rezumat
când respirăm, plămânii schimbă oxigenul din aer pentru deșeurile de dioxid de carbon din sânge. Acest schimb este vital pentru viață. Fiecare respirație expune plămânii la mediul exterior, care conține poluare și germeni, reprezentând o amenințare pentru sănătatea noastră. Prima linie de apărare se numește scara rulantă mucociliară: mucusul captează Materialul potențial periculos și cilia împing acel material în sus și în afara căilor respiratorii. Când scara rulantă mucociliară nu funcționează corect, putem dezvolta boli pulmonare. De exemplu, pacienții cu boli genetice precum fibroza chistică (CF) și dischinezia ciliară primară (PCD) sau boli legate de fumat, cum ar fi boala pulmonară obstructivă cronică (BPOC) au mucus extrem de gros. Acest mucus se acumulează, permițând bacteriilor, ciupercilor și virușilor să prospere, provocând leziuni pulmonare și scăderea oxigenării. Bolile pulmonare fac respirația extrem de dificilă, iar pacienții pot avea boli respiratorii care pot pune viața în pericol atunci când scara rulantă mucociliară nu poate menține sănătatea pulmonară.
cum funcționează plămânii?
funcția principală a plămânilor este respirația. Schimbul de gaze este numele procesului prin care oxigenul intră în sânge (de la inhalare) și deșeurile de dioxid de carbon părăsesc corpul (de la expirație). Structura plămânului a evoluat pentru a îndeplini această sarcină foarte eficient. Structura de bază a plămânilor este o serie de tuburi goale, numite căi respiratorii. Căile respiratorii se ramifică și devin mai mici, terminând în saci mici de aer numiți alveole. Alveolele sunt acoperite în vase mici de sânge numite capilare, care funcționează pentru a face schimb de gaze în sânge . Plămânii pot fi comparați cu un copac care are un trunchi mare, principal, cu ramuri care devin mai mici cu cât sunt mai departe de trunchi. Alveolele sunt ca frunzele.
există două regiuni principale în plămân: zona conductoare și zona respiratorie (Figura 1). Aerul este transportat în plămâni prin zona de conducere și adus în zona respiratorie care conține Alveole. Alveolele de la o persoană au aceeași suprafață ca un teren de tenis, care este o suprafață suficientă pentru a permite schimbul de gaze. Zona conductoare este partea plămânului prin care curge aerul fără schimb de gaze, deoarece tuburile sunt prea groase pentru ca gazele să se deplaseze. Zona de conducere este căptușită cu structuri asemănătoare părului numite cilia care sunt acoperite cu mucus, ceea ce ajută la captarea materialelor potențial periculoase. Cilia sunt proiecții mobile, mici, asemănătoare degetelor pe suprafața celulelor căilor respiratorii. Cilia aliniază căile respiratorii și ajută la mișcarea mucusului în sus și în afara plămânilor . Cilia are aproximativ 6-7 micrometri înălțime, sau aproximativ o zecime din lățimea unui păr uman .
- Figura 1 – scara rulantă mucociliară la o persoană sănătoasă (stânga) și la o persoană cu o scară rulantă mucociliară bolnavă (dreapta).
- scara rulantă mucociliară se găsește în trahee, bronhii și bronhiole, care fac parte din zona de conducere. Schimbul de gaze are loc în alveolele din zona respiratorie (inserție).
particule și germeni în aer—de ce plămânii au nevoie de apărare
există multe tipuri de particule care ar putea intra în plămâni și pot provoca daune. Unele dintre aceste particule sunt poluanți, cum ar fi emisiile de la vehiculele alimentate cu gaz, monoxidul de carbon din șeminee, toxinele din vaping sau fumat și aerosoli precum fixativul. Particulele pot fi prinse în diferite zone ale plămânului. Părul scurt, ca cel de deasupra capului, aliniază interiorul nărilor și este acoperit cu mucus. Aceste fire de păr acoperite cu mucus ajută la captarea particulelor mai mari pe măsură ce intră în nas. Particulele care intră în zona de conducere pot răni celulele căilor respiratorii, ceea ce poate reduce mișcarea cililor lor și poate duce la acumularea de mucus care nu poate fi eliminat din căile respiratorii . Căile respiratorii înfundate cu Mucus pot să nu permită aerului să călătorească la fel de eficient, cum ar fi modul în care frunzele dintr-un jgheab interferează cu fluxul de apă. Particulele mai mici pot ajunge uneori până la Alveole. Deteriorarea alveolelor face respirația mult mai dificilă, deoarece oxigenul nu se va difuza la fel de bine în sânge. Această eficiență redusă a schimbului de gaze poate determina restul corpului să fie hipoxic, ceea ce înseamnă un nivel scăzut de oxigen. Doar zona de conducere, de la trahee la bronhiole, are capacitatea de a muta mucusul folosind cilia, astfel încât alveolele nu se pot baza pe acest mecanism pentru a scăpa de aceste particule mici . A trăi într-un oraș poluat sau ani de fumat/vaping poate provoca inflamarea țesutului pulmonar și poate duce la boli, cum ar fi boala pulmonară obstructivă cronică (BPOC) .
