22.1: Анатомія та нормальна мікробіота дихальних шляхів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3954

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть основні анатомічні особливості верхніх і нижніх дихальних шляхів
Опишіть нормальну мікробіоту верхніх і нижніх дихальних шляхів
Поясніть, як мікроорганізми долають захисні сили верхніх і нижніх мембран дихальних шляхів, щоб викликати інфекцію
Поясніть, як мікроби та дихальна система взаємодіють та модифікують один одного у здорових людей та під час інфекції

Клінічна спрямованість: Частина 1

Джон, 65-річний чоловік з астмою та діабетом 2 типу, працює продавцем у місцевому магазині благоустрою будинку. Останнім часом він почав відчувати себе досить погано і призначив прийом до свого сімейного лікаря. У клініці Джон повідомив, що відчуває головний біль, біль у грудях, кашель та задишку. За минулу добу він також відчув деяку нудоту і діарею. Медсестра прийняла його температуру і виявила, що у нього лихоманка 40° C (104° F).

Джон припустив, що у нього повинен бути випадок грипу (грипу), і пошкодував, що відклав отримання вакцини проти грипу цього року. Прослухавши дихання Джона через стетоскоп, лікар призначив рентгенографію грудної клітки і зібрав зразки крові, сечі та мокротиння.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Виходячи з цієї інформації, які фактори могли сприяти хворобі Джона?

Первинна функція дихальних шляхів полягає в обміні газів (кисню і вуглекислого газу) для обміну речовин. Однак вдих і видих (особливо при сильному) також можуть служити засобом передачі патогенів між особами.

Анатомія верхньої дихальної системи

Дихальну систему концептуально можна розділити на верхню і нижню області в точці надгортанника - структуру, яка ущільнює нижню дихальну систему від глотки при ковтанні (рис.\(\PageIndex{1}\)). Верхня дихальна система знаходиться в безпосередньому контакті із зовнішнім середовищем. Ноздрі (або ніздрі) - це зовнішні отвори носа, які ведуть назад в порожнину носа, велике наповнене повітрям простір за ногами. Ці анатомічні ділянки складають первинний отвір і перший відділ дихальних шляхів відповідно. Носова порожнина вистелена волосками, які затримують великі частинки, як пил і пилок, і перешкоджають їх доступу до більш глибоких тканин. Порожнина носа також вистелена слизовою оболонкою і залозами Боумана, які виробляють слиз, щоб допомогти затримувати частинки і мікроорганізми для видалення. Носова порожнина з'єднана з декількома іншими заповненими повітрям просторами. Пазухи, набір з чотирьох, парних невеликих порожнин в черепі, повідомляються з порожниною носа через ряд невеликих отворів. Носоглотка - це частина верхньої частини горла, що відходить від задньої порожнини носа. Носоглотка переносить повітря, що вдихається через ніс. Середнє вухо з'єднується з носоглоткою через євстахієву трубу. Середнє вухо відокремлено від зовнішнього вуха барабанної перетинкою, або вушної барабанкою. І нарешті, слізні залози стікають в порожнину носа через носослізні протоки (слізні протоки). Відкриті зв'язки між цими ділянками дозволяють мікроорганізмам переміщатися з порожнини носа в пазухи, середні вуха (і назад), а вниз в нижні дихальні шляхи з носоглотки.

Ротова порожнина є вторинним отвором для дихальних шляхів. Ротова і носова порожнини з'єднуються через крани з глоткою, або горлом. Глотку можна розділити на три області: носоглотку, ротоглотку і гортань. Повітря, що вдихається через рот, не проходить через носоглотку, він протікає спочатку через ротоглотку, а потім через гортань. Піднебінні мигдалини, які складаються з лімфоїдної тканини, розташовані всередині ротоглотки. Гортань, остання частина глотки, з'єднується з гортанню, в якій знаходиться голосова складка (рис.\(\PageIndex{1}\)).

