotizzato che ciò rappresenti una stimolazione della NO-sintetasi presente nelle
cellule endoteliali data dalla risposta infiammatoria ed in
particolare dalle citochine (Mills et al., 1996).
33
et al., 1996). This phenomenon is characteristic of a number of different respiratory pathologies, including human
asthma and RAO, and contributes to bronchial obstruction.
Airway hyperresponsiveness develops in equine affected
by RAO when horses are stabled while it is rare in subjects during the clinical remission from the disease on pasture. In these animals airway responsiveness does not differ from the control animals, in which this parameter is
not affected by environmental conditions (Derksen,
1992).
The mechanism responsible for this excessive response
is presently unclear; Derksen et al. (1987) and Robinson
et al. (1996) hypothesized that hyperresponsiveness is the
result of the inflammation of airways. Airway hyperresponsiveness in fact develops within 24 hours from antigenic stimulation and persists for at least 72 hours following brief antigen exposures. These data suggest that the
phenomenon develops concurrently with neutrophilic invasion (Robinson et al., 1996). Attempts to demonstrate
a relationship between the presence of granulocytes or
their secretory products in BALF and airway hyperresponsiveness in vivo have been unrewarding even in human
asthma despite intensive study (Brazil, 2001).
RAO inflammation leads to thickening of the mucosa,
submucosa, and smooth muscle layers of the airway wall,
so when airway smooth muscle contracts around thickened mucosa, the resultant airway narrowing is exaggerated. Thus, a light stimulus can cause a dramatic narrowing
of the airway lumen. This phenomenon may explain why
small amounts of irritant dusts do not provoke relevant
alterations in control horses or in subjects in clinical remission, while cause a dramatic narrowing of the airways
in acute phase heaves-affected horses exacerbating or prolonging the clinical signs of the disease (Derksen, 1992;
Derksen et al., 1992).
Fattore rilassante di derivazione epiteliale
L’inibizione della muscolatura liscia bronchiale è dovuta, oltre che all’innervazione inibitoria, ad un fattore rilassante non prostanoico prodotto dall’epitelio. Le alterazioni ultrastrutturali che si verificano a carico dell’epitelio
delle vie aeree dei cavalli affetti suggeriscono una possibile
carenza di questo fattore (Kaup et al., 1990a; Kaup et al.,
1990b). L’evidenza sperimentale dimostra invece che la
produzione del fattore rilassante di derivazione epiteliale,
aumenta nei cavalli con RAO (Robinson et al., 1996). La
risposta contrattile all’acetilcolina dei bronchi di questi
animali aumenta dopo rimozione dell’epitelio in maniera
più sensibile che nei soggetti normali. Ciò dimostra che gli
individui affetti producono una maggior quota di fattore
rilassante di derivazione epiteliale, che rappresenta un
mezzo di protezione contro il broncospasmo (Yu et al.,
1994b).
Iperreattività delle vie aeree
L’iperreattività aspecifica delle vie aeree è una costrizione esagerata delle stesse in risposta a stimoli di natura fisica o farmacologia (Derksen et al., 1987; Robinson et al.,
1996). Questo fenomeno caratterizza molte patologie respiratorie, incluse l’asma umana e la RAO, e contribuisce
all’instaurarsi dell’ostruzione bronchiale.
L’iperreattività bronchiale si sviluppa negli equini affetti
da RAO durante i periodi di stabulazione mentre, nella fase di remissione indotta dall’introduzione dei soggetti al
pascolo, la reattività delle vie aeree torna agli stessi livelli
riscontrati nei cavalli di controllo, nei quali questo parametro non viene influenzato dalle condizioni ambientali
(Derksen, 1992).
Ancora non è del tutto chiaro l’esatto meccanismo con
cui si instaura questa risposta eccessiva; l’ipotesi più verosimile sembra quella formulata sia da Derksen et al. (1987)
che da Robinson et al. (1996), vale a dire che l’iperreattività delle vie aeree sia il risultato della risposta infiammatoria delle stesse. L’iperreattività bronchiale si instaura infatti entro 24 ore dalla stimolazione antigenica e persiste
per almeno 72 ore, anche dopo esposizioni all’antigene relativamente brevi. Questi dati portano a pensare che il fenomeno si sviluppi contemporaneamente all’invasione del
CONSEQUENCE OF INFLAMMATION AND
BRONCHOSPASM ON LUNG FUNCTION
Airway obstruction
The alterations in lung function observed in heaves-affected horses are indicative of diffuse airway obstruction.
Horses with RAO have a higher pulmonary resistance4
(RL), and lower dynamic compliance5 (Cdyn) consequent on
antigenic exposure (Broadstone et al., 1988; Derksen,
1992; Gray et al., 1992b; McGorum et al., 1993a; Robinson et al., 1996).
Changes of these values are, in part, responsible for the
larger change in pleural pressure that occurs during tidal
breathing: the difference between the lowest inspiratory
4
Pulmonary resistance (RL): rate of pulmonary extensibility, due to the
elastic properties of the lung and of the thorax.
5
Dynamic compliance (Cdyn): value obtained dividing the lung volume
change during breathing for each unit of pressure change, and it is a measurement of the distensibility of the lungs.
34
Eziopatogenesi e fisiopatologia respiratoria in corso di RAO del cavallo
polmone da parte dei neutrofili (Robinson et al., 1996).
Tentativi di dimostrare una relazione tra la presenza di
granulociti o loro prodotti di secrezione nel BALF e la
iperreattività bronchiale in vivo non sono stati soddisfacenti anche nell’asma umana, nonostante studi intensivi
(Brazil, 2001).