ce este scara rulantă Mucociliară?
scara rulantă mucociliară se află în interiorul căilor respiratorii conducătoare și este alcătuită din mucus și cili, care deplasează mucusul în sus și în afara plămânilor, unde poate fi expulzat prin tuse sau înghițire (Figurile 1, 2) . Ca prima linie de apărare, mucusul căilor respiratorii este alcătuit din diferite componente care îl ajută să prindă particule și germeni . Mucusul este o barieră fizică pentru a proteja plămânul și are proprietăți care ajută la scăderea bacteriilor, ciupercilor și virușilor potențial infecțioși . Unele dintre componentele importante ale mucusului căilor respiratorii sunt mucinele (proteine lipicioase, acoperite cu zahăr), proteinele de apărare, sarea și apa. Împreună, aceste componente formează un gel care captează particulele care intră în căile respiratorii .
- Figura 2 – (Stânga) cilii din căile respiratorii sănătoase sunt mobili și capabili să deplaseze eficient mucusul pe scara rulantă mucociliară.
- (mijloc) în CF, mucusul devine gros și dificil de mișcat, determinând scara rulantă mucociliară să fie mai puțin eficientă; acest lucru permite blocarea germenilor / particulelor, provocând în cele din urmă leziuni pulmonare. (Dreapta) în PCD, cilii sunt mai puțin mobili sau chiar imobili, ceea ce îi face incapabili să deplaseze mucusul pe scara rulantă mucociliară.
mucusul este produs în cea mai mare parte de celule care aliniază interiorul căilor respiratorii. Acestea se numesc celule calciforme. Celulele calciforme sunt în formă de potire medievale, de unde și numele de calic. Spre deosebire de alte celule din căile respiratorii care sunt ciliate și în formă de coloane, celulele calice nu au cilia deasupra. Celulele calciforme nu sunt prezente dincolo de zona de conducere, pentru a împiedica mucusul să interfereze cu schimbul de gaze. Mucusul este, de asemenea, implicat în hidratarea căilor respiratorii, care este necesară pentru buna funcționare a cilia .
mișcarea cilia este similară cu modul în care brațele se mișcă în timp ce înoți brasul . Un ciliu individual nu este suficient de puternic pentru a muta stratul de mucus pe cont propriu, dar atunci când mii de cili bat împreună într-un mod coordonat, ei pot provoca în mod colectiv mucusul să se miște . Imaginați-vă o mulțime la un concert când interpretul se scufundă de pe scenă pentru a naviga în mulțime: interpretul este ca un pachet de mucus, fiind ținut în sus de brațele mulțimii și mișcat într-un val coordonat. Într-un anumit sens, cilii vorbesc între ei prin mișcare pentru a produce o mișcare coordonată și eficientă a mucusului! Acesta este modul în care funcționează scara rulantă mucociliară.
ce boli se pot întâmpla atunci când scara rulantă Mucociliară nu funcționează corect?
unii oameni moștenesc gene anormale de la părinți și se nasc cu o boală numită dischinezie ciliară primară (PCD) (Figura 2). PCD este o boală pulmonară care împiedică cilia să bată eficient și, în cazuri grave, îi împiedică să se miște deloc . La pacienții cu PCD, căile respiratorii se infectează din cauza transportului ineficient al mucusului, care dăunează celulelor căilor respiratorii. Când căile respiratorii se deteriorează în timp, acestea devin floppy, ca o paie prăbușită, împiedicând aerul să se miște prin ele și provocând dificultăți de respirație. Imaginați-vă că beți un milkshake gros și delicios; este necesar un efort mai mic atunci când utilizați un pai cu lățime normală în comparație cu un pai care este lățimea unui tăiței de spaghete.
fibroza chistică (CF) este o altă boală moștenită care afectează scara rulantă mucociliară (Figura 2). Persoanele cu CF au mutații în ambele copii ale genei (una de la mamă și una de la tată) responsabile de producerea unei proteine numite regulator de conductanță transmembranară a fibrozei chistice (CFTR). CFTR formează un canal prin membranele celulelor care este implicat în producerea de transpirație, fluide digestive și mucus. CFTR reglează cantitatea de apă care ajunge în aceste secreții și astfel cât de gros și lipicios devine mucusul. Când canalul nu funcționează corect, mucusul nu are suficientă apă și devine gros, ca adezivul. Mucusul extraordinar de gros se acumulează în plămâni, spre deosebire de mucusul normal, apos, care este ușor eliminat de scara rulantă mucociliară, determinând acumularea mucusului gros și, în cele din urmă, provocând distrugerea căilor respiratorii și insuficiența pulmonară.