а) діаграма вуха; крупним планом показані кістки і оболонки середнього вуха. Барабанна перетинка являє собою плоский диск, позначений барабанною перетинкою. За цим знаходиться барабанна порожнина (середнє вухо), яка містить кістки. Трубка, що йде вниз від середнього вуха, позначається євстахієвою трубою (слуховою трубою). б) діаграмою поперечного перерізу головки. Над носом знаходиться простір в кістки з позначкою лобової пазухи. Простір в носі - носова порожнина, а протока в носі - носослізний проток. Простір в кістці за носом - клиноподібна пазуха. Ззаду носа знаходиться отвір євстахієвої труби (слухової труби). За цим знаходиться глоткова мигдалина. Нижче знаходиться трубка з маркуванням носоглотки, яка стає глоткою, яка тому що ротоглотка (позаду рота) яка стає гортань, яка стає стравоходом. Голосові складки виявляються безпосередньо за гортаноглотки в гортані трубкою, яка стає трахеєю. Надгортанник - це клапоть, визначає, чи матеріал у глотці подорожує до стравоходу або трахеї, оскільки рот також веде до глотки. У роті міститься язик. Під язиком є мовна мигдалина, а в задній частині рота - піднебінна мигдалина. У самій задній частині рота знаходиться змішувачі. Перед трахеєю знаходиться щитовидна залоза. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Вухо з'єднане з верхніми дихальними шляхами євстахієвої трубою, яка відкривається в носоглотку. (б) Структури верхніх дихальних шляхів.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Визначте послідовність анатомічних структур, через які мікроби проходили б на своєму шляху від носоглотки до гортані.
Які дві анатомічні точки з'єднують євстахієві труби?

Анатомія нижньої дихальної системи

Нижня дихальна система починається нижче надгортанника в гортані або голосовому ящику (рис.\(\PageIndex{2}\)). Трахея, або дихальна труба, - це хрящова трубка, що відходить від гортані, яка забезпечує безперешкодний шлях для повітря, щоб дістатися до легенів. Трахея роздвоюється в лівий і правий бронхи, коли вона досягає легенів. Ці шляхи багаторазово розгалужуються, утворюючи менші та більш великі мережі трубок, бронхіоли. Кінцеві бронхіоли, утворені в цій деревоподібної мережі, закінчуються тупиками, званими альвеолами. Ці структури оточені капілярними мережами і є місцем газообміну в дихальній системі. Людські легені містять близько 400 000 000 альвеол. Зовнішня поверхня легенів захищена двошарової плевральної оболонкою. Ця структура захищає легені і забезпечує мастило, щоб легені могли легко рухатися під час дихання.

Намалюйте малюнок нижньої дихальної системи. Надгортанник - це клапоть, який може пропускати матеріал в гортань. Гортань - це трубка, яка веде до трахеї. Трахея розгалужується, щоб стати первинними бронхами. Ці гілки стають вторинними бронхами, ці гілки стають третинними бронхами. Ці гілки стають бронхіолами. Термінальні бронхіоли закінчуються скупченнями балонних форм, які називаються альвеолярними мішками. Кожна форма повітряної кулі - це альвеола. Тонкі перетинчасті капіляри покривають зовнішню сторону альвеоли і з'єднуються з легеневими венами і легеневими артеріями. Кисень з альвеоли потрапляє в капіляр, а вуглекислий газ з капіляра потрапляє в альвеолу. ing нижньої дихальної системи. Надгортанник - це клапоть, який може пропускати матеріал в гортань. Гортань - це трубка, яка веде до трахеї. Трахея розгалужується, щоб стати первинними бронхами. Ці гілки стають вторинними бронхами, ці гілки стають третинними бронхами. Ці гілки стають бронхіолами. Термінальні бронхіоли закінчуються скупченнями балонних форм, які називаються альвеолярними мішками. Кожна форма повітряної кулі - це альвеола. Тонкі перетинчасті капіляри покривають зовнішню сторону альвеоли і з'єднуються з легеневими венами і легеневими артеріями. Кисень з альвеоли потрапляє в капіляр, а вуглекислий газ з капіляра - в альвеолу. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Структури нижніх дихальних шляхів визначені на цій ілюстрації. (кредит: модифікація роботи Національного інституту раку)

Захисні сили дихальної системи

Внутрішня оболонка дихальної системи складається зі слизових оболонок (рис.\(\PageIndex{3}\)) і захищена множинним імунним захистом. Келихоподібні клітини всередині дихального епітелію виділяють шар липкої слизу. В'язкість і кислотність цього секрету гальмує приєднання мікробів до підлеглих клітинам. Крім того, дихальні шляхи містять миготливі епітеліальні клітини. Б'ються вії виштовхують і просувають слиз, а будь-які потрапили мікроби, вгору до надгортанника, де вони будуть проковтнути. Усунення мікробів таким чином називається мукоциліарним ефектом ескалатора і є важливим механізмом, який запобігає міграції вдихаються мікроорганізмів далі в нижні дихальні шляхи.

