Abstrakt
När vi andas, byter lungorna syre från luften för koldioxidavfall från blodet. Detta utbyte är avgörande för livet. Varje andetag utsätter lungorna för den yttre miljön, som innehåller föroreningar och bakterier, vilket utgör ett hot mot vår hälsa. Den första försvarslinjen kallas mucociliary rulltrappan: slem fångar det potentiellt farliga materialet och cilia trycker det materialet upp och ut ur våra luftvägar. När mucociliary rulltrappan inte fungerar korrekt kan vi utveckla lungsjukdom. Till exempel har patienter med genetiska sjukdomar som cystisk fibros (CF) och primär ciliär dyskinesi (PCD) eller rökrelaterade sjukdomar som kronisk obstruktiv lungsjukdom (kol) extremt tjockt slem. Detta slem byggs upp, vilket gör att bakterier, svampar och virus kan trivas, vilket orsakar lungskador och minskad syresättning. Lungsjukdomar gör andningen extremt svår, och patienter kan ha livshotande andningssjukdom när mucociliary rulltrappan inte kan upprätthålla lunghälsa.
Hur fungerar lungorna?
den primära funktionen hos lungorna andas. Gasutbyte är namnet på den process genom vilken syre kommer in i blodomloppet (från inandning) och koldioxidavfall lämnar kroppen (från utandning). Lungans struktur har utvecklats för att utföra denna uppgift mycket effektivt. Lungens grundläggande struktur är en serie ihåliga rör, kallade luftvägar. Airways grenar och blir mindre och slutar i små luftsäckar som kallas alveoler. Alveoler är täckta i små blodkärl som heter kapillärer, som fungerar för att utbyta gaser i blodet . Lungorna kan jämföras med ett träd som har en stor huvudstam med grenar som blir mindre ju längre bort de är från stammen. Alveolerna är som bladen.
det finns två huvudregioner i lungan: ledningszonen och andningszonen (Figur 1). Luft transporteras in i lungorna genom ledningszonen och bringas till den alveoliinnehållande andningszonen. Alveolerna från en person har samma yta som en tennisbana, vilket är gott om utrymme för gasutbyte. Den ledande zonen är den del av lungan som luft strömmar genom utan gasutbyte, eftersom rören är för tjocka för att gaserna ska röra sig över. Den ledande zonen är fodrad med hårliknande strukturer som kallas cilia som är täckta av slem, vilket hjälper till att fälla potentiellt farliga material. Cilia är mobila, små, fingerliknande utsprång på ytan av luftvägsceller. Cilia linjer luftvägarna och hjälper till att flytta slem upp och ut ur lungorna . Cilia är cirka 6-7 mikrometer långa, eller ungefär en tiondel bredden på ett mänskligt hår .
- Figur 1 – mukociliär rulltrappa hos en frisk person (vänster) och hos en person med en sjuk mukociliär rulltrappa (höger).
- mucociliary rulltrappan finns i luftstrupen, bronkierna och bronkiolerna, som ingår i ledningszonen. Gasutbyte sker i alveolerna i andningszonen (infälld).
partiklar och bakterier i luften—varför lungorna behöver försvar
det finns många typer av partiklar som kan komma in i lungorna och orsaka skador. Några av dessa partiklar är föroreningar, såsom utsläpp från gasdrivna fordon, kolmonoxid från eldstäder, toxiner från vaping eller rökning och aerosoler som hårspray. Partiklar kan fastna i olika delar av lungan. Korta hår, som den typ på toppen av huvudet, linje insidan av näsborrarna och är täckta med slem. Dessa slemtäckta hår hjälper till att fånga större partiklar när de kommer in i näsan. Partiklar som kommer in i den ledande zonen kan skada luftvägscellerna, vilket kan minska rörelsen hos deras cilia och leda till en uppbyggnad av slem som inte kan rensas från luftvägarna . Slemtäppta luftvägar kanske inte tillåter luft att resa lika effektivt, som hur löv i en ränna stör vattenflödet. Mindre partiklar kan ibland komma hela vägen till alveolerna. Skador på alveolerna gör andningen betydligt svårare, eftersom syre inte kommer att diffundera lika bra in i blodet. Denna reducerade effektivitet av gasutbyte kan orsaka att resten av kroppen är hypoxisk, vilket innebär låg syrehalt. Endast den ledande zonen, från luftstrupen till bronkiolerna, har förmågan att flytta slem med cilia, så alveoler kan inte lita på denna mekanism för att bli av med dessa små partiklar . Att bo i en förorenad stad eller år av rökning/vaping kan orsaka att lungvävnaden blir inflammerad och leder till sjukdomar, såsom kronisk obstruktiv lungsjukdom (kol) .
