Альвеолы легких (физиология, патология, патофизиология, функция и дисфункция легочных альвеол). Альвеолярное напряжение

Введение:

В легких газообмен из вдыхаемого воздуха в кровь и наоборот происходит внутри альвеол. Эти микроскопические структуры находятся на дистальном конце дыхательных путей бронхов. Альвеолы легкихрасширяются при вдыхании, поглощают свежий кислород и сжимаются при выдохе, выводя углекислый газ из организма. Разнообразие факторов, многие из которых в настоящее время исследуются, определяют размер и форму отдельных альвеол. Поверхностное натяжение альвеол является одним из основных компонентов, который определяет, будут ли альвеолы оставаться открытыми и участвовать в газообмене, или они разрушатся. В этой статье будут рассмотрены важные элементы легочной анатомии, гистологии и физиологии, которые контролируют альвеолярное напряжение.

Структура альвеол легких:

Классическая картина дистального бронха и связанных с ним альвеол представляет собой гроздь винограда, причем каждая альвеола представляет собой отдельную сферу из окружающих ее. Более поздние гистологические исследования показали, что фактическая структура намного сложнее. Более поздняя литература описывает расположение альвеол как пена или пена. Их форма напоминает многоугольники с плоскими сторонами, каждая из которых разделяет стены со своим соседом. Между отдельными легочными альвеолами существует множество связей, что приводит к сложной системе воздушных потоков в дистальных дыхательных путях. Общей «стенкой» между двумя соседними альвеолами является межальвеолярная перегородка. Она состоит из одного слоя эпителиальных клеток внутри альвеол и одного слоя эндотелиальных клеток, которые составляют стенки легочных капилляров. Между этими слоями находится разнообразная интерстициальная ткань, которая обеспечивает поддержку и структуру альвеол.

Функции альвеол:

Альвеолы представляют собой тонкие структуры, окруженные стенами, которые иногда имеют толщину всего в несколько клеток. Размер любой альвеолы в определенный момент времени определяется балансом между силами, которые пытаются разрушить ее, и силами, которые пытаются сохранить ее раздутой. Двумя основными силами, которые воздействуют на разрушение альвеол, являются упругие свойства самого легкого и поверхностное натяжение воды, которая частично занимает внутреннюю часть альвеол. Эти разрушающие силы имеют решающее значение для выдоха воздуха после вдоха, но необходимо противостоять в конце выдоха, чтобы предотвратить полное разрушение альвеол. Одной из основных сил, которые предотвращают альвеолярный коллапс, является обширный внеклеточный матрикс коллагена (ECM), проходящий через межальвеолярные перегородки, образованные фибробластами в интерстиции. Контроллер ЭСУД обеспечивает «радиальную тягу»: силы тянут во всех направлениях от центра каждой альвеолы, сохраняя его раздутой.

Другим фактором, который предотвращает альвеолярный коллапс, является присутствие сурфактанта, продуцируемого пневмоцитами типа II. Дальнейшее объяснение роли сурфактанта прежде всего основано на понимании физических взаимодействий молекул воды друг с другом. Отдельная молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода, представляет собой полярную структуру. Электроотрицательность кислорода создает более отрицательный заряд на одной стороне молекулы, в то время как противоположная сторона молекулы имеет более положительный заряд. Когда много молекул воды находятся вместе, временные связи образуются между отрицательными областями на одной молекуле с положительными областями на ее соседе. Эти связи создают силу, которая притягивает молекулы воды все ближе и ближе. Эта сила - поверхностное натяжение.