L’infiammazione collegata alla RAO porta all’aumento
dello spessore di mucosa, sottomucosa e muscolatura liscia
della parete bronchiale per cui, quando le cellule muscolari lisce si contraggono attorno a questi strati ispessiti, la
costrizione che ne risulta è eccessiva; pertanto un lieve stimolo causa una drastica riduzione del lume. Questo fenomeno potrebbe spiegare perché livelli contenuti in polveri
irritanti non comportano alterazioni rilevanti nei cavalli di
controllo o nei soggetti in fase di remissione mentre causano una drammatica costrizione delle vie aeree negli animali affetti da RAO con infiammazione in fase acuta esacerbando o prolungando i segni clinici della malattia (Derksen, 1992; Derksen et al., 1992).
pressure and the highest expiratory pressure (measured using a transesophageal probe) yields an index (∆Pplmax)
for the evaluation of pulmonary elasticity (Fig. 3). Ferro
et al. (1993) considered as pathologic values of ∆Pplmax
> 4 cm H2O. Other authors obtained an increase of this
value only in most serious cases (McGorum et al., 1993b).
An interesting finding is that ∆Pplmax is attested at higher values than control horses even in clinical remission
(Petsche et al., 1994). This does not happen when the values of dynamic compliance and airway resistance are considered; these values are significantly altered in heaves-affected horses exposed to antigens, while, when the same
horses are taken to pasture or stabled on litters different
from straw (for instance wood shavings) and fed pelleted
diets, these values are the same as those of the control animals (Petsche et al., 1994; Robinson et al., 1996).
Airway obstruction in RAO-affected horses is mainly
due to bronchospasm, mucus accumulation and thicken-
FIGURA 3a/b - Tracciato pressorio intrapleurico indiretto ottenuto mediante Ventigraph (Boehringer - Ingelheim) con taratura 2. Nel tracciato del soggetto di
controllo (a) si registra una differenza tra la più bassa pressione inspiratoria e la più alta pressione espiratoria (∆Pplmax) di 3 cmH2O (valore normale fino a 4
cmH2O), mentre nel soggetto con RAO (b) la ∆Pplmax è di 7,5 cmH2O indicativa di un aumento delle resistenze sia durante l’inspirazione che l’espirazione.
FIGURE 3a/b - Graphs of the indirect intrapleural pressure by Ventigraph (Boehringer - Ingelheim) measured with calibration 2. In the graph of the control
subject (a) a difference of 3 cmH2O is recorded between the lowest inspiratory and the highest expiratory pressure (∆Pplmax) (normal value up to 4 cmH2O),
while the RAO subject (b) has a ∆Pplmax of 7.5 cmH2O. This value is indicative of an increase of resistance both during inspiration and expiration.
Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
CONSEGUENZE DELL’INFIAMMAZIONE E DEL
BRONCOSPASMO SULLA FUNZIONE
POLMONARE
Ostruzione delle vie aeree
I cavalli affetti da RAO mostrano alterazioni di alcuni
parametri funzionali che indicano una diffusa ostruzione
polmonare; in particolare si riscontra un aumento della resistenza polmonare4 (RL) ed una diminuzione della compliance dinamica5 (Cdyn) a seguito di esposizione agli antigeni (Broadstone et al., 1988; Derksen, 1992; Gray et al.,
1992b; McGorum et al., 1993a; Robinson et al., 1996).
L’alterazione di questi valori rappresenta una delle cause alla base delle variazioni della pressione intrapleurica
che si verificano durante il respiro: la misurazione di queste variazioni con sonda transesofagea consente di ricavare
la differenza tra la più bassa pressione inspiratoria e la più
alta pressione espiratoria dando così un indice (∆Pplmax)
per valutare l’elasticità del polmone (Fig. 3). Ferro et al.
(1993) definirono patologici valori di ∆Pplmax > 4 cm di
H2O. Altri Autori riscontrarono un aumento di tale valore
soltanto nei casi più gravi (McGorum et al., 1993b). È interessante notare come la ∆Pplmax si mantenga su livelli
superiori a quelli dei cavalli di controllo anche durante la
fase di remissione clinica (Petsche et al., 1994). Questo
non accade quando prendiamo in considerazione i valori
di compliance dinamica e resistenza polmonare che, nei cavalli con RAO esposti agli antigeni, sono significativamente alterati, mentre, quando gli stessi animali vengono messi
al pascolo o stabulati su lettiere alternative alla paglia (trucioli di legno) e nutriti con mangime pellettato, tornano
agli stessi livelli di quelli dei cavalli di controllo (Petsche et
al., 1994; Robinson et al., 1996).
L’ostruzione delle vie aeree che si verifica nella RAO è
data prevalentemente da tre fenomeni che sono il broncospasmo, l’accumulo di muco e l’aumento dello spessore
della parete bronchiale in seguito ad infiammazione. Di
questi tre fenomeni il primo è l’evento ostruttivo principale nelle grosse vie aeree, mentre gli ultimi due sono prevalentemente operanti nelle piccole vie (Mair e Derksen,
2000). L’accumulo di muco (Fig. 4) dipende da due componenti: da un lato una maggiore produzione e dall’altro
una riduzione della clearance mucociliare. Il primo degli
eventi è strettamente connesso alla flogosi delle vie respiratorie. È infatti noto che citochine quali il TNF-α, che
modulano positivamente la produzione di fattori di trascrizione quali il NFk-B (meccanismo accertato in corso di
RAO), sono un evento importante per stabilizzare i trascritti (mRNA) di mucine ed aumentarne così la produzione (Gerber, 2001). Quanto al secondo evento studi hanno
riportato o assenza di riduzione della clearance mucociliare rispetto a controlli o riduzione dal 24 al 50% e la variabilità del dato viene imputata a sostanziali differenze del
35
ing of airways wall following inflammation. Airway obstruction is the principal event acting in bronchi of large
caliber, while the two other operate prevalently on the
smaller airways (Mair and Derksen, 2000). Mucus accumulation (Fig. 4) depends on two factors: on the one
hand mucus hyperproduction and on the other a reduction of mucociliary clearance. The former is strictly connected to airway inflammation. It is well known that cytokines such as TNF-α, which drives the transcription
factor NFk-B, are important for mucin transcript (mRNA) stabilization, allowing the increase in mucin production (Gerber, 2001). Ultrastructural studies found
absence or reduction from 24 to 50% of mucociliary
clearance rate between RAO-affected horses and controls, and variability of these data is ascribed to substantial difference of damage to the mucociliary apparatus
(Gerber, 2001).
