Кондиционирование воздуха

Воздухоносные пути функционируют как установка для кондиционирования воздуха. Характеристики внешнего воздуха (температура, влажность, загрязнённость различными частицами [в том числе с аллергенными свойствами — пыльца растений, домашняя пыль с клещами и др.], наличие микроорганизмов, раздражающих летучих соединений и так далее) варьируют весьма значительно. Но к респираторной поверхности альвеол (практически к внутренней среде организма) должен поступать увлажнённый воздух температуры внутренней среды и не содержащий в идеале посторонних частиц. Функцию доведения воздуха до необходимых кондиций и выполняют воздухоносные пути. При этом особо важное значение имеют площадь поверхности воздухоносных путей и мощная сеть кровеносных сосудов слизистой оболочки (особенно носовых ходов), слизистая плёнка на поверхности эпителия и координированная активность мерцательных ресничек, альвеолярные макрофаги и компоненты иммунной системы органов дыхания.

 Полости носа и носоглотка

 Посторонние частицы диаметром >15 мкм задерживаются волосами преддверия носа, а частицы диаметром >10 мкм осаждаются слизью на поверхности носовых ходов и носоглотки.

 Согревание вдыхаемого воздуха происходит главным образом в носовых ходах, чему способствует наличие в их слизистой оболочке тонкостенных полостей, выстланных эндотелием и окружённых ГМК. Обычно эти полости находятся в спавшемся состоянии, но способны, растягиваясь, накапливать значительное количество крови, что увеличивает толщину слизистой оболочки, существенно уменьшая диаметр носовых ходов и тем самым облегчая тепловой обмен между кровью и воздухом. В эти тонкостенные полости кровь поступает по артериолам, имеющим сфинктеры и регулирующим приток, а оттекает по венулам с большим количеством циркулярно ориентированных ГМК (сфинктеры, регулирующие отток). В зависимости от реальной ситуации (терморецепторы постоянно регистрируют температуру воздуха), к артериолам и венулам поступают по двигательным нервным окончаниям вегетативного отдела нервной системы импульсы, регулирующие степень сокращения ГМК этих сосудов.

 Организация сосудистого кровотока слизистой оболочки носовых ходов сходна с эректильной тканью пещеристых тел полового члена и клитора. Более того, наполнение полостей кровью происходит не только для согревания вдыхаемого воздуха, но и при половом возбуждении.

 Тонкостенные полости легко повреждаются и могут привести к носовым кровотечениям, иногда останавливаемым с трудом. В таких случаях применяют тампонаду носовых ходов.

 Необходимость согревания вдыхаемого воздуха в носовых ходах — одна из причин преимуществ носового (а не ротового) дыхания.

 Трахея и бронхи. Здесь происходят: осаждение посторонних частиц, дальнейшее увлажнение воздуха и направленный наружу так называемый мукоцилиарный транспорт — постоянное движение слизи по поверхности эпителия.

 Посторонние частицы диаметром <10 мкм фиксируются слизью, находящейся на поверхности трахеи и бронхов, а также бронхиол.

 Плёнка слизи толщиной от 5 до 10 мкм располагается островками над слоем жидкости (толщина от 2 до 5 мкм), окружающей мерцательные реснички эпителия (рис. 25–14). Слизь имеет свойства геля, характеризуется небольшой вязкостью и значительной эластичностью, содержит 96% воды и электролитов, гликопротеины и молекулы белка (в том числе лизоцим и лактоферрин).

Рис. 25–14. Эпителий слизистой оболочки главного бронха образуют разные типы клеток [11]. 1. — реснитчатые клетки имеют на верхушечной поверхности более 200 ресничек. 2. — бокаловидные клетки содержат вакуоли со слизистым секретом в верхушечной части. 3. — базальные клетки способны делиться, это стволовая популяция для других типов клеток. 4. — щёточные клетки: освободившиеся от секрета бокаловидные клетки, а также дифференцирующиеся реснитчатые клетки. 5. — хеморецепторные клетки образуют контакт с афферентными нервными терминалями. 6. — эндокринные клетки содержат множество мелких гранул, расположенных преимущественно в базальной части клеток, часть эндокринных клеток связана с нервными окончаниями. ПС — плёнка слизи (гель), перемещаемая мукоцилиарным транспортом, расположена над мерцательными ресничками, находящимися в жидкости (Ж, золь).

