Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Child`s Health" 1 (69) 2016

Back to issue

Features of Cytological Profile of Induced Sputum in School-Age Children with Exercise-Induced Bronchial Asthma

Authors: Bezrukov L.O., Ortemenka Ye.P. - Higher State Educational Institution of Ukraine «Bukovinian State Medical University», Chernivtsi, Ukraine

Categories: Pediatrics/Neonatology

Sections: Clinical researches

print version


Summary

На базі обласної дитячої клінічної лікарні м. Чернівці в 41 школяра, які хворі на персистуючу бронхіальну астму (БА), вивчався характер запалення дихальних шляхів (ДШ) із метою диференційованого вибору протизапальної базисної терапії. Першу (І) клінічну групу сформували 22 дитини з фенотипом БА фізичного навантаження, а решта 19 хворих без наявності фенотипу БА фізичного навантаження увійшли до складу другої (ІІ) клінічної групи. Цитологічний аналіз індукованого мокротиння проводився за методом I.D. Pavord (1996 р.).
Хворим на БА фізичного навантаження притаманне гіпогранулоцитарне запалення ДШ із переважанням еозинофілопосередкованої реакції, асоційованої з гіперлімфоцитарною інфільтрацією бронхів. Так, бронхіальна еозинофілія (≥ 2 % еозинофілів у мокротинні) зареєстрована в 81,8 % школярів І групи та в 63,2 % — ІІ групи (Рϕ > 0,05). Водночас гіперлімфоцитарна (кількість лімфоцитів у клітинному осаді мокротиння ≥ 11 %) запальна реакція ДШ удвічі частіше реєструвалася у хворих на БА фізичного навантаження (22,7 % дітей) порівняно з пацієнтами ІІ групи (10,5 %) (Рϕ > 0,05).
У хворих без наявності фенотипу БА фізичного навантаження втричі частіше (36,8 % випадків) відмічалася значна нейтрофільна запальна відповідь ДШ (відносний вміст нейтрофілів в індукованому мокротинні ≥ 69 %) порівняно з пацієнтами І клінічної групи (13,6 %) (Рϕ < 0,05). Водночас нейтрофільний варіант запальної реакції ДШ асоціювався з вираженішим пошкодженням слизової оболонки бронхів, що проявлялося збільшенням кількості (≥ 40 % циліндричних епітеліоцитів в індукованому мокротинні) злущеного епітелію в даної когорти хворих (68,4 %) порівняно з І групою (40,9 % дітей; Рϕ < 0,05).

На базе областной детской клинической больницы г. Черновцы у 41 школьника, которые страдают персистирующей бронхиальной астмой (БА), изучали характер воспаления дыхательных путей (ДП) с целью дифференцированного выбора противовоспалительной базисной терапии. Первую (І) клиническую группу сформировали 22 ребенка с фенотипом БА физической нагрузки, а оставшиеся 19 больных без наличия фенотипа БА физической нагрузки вошли во вторую (ІІ) клиническую группу. Цитологический анализ индуцированной мокроты проводился методом I.D. Pavord (1996 г.).
Больным БА физической нагрузки присуще гипогранулоцитарное воспаление ДП с преобладанием эозинофил­опосредованной реакции, ассоциированной с гиперлимфоцитарной инфильтрацией бронхов. Так, бронхиальная эозинофилия (≥ 2 % эозинофилов в мокроте) зарегистрирована у 81,8 % школьников І группы и у 63,2 % — ІІ группы (Рϕ > 0,05). При этом гиперлимфоцитарная (количество лимфоцитов ≥ 11 % в клеточном осадке мокроты) воспалительная реакция ДП вдвое чаще регистрировалась у больных БА физической нагрузки (22,7 % детей) по сравнению с пациентами ІІ группы (10,5 %) (Рϕ > 0,05).
У больных без наличия фенотипа БА физической нагрузки втрое чаще (36,8 % случаев) отмечался значительный нейтрофильный воспалительный ответ ДП (относительное содержание нейтрофилов в индуцированной мокроте ≥ 69 %) по сравнению с пациентами І группы (13,6 %) (Рϕ < 0,05). При этом нейтрофильный вариант воспалительной реакции ДП ассоциировался со значительным повреждением слизистой оболочки бронхов, что проявлялось увеличением количества (≥ 40 % цилиндрических эпителиоцитов в индуцированной мокроте) слущенного эпителия у данной когорты больных (68,4 %) по сравнению с І группой (40,9 % детей; Рϕ < 0,05).

