abstrakt
når vi trækker vejret, udveksler lungerne ilt fra luften mod kulstofaffald fra blodet. Denne udveksling er afgørende for livet. Hvert åndedrag udsætter lungerne for det ydre miljø, som indeholder forurening og bakterier, hvilket udgør en trussel mod vores helbred. Den første forsvarslinje kaldes mucociliær rulletrappe: slim fælder det potentielt farlige materiale, og cilia skubber materialet op og ud af vores luftveje. Når den mucociliære rulletrappe ikke fungerer korrekt, kan vi udvikle lungesygdom. For eksempel har patienter med genetiske sygdomme som cystisk fibrose (CF) og primær ciliær dyskinesi (PCD) eller rygerelaterede sygdomme som kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL) ekstremt tykt slim. Dette slim opbygges, hvilket gør det muligt for bakterier, svampe og vira at trives, hvilket forårsager lungeskader og nedsat iltning. Lungesygdomme gør vejrtrækning ekstremt vanskelig, og patienter kan have livstruende luftvejssygdom, når den mucociliære rulletrappe ikke kan opretholde lungesundheden.
Hvordan virker lungerne?
lungernes primære funktion er vejrtrækning. Gasudveksling er navnet på den proces, hvormed ilt kommer ind i blodbanen (fra indånding), og kulstofaffald forlader kroppen (fra udånding). Lungens struktur har udviklet sig til at udføre denne opgave meget effektivt. Lungens grundlæggende struktur er en række hule rør, kaldet luftveje. Luftvejene forgrener sig og bliver mindre og slutter i små luftsække kaldet alveoler. Alveoler er dækket af små blodkar, der hedder kapillærer, som fungerer til at udveksle gasser i blodet . Lungerne kan sammenlignes med et træ, der har en stor hovedstamme med grene, der bliver mindre, jo længere væk de er fra bagagerummet. Alveolerne er som bladene.
der er to hovedområder i lungen: det ledende område og luftvejsområdet (Figur 1). Luft føres ind i lungerne gennem det ledende område og bringes til det alveoliholdige åndedrætsområde. Alveolerne fra en person har det samme overfladeareal som en tennisbane, som er masser af område for at give mulighed for gasudveksling. Ledningsområdet er den del af lungen, som luft strømmer igennem uden gasudveksling, fordi rørene er for tykke til, at gasserne kan bevæge sig over. Det ledende område er foret med hårlignende strukturer kaldet cilia, der er dækket af slim, hvilket hjælper med at fælde potentielt farlige materialer. Cilia er mobile, små, fingerlignende fremspring på overfladen af luftvejsceller. Cilia linje luftvejene og hjælpe med at flytte slim op og ud af lungerne . Cilia er omkring 6-7 mikrometer høje, eller omtrent en tiendedel bredden af et menneskehår .
- Figur 1 – mucociliær rulletrappe hos en sund person (venstre) og hos en person med en syg mucociliær rulletrappe (højre).
- den mucociliære rulletrappe findes i luftrøret, bronchi og bronchioler, som er en del af det ledende område. Gasudveksling forekommer i alveolerne i luftvejsområdet (indsat).
partikler og bakterier i luften—hvorfor lungerne har brug for forsvar
der er mange typer partikler, der kan komme ind i lungerne og forårsage skade. Nogle af disse partikler er forurenende stoffer, såsom emissioner fra gasdrevne køretøjer, kulilte fra pejse, toksiner fra vaping eller rygning og aerosoler som hårspray. Partikler kan blive fanget i forskellige områder af lungen. Korte hår, ligesom den slags på toppen af dit hoved, linje indersiden af næseborene og er dækket med slim. Disse slimdækkede hår hjælper med at fange større partikler, når de kommer ind i næsen. Partikler, der kommer ind i det ledende område, kan skade luftvejscellerne, hvilket kan reducere bevægelsen af deres cilia og føre til ophobning af slim, der ikke kan ryddes fra luftvejene . Slim-tilstoppede luftveje tillader muligvis ikke luft at rejse så effektivt, ligesom den måde, hvorpå blade i en tagrender forstyrrer vandstrømmen. Mindre partikler kan undertiden komme helt til alveolerne. Skader på alveolerne gør vejrtrækningen betydeligt vanskeligere, fordi ilt ikke diffunderer så godt ind i blodet. Denne reducerede effektivitet af gasudveksling kan medføre, at resten af kroppen er hypoksisk, hvilket betyder lavt iltindhold. Kun det ledende område, fra luftrøret til bronchiolerne, har evnen til at bevæge slim ved hjælp af cilia, så alveoler kan ikke stole på denne mekanisme for at slippe af med disse små partikler . At bo i en forurenet by eller år med rygning/vaping kan få lungevævet til at blive betændt og føre til sygdomme, såsom kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL) .