 Слизь секретируют бокаловидные клетки в составе поверхностного эпителия трахеи и бронхов, а также секреторные клетки желёз, находящихся под эпителием.

 Воздухоносные пути взрослого человека ежесуточно секретируют около 100 мл слизи, из них 90 мл абсорбируется эпителиальными клетками, а около 10 мл, передвигаясь по поверхности эпителия, достигает глотки, где и проглатывается.

 Плёнка слизи, находящаяся на поверхности эпителия, не откашливается. Откашливаемое содержимое просвета воздухоносных путей — мокрота. Мокрота, помимо секретируемой всеми железами воздухоносных путей слизи, содержит различные дегенерирующие клетки, а также микроорганизмы.

 Секреция слизи из желёз находится под парасимпатическим (ацетилхолин), симпатическим (адреналин и норадреналин) и пептидергическим контролем (VIP) контролем. Секреция слизи существенно возрастает под влиянием выделяющихся из тучных клеток гистамина, а также поступающих из разных источников ряда производных арахидоновой кислоты.

Тучные клетки многочисленны в слизистой оболочки воздухоносных путей. Гистамин тучных клеток вызывает бронхоспазм, вазодилатацию, гиперсекрецию слизи из желёз и отёк слизистой оболочки (как результат вазодилатации и увеличения проницаемости стенки посткапиллярных венул). Кроме гистамина, тучные клетки, наряду с эозинофилами и другими клетками воспаления, выделяют ряд медиаторов; действие которых приводит к воспалению и отёку слизистой оболочки, повреждению эпителия, сокращению ГМК и сужению просвета воздухоносных путей. Все вышеперечисленные эффекты характерны для бронхиальной астмы.

 Мукоцилиарный транспорт — система постоянной очистки (клиренса) воздухоносных путей (трахеи и бронхов). Загрязнённая вдыхаемыми частицами плёнка слизи удаляется из воздухоносных путей при её постоянном перемещении по направлению к выходу из дыхательной системы (в глотку) с последующим проглатыванием (в носоглотке слизь перемещается также по направлению к глотке). Такое постоянное движение слизистой плёнки обеспечивается за счёт направленных к глотке синхронных и волнообразных колебаний ресничек, находящихся на поверхности реснитчатых клеток (рис. 25–14). Эта система клиренса достаточно эффективна: осаждённые в плёнке слизи частицы удаляются за минуты и часы (скорость мукоцилиарного транспорта в трахее и главных бронхах составляет 5–20 мм/мин, по мере уменьшения калибра трубок скорость уменьшается и в мелких бронхах и в бронхиолах варьирует от 0,5 до 1,0 мм/мин). Сами реснички в покое окружены жидкостью, лишь верхушка реснички погружена в плёнку слизи.

 Мерцательные реснички совершают скоординированные, всегда однонаправленные и локально синхронные биения с частотой 900–1200 в минуту. Каждое биение состоит из быстрого сгибания вертикально ориентированной реснички и медленного её разгибания. В начале сгибания верхушки ресничек с силой перемещаются внутри плёнки слизи, толкая её в направлении сгибания, после сгибания и при разгибании ресничка оказывается в слое жидкости и лишь при полном разгибании верхушка реснички погружается в плёнку слизи.

 Транспорт ионов и воды. Реснитчатые клетки эпителия при помощи ионоспецифичных каналов транспортируют из межклеточных пространств стенки воздухоносных путей на поверхность эпителия Cl^–, а с поверхности эпителия — Na⁺ (чрезэпителиальный транспорт). Одновременно с этими ионами перемещается и вода. Баланс между секрецией Cl^– и абсорбцией Na⁺ прямо влияет на толщину слоя жидкости, окружающей мерцательные реснички, и тем самым определяет активность ресничек, прямо пропорциональной толщине слоя жидкости.

Мутации гена CFTR (транспортёр ABC, см. раздел «Активный транспорт» главы 2) ведут к нарушение транспорта Cl^– и Na⁺ в секреторных клетках желёз. Это вызывает повышение вязкости секрета бронхиальных желёз и закупорку их выводных протоков (муковисцидоз).