The administration of bronchodilators such as clenbuterol, a β2 agonist (the only one approved by the US
Food and Drug Administration for use in horses)
(Harkins et al., 2000), atropin (Broadstone et al., 1988),
ipratropium bromide (anticholinergic agent) (Robinson et
al., 1993), pilbuterol (β2 adrenergic agonist), aminophylline (McKiernan et al., 1990) determine relaxation of
airway smooth muscle and consequent decrease of RL
(Broadstone et al., 1988; McKiernan et al., 1990; Robinson et al., 1993). However, the inconsistent effect of
bronchodilators on Cdyn, even if parallel to a decrease in
airway resistance, suggests that in COPD horses airway
obstruction persists in the more peripheral airways
(Robinson et al., 1996). To make the Cdyn return to normal values, the little success obtained using these drugs
indicates that their action is directed only to some factors
regulating the tone of airway smooth muscle; it also
shows that airway obstruction is caused also by other fac-
FIGURA 4 - Cavallo. Polmone. Presenza di muco in un bronchiolo terminale e nella porzione alveolare dilatata. Ematossilina-eosina. L’iperproduzione di muco è, insieme al broncospasmo ed alla flogosi, una
componente che partecipa all’ostruzione bronchiale, a sua volta causa
della difficoltà respiratoria che si registra in corso di RAO.
4
Resistenza polmonare: grado di estensibilità del polmone, legato alle
proprietà elastiche del polmone stesso e della gabbia toracica.
5
Compliance dinamica: rapporto tra la variazione di volume polmonare
durante un respiro corrente, e la simultanea variazione della pressione
intrapleurica dalla fine dell’espirazione alla fine dell’inspirazione; è una
misura della distensibilità dei polmoni.
FIGURE 4 - Horse. Lung. Mucus in a terminal bronchiole and dilated
alveoli. H-E stain. Mucous hyperproduction, together with bronchospasm and inflammation, is a component of bronchiolar obstruction, which causes respiratory difficulty in RAO.
36
Eziopatogenesi e fisiopatologia respiratoria in corso di RAO del cavallo
danno all’apparato mucociliare registrabili con l’osservazione ultrastrutturale (Gerber, 2001).
La somministrazione di broncodilatatori quali il clenbuterolo (β2 agonista) (l’unico ammesso all’uso nei cavalli dalla US Food and Drug Administration (Harkins
et al., 2000), l’atropina (Broadstone et al., 1988), l’ipratropio bromuro (agente anticolinergico) (Robinson et al.,
1993), il pilbuterolo (agonista ß2 adrenergico), l’amminofillina (McKiernan et al., 1990) provoca rilassamento
della muscolatura liscia delle vie aeree e conseguente diminuzione della RL (Broadstone et al., 1988; McKiernan
et al., 1990; Robinson et al., 1993). Tuttavia l’uso di questi farmaci non ha alcun effetto sulla compliance dinamica e, anche se si ottiene un decremento della resistenza
delle vie aeree, permane l’ostruzione delle vie aeree più
profonde (Robinson et al., 1996). Il limitato successo
dell’uso di questi farmaci, ai fini della normalizzazione
della compliance dinamica, suggerisce che il loro meccanismo d’azione sia diretto solo su alcuni dei fattori che
regolano il tono della muscolatura liscia delle vie aeree e
dimostra anche che l’ostruzione bronchiale è dovuta pure a fattori diversi dal broncospasmo quali l’aumento del
muco e dello spessore della parete delle vie aeree dovuti
all’infiammazione.
Distribuzione della ventilazione
La diffusa ostruzione delle vie aeree che caratterizza la
RAO causa un’anomala distribuzione della ventilazione
(Robinson et al., 1996). La rilevazione dell’uniformità della distribuzione del gas inspirato viene eseguita con la prova di eliminazione dell’azoto o curva di lavaggio dell’azoto
(Nitrogen Washout). Nelle malattie che causano una non
uniforme distribuzione della ventilazione, l’eliminazione
dell’azoto è meno rapida ed i valori non sono lineari
(Aguggini, 1992). Alcuni (Derksen, 1992; Gray et al.,
1992b) riscontrano questa anomalia nei cavalli con RAO;
in questi animali la prova di eliminazione dell’azoto è un
metodo abbastanza sensibile da poter individuare soggetti
affetti anche a livello subclinico, cosa che non avviene con
la misurazione della compliance dinamica e della resistenza polmonare. Purtroppo il “Nitrogen Washout” non sempre è attuabile sul campo.
Scambio di gas
La diminuzione della PaO2 (pressione parziale dell’ossigeno) o ipossiemia è un’alterazione frequentemente riportata dai vari Autori (Broadstone et al., 1988; Ferro et al.,
1993; Gray et al., 1992b; McGorum et al., 1993b; Olszewski e Laber, 1993; Robinson et al., 1996; Traub-Dargatz et
al., 1992). Tuttavia in alcuni lavori si sottolinea il fatto che
questa alterazione può non essere presente nei casi subclinici o lievi di RAO; per tale motivo questo parametro potrebbe essere più utile per accertare la gravità della malattia piuttosto che per effettuare una diagnosi precoce
(Dixon et al., 1995).