Vad är Mucociliary rulltrappan?
mucociliary rulltrappan är inuti de ledande luftvägarna och består av slem och cilia, som flyttar slem upp och ut ur lungorna där det kan utvisas genom hosta eller svälja (figurerna 1, 2) . Som den första försvarslinjen består luftvägsslem av olika komponenter som hjälper det att fälla partiklar och bakterier . Slem är en fysisk barriär för att skydda lungan och har egenskaper som hjälper till att bli av med potentiellt smittsamma bakterier, svampar och virus . Några av de viktiga komponenterna i luftvägsslem är muciner (klibbiga, sockerbelagda proteiner), försvarsproteiner, salt och vatten. Tillsammans bildar dessa komponenter en gel som fångar partiklar som kommer in i luftvägarna .
- Figur 2 – (Vänster) Cilia i friska luftvägar är mobila och kan flytta slem effektivt upp mucociliary rulltrappan.
- (mitten) i CF blir slem tjockt och svårt att röra sig, vilket gör att mucociliary rulltrappan blir mindre effektiv; detta gör att bakterier / partiklar kan fångas och så småningom orsaka lungskador. (Höger) i PCD är cilia mindre mobila eller till och med immobila, vilket gör att de inte kan flytta slem upp i mucociliary rulltrappan.
slem produceras mestadels av celler som leder insidan av luftvägarna. Dessa kallas bägare celler. Bägare celler är formade som medeltida kalkar, därav namnet bägare. Till skillnad från andra celler i luftvägarna som är cilierade och formade som kolumner, har bägge celler inte cilia på toppen. Bägare celler är inte närvarande utanför den ledande zonen, för att förhindra slem från att störa gasutbytet. Slem är också involverad i hydrering av luftvägarna, vilket är nödvändigt för korrekt funktion av cilia .
rörelsen av cilia liknar hur dina armar rör sig medan du simmar bröstslaget . En individuell cilium är inte tillräckligt stark för att flytta slemskiktet på egen hand, men när tusentals cilia slår ihop på ett samordnat sätt kan de kollektivt få slem att röra sig . Föreställ dig en folkmassa på en konsert när artisten dyker av scenen för att surfa på publiken: artisten är som en bunt slem, hålls upp av publikens armar och rör sig i en samordnad våg. På ett sätt pratar cilia med varandra genom rörelse för att producera samordnad, effektiv rörelse av slem! Så här fungerar mucociliary rulltrappan.
vilka sjukdomar kan hända när Mucociliary rulltrappan inte fungerar korrekt?
vissa människor ärver onormala gener från sina föräldrar och är födda med en sjukdom som kallas primär ciliär dyskinesi (Pcd) (Figur 2). PCD är en lungsjukdom som förhindrar att cilia slår effektivt och i allvarliga fall hindrar dem från att röra sig alls . Hos PCD-patienter smittas luftvägarna på grund av ineffektiv slemtransport, vilket skadar luftvägscellerna. När luftvägarna skadas med tiden blir de diskett, som ett kollapsat halm, vilket förhindrar att luft rör sig genom dem och orsakar andning att bli svår. Tänk dig att dricka en tjock, läcker milkshake; mindre ansträngning krävs när du använder ett halm med normal bredd jämfört med ett halm som är bredden på en spagettinudel.
cystisk fibros (CF) är en annan ärftlig sjukdom som påverkar mucociliary rulltrappan (Figur 2). Personer med CF har mutationer i båda kopiorna av genen (en från mamma och en från pappa) som ansvarar för att göra ett protein som kallas cystisk fibros transmembran konduktansregulator (CFTR). CFTR bildar en kanal över membranen i celler som är involverade i produktion av svett, matsmältningsvätskor och slem. CFTR reglerar hur mycket vatten som hamnar i dessa sekret och därmed hur tjockt och klibbigt slemet blir. När kanalen inte fungerar korrekt har slem inte tillräckligt med vatten och blir tjockt, som lim. Det utomordentligt tjocka slemet ackumuleras i lungorna, till skillnad från normalt, vattnigt slem som lätt rensas av mucociliary rulltrappan, vilket gör att det tjocka slemet byggs upp och så småningom orsakar luftvägsförstörelse och lungfel.
