EVALUATION OF THE FEASIBILITY OF A NOVEL SWINE MODEL FOR EMPTY NOSE SYNDROME USING HISTOLOGIC EXAMINATION AND COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS

Abstract

배경 및 목적: 빈코 증후군은 하비갑개 수술 이후 발생하는 의인성 질환으로, 환자들이 호소하는 고통은 심한데 비해 질병 발생의 원인이나 치료에 대해서는 아직 밝혀진 바가 많지 더 광범위한 기초 연구가 필요한 분야이다. 아직까지 빈코 증후군의 동물모델이 전무한 현실이나, 잘 확립된 동물 모델은 복잡한 질환의 병인을 더 잘 이해하고 치료법을 개발할 기반이 될 것이다. 따라서 본 연구는 빈코 증후군의 돼지 모델을 개발하고 이 모델의 실현 가능성을 조직학 및 계산 유체 역학 분석을 통해 확인하고자 한다.

방법: 총4마리의 Yorkshire 돼지에 좌측 하비갑개 전절제를 시행한 후 6개월 후 희생하였다. 양쪽 비점막 전체를 채취하여 H&E 염색, S-100 염색, TRPM-8 수용체 염색, TRPV1및 PIEZO-2 염색을 사용하여 조직학적 분석을 실시하였다. 또한, 돼지 비강의 컴퓨터 단층 촬영을 이용한 계산 유체 역학 분석을 수행하여 기능적 측면에서 질병 모델을 검증하였다. 돼지 비강의 컴퓨터 단층 촬영은 수술 전, 좌측 하비갑개 절제 후 및 양측 하비갑개 절제 후에 각각 시행되었다.

결과: H&E 염색은 빈코 증후군 돼지 모델의 비강 전반부에서 편평상피 화생이 유의적으로 증가함을 보여주었다 (양성률 96.4% 대 78.6%, p=0.043). 또한 비강 중반부에서 점막 하 섬유화가 유의하게 증가하였다 (양성률 42.9% 대 17.9%, p=0.018). S-100 염색에서는 신경 주위의 염증이나 변화는 없었지만 신경에서 TRPM-8 발현이 현저히 감소함을 보여주었다 (양성률 50.0% 대 95.3%, p=0.010). TRPV1 발현은 전반적으로 증가하고 신경에서의 발현률이 증가하였다 (양성률 71.4% 대 14.3%, p=0.025). 계산 유체 역학 분석 결과, 빈코 증후군 돼지 모델에서 전반적인 기류 저항이 감소하고, 비인두에서 상대 습도 및 공기 온도가 감소하는 것을 보여주었다, 이는 실제 빈코 증후군 환자에서의 변화와 유사하다.

결론: 돼지를 이용한 빈코 증후군 동물 모델에 대한 조직학적 검사와 계산 유체 역학 결과는 본 모델이 빈코 증후군의 실현 가능한 동물 모델로 기능할 수 있음을 보여준다.|Background. Empty Nose Syndrome (ENS) is an iatrogenic condition that occurs after turbinate reduction surgery. The ENS has a complicated pathophysiology that requires extensive basic research. Recent studies suspected that decreased airflow sensation is related to a receptor that perceive cool sensation, and by analyzing computed tomography (CT) scans of the patients, there were decreased air-conditioning functions in the ENS patients. A good animal model would be a stepping stone for a better understanding of the pathogenesis and the development of treatment methods for this complicated condition; however, no relevant animal model of ENS has yet been established. Thus, this study aimed to develop a swine model of ENS and validate the feasibility of this model using histological and Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses.

Methods. Four Yorkshire pigs underwent unilateral turbinectomy and were sacrificed 6 months postoperatively. Both nasal mucosal linings were harvested and histological analysis was performed using Hematoxylin and Eosin (H&E), S-100, Transient Receptor Potential channel subfamily M member 8 (TRPM-8) receptor, Transient Receptor Potential Vanilloid 1 (TRPV1), and Piezo-type mechanosensitive ion channel component 2 (PIEZO2) stainings. A CFD analysis was also performed on Yorkshire pigs to validate the ENS model in terms of airflow characteristics. Computed Tomography (CT) scans of the entire pig head were performed preoperatively and after unilateral and bilateral turbinate resection.

Results. Compared to the control mucosa, H&E staining of the ENS swine model showed significantly increased squamous metaplasia in the anterior portion (positivity rate, 96.4% vs. 78.6%, p=0.043) and submucosal fibrosis in the middle portion (positivity rate, 42.9% vs. 17.9%, p=0.018). There were no neuronal inflammatory changes on S-100 staining; however, there was a marked decrease in TRPM-8 expression in the peripheral nerves (positivity rate, 50.0% vs. 95.3%, p=0.010). TRPV1 staining showed an overall increase in expression levels in peripheral nerves (positivity rate, 71.4% vs. 14.3, p=0.025). CFD analysis showed decreased overall nasal resistance and decreased relative humidity and air temperature at the choana level, similar to the changes found in human CFD data for ENS.

Conclusions. Pathologic features, changes in the level of TRP receptors and the CFD changes indicate that the ENS swine model could serve as a feasible animal model to better understand the pathophysiology of ENS.