Di contro, aumento della PaCO2 (pressione parziale di
anidride carbonica) viene riscontrato in un numero limitato di soggetti. In generale si sa che le affezioni respiratorie
tors such as mucus increase and thickening of the airway
walls because of inflammation.
Ventilation distribution
The diffuse airway obstruction characteristic of RAO
results in abnormal distribution of ventilation (Robinson
et al., 1996). The detection of uniformity of the inspired
gas is performed with the nitrogen washout test. In the
diseases that cause a non-uniform ventilation distribution,
nitrogen washout is slower and the values are not linear
(Aguggini, 1992). Some authors (Derksen, 1992; Gray et
al., 1992b) evidence this anomaly in heaves-affected horses. In these animals the nitrogen washout test is sensitive
enough to reveal subclinical cases as well, while the measurement of dynamic compliance and pulmonary resistance are not. Unfortunately the nitrogen washout test is
not always applicable on the field.
Gas exchange
Diminution of PaO2 (oxygen partial pressure) or hypoxemia is a frequently reported alteration (Broadstone et al.,
1988; Ferro et al., 1993; Gray et al., 1992b; McGorum et
al., 1993b; Olszewski and Laber, 1993; Robinson et al.,
1996; Traub-Dargatz et al., 1992). However it may not be
present in subclinical or mild RAO cases, and this parameter might be more useful to ascertain the severity of the
disease rather than to perform an early diagnosis (Dixon
et al., 1995).
An increase of PaCO2 (carbon dioxide partial pressure)
is found in a limited number of cases. Respiratory conditions rarely modify PaCO2, probably for carbon dioxide
has a 20-fold higher diffusion rate through the respiratory
membrane than O2 (Ferro et al., 1993; Reece, 1984).
Resting subjects show no pH changes. If heaves-affected
horses exercise in the critical phase of the disease, they
show evident hypoxemia together with hypercapnia and
are subjected to acidosis, suggesting a great contribution
of anaerobic metabolism. This phenomenon can be partially explained by the high metabolic cost of respiration
in airway resistance increase. Horses can partially compensate the impairment of gas exchange increasing frequency rate, but, despite this compensatory mechanism,
RAO horses in respiratory crisis can sustain less exercise
than in clinical remission (Art et al., 1996).
Gas exchange efficiency can be evaluated by the ventilation/perfusion ratio (VA/Q). In normal horses VA/Q ratio is well balanced, its value being around 1, with few
differences in the various portions of the lung (Nyman et
al., 1991). Deviations of VA/Q ratio cause decrease in
PaO2 values, while PaCO2 remains normal if arterial hypoxia stimulates the respiratory center, augmenting ventilation per minute (Aguggini, 1992).
RAO horses have a generalized increase of the VA/Q
ratio (corresponding to an increase of ventilated regions
and inadequate perfusion) and of dead space (there is no
perfusion of the alveoli and they continue to be ventilat-
Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
raramente modificano la PaCO2, probabilmente per il fatto che l’anidride carbonica ha un coefficiente di diffusione
attraverso la membrana respiratoria circa 20 volte maggiore di quello dell’O2 (Ferro et al.,1993; Reece, 1984). Nessun Autore riscontra variazioni del pH ematico nei soggetti a riposo. Se sottoposti a lavoro nella fase critica della
malattia, i cavalli affetti da RAO mostrano una marcata
ipossiemia unita ad ipercapnia e sono soggetti ad acidosi,
il che suggerisce un notevole contributo del metabolismo
anaerobico. Questo fenomeno può essere parzialmente
spiegato dall’alto costo metabolico della respirazione in
condizioni di aumento delle resistenze delle vie aeree. I cavalli in questo stato riescono parzialmente a compensare la
compromissione nello scambio dei gas aumentando la frequenza respiratoria, ma è ovvio che, nonostante esista questo meccanismo compensatorio, i cavalli con RAO in crisi
respiratoria sopportano un carico di lavoro significativamente minore di quanto non facciano nei periodi di remissione (Art et al., 1996).
L’efficienza dello scambio di gas può essere valutata attraverso il rapporto ventilazione/perfusione (VA/Q). Nei
cavalli normali il rapporto VA/Q è ben equilibrato, il suo
valore è attorno ad 1 ed esistono poche variazioni di questo parametro tra le varie regioni del polmone (Nyman et
al., 1991). Le variazioni del rapporto VA/Q possono dar
luogo ad una diminuzione della PaO2, mentre la PaCO2
può mantenersi su livelli normali se l’ipossia arteriosa stimola i centri della respirazione portando ad un aumento
della ventilazione per minuto (Aguggini, 1992).
Il processo appena descritto sembra effettivamente verificarsi nei cavalli con RAO nei quali c’è un aumento generalizzato del rapporto VA/Q (ciò significa aumento delle
regioni ad alta ventilazione con perfusione non adeguata)
e dello spazio morto (che essendo ventilato ma non perfuso ha un valore di Q=0 quindi VA/Q = ∞). Queste alterazioni creano un mancato utilizzo del 75% della ventilazione totale per minuto (Nyman et al., 1991).
L’aumento dello spazio morto fisiologico è determinato
dal volume di gas che entra negli alveoli e non diffonde nel
sangue a causa dell’inadeguata perfusione da parte dei capillari alveolari (Reece, 1984). Più in generale, l’aumento
delle regioni ad alto VA/Q (>10) può essere spiegato dalla
compressione del letto vascolare, con conseguente impedimento della perfusione regionale, provocata dall’enfisema.
