Zusammenfassung
Wenn wir atmen, tauschen die Lungen Sauerstoff aus der Luft gegen Kohlendioxidabfälle aus dem Blut aus. Dieser Austausch ist lebensnotwendig. Jeder Atemzug setzt die Lunge der äußeren Umgebung aus, die Verschmutzung und Keime enthält und eine Bedrohung für unsere Gesundheit darstellt. Die erste Verteidigungslinie heißt mukoziliäre Rolltreppe: Schleim fängt das potenziell gefährliche Material ein und Zilien drücken dieses Material nach oben und aus unseren Atemwegen. Wenn die mukoziliäre Rolltreppe nicht richtig funktioniert, können wir eine Lungenerkrankung entwickeln. Zum Beispiel haben Patienten mit genetischen Erkrankungen wie Mukoviszidose (CF) und primärer Ziliardyskinesie (PCD) oder rauchbedingten Erkrankungen wie chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) extrem dicken Schleim. Dieser Schleim baut sich auf und lässt Bakterien, Pilze und Viren gedeihen, was zu Lungenschäden und verminderter Sauerstoffversorgung führt. Lungenerkrankungen erschweren das Atmen extrem, und Patienten können lebensbedrohliche Atemwegserkrankungen haben, wenn die mukoziliäre Rolltreppe die Lungengesundheit nicht aufrechterhalten kann.
Wie funktioniert die Lunge?
Die primäre Funktion der Lunge ist das Atmen. Gasaustausch ist der Name des Prozesses, bei dem Sauerstoff in den Blutkreislauf gelangt (durch Einatmen) und Kohlendioxidabfälle den Körper verlassen (durch Ausatmen). Die Struktur der Lunge hat sich weiterentwickelt, um diese Aufgabe sehr effizient zu erfüllen. Die Grundstruktur der Lunge besteht aus einer Reihe hohler Röhren, die als Atemwege bezeichnet werden. Die Atemwege verzweigen sich und werden kleiner und enden in winzigen Luftsäcken, die Alveolen genannt werden. Alveolen sind mit kleinen Blutgefäßen bedeckt, die Kapillaren genannt werden und die Gase im Blut austauschen . Die Lunge kann mit einem Baum verglichen werden, der einen großen Hauptstamm hat, dessen Äste umso kleiner werden, je weiter sie vom Stamm entfernt sind. Die Alveolen sind wie die Blätter.
In der Lunge gibt es zwei Hauptregionen: die leitende Zone und die Atmungszone (Abbildung 1). Luft wird durch die leitende Zone in die Lunge transportiert und in die alveolenhaltige Atmungszone gebracht. Die Alveolen von einer Person haben die gleiche Oberfläche wie ein Tennisplatz, was viel Fläche für den Gasaustausch bietet. Die leitende Zone ist der Teil der Lunge, durch den Luft ohne Gasaustausch strömt, da die Rohre zu dick sind, als dass sich die Gase bewegen könnten. Die leitende Zone ist mit haarähnlichen Strukturen ausgekleidet, die als Zilien bezeichnet werden und mit Schleim bedeckt sind, wodurch potenziell gefährliche Materialien eingefangen werden können. Zilien sind bewegliche, winzige, fingerartige Vorsprünge auf der Oberfläche von Atemwegszellen. Zilien säumen die Atemwege und helfen, Schleim nach oben und aus der Lunge zu bewegen . Zilien sind etwa 6-7 Mikrometer groß oder etwa ein Zehntel der Breite eines menschlichen Haares .
- Abbildung 1 – Die mukoziliäre Rolltreppe bei einer gesunden Person (links) und bei einer Person mit einer erkrankten mukoziliären Rolltreppe (rechts).
- Die mukoziliäre Rolltreppe befindet sich in der Luftröhre, den Bronchien und den Bronchiolen, die Teil der leitenden Zone sind. Der Gasaustausch erfolgt in den Alveolen in der Atmungszone (Inset).