Мікрофотографія, що показує простір у верхній частині міченого просвіту трахеї. Під нею розташовані довгі клітини з облямівкою пензля вгорі. Ці клітини називаються псевдостратифікованими стовпчастими епітеліями. Кордон кисті - це багато вій. Вазоподібні клітини в цьому шарі називаються келихоподібними клітинами. Нижче цього шару знаходиться тканина з невеликими сферами, позначені серомукозної залозою в підслизовій оболонці. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ця мікрофотографія показує будову слизової оболонки дихальних шляхів. (кредит: модифікація мікрофотографії, наданої регентами медичної школи Мічиганського університету © 2012)

Верхня дихальна система знаходиться під постійним наглядом слизово-асоційованої лімфоїдної тканини (MALT), включаючи аденоїди і мигдалини. Інші захисні сили слизової включають секретовані антитіла (IgA), лізоцим, сурфактант та антимікробні пептиди, які називаються дефенсинами. Тим часом нижні дихальні шляхи захищені альвеолярними макрофагами. Ці фагоцити ефективно вбивають будь-які мікроби, яким вдається ухилитися від інших захисних сил. Комбінована дія цих факторів робить нижні дихальні шляхи практично позбавленими колонізованих мікробів.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Визначте послідовність анатомічних структур, через які мікроби проходили б на своєму шляху від гортані до альвеол.
Назвіть деякі захисні сили дихальної системи, що захищають від мікробної інфекції.

Нормальна мікробіота дихальної системи

Верхні дихальні шляхи містять рясну і різноманітну мікробіоту. Носові ходи і пазухи в основному колонізовані членами Firmicutes, Actinobacteria і Proteobacteria. До найбільш поширених виявлених бактерій відносять Staphylococcus epidermidis, стрептококи групи viridans (VGS), Corynebacterium spp. (дифтероїди), Propionibacterium spp., і Haemophilus spp. Ротоглотка включає багато з тих же ізолятів, що і ніс і пазухи, з додаванням змінної кількості бактерій, таких як види Prevotella, Fusobacterium, Moraxella і Eikenella, а також деякі грибкові ізоляти Candida. Крім того, багато здорових людей безсимптомно переносять потенційних збудників у верхніх дихальних шляхах. Цілих 20% населення переносять золотистий стафілокок в своїх ніздрях. ¹ Глотка теж може бути заселена патогенними штамами стрептокока, гемофілу та нейссерії.

Нижні дихальні шляхи, навпаки, малонаселені мікробами. З організмів, виявлених в нижніх дихальних шляхах, найбільш поширені види Pseudomonas, Streptococcus, Prevotella, Fusobacterium, Veillonella. На даний момент незрозуміло, чи є ці невеликі популяції бактерій нормальною мікробіоти чи вони є тимчасовими.

Багато членів нормальної мікробіоти дихальної системи є умовно-патогенними збудниками. Щоб розмножуватися і викликати пошкодження господаря, вони спочатку повинні подолати імунний захист дихальних тканин. Багато патогенів слизової оболонки виробляють фактори вірулентності, такі як адгезії, які опосередковують приєднання до епітеліальних клітин господаря, або полісахаридні капсули, які дозволяють мікробам ухилятися від фагоцитозу. Ендотоксини грамнегативних бактерій можуть стимулювати сильну запальну реакцію, яка пошкоджує дихальні клітини. Інші збудники виробляють екзотоксини, а треті мають здатність виживати всередині клітин господаря. Після встановлення інфекції дихальних шляхів вона має тенденцію погіршувати мукоциліарний ескалатор, обмежуючи здатність організму вигнати вторглися мікроби, що вторгаються, тим самим полегшуючи розмноження та поширення патогенів.

Вакцини були розроблені для багатьох найсерйозніших бактеріальних і вірусних збудників. Кілька найважливіших респіраторних збудників і їх вакцини, якщо вони є, зведені в табл\(\PageIndex{1}\). Компоненти цих вакцин будуть пояснені далі в розділі.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Деякі важливі респіраторні захворювання та вакцини
Хвороба	Збудник	Доступні вакцини (и) ²
Вітрянка/оперізуючий лишай	Вірус вітряної віспи	Вакцина проти вітряної віспи, вакцина проти оперізуючого герпесу (оперізуючий лишай)
Застуда	риновирус	Жоден
Дифтерія	Коринебактерія дифтерія	DTap, Папка, ДТ, Тд, ДТП
Епіглоттит, отит	гемофільний грип	Hib
Грип	Віруси грипу	Інактивований, FluMist
Кір	Вірус кору	ММР
коклюш	Бордетелла коклюш	Кран, Папка
Пневмонія	стрептокок пневмонії	Пневмококова кон'югатна вакцина (PCV13), пневмококова полісахаридна вакцина (PPSV23)
Краснуха (німецький кір)	вірус краснухи	ММР
Важкий гострий респіраторний синдром (ГРВІ)	Коронавірус, асоційований з ГРВІ (SARS-CoV)	Жоден
Туберкульоз	Мікобактерії туберкульозу	БЦЖ

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Які бувають хвороботворні бактерії, що входять до складу нормальної мікробіоти дихальних шляхів?
Які фактори вірулентності використовують хвороботворні мікроорганізми для подолання імунного захисту дихальних шляхів?