Questo meccanismo può essere confermato dal fatto che
le regioni ad alto VA/Q presentano anche un’iperplasia
epiteliale della parete bronchiale che è fattore scatenante
dell’“air trapping” che contribuisce all’instaurarsi dell’enfisema alveolare (Nyman et al., 1991).
Non si riscontrano nei cavalli con RAO regioni in cui
il rapporto VA/Q sia inferiore alla norma. Un basso valore di questo rapporto potrebbe caratterizzare le regioni
in cui la ventilazione è scarsa o assente mentre la perfusione si mantiene ottimale dando origine a shunt in cui il
sangue non viene a contatto con i gas alveolari. Questo
non si verifica nei soggetti colpiti da RAO nonostante,
secondo quanto visto precedentemente, presentino fin
dagli stadi preclinici della malattia un’alterata distribuzione della ventilazione. Il fenomeno potrebbe essere
spiegato dall’aumento dei pori di Kohn che permetterebbe una ventilazione collaterale tra alveoli confinanti
(Kaup et al., 1990b).
37
ed, Q=0 and VA/Q=∞). These deviations create a loss of
“wasted ventilation” of about 75 per cent of the total
minute ventilation (Nyman et al., 1991).
The increase of the physiological dead space is determined by the volume of gas that enters the alveoli and
does not have diffusional interchange with the blood because of inadequate pulmonary perfusion (Reece, 1984).
The ventilation of high VA/Q regions (>10) and dead
space in the RAO horses might be explained by hyperinflation (leading to emphysema), with subsequent compression of the pulmonary vascular bed and impeded regional
perfusion. This mechanism may be confirmed from the
finding of epithelial hyperplasia of bronchial walls in high
VA/Q regions, which has a considerable bearing on the
pathogenesis of air trapping in RAO and may contribute
to the development of alveolar emphysema (Nyman et al.,
1991).
There are no regions with ratio VA/Q lower than normal in RAO horses. A low value of this ratio might characterize regions with poor or absent ventilation while perfusion is at optimum value, originating shunts in which
blood is not in contact with alveolar gases. This does not
happen in subjects affected by RAO even if they might
present an impaired distribution of ventilation as early as
at preclinical stages of the disease. The phenomenon
might be explained by an increase in number of Kohn’s
pores allowing collateral ventilation between adjacent
alveoli (Kaup et al., 1990b).
FIGURA 5 - Cavallo. Polmone. Enfisema alveolare. Ematossilina-eosina.
Notare la flogosi (infiltrato cellulare intersitiziale) intorno ai bronchioli
presenti nel campo che condiziona l’air trapping, base patogenetica dell’enfisema in corso di RAO. La dilatazione del distretto bronchiolo-alveolare del polmone causa compressione dei vasi alveolo-settali. In tali
zone si realizzano inizialmente una iperventilazione con ridotta perfusione che porta ad aumento del VA/Q ed in seguito, aggravandosi la compressione sui setti alveolari, l’assenza di perfusione che genera i c.d.
spazi morti, cioè ventilati ma non perfusi.
FIGURE 5 - Horse. Lung. Alveolar emphysema. H-E stain. Note inflammation (interstitial cell infiltrate) in bronchioles conditioning air trapping that is considered the pathogenetic basis of emphysema in RAO.
Dilation of bronchiolar-alveolar spaces of the lung causes compression
of the alveolar-septal vessels. Hyperventilation with reduced perfusion
in these areas leads to increase of VA/Q. When the condition worsens,
the following step is absence of perfusion generating the s.c. dead
spaces, i.e. ventilated but not perfused.
38
Eziopatogenesi e fisiopatologia respiratoria in corso di RAO del cavallo
Volumi polmonari
Lung volumes
Nei cavalli affetti si rileva un aumento della capacità residua funzionale6 (FRC) conseguente al collabimento delle
pareti infiammate dei bronchioli a fine espirazione che
causa ristagno di gas nella regione alveolare (Robinson et
al., 1996) (Fig. 5). L’incremento della capacità residua funzionale, unito al normale valore del volume tidalico7, causa
un aumento del volume polmonare alla fine dell’inspirazione; dunque si ha un aumento del rapporto volume residuo/capacità polmonare totale. L’incremento di questi volumi risulta in una maggiore sollecitazione della forza elastica del polmone e della gabbia toracica che contribuirà
al precoce picco di flusso espiratorio che caratterizza la
particolare tipologia respiratoria di questi soggetti (Petsche et al., 1994; Robinson et al., 1996).
In heaves-affected horses there is an increase of the
functional residual capacity6 (FRC) consequent on closure
of the inflamed airways that is likely to occur towards the
end of exhalation leading to air trapping in alveoli
(Robinson et al., 1996) (Fig. 5). Because FRC is increased
and tidal volume7 is unchanged, end-inspiratory volume
increases in RAO. The resulting increase in lung and
chest-wall elastic recoil may provide the force for the high
peak expiratory flow that occurs early in exhalation in severely affected horses (Petsche et al., 1994; Robinson et
al., 1996).
Tipologia respiratoria
Il cavallo a riposo ha fisiologicamente sia l’inspirazione
che l’espirazione a carattere bifasico (Reece, 1984). Entrambe comprendono una fase attiva ed una passiva dovute all’azione coordinata dei muscoli respiratori. Secondo
Koterba et al. (1988), questa strategia respiratoria consente di minimizzare, a riposo, il lavoro elastico del polmone.
In questo modo, in entrambe le fasi si evidenzia un iniziale
picco del flusso (fase passiva), seguito da un plateau a circa il 50% del volume tidalico per aumentare di nuovo
(grazie alla fase attiva) alla fine dell’atto.