Hvad er den mucociliære rulletrappe?
den mucociliære rulletrappe er inde i de ledende luftveje og består af slim og cilia, som bevæger slimet op og ud af lungerne, hvor det kan udvises ved hoste eller synke (Figur 1, 2) . Som den første forsvarslinje består luftvejsslim af forskellige komponenter, der hjælper det med at fange partikler og bakterier . Slim er en fysisk barriere for at beskytte lungen og har egenskaber, der hjælper med at slippe af med potentielt infektiøse bakterier, svampe og vira . Nogle af de vigtige komponenter i luftvejsslim er muciner (klæbrige, sukkerovertrukne proteiner), forsvarsproteiner, salt og vand. Sammen danner disse komponenter en gel, der fælder partikler, der kommer ind i luftvejen .
- figur 2 – (venstre) Cilia i sunde luftveje er mobile og i stand til at bevæge slim effektivt op i mucociliær rulletrappe.
- (midten) i CF bliver slim tykt og vanskeligt at bevæge sig, hvilket får den mucociliære rulletrappe til at være mindre effektiv; dette gør det muligt at fange bakterier/partikler og til sidst forårsage lungeskader. (Højre) i PCD er cilia mindre mobile eller endda immobile, hvilket gør dem ude af stand til at flytte slim op i mucociliær rulletrappe.
slim produceres for det meste af celler, der linjer indersiden af luftvejene. Disse kaldes bægerceller. Bægerceller er formet som middelalderlige kalk, deraf navnet bæger. I modsætning til andre celler i luftvejene, der er cilierede og formet som søjler, har bægerceller ikke cilia på toppen. Bægerceller er ikke til stede ud over det ledende område for at forhindre slim i at forstyrre gasudvekslingen. Slim er også involveret i hydrering af luftveje, hvilket er nødvendigt for korrekt funktion af cilia .
bevægelsen af cilia ligner den måde, dine arme bevæger sig på, mens du svømmer brystslaget . En individuel cilium er ikke stærk nok til at bevæge slimlaget alene, men når tusindvis af cilia slår sammen på en koordineret måde, kan de kollektivt få slimet til at bevæge sig . Forestil dig en skare på en koncert, når kunstneren dykker ned fra scenen for at skure surf: kunstneren er som et bundt slim, bliver holdt op af armene på mængden og bevæget sig sammen i en koordineret bølge. På en måde taler cilia med hinanden gennem bevægelse for at producere koordineret, effektiv bevægelse af slim! Sådan fungerer den mucociliære rulletrappe.
hvilke sygdomme kan der ske, når den mucociliære rulletrappe ikke fungerer korrekt?
nogle mennesker arver unormale gener fra deres forældre og er født med en sygdom kaldet primær ciliær dyskinesi (PCD) (figur 2). PCD er en lungesygdom, der forhindrer cilia i at slå effektivt og i alvorlige tilfælde forhindrer dem i at bevæge sig overhovedet . Hos PCD-patienter inficeres luftvejene på grund af ineffektiv slimtransport, hvilket skader luftvejscellerne. Når luftvejene bliver beskadiget over tid, bliver de floppy, som et sammenbrudt halm, der forhindrer luft i at bevæge sig gennem dem og får vejrtrækning til at blive vanskelig. Forestil dig at drikke en tyk, lækker milkshake; der kræves mindre indsats, når du bruger et halm med normal bredde sammenlignet med et halm, der er bredden på en spaghetti-nudel.
cystisk fibrose (CF) er en anden arvelig sygdom, der påvirker den mucociliære rulletrappe (figur 2). Mennesker med CF har mutationer i begge kopier af genet (en fra mor og en fra far), der er ansvarlig for at fremstille et protein kaldet cystisk fibrose transmembran konduktansregulator (CFTR). CFTR danner en kanal på tværs af membranerne i celler, der er involveret i produktionen af sved, fordøjelsesvæsker og slim. CFTR regulerer, hvor meget vand der ender i disse sekretioner, og dermed hvor tykt og klæbrigt slimet bliver. Når kanalen ikke fungerer korrekt, har slimet ikke nok vand og bliver tykt, som lim. Det ekstraordinært tykke slim akkumuleres i lungerne, i modsætning til normalt, vandigt slim, der let ryddes af den mucociliære rulletrappe, hvilket får det tykke slim til at opbygges og til sidst forårsage luftvejsødelæggelse og lungesvigt.