Ознаки та симптоми респіраторної інфекції

Мікробні захворювання дихальної системи зазвичай призводять до гострої запальної реакції. Ці інфекції можуть бути згруповані за місцем ураження і мати назви, що закінчуються на «itis», що буквально означає запалення. Наприклад, риніт - це запалення носових порожнин, часто характерне для застуди. Риніт також може бути пов'язаний з алергією на сінну лихоманку або іншими подразниками. Запалення пазух носа називається гайморитом, запалення вуха називається отитом. Середній отит - це запалення середнього вуха. Різноманітні мікроби можуть викликати фарингіт, широко відомий як біль в горлі. Запалення гортані називається ларингітом. Отримане запалення може перешкоджати функціонуванню голосових зв'язок, викликаючи втрату голосу. Коли запалюються мигдалини, це називається тонзилітом. Хронічні випадки тонзиліту можна лікувати хірургічним шляхом за допомогою тонзилектомії. Рідше може бути інфікований надгортанник, стан називається епіглоттітом. У нижніх відділах дихальної системи запалення бронхів призводить до бронхіту. Найсерйознішою з усіх є пневмонія, при якій альвеоли в легенях інфікуються і запалюються. Гній і набряк накопичуються і заповнюють альвеоли рідинами (звані ущільненнями). Це зменшує здатність легенів обмінюватися газами і часто призводить до продуктивного кашлю, що виганяє мокроту і слиз. Випадки пневмонії можуть варіюватися від легкої до небезпечної для життя і залишаються важливою причиною смертності у дуже молодих і дуже старих.

Вправа\(\PageIndex{5}\)

Опишіть типові симптоми риніту, синуситу, фарингіту та ларингіту.

Пневмонія, пов'язана з курінням

Каміла - 22-річна студентка, яка протягом 5 років є хронічним курцем. Останнім часом у неї розвинувся стійкий кашель, який не реагував на безрецептурні методи лікування. Її лікар призначив рентгенограму грудної клітини для дослідження. Рентгенологічні результати узгоджувалися з пневмонією. Крім того, з мокротиння Каміли виділили Streptococcus pneumoniae.

Курці схильні до більшого ризику розвитку пневмонії, ніж загальна популяція. Було продемонстровано, що кілька компонентів тютюнового диму погіршують імунний захист легенів. Ці ефекти включають порушення функції миготливих епітеліальних клітин, інгібування фагоцитозу та блокування дії антимікробних пептидів. У сукупності вони призводять до дисфункції ефекту мукоциліарного ескалатора. Тому організми, що потрапили в слиз, здатні колонізувати легені і викликати інфекції, а не вигнати або ковтати.

Ключові поняття та резюме

Дихальні шляхи поділяються на верхню і нижню області у надгортанника.
Повітря надходить у верхні дихальні шляхи через носову порожнину і рот, які обидва ведуть в глотку. Нижні дихальні шляхи простягаються від гортані в трахею до розгалуження в бронхи, які діляться далі, утворюючи бронхіоли, які закінчуються в альвеолах, де відбувається газообмін.
Верхні дихальні шляхи заселені великою і різноманітною нормальною мікробіотою, багато з яких є потенційними збудниками. У нижніх дихальних шляхах виявлено мало мікробних мешканців, і це можуть бути транзиторними.
Члени нормальної мікробіоти можуть викликати опортуністичні інфекції, використовуючи різноманітні стратегії подолання вроджених неспецифічних захисних сил (включаючи мукоциліарний ескалатор) та адаптаційні специфічні захисні сили дихальної системи.
Ефективні вакцини доступні для багатьох поширених респіраторних збудників, як бактеріальних, так і вірусних.
Більшість респіраторних інфекцій призводять до запалення інфікованих тканин; ці умови дають назви, що закінчуються на -itis, такі як риніт, синусит, отит, фарингіт та бронхіт.

Виноски

1 Дж. Клюйтманс та ін. «Носова носія золотистого стафілокока: епідеміологія, основні механізми та пов'язані з цим ризики». Клінічна мікробіологія Відгуки 10 немає. 3 (1997) :505—520.
2 Повні назви вакцин, перерахованих у таблиці: Haemophilus influenzae типу B (Hib); дифтерія, правець та ацелюлярний коклюш (DTAP); правець, дифтерія та дифтерія (Tdap); дифтерія та правець (DT); дифтерія та дифтерія (Td); дифтерія та дифтерія (Td); дифтерія терія, коклюш, правець (АКДС); Бацила Кальметта-Герена; Кір, свинка, краснуха (MMR)