I soggetti colpiti, anche in fase di remissione della malattia, non hanno questa caratteristica respirazione bifasica
propria dei soggetti sani.
L’adozione di questo respiro non fisiologico potrebbe
essere il risultato dell’aumento della frequenza respiratoria
dei cavalli malati, tale da causare la sovrapposizione delle
due fasi.
Il ciclo respiratorio diviene necessariamente più corto e
causa una precoce attivazione dei muscoli sia durante l’inspirazione che durante l’espirazione. In questo modo la fase
passiva del ciclo si accorcia e diviene meno evidente il carattere bifasico, soprattutto se i muscoli respiratori arrivano a
contrarsi prima che si raggiunga il picco di flusso passivo
(Petsche et al., 1994). In assenza di riduzione del volume tidalico l’accorciamento del tempo di inspirazione risulta in
un maggior rapporto volume tidalico/tempo di inspirazione,
vale a dire in un maggior gradiente di flusso inspiratorio.
Con l’aggravarsi della malattia si assiste quindi ad un incremento dei gradienti di flusso inspiratorio al picco e al 50%
del volume tidalico; in questo modo il cavallo riesce ad inalare tutto il volume tidalico nel tempo a disposizione.
Lo stesso concetto può essere applicato a quanto si verifica nella fase espiratoria, sebbene in questa l’accorciamento
sia meno sensibile di quello della fase inspiratoria. Durante
l’ostruzione delle vie aeree, si registra un aumento del picco
6
Capacità residua funzionale: somma della riserva espiratoria, che è la
quantità di aria che rimane nel polmone dopo un normale atto espiratorio, con il volume residuo, cioè la quantità di aria che rimane nel polmone anche dopo la più forzata delle espirazioni (Reece, 1984).
7
Volume tidalico: quantità di aria inspirata ed espirata durante un ciclo
respiratorio (Reece, 1984).
Types of breathing
The adult horse at rest has physiologically two phases
during inspiration and two phases during expiration
(Reece, 1984). They both have an active and a passive
phase due to the coordinated action of the respiratory
muscles. According to Koterba et al. (1988), this breathing pattern perhaps represents a strategy of minimizing
the elastic work of breathing, at least at resting breathing frequencies. In both inhalation and exhalation the
initial flow peak (passive phase) is followed by a nidus
at approximately 50% of tidal volume and a second flow
peak (active phase) toward the end of the breath. Affected horses lack the biphasic-breathing pattern typical of
control subjects, even in remission of the disease. This
difference in breathing pattern may be the result of the
increased breathing frequency noted in heaves-affected
horses, so the two phases of the tidal volume become superimposed. The respiratory cycle becomes shorter and
causes an early activation of muscle during both inspiration and expiration. The passive phase of the cycle shortens and the characteristic biphasic breathing is less evident, in particular if respiratory muscles contract before
the peak of passive flow rate is reached (Petsche et al.,
1994).
In the absence of decrease in tidal volume the reduction
of the inspiratory phase produces a higher tidal
volume/inspiration time ratio, which means a higher inspiration flow gradient. When the disease becomes more
severe, there is an increase of inspiration flow at the peak
and at 50% of tidal volume, and the horse inhales all
tidal volume in the available time.
The same concept applies to the exhalation phase, even
though less decreased than inhalation. During airways obstruction, the peak of expiratory flow (PEF) is high and
precocious, parallel to a decrease of the same flow rates toward the end of expiration. Thanks to the characteristics
of this peak, the horse exhales tidal volume before the
above-mentioned diminution of the gradient, strictly cor-
6
Functional residual capacity (FRC): sum of the expiratory reserve volume,
that is the amount of residual air after a normal expiratory act, and the
residual volume, i.e. the volume of air remaining in the lungs even after the
most forceful expiration (Reece, 1984).
7
Tidal volume: amount of breathed in or out during one respiratory cycle
(Reece, 1984).
Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
di flusso espiratorio (PEF) che diviene alto e precoce, contemporaneamente ad una diminuzione dei gradienti dello
stesso flusso nella parte finale dell’espirazione. Grazie a
questo particolare picco il cavallo riesce ad esalare il suo volume tidalico in tempo utile, ossia prima che si verifichi la
sopracitata diminuzione del gradiente, strettamente correlata alla gravità della malattia (Petsche et al., 1994).
Fisiologicamente, nel cavallo a riposo, nelle prime fasi
dell’espirazione persiste una certa attivazione dei muscoli
inspiratori che modulano il gradiente di flusso espiratorio
e, allo stesso modo, nelle prime fasi dell’inspirazione, l’attività residua dei muscoli espiratori regola il flusso del gas
inalato (Koterba et al., 1988).
Nei cavalli colpiti da RAO si può avere una ridotta azione dei muscoli inspiratori durante la prima fase dell’espirazione così che la forza elastica del polmone, non ostacolata dal loro intervento, causa un elevato picco di flusso
espiratorio. Successivamente il cavallo cerca di compensare la diminuzione del flusso di fine espirazione con l’intervento dei muscoli espiratori, ma lo sforzo espiratorio porta
ad un aumento della pressione intrapleurica che diviene
positiva rispetto a quella delle vie aeree, causando un collasso dinamico di quest’ultime e limitando ulteriormente il
flusso. Altra causa dell’incremento del PEF potrebbe essere la maggior forza elastica che deriva dall’aumento del volume polmonare a fine inspirazione, dovuto ad una maggiore capacità residua funzionale (Petsche et al., 1994).