 Регуляция клиренса. Клетки эпителия (как поверхностного, так и в составе желёз) воздухоносных путей имеют рецепторы для многих биологически активных веществ. В зависимости от вида активированных рецепторов реакция эпителиальных клеток может быть различной, а именно стимуляция активного ионного транспорта и увеличение частоты биения ресничек происходит через рецепторы ₂–адренергические, М₃‑холинергические, VIP, NK₁ (тахикининов), относящегося к кальцитониновому гену пептида, фактора активации тромбоцитов PAF и брадикинина. Брадикинин, а также гистамин стимулируют выделение ПгE₂, (бронходилататор), гистамин — оксида азота (NO), а трансформирующий фактор роста a, ИЛ1 и ‑интерферон индуцируют синтез оксида азота (NO) и разных цитокинов.

 Бронхиолы и респираторный отдел. В стенке бронхиол нормально отсутствуют бокаловидные клетки (у курильщиков табака и при хронических бронхитах бокаловидные клетки обнаруживаются вплоть до респираторных бронхиол) и железы, а по мере приближения к респираторной поверхности исчезают и реснитчатые клетки. Поэтому в этих мелких воздухопроводящих трубках отсутствует система мукоцилиарного транспорта, и частицы диаметром <0,5 мкм в виде аэрозоля достигают респираторной поверхности. Тем не менее и здесь функционирует система очистки воздуха (клиренса), обеспечиваемого альвеолярными макрофагами, клетками Клара, сурфактантом, а также перемещением воздуха при дыхательных движениях (что способствует удалению взвешенных частиц).

 Альвеолярные макрофаги (рис. 25–15) расположены на поверхности альвеол, с помощью длинных отростков они прикрепляются к поверхности эпителия и активно перемещаются по ней. Функции альвеолярных макрофагов многообразны.

Рис. 25–15. Альвеолярный макрофаг [11]. Бактерии в альвеолярном пространстве покрываются плёнкой сурфактанта, что активизирует макрофаг. Клетка образует цитоплазматические выросты, с помощью которых фагоцитирует опсонизированные сурфактантом бактерии.

 Фагоцитоз. Макрофаги фагоцитируют остатки сурфактанта, погибшие клетки, микроорганизмы, частицы аэрозоля и пылевые частицы.

 Антимикробная и противоопухолевая активность макрофагов опосредована кислородными радикалами, протеазами и различными цитокинами.

 Антитрипсин. Альвеолярные макрофаги секретируют ₁‑антитрипсин — гликопротеин из семейства сериновых протеаз, защищающий эластин альвеол от расщепления эластазой лейкоцитов. Мутация гена ₁‑антитрипсина — причина врождённой эмфиземы лёгких (поражение эластического каркаса альвеол).

 Антигенпредставляющая функция выражена слабо. Более того, альвеолярные макрофаги вырабатывают факторы, ингибирующие функцию T‑лимфоцитов, что снижает иммунный ответ.

 Пути миграции. Нагруженные фагоцитированным материалом макрофаги мигрируют в различных направлениях: вверх по бронхиолам и мелким бронхам, где макрофаги попадают в слизистую плёнку и внутрь — в межальвеолярные перегородки, где они составляют 10–15% всех клеток перегородок.

 Сурфактант имеет несколько функций. 1. Предотвращает контакт поверхности альвеолоцитов с посторонними частицами и инфекционными агентами, попадающими в альвеолы с вдыхаемым воздухом. 2. Обволакиваемые сурфактантом частицы аэрозоля транспортируются из альвеол в бронхиальную систему, из которой они удаляются мукоцилиарным транспортом. 3. Сурфактант опсонизирует микроорганизмы, что облегчает их фагоцитоз альвеолярными макрофагами. 4. Сурфактант снижает поверхностное натяжение и тем самым стабилизирует мелкие дыхательные пути.

 Клетки Клара расположены в терминальных бронхиолах между реснитчатыми клетками и формируют дистальные (безреснитчатые) участки эпителия. Эти клетки секретируют гликозаминогликаны, определяющие консистенцию секрета бронхиол, а также служат источником липопротеинов для сурфактанта терминальных бронхиол. Наконец, клетки Клара участвуют в инактивации поступающих с вдыхаемым воздухом токсинов при помощи холестерол монооксигеназы (цитохром P450).