Справочный материал. Глава 25 – Органы дыхания. Справочный материал по Физиологии. Глава 25 Органы дыхания
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
Другие функции органов дыхания Помимо внешнего дыхания, органы дыхания выполняют ряд дополнительных функций. К ним относятся обоняние, голосообразование, защитная и метаболическая функции. Заполненные воздухом и покрытые эпителием пространства воздухоносных путей и полости респираторного отдела лёгких на всём их протяжении (от носовых ходов до поверхности альвеол) являются внешней средой. Это обстоятельство определяет защитную функцию органов дыхания, складывающуюся из кондиционирования поступающего в воздухоносные пути атмосферного воздуха (согревание, увлажнение, удаление посторонних частиц) и аппарата иммунологической защиты. Альвеолярная вентиляция возможна только при условии проходимости воздухоносных путей, адекватной объёмам дыхания. Это условие обеспечивается двояко: пассивно — за счёт относительной ригидности (неспадаемости) дыхательных трубок и активно — за счёт постоянного подстраивания диаметра трубок реальным потокам воздуха, что происходит путём сокращения и расслабления ГМК, встроенных в стенку воздухоносных путей. Естественно, что активность ГМК воздухоносных путей находится под нервным и гуморальным контролем. Слизистая оболочка воздухоносных путей выделяет на поверхность эпителия значительное количество слизи, в которой осаждаются посторонние частицы. Эта слизь удаляется из воздухоносных путей при помощи т.н. мукоцилиарного транспорта — направленного наружу движения слизи по поверхности эпителия. Лёгкие также принимают участие в метаболизме ряда биологически активных веществ. Звукообразование и речь Гортань рострально отделена от глотки надгортанником, каудально ограничена первым хрящевым полукольцом трахеи и выполняет две функции — предотвращает попадание пищи в трахею путём смещения надгортанника и смыкания голосовой щели и обеспечивает звукообразование. Голосовые связки — верхние и нижние складки слизистой оболочки в средней части гортани — образуют соответственно ложные и истинные голосовые связки. Пространство между истинными голосовыми связками — голосовая щель. Во время дыхания голосовая щель открыта. Напряжение голосовых связок регулируют мышцы гортани, натягивающие маленькие хрящи, находящиеся на задней стороне гортани, и большой черпаловидный хрящ. При сокращении мышц голосовые связки приближаются друг к другу, и проходящий через голосовую щель воздух заставляет их вибрировать. Чем быстрее воздух проходит через голосовую щель, тем громче звук. Чем ближе связки находятся друг к другу, тем звук выше; чем слабее они натянуты, тем звук ниже. Звукообразование — сложный процесс координации деятельности дыхательных мышц, мышц гортани, голосовых связок, губ и языка. Голосовые связки могут производить широкий диапазон музыкальных звуков (тоны), а резонанс звуков (наличие обертонов) зависит в первую очередь от околоносовых пазух. Качество звуков определяется также от формой грудной клетки, гортани, носоглотки, языка и губ. Голоса детей обоих полов имеют одинаковый диапазон звуков. При пубертате голоса мальчиков «ломаются», так как под воздействием тестостерона объём гортани увеличивается, а голосовые связки удлиняются. 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). Просвет воздухоносных путей Воздухоносные пути не спадаются, а их просвет постоянно изменяется и регулируется в связи с реальной ситуацией. Спадение просвета воздухоносных путей предотвращает присутствие в их стенке плотных структур, образованных в начальных отделах костной, а далее — хрящевой тканью. Изменение величины просвета воздухоносных путей обеспечивают также складки слизистой оболочки, ГМК (тонус ГМК) и эластические структуры стенки. На состояние просвета бронхиального дерева значительное влияние оказывает и тонус ГМК кровеносных сосудов, находящихся в тесном контакте с бронхиальным деревом. Тонус ГМК воздухоносных путей регулируют нейромедиаторы, гормоны, метаболиты арахидоновой кислоты. Эффекты зависят от присутствия соответствующих рецепторов. ГМК стенки воздухоносных путей имеют м холинорецепторы, рецепторы гистамина, - и адренорецепторы и др. Нейромедиаторы секретируются из терминалей нервных окончаний вегетативного отдела нервной системы (для блуждающего нерва — ацетилхолин; для нейронов симпатического ствола —норадреналин). Бронхоконстрикция. Сужение просвета воздухоносных путей вызывают ацетилхолин, вещество P, нейрокинин A, гистамин, ПгD2, тромбоксан TXA2, лейкотриены LTC4, LTD4, LTE4. Бронходилатация. Расширение просвета воздухоносных путей вызывают VIP, адреналин, брадикинин, ПгE2. Тонус ГМК бронхиальных сосудов Вазоконстрикция. Сокращение ГМК бронхиальных сосудов вызывают адреналин, лейкотриены LTC4, LTD4, LTE4, ангиотензин II, эндотелин. Вазодилатация. Расслабляющий эффект на ГМК сосудов бронхов оказывают гистамин, брадикинин, VIP, ПгD2, тромбоксан TXA2, оксид азота (NO), простациклин I2. Иммунная защита Слизистая оболочка воздухоносных путей участвует в защитных иммунных реакциях. В составе эпителия присутствуют отдельные лимфоциты и антигенпредставляющие клетки Лангерханса (рис. 25–16), тогда как собственный слой слизистой оболочки содержит значительное количество различных иммунокомпетентных клеток (T- и B лимфоциты; синтезирующие Ig плазматические клетки; макрофаги и дендритные клетки). Особенности иммунной системы дыхательных путей: специальные антигенпредставляющие клетки (дендритные и Лангерханса), постоянное присутствие в эпителии лимфоцитов, трансэпителиальный перенос на поверхность эпителия IgA, выраженность аллергических реакций немедленного типа (тип I реакций гиперчувствительности), при которых происходит дегрануляция тучных клеток и освобождение из них гистамина и других медиаторов, оказывающих мощный бронхоконстрикторный эффект и значительно усиливающих секрецию желёз. Антигенпредставляющие клетки. Дендритные клетки и клетки Лангерханса (рис. 25–16) — главные антигенпредставляющие клетки лёгкого. Их особенно много в верхних дыхательных путях. С уменьшением калибра бронхов число этих клеток уменьшается. Как антигенпредставляющие, лёгочные клетки Лангерханса и дендритные клетки экспрессируют молекулы MHC I и MHC II. Эти клетки имеют рецепторы Fc фрагмента IgG, фрагмента C3bi–комплемента, ИЛ2; клетки синтезируют ряд цитокинов, включая ИЛ1, ИЛ6, фактор некроза опухоли (TNF); стимулируют T лимфоциты, проявляя повышенную активность в отношении Аг (аллергенов), впервые оказавшихся в организме.  |