Circolazione polmonare
Gli animali colpiti da RAO hanno una pressione arteriosa polmonare più elevata del normale (Ferro et al.,1993;
Nyman et al., 1991; Robinson et al., 1996) e di intensità
che aumenta con la gravità della patologia.
Dato che la gittata cardiaca rimane nella norma, l’aumento della pressione può essere attribuito alla maggiore
resistenza vascolare del circolo polmonare. I fenomeni patogenetici che conducono a questa alterazione sono principalmente la vasocostrizione ipossica e la compressione del
letto capillare da parte degli alveoli dilatati (Nyman et al.,
1991; Robinson et al., 1996).
L’ipossia causa costrizione della tonaca muscolare delle
arteriole pre-capillari con conseguente riduzione del flusso
ematico (il riflesso alveolo-vascolare di Evler-Liliyes) (Ferro et al.,1993).
Secondo Mills et al. (1996) la diminuzione della PaO2 inibirebbe la sintesi di ossido di azoto da parte delle cellule endoteliali; verrebbe così a mancare l’azione vasodilatatrice di
questa sostanza. Sottoponendo i cavalli malati a ventilazione
con O2 si ha una certa diminuzione della pressione arteriosa
polmonare, ma non un ritorno di questo parametro a valori
normali; dunque l’ipossia non è l’unica causa dell’aumento
delle resistenze vascolari (Robinson et al., 1996).
L’altro fattore che porta a queste alterazioni è infatti la
compressione del letto capillare data dagli alveoli dilatati a
causa dell’aumento della capacità residua funzionale dovuto
al fenomeno dell’ “air trapping” (“incarceramento dell’aria”). Gillespie e Tyler (1969) ipotizzano anche l’esistenza di
mediatori dell’infiammazione causanti vasocostrizione.
L’ipertensione cronica del piccolo circolo si ripercuote
sul cuore destro che risponde con ipertrofia muscolare
39
related with the severity of the disease (Petsche et al.,
1994).
Some degree of persistent inspiratory muscle activity
during the first phase of expiration is commonly observed;
as well as persistent expiratory muscle activity regulates
the inhaled air flow during the first phase of inspiration
(Koterba et al., 1988).
Heaves-affected horses may exhibit a reduced action of
the inspiratory muscles during the first phase of expiration, so lung elasticity produces a high expiratory flow
peak. The horse tries to compensate the decrease of flow
at the end of expiration contracting the expiratory muscles, but the expiratory effort causes an augment of the intrapleural pressure, which becomes positive compared to
airway pressure, and the subsequent dynamic failure of
airways that further on limits the flow. An additional
cause of PEF increase might be a stronger elasticity deriving from the increased lung volume at the end of inspiration, due to a greater functional residual capacity (Petsche
et al., 1994).
Pulmonary circulation
Increased pulmonary arterial pressure has been consistently described in horses with RAO, the magnitude of
hypertension increasing with the severity of the disease
(Ferro et al., 1993; Nyman et al., 1991; Robinson et al.,
1996). As cardiac output remains normal, the increased
pressure results from increased vascular resistance of lung
vascular system, that is probably due to hypoxic vasoconstriction and alveolar hyperinflation that compresses capillaries (Nyman et al., 1991; Robinson et al., 1996). Hypoxia causes constriction of tunica muscularis of pre-capil-
FIGURA 6 - Cavallo. Polmone. Enfisema Polmonare (Da Marcato P.S.
Patologia respiratoria animale, Edagricole, 1988). In corso di RAO l’enfisema polmonare cronico è una conseguenza dell’air trapping che si
realizza durante l’espirazione a causa del collasso delle piccole vie respiratorie.
FIGURE 6 - Horse. Lung. Emphysema. (from Marcato P.S. Patologia
respiratoria animale, Edagricole, 1988). Chronic pulmonary emphysema is a consequence of air trapping which forms during exhalation in
RAO because of collapse of the small airways.
40
Eziopatogenesi e fisiopatologia respiratoria in corso di RAO del cavallo
compensatoria (cor pulmonale cronico) e con successiva
dilatazione del ventricolo destro (Derksen, 1992; Ferro et
al.,1993; Marcato, 1988).
L’insufficienza cardiaca congestizia che potrebbe conseguire a questi eventi non è di frequente riscontro nei cavalli con RAO (Derksen, 1992).
Enfisema polmonare cronico (Fig. 6)
Nella RAO il fatto che le lesioni enfisematose caratterizzino siti del polmone colpiti da bronchiolite ostruttiva avvalora l’ipotesi patogenetica dell’ “air trapping” (Kaup et
al., 1990b).
L’aumento delle resistenze delle vie aeree è particolarmente sensibile durante la fase espiratoria in cui viene a
mancare la dilatazione di queste data dalla trazione esercitata dal parenchima polmonare in fase inspiratoria (Reece,
1984). La distruzione del parenchima conseguente all’enfisema riduce questa trazione causando il collasso espirato-
lary arterioles with subsequent reduction of blood flow
(Evler-Liliyes alveolar-vascular reflex) (Ferro et al. 1993).
According to Mills et al. (1996), PaO2 decrease would
inhibit NO endothelial production, so NO vasodilator
function would be lacking. Submitting heaves-affected
horses to O2 ventilation, decrease of pulmonary arterial
pressure is observed, but not to normal values. It is therefore likely that hypoxia is not the only cause contributing
to increase vascular resistance (Robinson et al., 1996).
Another factor for these alterations is the compression of
capillaries due to alveolar hyperinflation because of increased functional residual capacity caused by air trapping.
Gillespie and Tyler (1969) hypothesize the existence of inflammatory mediator-induced vasospasm.