Partikel und Keime in der Luft — Warum die Lunge Schutz braucht
Es gibt viele Arten von Partikeln, die in die Lunge gelangen und Schäden verursachen können. Einige dieser Partikel sind Schadstoffe wie Emissionen von gasbetriebenen Fahrzeugen, Kohlenmonoxid aus Kaminen, Giftstoffe aus Dämpfen oder Rauchen und Aerosole wie Haarspray. Partikel können in verschiedenen Bereichen der Lunge eingeschlossen werden. Kurze Haare, wie die Art auf dem Kopf, säumen die Innenseiten der Nasenlöcher und sind mit Schleim bedeckt. Diese schleimbedeckten Haare fangen größere Partikel ein, wenn sie in die Nase gelangen. Partikel, die in die leitende Zone gelangen, können die Atemwegszellen verletzen, was die Bewegung ihrer Zilien verringern und zu einer Ansammlung von Schleim führen kann, der nicht aus den Atemwegen entfernt werden kann . Schleim Verstopfte Atemwege können nicht zulassen, dass Luft so effektiv reisen, wie die Art und Weise Blätter in einer Rinne mit Wasserfluss stören. Kleinere Partikel können manchmal bis zu den Alveolen gelangen. Schäden an den Alveolen erschweren das Atmen erheblich, da Sauerstoff nicht so gut ins Blut diffundiert. Diese verminderte Effizienz des Gasaustauschs kann dazu führen, dass der Rest des Körpers hypoxisch ist, was sauerstoffarm bedeutet. Nur die leitende Zone, von der Luftröhre bis zu den Bronchiolen, hat die Fähigkeit, Schleim mit Zilien zu bewegen, so dass sich Alveolen nicht auf diesen Mechanismus verlassen können, um diese kleinen Partikel loszuwerden . Das Leben in einer verschmutzten Stadt oder jahrelanges Rauchen / Dampfen kann dazu führen, dass sich das Lungengewebe entzündet und zu Krankheiten wie chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) führt .
Was ist die mukoziliäre Rolltreppe?
Die mukoziliäre Rolltreppe befindet sich innerhalb der leitenden Atemwege und besteht aus Schleim und Zilien, die den Schleim nach oben und aus der Lunge bewegen, wo er durch Husten oder Schlucken ausgestoßen werden kann (Abbildungen 1, 2) . Als erste Verteidigungslinie besteht Atemwegsschleim aus verschiedenen Komponenten, die ihm helfen, Partikel und Keime einzufangen . Schleim ist eine physikalische Barriere zum Schutz der Lunge und hat Eigenschaften, die dazu beitragen, potenziell infektiöse Bakterien, Pilze und Viren loszuwerden . Einige der wichtigen Bestandteile des Atemwegsschleims sind Mucine (klebrige, mit Zucker überzogene Proteine), Abwehrproteine, Salz und Wasser. Zusammen bilden diese Komponenten ein Gel, das Partikel einfängt, die in die Atemwege gelangen .
- Abbildung 2 – (Links) Zilien in gesunden Atemwegen sind beweglich und können Schleim effizient die mukoziliäre Rolltreppe hinauf bewegen.
- (Mitte) Bei CF wird der Schleim dick und schwer zu bewegen, wodurch die mukoziliäre Rolltreppe weniger effizient ist. (Rechts) Bei PCD sind Zilien weniger beweglich oder sogar unbeweglich, so dass sie den Schleim nicht auf der mukoziliären Rolltreppe hinaufbewegen können.