On the basis of Regional children’s clinical hospital of Chernivtsi, in 41 school-age children with persistent bronchial asthma (BA), the nature of airways inflammation has been studied with the aim of differential choice of anti-inflammatory basic therapy. The first (I) clinical group consisted of 22 children with exercise-induced BA phenotype, and the other 19 patients without a phenotype of exercise-induced BA were included in the second (II) clinical group. Cytological analysis of induced sputum was conducted by I.D. Pavord method (1996).
Patients with exercise-induced BA are characterized by hypogranulocytic inflammation of the airways, with a predominance of eosinophil-mediated reactions associated with hyperlymphocytic infiltration of the bronchi. So, bronchial eosinophilia (≥ 2 % of eosinophils in the sputum) was registered in 81.8 % of pupils in group I and in 63.2 % — in group II (Pϕ > 0.05). Meanwhile, hyperlymphocytic (number of lymphocytes in the cellular sediment of the sputum ≥ 11 %) inflammatory response of the airways was recorded twice as often in patients with exercise-induced BA (22.7 % of children) compared to group II patients (10.5 %) (Pϕ > 0.05).
In patients without exercise-induced BA phenotype, a signi­ficant neutrophilic inflammatory response of the airways (relative content of neutrophils in the induced sputum ≥ 69 %) was three times more likely (36.8 % of cases) in comparison with patients from the I clinical group (13.6 %) (Pϕ < 0.05). At the same time, the neutrophilic type of the airway inflammatory response was associated with a significant damage of the bronchial mucosa, which manifested by an increase in the number (≥ 40 % of the cylindrical epithelial cells in the induced sputum) of desquamated epithelium in this cohort of patients (68.4 %) compared to group I (40.9 % of children; Pϕ < 0.05).


Keywords

бронхіальна астма фізичного навантаження, діти, індуковане мокротиння, запалення.

бронхиальная астма физической нагрузки, дети, индуцированная мокрота, воспаление.

exercise-induced bronchial asthma, children, induced sputum, inflammation.

Currently, the main factors in the development of bronchial asthma are chronic inflammation and hyperresponsiveness of airways, the severity and nature of which determine both the severity of the disease and the effectiveness of anti-inflammatory basic therapy.

The latest scientific information suggest that chronic airways inflammation is associated with degree of bronchial hyperreactivity to exercise and, at the same time, the pathogenetic mechanisms of exercise-induced bronchoconstriction contribute to further inflammation persistence and bronchial epithelial layer damage. Published data regarding the association of the exercise-induced asthma phenotype with exact variant of the chronic airway inflammatory response (eosinophilic, noneosinophilic, paucigranulicytic) remains controversial and, at the same time, not studied enough in children population.

The aim. To study the particularities of the cytological profile of induced sputum in school-age children with exercise-induced asthma phenotype.

Materials and methods. In pulmonology department of the Chernovtsy Regional Children Clinical Hospital 41 school age child with persistent BA have been examined. Depending on the airway responsiveness to the exercise two clinical groups of observation have been formed. The first (I) clinical group has been formed from 22 children with exercise-induced asthma (EIA), demonstrated a percentage fall in forced expiratory volume in 1 sec (FEV1 )  from baseline after exercise challenge of ≥ 15% (%FEV1 fall). The second (II) clinical group included the remaining 19 patients with BA without exercise-induced bronchoconstriction (%FEV1 fall <15%). A cytological analysis of induced sputum obtained by inhalation of serial dilutions of hypertonic solutions (3%, 5%, 7%) of sodium chloride has been performed to all children by the method of Pavord I.D. in modification of Pizzichini M.M. (1996). The comparison groups did not differ significantly on the main (sex, age, place of residence) clinical characteristics. These survey results were analyzed by parametric (Pt, Students’ criteria) and nonparametric (Pφ, Fisher's angular transformation) methods of calculation.