boala pulmonară obstructivă cronică (BPOC) este o boală care poate apărea după fumatul țigărilor sau vaparea țigărilor electronice. BPOC poate avea un impact negativ asupra scării rulante mucociliare și poate provoca boli pulmonare care arată similar în multe privințe cu CF . Deteriorarea scării rulante mucociliare poate contribui la alte boli comune, cum ar fi pneumonia și astmul, care au probleme similare, dar uneori mai puțin severe, ale mucusului.
concluzie: de ce mucusul, Cilia și scara rulantă Mucociliară contează
funcția corectă a scării rulante mucociliare este necesară pentru plămânii sănătoși. Mucusul și cilia sunt un mecanism primar de apărare pentru plămâni. Dacă există o problemă fie cu mucusul, fie cu cilia, căile respiratorii se pot bloca, iar germenii și particulele dăunătoare pot fi prinse în plămâni, provocând daune. Bolile genetice precum PCD și CF și bolile dobândite precum BPOC au un impact negativ asupra scării rulante mucociliare. Aceste boli pulmonare pot duce la un schimb mai mic de gaze și pot determina restul corpului să devină hipoxic. Așadar, amintiți–vă-când sunteți acasă bolnav de răceală, mucusul pe care îl tuseți provine de la scara rulantă mucociliară și vă ajută să vă mențineți plămânii fericiți și sănătoși prin eliminarea particulelor și germenilor potențial dăunători!
contribuțiile autorului
MW, JP, JK, TB, SP, R-JS și SR au contribuit la pregătirea manuscrisului și editarea finală. Toți autorii au aprobat proiectul final al manuscrisului înainte de depunere.
Glosar
schimbul de gaze: procesul prin care dioxidul de carbon (CO2) este eliminat din fluxul sanguin și înlocuit cu oxigenul inhalat (O2).
Alveole: saculete de aer care alcătuiesc cea mai mică porțiune a zonei respiratorii; alveolele și vasele de sânge capilare se află în imediata apropiere; aici are loc schimbul de gaze.
zona de conducere: porțiunea tractului respirator care nu este implicată în schimbul de gaze; scopul zonei de conducere este de a muta aerul către și din zona respiratorie; unde se află scara rulantă mucociliară; găsit în plămânul proximal de la trahee la bronhiole.
zona respiratorie: porțiunea tractului respirator în care are loc schimbul de gaze; găsit în plămânul distal unde sunt localizate alveolele.
Cilia: proiecții Mobile, asemănătoare părului, pe partea superioară a celulelor care căptușesc căile respiratorii ale zonei conducătoare; cilia mișcă mucusul de-a lungul scării rulante mucociliare.
Mucus: substanță lipicioasă, asemănătoare gelului, care se află pe partea superioară a periei cilia în zona de conducere a căilor respiratorii; în plămâni, mucusul este produs de celule calice și glande și funcționează pentru a proteja căile respiratorii de materiale periculoase; mucusul este compus din apă, glicoproteine mucinice, proteine de apărare și sare.
scară rulantă Mucociliară: termen pentru aparatul mucusului și cilia; responsabil pentru mișcarea mucusului în sus și în afara tractului respirator; particulele de capcane de mucus și cilia propulsează mucusul în sus și în afara plămânilor.
declarație de Conflict de interese
SR are o utilizare brevetată fără licență a tomografiei de coerență micro-optică ca dispozitiv de diagnosticare, care este utilizat pentru a caracteriza microanatomia funcțională a scării rulante mucociliare.autorii rămași declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.
mulțumiri
autorii ar dori să-l recunoască pe George D. Phillips (13 ani), S. Corinne Phillips (16 ani) și Andrew Rowe (14 ani) pentru citirea manuscrisului și modificările și feedback-ul lor atent. Jeremie Lever și Basil Bono pentru furnizarea de sprijin neprețuit pentru finalizarea acestui proiect.
Vest, J. B. 2012. Fiziologia respiratorie a lui West: esențialul. 9 Edn. Baltimore, MD: Lippincott Williams & Wilkins.Knowles, M. R. și Boucher, R. C. 2002. Clearance-ul mucusului ca mecanism primar de apărare înnăscut pentru căile respiratorii ale mamiferelor. J. Clin. Investește. 109:571–7. doi: 10.1172 / jci15217
Peabody, J. E., Shei, R. J., Bermingham, B. M., Phillips, S. E., Turner, B., Rowe, S. M. și colab. 2018. Văzând cilia: modalități imagistice pentru mișcarea ciliară și conexiunile clinice. Am. J. Physiol. Celula Pulmonară. Mol. Physiol. 314: L909-21. doi: 10.1152 / ajplung.00556.2017
Zhang, P., vară, W. R., Bagby, G. J., și Nelson, S. 2000. Imunitatea înnăscută și apărarea gazdei pulmonare. Immunol. Apocalipsa 173: 39-51. doi: 10.1034 / j. 1600-065X.2000.917306.X
Bustamante-Marin, X. M. și Ostrowski, L. E. 2017. Cilia și clearance-ul mucociliar. Cold Spring Harbor Perspect. Biol. 9: a028241. doi: 10.1101/cshperspect.a028241