kronisk obstruktiv lungsjukdom (kol) är en sjukdom som kan uppstå efter rökning cigaretter eller vaping e-cigaretter. KOL kan påverka mucociliary rulltrappan negativt och orsaka lungsjukdom som på många sätt liknar CF . Skador på mucociliary rulltrappan kan bidra till andra vanliga sjukdomar som lunginflammation och astma, som har liknande men ibland mindre allvarliga slemproblem.
slutsats: varför slem, Cilia och Mucociliary rulltrappa Materia
korrekt funktion av mucociliary rulltrappan krävs för friska lungor. Slem och cilia är en primär försvarsmekanism för lungorna. Om det finns ett problem med antingen slem eller cilia kan luftvägarna blockeras och skadliga bakterier och partiklar kan fångas i lungorna och orsaka skador. Genetiska sjukdomar som PCD och CF och förvärvade sjukdomar som KOL påverkar mucociliary rulltrappan negativt. Dessa lungsjukdomar kan resultera i mindre gasutbyte och få resten av kroppen att bli hypoxisk. Så kom ihåg – när du är hemma sjuk med förkylning, slem du hostar upp är från din mucociliary rulltrappa, och det hjälper till att hålla dina lungor glada och friska genom att ta bort potentiellt skadliga partiklar och bakterier!
Författarbidrag
MW, JP, JK, TB, SP, R-JS och SR bidrog till manuskriptets förberedelse och slutliga redigering. Alla författare godkände det slutliga manuskriptutkastet före inlämning.
ordlista
gasutbyte: processen genom vilken koldioxid (CO2) avfall avlägsnas från blodflödet och ersätts med inhalerat syre (O2).
alveoler: luftsäckar som utgör den minsta delen av andningszonen; alveoler och kapillärblodkärl är i mycket nära närhet; det är här gasutbyte sker.
Ledningszon: den del av luftvägarna som inte är involverade i gasutbyte; syftet med ledningszonen är att flytta luft till och från andningszonen; där mucociliary rulltrappan är belägen; finns i den proximala lungan från luftstrupen till bronkiolerna.
andningszon: den del av luftvägarna där gasutbyte sker; finns i den distala lungan där alveolerna är belägna.
Cilia: mobila, hårliknande utsprång på den övre delen av celler som fodrar de ledande zonens luftvägar; cilia flyttar slem längs mucociliary rulltrappan.
slem: klibbig, gelliknande substans som sitter ovanpå ciliaborsten i ledningszonens luftvägar; i lungorna tillverkas slem av bägarceller och körtlar och fungerar för att skydda luftvägarna från farliga material; slem består av vatten, mucinglykoproteiner, försvarsproteiner och salt.
Mucociliary rulltrappa: Term för apparaten av slem och cilia; ansvarig för rörelse av slem upp och ut ur luftvägarna; slem fångar partiklar och cilia Driver slem upp och ut ur lungorna.
intressekonflikt uttalande
SR har en olicensierad patentanvändning av mikrooptisk koherens tomografi som en diagnostisk anordning, som används för att karakterisera den funktionella mikroanatomin hos mucociliary rulltrappan.
de återstående författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.
bekräftelser
författarna vill erkänna George D. Phillips (ålder 13), S. Corinne Phillips (ålder 16) och Andrew Rowe (ålder 14) för att läsa manuskriptet och deras tankeväckande redigeringar och feedback. Jeremie Lever och Basil Bono för att ge ovärderligt stöd för slutförandet av detta projekt.
väst, J. B. 2012. Västs Andningsfysiologi: det väsentliga. 9: e Edn. Baltimore, MD: Lippincott Williams & Wilkins.
Knowles, Mr och Boucher, RC 2002. Slemclearance som en primär medfödd försvarsmekanism för däggdjurs luftvägar. J. Clin. Investera. 109:571–7. doi: 10.1172 / jci15217
Peabody, J. E., Shei, R. J. Bermingham, B. M., Phillips, S. E., Turner, B., Rowe, S. M., et al. 2018. Att se cilia: avbildningsmetoder för ciliär rörelse och kliniska anslutningar. Är. J. Physiol. Lungcell. Mol. Fysiol. 314: L909-21. doi: 10.1152/ajplung.00556.2017
Zhang, P., sommar, W. R., Bagby, G. J. och Nelson, S. 2000. Medfödd immunitet och lungvärdsförsvar. Immunol. Rev. 173: 39-51. doi: 10.1034 / j. 1600-065X.2000.917306.X
Bustamante-Marin, XM och Ostrowski, L. E. 2017. Cilia och mucociliary clearance. Cold Spring Harbor Perspect. Biol. 9: a028241. doi: 10.1101/cshperspect.a028241