Schleim wird hauptsächlich von Zellen produziert, die das Innere der Atemwege auskleiden. Diese werden Becherzellen genannt. Kelchzellen sind wie mittelalterliche Kelche geformt, daher der Name Kelch. Im Gegensatz zu anderen Zellen in den Atemwegen, die bewimpert und säulenförmig sind, haben Becherzellen oben keine Zilien. Becherzellen sind außerhalb der leitenden Zone nicht vorhanden, um zu verhindern, dass Schleim den Gasaustausch stört. Schleim ist auch an der Hydratation der Atemwege beteiligt, die für die ordnungsgemäße Funktion der Zilien notwendig ist .
Die Bewegung der Zilien ähnelt der Bewegung Ihrer Arme beim Schwimmen des Brustschwimmens . Ein einzelnes Zilium ist nicht stark genug, um die Schleimschicht alleine zu bewegen, aber wenn Tausende von Zilien koordiniert zusammenschlagen, können sie gemeinsam dazu führen, dass sich der Schleim bewegt . Stellen Sie sich eine Menschenmenge bei einem Konzert vor, wenn der Performer von der Bühne zum Crowd Surf abtaucht: Der Performer ist wie ein Bündel Schleim, das von den Armen der Menge gehalten und in einer koordinierten Welle bewegt wird. In gewissem Sinne sprechen die Zilien durch Bewegung miteinander, um eine koordinierte, effiziente Bewegung des Schleims zu erzeugen! So funktioniert die mukoziliäre Rolltreppe.
Welche Krankheiten können auftreten, wenn die mukoziliäre Rolltreppe nicht richtig funktioniert?
Manche Menschen erben abnormale Gene von ihren Eltern und werden mit einer Krankheit namens primäre Ziliardyskinesie (PCD) geboren (Abbildung 2). PCD ist eine Lungenerkrankung, die verhindert, dass die Zilien effektiv schlagen, und in schweren Fällen verhindert, dass sie sich überhaupt bewegen . Bei PCD-Patienten infizieren sich die Atemwege aufgrund eines ineffektiven Schleimtransports, der die Atemwegszellen schädigt. Wenn die Atemwege im Laufe der Zeit beschädigt werden, werden sie schlaff wie ein zusammengebrochener Strohhalm, der verhindert, dass sich Luft durch sie bewegt, und das Atmen erschwert. Stellen Sie sich vor, Sie trinken einen dicken, köstlichen Milchshake; Wenn Sie einen Strohhalm normaler Breite verwenden, ist weniger Aufwand erforderlich als bei einem Strohhalm mit der Breite einer Spaghettinudel.
Mukoviszidose (CF) ist eine weitere Erbkrankheit, die die mukoziliäre Rolltreppe betrifft (Abbildung 2). Menschen mit CF haben Mutationen in beiden Kopien des Gens (eine von Mama und eine von Papa), die für die Herstellung eines Proteins namens Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR) verantwortlich sind. CFTR bildet einen Kanal über die Membranen von Zellen, der an der Produktion von Schweiß, Verdauungsflüssigkeiten und Schleim beteiligt ist. CFTR reguliert, wie viel Wasser in diese Sekrete gelangt und wie dick und klebrig der Schleim wird. Wenn der Kanal nicht richtig funktioniert, hat der Schleim nicht genug Wasser und wird dick wie Klebstoff. Der außergewöhnlich dicke Schleim sammelt sich in der Lunge an, im Gegensatz zu normalem, wässrigem Schleim, der leicht von der mukoziliären Rolltreppe entfernt werden kann, wodurch sich der dicke Schleim ansammelt und schließlich die Atemwege zerstört und Lungenversagen verursacht.Chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) ist eine Krankheit, die nach dem Rauchen von Zigaretten oder dem Dampfen von E-Zigaretten auftreten kann. COPD kann sich negativ auf die mukoziliäre Rolltreppe auswirken und Lungenerkrankungen verursachen, die in vielerlei Hinsicht CF ähneln . Schäden an der mukoziliären Rolltreppe können zu anderen häufigen Krankheiten wie Lungenentzündung und Asthma beitragen, die ähnliche, aber manchmal weniger schwere Schleimprobleme haben.