Results. The cellular composition of the induced sputum of children with EIA was: 6,6±1,5% of eosinophilic granulocytes, 50,3±4,7% of neutrophilic granulocytes, 31,2±6,0% of alveolar macrophages, 12,1±3,3% of lymphocytes and 0,4±0,4% of must cells. In the cytological profile of bronchial secretions of patients of II-nd group there have been included, respectively: 7,4±2,1% of eosinophils (Pt>0,05), 55,9±5,2% of neutrophils (Pt>0,05), 26,9±3,9% of macrophages (Pt>0,05), 9,8±3,6% of lymphocytes (Pt>0,05) and no one must cell.

In majority of patients with EIA an eosinophilic response of airways has been observed. Thus, a significant eosinophilia of bronchial secretions (number of eosinophilic granulocytes ≥12% in induced sputum) was determined only in 63,2% of cases in the II-nd group, however, was recorded in 81,8% of patients with EIA phenotype (Рφ>0,05). At the same time, expressive lymphocytic inflammatory response of airways has been observed in children with EIA. Thus, a relatively moderate lymphocytosis of airways (lymphocyte counts in sputum ≥11%) has been observed almost in every fourth (22,7%) patients with EIA phenotype, but only in 10,5% cases in the II-nd comparison group (Рφ>0,05). 

In school-aged asthma patients without exercise-induced bronchoconstriction an intensive neutrophilic type of airway inflammation has been registered three times as often compared to a cohort of patients with EIA phenotype. Thus, significant amount (≥ 69%) of neutrophilic leucocytes in induced sputum has been registered in 36,8% patients of the II-nd group of observation, but only in 13,6% children with EIA (Рφ<0,05). Neutrophilic type of airway inflammation has been associated with significant damage of bronchial epithelium that has been expressed by increased number of desquamated epithelial cell in cellular sediment of the induced sputum. Thus, the number of cylindrical epithelial cells in bronchial secretion ≥40% was recorded only in 40,9% patients with EIA, but in the most cases (68,4% patients) in the II-nd comparison group (Рφ<0,05). Probably, in children without exercise-induced bronchoconstriction significant damage of respiratory epithelium due to chronic inflammation favours the development of airways remodeling, associated with low grade bronchial reactivity to hyperventilation and exercise.

Conclusions. It has been observed that exercise-induced asthma phenotype in school-age children characterized by oligocellular (eosinophilic response with hyperlymphocytic reaction) type of chronic airways inflammation, associated with moderate damage of bronchial epithelial layer. Cytological profile of induced sputum of school-age asthma patients without exercise-induced bronchoconstriction indicates multicellular mixed (neutrophilic-eosinophilic response with moderate lymphocytic reaction) type of airways inflammation, associated with expressive respiratory epithelium damage and airways remodeling.


Bibliography

1. Безруков Л.О. Порівняльний аналіз цитологічного складу мокротиння школярів, хворих на бронхіальну астму, при еозинофільному та нейтрофільному характері запалення дихальних шляхів / Л.О. Безруков, О.К. Колоскова, Є.П. Ортеменка // Здоровье ребенка. — 2012. — № 2(37). — С. 28-30.

2. Вибрані питання діагностики та лікування бронхіальної астми в дітей / За ред. проф. Безрукова Л.О., проф. Колоскової О.К. — Чернівці: Місто, 2011. — 248 с.

3. Airway inflammation and bronchial hyperreactivity in steroid naive children with intermittent and mild persistent asthma / M. Toyran, A.Bakirtas, F. Dogruman-Al et al. // Pediatric Pulmonology. — 2014. — Vol. 49, № 2. — Р. 140-147.