kronisk obstruktiv lungesygdom (COPD) er en sygdom, der kan opstå efter rygning af cigaretter eller vaping af e-cigaretter. KOL kan påvirke den mucociliære rulletrappe negativt og forårsage lungesygdom, der på mange måder ligner CF . Skader på mucociliær rulletrappe kan bidrage til andre almindelige sygdomme som lungebetændelse og astma, som har lignende, men nogle gange mindre alvorlige, problemer med slim.
konklusion: hvorfor slim, Cilia og mucociliær rulletrappe betyder
korrekt funktion af mucociliær rulletrappe er nødvendig for sunde lunger. Slim og cilia er en primær forsvarsmekanisme for lungerne. Hvis der er et problem med enten slim eller cilia, kan luftvejene blive blokeret, og de skadelige bakterier og partikler kan fanges i lungerne og forårsage skade. Genetiske sygdomme som PCD og CF og erhvervede sygdomme som KOL påvirker den mucociliære rulletrappe negativt. Disse lungesygdomme kan resultere i mindre gasudveksling og få resten af kroppen til at blive hypoksisk. Så husk – når du er hjemme syg med forkølelse, er slimet du hoster op fra din mucociliære rulletrappe, og det hjælper med at holde dine lunger glade og sunde ved at fjerne potentielt skadelige partikler og bakterier!
Forfatterbidrag
mv, JP, JK, TB, SP, R-JS og SR bidrog til manuskriptforberedelsen og den endelige redigering. Alle forfattere godkendte det endelige manuskriptudkast inden indsendelse.
ordliste
gasudveksling: den proces, hvormed kulstof (CO2) affald fjernes fra blodstrømmen og erstattes af inhaleret ilt (O2).
alveoler: luftsække, der udgør den mindste del af luftvejsområdet; alveoler og kapillære blodkar er meget tæt på; det er her gasudveksling finder sted.
ledende område: den del af luftvejene, der ikke er involveret i gasudveksling; formålet med ledningsområdet er at flytte luft til og fra luftvejsområdet; hvor den mucociliære rulletrappe er placeret; findes i den proksimale lunge fra luftrøret til bronchiolerne.
Åndedrætsområde: den del af luftvejene, hvor gasudveksling forekommer; fundet i den distale lunge, hvor alveolerne er placeret.
Cilia: Mobile, hårlignende fremspring på den øverste del af celler, der forer det ledende område luftveje; cilia bevæger slim langs den mucociliære rulletrappe.
Slim: klæbrig, gelignende stof, der sidder på toppen af cilia børsten i ledende område luftveje; i lungerne fremstilles slim af bægerceller og kirtler og fungerer til at beskytte luftvejene mod farlige materialer; slim er sammensat af vand, mucinglycoproteiner, forsvarsproteiner og salt.
mucociliær rulletrappe: betegnelse for apparatet af slim og cilia; ansvarlig for bevægelse af slim op og ud af luftvejene; slim fælder partikler og cilia drive slim op og ud af lungerne.
interessekonflikt
SR har en ulicenseret patentanvendelse af mikrooptisk kohærens-tomografi som en diagnostisk enhed, der bruges til at karakterisere den funktionelle mikroanatomi i den mucociliære rulletrappe.
de resterende forfattere erklærer, at forskningen blev udført i mangel af kommercielle eller økonomiske forhold, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.
anerkendelser
forfatterne vil gerne anerkende George D. Phillips (alder 13), S. Corinne Phillips (16 år) og Andreas Rove (14 år) for at læse manuskriptet og deres tankevækkende redigeringer og feedback. Jeremie Lever og Basil Bono for at yde uvurderlig støtte til færdiggørelsen af dette projekt.
Vest, J. B. 2012. Vestens Åndedrætsfysiologi: det væsentlige. 9. udgave. Baltimore, MD: Lippincott Vilhelms & Vilkins.
viden, M. R. og Boucher, R. C. 2002. Slim clearance som en primær medfødt forsvarsmekanisme for pattedyrs luftveje. J. Clin. Investere. 109:571–7. doi: 10.1172/jci15217
Peabody, J. E., Shei, R. J., Bermingham, B. M., Phillips, S. E., Turner, B., Rovi, S. M., et al. 2018. At se cilia: billeddannelsesmetoder for ciliær bevægelse og kliniske forbindelser. Er. J. Physiol. Lungecelle. Mol. Physiol. 314: L909-21. doi: 10.1152 / ajplung.00556.2017
Jang, P., sommer, V. R., Bagby, G. J. og Nelson, S. 2000. Medfødt immunitet og pulmonal vært forsvar. Immunol. Åb 173:39-51. doi: 10.1034 / j. 1600-065H.2000. 917306.Bustamante-Marin, L. E., L. E. 2017. Cilia og mucociliær clearance. Cold Spring Harbor Perspect. Biol. 9: a028241. doi: 10.1101 / cshperspect.a028241