Schlussfolgerung: Warum Schleim, Zilien und die mukoziliäre Rolltreppe wichtig sind
Für eine gesunde Lunge ist eine ordnungsgemäße Funktion der mukoziliären Rolltreppe erforderlich. Schleim und Zilien sind ein primärer Abwehrmechanismus für die Lunge. Wenn es ein Problem mit dem Schleim oder den Zilien gibt, können die Atemwege verstopft werden und die schädlichen Keime und Partikel können in der Lunge eingeschlossen werden und Schäden verursachen. Genetische Erkrankungen wie PCD und CF und erworbene Krankheiten wie COPD wirken sich negativ auf die mukoziliäre Rolltreppe aus. Diese Lungenerkrankungen können zu einem geringeren Gasaustausch führen und dazu führen, dass der Rest des Körpers hypoxisch wird. Also denken Sie daran – wenn Sie zu Hause krank mit einer Erkältung sind, ist der Schleim, den Sie husten, von Ihrer mukoziliären Rolltreppe, und es hilft, Ihre Lungen glücklich und gesund zu halten, indem Sie potenziell schädliche Partikel und Keime entfernen!
Autorenbeiträge
MW, JP, JK, TB, SP, R-JS und SR trugen zur Vorbereitung und endgültigen Bearbeitung des Manuskripts bei. Alle Autoren genehmigten den endgültigen Manuskriptentwurf vor der Einreichung.
Glossar
Gasaustausch: Der Prozess, bei dem Kohlendioxid (CO2) aus dem Blutstrom entfernt und durch inhalierten Sauerstoff (O2) ersetzt wird.
Alveolen: Luftsäcke, die den kleinsten Teil der Atmungszone ausmachen; Alveolen und Kapillarblutgefäße befinden sich in unmittelbarer Nähe; Hier findet der Gasaustausch statt.
Leitende Zone: Der Teil der Atemwege, der nicht am Gasaustausch beteiligt ist; Der Zweck der leitenden Zone besteht darin, Luft zu und von der Atmungszone zu bewegen; wo sich die mukoziliäre Rolltreppe befindet; gefunden in der proximalen Lunge von der Luftröhre bis zu den Bronchiolen.
Atemzone: Der Teil der Atemwege, in dem der Gasaustausch stattfindet; gefunden in der distalen Lunge, wo sich Alveolen befinden.
Zilien: Bewegliche, haarartige Vorsprünge auf dem oberen Teil der Zellen, die die leitende Zone auskleiden Atemwege; Zilien bewegen Schleim entlang der mukoziliären Rolltreppe.
Schleim: Klebrige, gelartige Substanz, die in der leitenden Zone auf der Zilienbürste sitzt.; in der Lunge wird Schleim von Becherzellen und Drüsen hergestellt und schützt die Atemwege vor gefährlichen Stoffen; Schleim besteht aus Wasser, Mucin-Glykoproteinen, Abwehrproteinen und Salz.Mukoziliäre Rolltreppe: Begriff für den Apparat von Schleim und Zilien; verantwortlich für die Bewegung von Schleim nach oben und aus den Atemwegen; Schleim fängt Partikel und Zilien treiben Schleim nach oben und aus der Lunge.
Interessenkonflikterklärung
SR hat eine nicht lizenzierte Patentverwendung der mikrooptischen Kohärenztomographie als Diagnosegerät, die zur Charakterisierung der funktionellen Mikroanatomie der mukoziliären Rolltreppe verwendet wird.
Die übrigen Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.
Danksagung
Die Autoren danken George D. Phillips (13), S. Corinne Phillips (16 Jahre) und Andrew Rowe (14 Jahre) für das Lesen des Manuskripts und ihre durchdachten Änderungen und Rückmeldungen. Jeremie Lever und Basil Bono für die unschätzbare Unterstützung bei der Fertigstellung dieses Projekts.
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