4. An Official American Thoracic Society Clinical Practice Guideline: Exercise-induced Bronchoconstriction / J.P. Parsons, T.S. Hallstrand, J.G. Mastronarde, D.A. Kaminsky, K.W. Rundell, J.H. Hull et al. // Am. J. Respir. Crit. Care Med. — 2013. — Vol. 187, Iss. 9. — P. 1016-1027.

5. Chipps B.E. Phenotypic expression of childhood weezing and asthma: implications for therapy / B.E. Chipps, L.B. Bacharier, J.M. Harder // J. Pediatrics. — 2011. — Vol. 158, № 6. — P. 878-884.

6. Cho J.Y. Recent advances in mechanisms and treatments of airway remodeling in asthma: a message from the bench side to the clinic / J.Y. Cho // Korean J. Intern. Med. — 2011. — Vol. 26(4). — P. 367-383.

7. Damera G. Does airway smooth muscle express an inflammatory phenotype in asthma? / G. Damera, R.A. Panettieri // Br. J. Pharmacol. — 2011. — Vol. 163(1). — P. 68-80.

8. Fixman E.D. Basic mechanisms of development of airway structural changes in asthma / E.D. Fixman, A. Stewart, J.G. Martin // Eur. Respir. J. — 2007. — Vol. 29. — P. 379-389.

9. Hallstrand T.S. New insights into pathogenesis of exercise-induced bronchoconstriction / T.S. Hallstrand // Curr. Opin. Allergy Clin. Immunol. — 2012. — Vol. 12, № 1. — P. 42-48.

10. Lopes W.A. Exercise-induced bronchospasm in obese and non-obese asthmatic adolescents / W.A. Lopes, N. Leite, N. Rosário // Rev. Paul. Pediatr. — 2010. — Vol. 28(1). — P. 36-40.

11. Mechanisms of Remodeling in Asthmatic Airways / A. Shifren, C. Witt, C. Christie, M. Castro // J. Allergy (Cairo). — 2012. — Vol. 2012. — P. e1-12.

12. Practice Parameter: Pathogenesis, prevalence, diagnosis, and management of exercise-induced bronchoconstriction: a practice parameter // Annals of allergy, asthma & immunology. — 2010. — 105. — S1-S47.

13. Sputum Eosinophils and the Response of Exercise-Induced Bronchoconstriction to Corticosteroid in Asthma / MyL. Duong, P. Subbarao, M.E. Adelroth, G. Obminski, T. Strinich, M. Inman, S. Pedersen, P.M. O’Byrne // Chest. — 2008. — Vol. 133. — P. 404-411.

14. Sputum induction in severe exacerbations of asthma: safety of a modified method / M.O. Vieira, E. Pizzichini, L.J. Steidle et al. // Eur. Respir. J. — 2011. — Vol. 38(4). — P. 979-980.

15. Zedan M. Clinical asthma phenotypes and therapeutic responses / M. Zedan, G. Attia, M.M. Zedan, A. Osman et al. // ISRN Pediatrics. — 2013. — P. 1-7.

16. Zedan M. Clinical asthma phenotyping: A trial for bridging gaps in asthma management / M.M. Zedan, W.N. Laimon, A.M. Osman, M.M. Zedan // World J. Clin. Pediatr. — 2015. — Vol. 4(2). — P. 13-18.


1. Bezrukov L.O.  Porivnyal'nyy analiz tsytolohichnoho skladu mokrotynnya shkolyariv, khvorykh na bronkhial'nu astmu, pry eozynofil'nomu ta neytrofil'nomu kharakteri zapalennya dykhal'nykh shlyakhiv / L.O. Bezrukov, O.K. Koloskova, Ye.P. Ortemenka // Zdorov'e rebenka. – № 2(37). - 2012. – S. 28- 30. http://www.mif-ua.com/archive/article/27254

2. Vybrani pytannya diahnostyky ta likuvannya bronkhial'noyi astmy v ditey / za red. prof. Bezrukova L.O., prof. Koloskovoyi O.K. – Chernivtsi: «Misto», 2011. – 248 s.

