10.3: Дихальні шляхи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 24651

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

Дихальні шляхи

Багато екологічних та професійних агентів, а також деякі фармацевтичні препарати потрапляють в дихальні шляхи через інгаляцію. Абсорбція може відбуватися в будь-якому місці верхніх дихальних шляхів. Однак кількість конкретного ксенобіотика, який може бути поглинений у певному місці, сильно залежить від його фізичної форми та розчинності.
До дихальних шляхів виділяють три основні області:

Область носоглотки
Трахеобронхіальний регіон
Легенева область

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Анатомія дихальних шляхів
(Джерело зображення: адаптовано з iStock Photos, ©)

Мукоциліарний ескалатор

Мукоциліарний ескалатор охоплює більшу частину бронхів, бронхіол і носа. Він містить виробляють слиз келихоподібні клітини і миготливий епітелій. Рухи вій штовхають його і все, що в ньому, наприклад, вдихаються частинки або мікроорганізми вгору і назовні в горло, які можуть або проковтнути, або видалити через рот.

Анімація\(\PageIndex{1}\). Мукоциліарний ескалатор забезпечує бар'єр проти інфекції

Легенева область

Безумовно, найважливішим місцем для абсорбції є легенева область, що складається з дуже малих дихальних шляхів, званих бронхіолами та альвеолярних мішків легені.
Альвеолярна область має дуже велику площу поверхні, приблизно в 50 разів більше, ніж шкіра. Крім того, альвеоли складаються лише з одного шару клітин з дуже тонкими мембранами, які відокремлюють вдихається повітря від кровотоку. Через цю мембрану легко проходять кисень, вуглекислий газ та інші гази. Гази та частинки, які є водорозчинними (і, отже, розчинними в крові), більш ефективно всмоктуються з альвеол легенів порівняно з їх поглинанням через шлунково-кишковий тракт або через шкіру. Водорозчинні гази і рідкі аерозолі можуть проходити через мембрану альвеолярних клітин шляхом простої пасивної дифузії.

Малюнок\(\PageIndex{2}\). Детальний перегляд альвеол і бронхіол
(Джерело зображення: адаптовано з iStock Photos, ©)

Вплив фізичної форми на поглинання

Крім розчинності, здатність до поглинання сильно залежить від фізичної форми агента (тобто, чи є агентом газ/пара або частинка). Фізична форма визначає ступінь його проникнення в глибоке легке.

Гази та пари

Газ або пар можна вдихати глибоко в легені, і якщо він має високу розчинність в крові, він майже повністю всмоктується в одному диханні (один вдих). Поглинання через альвеолярну мембрану відбувається шляхом пасивної дифузії, слідуючи за градієнтом концентрації. Оскільки засіб розчиняється в циркулюючій крові, він залишає легені і велика кількість газу або пари може всмоктуватися і потрапляти в організм.
Розчинні в крові гази або пари часто можна видихати, а не відразу поглинати. Для розчинних в крові газів рівновагу між концентрацією агента у вдихуваному повітрі і тією, що в крові досягти важко. Вдихаються гази або пари, які мають погану розчинність в крові, мають обмежену здатність до всмоктування. Основна причина цього полягає в тому, що кров може швидко насититися. Після насичення кров не зможе прийняти газ, і вона залишиться у вдихуваному повітрі, а потім видихнеться. Одним із способів збільшення кількості газу, що поглинається, є збільшення швидкості та глибини дихання (це поняття відоме як обмеження вентиляції). Більш конкретно, кількість газу, що поглинається, може бути збільшена, якби швидкість кровопостачання легені була збільшена за рахунок обмеження потоку.

Навпаки, нерозчинні гази або пари можуть всмоктуватися в організм легкими перед видихом (наприклад, діоксид азоту і чадний газ). Це пояснюється тим, що рівновага між вдихуваним повітрям і кров'ю досягається швидше для відносно нерозчинних газів, ніж для розчинних газів.

Повітряні частинки

Поглинання повітряних частинок зазвичай сильно відрізняється від поглинання газів або парів. Поглинання твердих частинок, незалежно від розчинності, залежить від розміру частинок:

Великі частинки (> 5 мкм), як правило, відкладаються в області носоглотки (область головних дихальних шляхів) з невеликим всмоктуванням.
Частинки 2-5 мкМ можуть проникати в трахеобронхіальну область.
Дуже дрібні частинки (<1 мкм) здатні проникати глибоко в альвеолярні мішки, де вони можуть відкладатися і поглинатися.

Відмінності в абсорбції серед областей дихальних шляхів

Область носоглотки
Мінімальне всмоктування відбувається в області носоглотки завдяки товщині клітин слизової оболонки і швидкому переміщенню газів і частинок по області.

Трахеобронхіальна область
Щодо розчинні гази можуть швидко потрапляти в кров. Більшість відкладених частинок переміщаються назад до рота, де їх ковтають.

Поглинання легеневої області в альвеолах легеневої області досить ефективно в порівнянні з іншими ділянками дихальних шляхів. Щодо розчинні матеріали (гази або частинки) швидко всмоктуються в системний кровотік. На поверхні альвеол існують легеневі макрофаги. Вони не закріплені і не є частиною альвеолярної стінки. Вони можуть поглинати частинки так само, як вони поглинають і вбивають мікроорганізми. Ці альвеолярні макрофаги можуть очищати і очищати деякі нерозчинні частинки в лімфатичну систему.