Chronic hypertension of blood circulation of the lung
affects the right heart that develops muscle compensatory
hypertrophy (chronic cor pulmonale) and subsequent dilation of the right ventricle (Derksen, 1992; Ferro et al.,
1993; Marcato, 1988).
SCHEMA 2 - Circuiti patogenetici e fisiopatologici in corso di RAO. Colore caselle: giallo fattori eziologici; rosa voci patogenetiche; verde elementi di fisiopatologia polmonare; azzurro: conseguenze extrapolmonari. Se la voce della stessa casella è imputabile a più di una categoria essa condivide i colori dei due tipi
di casella. Per la spiegazione si veda il testo.
TABLE 2 - Pathogenetic and pathophysiological mechanisms in RAO. Box colors: yellow for etiologic agents; pink for pathogenetic elements; green for factors pertaining lung pathophysiology; blue for extrapulmonary consequences. When the item of a box is attributable to more than one category it shares the
colors of the different types of box. See text for explanation.
Ippologia, Anno 12, n. 4, Dicembre 2001
rio delle vie aeree ed aggravando il fenomeno dell’ “air
trapping”. È stato visto precedentemente come la meccanica respiratoria dei cavalli colpiti da RAO preveda un’espirazione forzata che causa un aumento della pressione
intrapleurica. Quando nelle vie aeree si verifica un uguale
punto di pressione esterna ed interna, il mantenimento
della pervietà del lume dipende esclusivamente dall’integrità della loro parete e del parenchima circostante (Aguggini, 1992), entrambe le componenti risultano però danneggiate dalla patologia stessa, come già riferito.
In contrasto con quanto descritto finora, Derksen (1992)
definisce raro il riscontro di enfisema nei soggetti colpiti da
RAO. L’Autore sostiene infatti che sia la bronchiolite e non
l’enfisema il reperto dominante persino nei casi più gravi.
CONCLUSIONI
Dal punto di vista strettamente patogenetico diversi
agenti eziologici innescano una flogosi polmonare mediando, solo in soggetti predisposti, reazioni di ipersensibilità di
I e III tipo che nell’insieme sono responsabili solo della reazione flogistica che si manifesta durante la fase acuta. Seppure il concetto di predisposizione sia evocato in diversi
studi, esso dovrà essere meglio definito in futuro anche se,
dal punto di vista strettamente immunopatologico, incomincia a comparire un ruolo nella diversa distribuzione percentuale delle sottopopolazioni linfocitarie Th1 e Th2.
Ai fini della patogenesi del danno polmonare è oggi
emerso che, anche dopo la fase acuta, la reazione flogistica
si autoalimenta e quindi non è da considerarsi strettamente mantenuta solo da un meccanismo immunopatologico,
anche se quest’ultimo avrà di nuovo un ruolo importante
nell’insorgenza di una successiva fase acuta. Un ritardo
nell’induzione dell’apoptosi nei neutrofili essudati da un
lato, o una costituzionale deficienza di inibitori tissutali
delle proteasi liberate dai neutrofili dall’altro, sembrano
essere le più probabili spiegazioni per quei soggetti che ritardano a risolvere un episodio acuto.
Infine le modificazioni organiche imputabili alla flogosi, e
comunque realizzatesi, permangono elementi in grado di
mantenere, tra due episodi acuti, seppure a livelli meno gravi, le modificazioni di funzione polmonare. Ciò fa di un cavallo con RAO un soggetto in grado di sommare nel tempo
l’intensità dei meccanismi di fisiopatologia respiratoria realizzatisi in ogni fase di riacutizzazione della malattia.
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these events is not frequently encountered in horses with
RAO (Derksen, 1992).
Chronic pulmonary emphysema (Fig. 6)
In RAO horses, air trapping hypothesis is highlighted
by emphysema adjacent to areas of airway obstruction
(Kaup et al., 1990b). Airway resistance is greater during
expiration than it is during inspiration because the expansion of the lungs during the inspiration pulls upon the airways in a manner that assists their greater opening (Reece, 1984). Alveolar destruction consequent on emphysema reduces this traction and causes airway expiratory collapse aggravating air trapping.
The mechanics of respiration of heaves-affected horses
comprises a forced expiration that determines intrapleural
pressure increase. When inside the airways external and
internal pressure equals, the lumen of the airways remains
open exclusively because of integrity of their walls and the
surrounding parenchyma (Aguggini, 1992). Both these
components result damaged by the condition itself, as referred before.
Contrary to what described, Derksen (1992) defines
emphysema rare in RAO-afflicted horses. This author
states that bronchiolitis and not emphysema is the dominant finding even in the severest cases.
CONCLUSIONS
From a strictly pathogenetic point of view several etiological agents initiate inflammation of the lung mediating
type I and III hypersensitivity reactions, in predisposed
subjects only. These reactions are responsible just for the
inflammation developing during the acute phase.
Although the concept of predisposition is recalled in
different studies, a better definition is necessary, even if
from the immunopathologic point of view a new role
begins to appear concerning the different distribution in
the percentages of Th1 and Th2 lymphocyte subpopulations.
To determine the pathogenesis of pulmonary damage,
it has recently emerged that even after the acute phase,
inflammation perpetuates itself and the immunopathological mechanism would have a role again in priming a
following acute phase. A delay in inducing apoptosis in
the exudate neutrophils or a constitutional deficiency in
tissue inhibitors of proteases released by neutrophils are
likely to be the most feasible explanations for those subjects in which the resolution of an acute episode is delayed.
In addition, organic modifications due to inflammation,
whatever the cause is, are elements able to maintain
changes of pulmonary function, even though at milder
levels, between two acute episodes. This makes a RAOhorse a subject suitable of summing intensity of the respiratory pathophisiology mechanisms that develop in each
acute phase of the disease.
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