3. Toyran M.,  Bakirtas A., Dogruman-Al F. et al. Airway inflammation and bronchial hyperreactivity in steroid naive children with intermittent and mild persistent asthma. Pediatric Pulmonology 2014; 49(2):140–147. doi: 10.1002/ppul.22810.

4. Parsons J.P., Hallstrand T.S., Mastronarde J.G., Kaminsky D.A., Rundell K.W., Hull J.H. et al. An Official American Thoracic Society Clinical Practice Guideline: Exercise-induced Bronchoconstriction. Am J Respir Crit Care Med 2013; 187(9):1016–1027. doi: 10.1164/rccm.201303-0437ST/

5. Chipps B.E., Bacharier L.B., Harder J.M. Phenotypic expression of childhood weezing and asthma: implications for therapy. J Pediatrics 2011; 158(6):878-884. doi: 10.1016/j.jpeds.2011.01.057.

6. Cho J.Y. Recent advances in mechanisms and treatments of airway remodeling in asthma: a message from the bench side to the clinic. Korean J Intern Med 2011; 26 (4):367-383. http://dx.doi.org/10.3904/kjim.2011.26.4.367

7. Damera G., Panettieri R.A. Does airway smooth muscle express an inflammatory phenotype in asthma? Br J Pharmacol 2011; 163 (1):68-80. DOI:10.1111/j.1476-5381.2010.01165.x

8. Fixman E.D., Stewart A., Martin J.G. Basic mechanisms of development of airway structural changes in asthma. Eur Respir J 2007;29: 379–389. doi: 10.1183/09031936.00053506

9. Hallstrand T.S. New insights into pathogenesis of exercise-induced bronchoconstriction. Curr Opin Allergy Clin Immunol 2012; 12(1):42–48. doi: 10.1097/ACI.0b013e32834ecc67.

10. Lopesa W.A., Leite N., Rosário N. Exercise-induced bronchospasm in obese and non-obese asthmatic adolescents. Rev Paul Pediatr 2010; 28(1):36-40. http://www.scielo.br/pdf/rpp/v28n1/en_v28n1a07.pdf

11.  Shifren A.,  Witt C.,  Christie C., Castro M. Mechanisms of Remodeling in Asthmatic Airways. J Allergy (Cairo) 2012; Article ID 316049: e1-12. doi: 10.1155/2012/316049.

12. Practice Parameter: Pathogenesis, prevalence, diagnosis, and management of exercise-induced bronchoconstriction: a practice parameter / Annals of allergy, asthma & immunology 2010; 105: S1-S47. doi:10.1016/j.anai.2010.09.021

13. Duong MyL., Subbarao P., Adelroth M.E., Obminski G., Strinich T., Inman M., Pedersen S., O’Byrne P.M. Sputum Eosinophils and the Response of Exercise-Induced Bronchoconstriction to Corticosteroid in Asthma.  Chest 2008; 133:404–411) DOI 10.1378/chest.07-2048

14. Vieira M.O., Pizzichini E., Steidle L.J. et al. Sputum induction in severe exacerbations of asthma: safety of a modified method. Eur Respir J 2011; 38 (4):979-980. doi: 10.1183/09031936.00029511.

15. Zedan M., Attia G., Zedan M.M., Osman A. et al.  Clinical asthma phenotypes and therapeutic responses. ISRN Pediatrics 2013; 2013: e1-7. doi: 10.1155/2013/824781.

16. Zedan M., Laimon W.N., Osman A.M., Zedan M.M. Clinical asthma phenotyping: A trial for bridging gaps in asthma management. World J Clin Pediatr 2015; 4(2):13-18. doi: 10.5409/wjcp.v4.i2.13


Back to issue