Малюнок\(\PageIndex{3}\). Альвеоли
(Джерело зображення: iStock фотографії, ©

Деякі інші частинки можуть залишатися в альвеолах нескінченно довго. Наприклад:

Вугільний пил і азбестові волокна можуть призвести до чорного легкого або азбестозу відповідно.
Вуглецеві нанотрубки (CNT), крихітні трубчасті структури менші за людське волосся, були виявлені в легенях довго після впливу. CNT використовуються в таких матеріалах, як полімери та антистатична упаковка для їх електричних, магнітних та механічних властивостей. Дослідження того, що відбувається з різними формами одностінних та багатостінних вуглецевих нанотрубок (CNT), виявили, що первозданна ЦНТ може залишатися в легенях протягом місяців або навіть років після відкладення легенів. Однак деякі CNT можуть переміщатися до шлунково-кишкового тракту (ШКТ) через мукоциліарний ескалатор, де, при ковтанні, здається, не відбувається поглинання ХНТ з шлунково-кишкового тракту (за винятком найменшого функціоналізованого одностінного CNT). Крім того, за деяких експериментальних умов у тварин деякі вуглецеві нанотрубки перемістилися з альвеолярного простору до сусідньої легеневої області, включаючи лімфатичні вузли, субплевру та плевру, а менші кількості пішли до дистальних органів, включаючи печінку, селезінку та кістковий мозок.

Фактори, що впливають на токсичність вдихуваних матеріалів

Характер токсичності вдихуваних матеріалів залежить від того, всмоктується матеріал або залишається всередині альвеол і дрібних бронхіол. Якщо засіб всмоктується і є ліпідним розчинним, воно може швидко розподілятися по всьому організму, проходячи через клітинні мембрани різних органів або в жирові депо. Ліпідно-розчинним речовинам потрібно більше часу, щоб досягти рівноваги, ніж водорозчинні речовини. Хлороформ і ефір є прикладами ліпідно-розчинних речовин з високою розчинністю в крові.

Неабсорбований чужорідний матеріал також може викликати важкі токсичні реакції всередині дихальної системи. Ці реакції можуть мати форму хронічного бронхіту, розпаду альвеол (емфіземи), фіброзної хвороби легенів і навіть раку легенів. У деяких випадках токсичні частинки можуть вбити альвеолярні макрофаги, що призводить до зниження механізму захисту органів дихання.

Фармацевтичні препарати, орієнтовані на дихальні шля

Інгаляційні пристрої для доставки ліків можуть бути дуже ефективними та безпечними для потрапляння активних речовин безпосередньо на місце їх дії. Інгаляція використовується для доставки препаратів місцевої дії для лікування респіраторних захворювань, включаючи астму, хронічну обструктивну хворобу легень (ХОЗЛ) та інфекції дихальних шляхів. До переваг цілеспрямованої доставки в легені можна віднести більш швидке настання дії і підвищений терапевтичний ефект. Залежно від препарату, що вдихається, можуть бути зменшені системні побічні ефекти, оскільки менша доза може забезпечити необхідну місцеву концентрацію.

Токсикогеноміка і токсичність тестування

Токсикогеноміка застосовує концепції геноміки та технології для вивчення генної та білкової активності всередині типу тканини або типу клітини у відповідь на хімічний вплив. Токсикогеноміка допомагає в розумінні того, які гени і білки взаємодіють з хімічною речовиною, і які захворювання пов'язані з різними генами, білками, хімічними речовинами. Цей приклад використовував токсикогеноміку для оцінки реакції дихальних шляхів на один тип інгаляційного матеріалу:
Наприклад, наночастинки діоксиду титану (TiO2NP) індукують запалення легенів у експериментальних тварин, і одне дослідження включало комплексний токсикогеномний аналіз реакцій легенів у мишей, що піддаються впливу шести окремих TiO2NP, що демонструють різні розміри, кристалічну структуру та модифікації поверхні. Мета полягала в тому, щоб дослідити, чи є механізми, що призводять до TiO2NP-індукованого запалення легенів, специфічними. Результати свідчать про те, що тяжкість запалення легенів є специфічною; однак основні механізми (гени та збурені шляхи), що призводять до запалення, були однаковими для всіх типів частинок. Хоча розмір частинок чітко впливав на загальні гострі реакції легенів, поєднання невеликого розміру, кристалічної структури та гідрофільної поверхні сприяло тривалим патологічним ефектам, що спостерігаються при найвищій дозі.

Перевірка знань

1) Вдихається матеріал, швидше за все, буде всмоктуватися в організм, якщо він має такі характеристики:
а) Висока розчинність ліпідів і погано іонізований
б) Великий розмір частинок і низька розчинність у воді
c) Висока розчинність у воді і мала розмір частинок

Відповідь: Висока розчинність у воді і невеликий розмір частинок - це правильна відповідь.
На відміну від всмоктування через шлунково-кишковий тракт або через шкіру, гази та частинки, які є водорозчинними (і, отже, розчинними в крові), будуть ефективніше всмоктуватися з альвеол легенів. Дуже дрібні частинки (<1 мкм) здатні проникати глибоко в альвеолярні мішки, де вони можуть відкладатися і поглинатися.

2) Частинки розміром 2-5 мкм найімовірніше осідають, в якому місці дихальних шляхів?
а) Носоглоткова область
б) Трахеобронхіальна область в
) Легенева область

Відповідь: Трахеобронхіальна область - це правильна відповідь.
Частинки 2-5 мкМ можуть проникати в трахеобронхіальну область. Дуже дрібні частинки (<1 мкм) здатні проникати глибоко в альвеолярні мішки, де вони можуть відкладатися і поглинатися.