Когда вода находится внутри альвеолы, поверхностное натяжение на внешней стороне водосбора тянет себя и альвеолы внутрь. Без механизма противодействия этой разрушающей силе альвеола разрушится. Первоначально считалось, что давление, необходимое для противодействия разрушающей силе поверхностного натяжения, прямо пропорционально удвоенному поверхностному натяжению и обратно пропорционально радиусу альвеол = 2T / r. Это соотношение называется законом Лапласа, и это уравнение применимо к сферическим структурам. Как упоминалось ранее, более поздние исследования обнаружили, что альвеолы не являются изолированными сферами с одним соединенным с ними протоком. Альвеолы имеют многоугольную форму с соединениями с несколькими соседними альвеолами. Учитывая эту структуру, нельзя напрямую использовать закон Лапласа для расчета разрушающей силы поверхностного натяжения воды на альвеолах. Тем не менее, идея давления в сфере, прямо пропорциональной удвоенному поверхностному натяжению и обратно пропорциональной радиусу (P = 2T / r), является важной для рассмотрения.

При уменьшении радиуса сферы давление в сфере увеличивается. Повышенное давление может привести к тому, что воздух в сфере будет перемещаться проксимально в бронхиальном дереве, и сфера разрушится. Люди, наряду со многими другими животными, обладают механизмом, который служит для снижения поверхностного натяжения воды в альвеолах и дистальных областях. Легочный сурфактант состоит приблизительно из 90% липидов и 10% белков. Пневмоциты типа II выделяют сурфактант, и он метаболизируется макрофагами. Белки, найденные в сурфактанте, играют разнообразные роли, многие из которых являются предметом исследований. Они участвуют в иммунологической защите от вдыхаемых патогенов, смягчая взаимодействия между другими белками и водой, метаболизм сурфактанта и гомеостаз, среди других.]

Липиды, обнаруженные в сурфактанте, в основном имеют фосфолипидную структуру, полярную группу на «голове» молекулы с двумя неполярными «хвостами». Как обсуждалось ранее, вода является полярной молекулой. Поэтому любое вещество, которое также является полярным, будет легко смешиваться между молекулами, поэтому мы называем эти вещества гидрофильными. Неполярные молекулы являются гидрофобными. Глядя на структуру фосфолипида, он содержит гидрофильную головку и два гидрофобных хвоста. Молекула, обладающая как гидрофильными, так и гидрофобными областями, называется амфипатической. Когда амфипатическая молекула смешивается с водой, гидрофильная головка образует временные связи с заряженными областями соседних молекул воды, как вода сама с собой. Гидрофобные хвосты не образуют эти связи с водой и поэтому подталкиваются друг к другу.

Результатом является сфера молекул поверхностно-активного вещества с их «головными» областями снаружи сферы, обращенными к молекулам воды, и «хвостами» внутри сферы, обращенными друг к другу. Если представить себе коллекцию воды с тысячами этих небольших «сфер» поверхностно-активного вещества, разделяющих соседние молекулы воды, становится легче представить, как именно поверхностно-активное вещество прерывает временные взаимодействия молекул воды друг с другом, тем самым снижая поверхностное натяжение. Наиболее распространенный из фосфолипидов в сурфактанте называется дипальмитоилфосфатидилхолин (DPPC).

Хотя некоторые дополнительные липиды и белки играют роль в регуляции поверхностного натяжения, именно DPPC вырабатывается в наибольших количествах пневмоцитами типа II. Без воздействия на легкие коллапсирующие силы на альвеолах и дистальных дыхательных путях преодолеют силы, пытающиеся держать их открытыми, что приведет к полному коллапсу и невозможности обмена газами в легком.

Патфизиология легочных альвеол:

Как обсуждалось ранее, поверхностно-активное вещество необходимо для предотвращения разрушения альвеол и дистальных дыхательных путей. Любой процесс, который мешает выработке, функционированию или метаболизму сурфактанта, может иметь катастрофические последствия для легочной функции. Заболевание, впервые связанное с дефицитом сурфактанта, представляет собой респираторный дистресс-синдром новорожденных, чаще всего наблюдаемый у недоношенных новорожденных. У этих детей преждевременный характер их легких (до 34 недель беременности) приводит к недостаточному производству сурфактанта.

Как таковые, их альвеолы и дистальные дыхательные пути не могут оставаться открытыми, и они не могут эффективно обменивать кислород на углекислый газ. В течение многих лет единственной надеждой на выживание было введение 100% кислорода и надежда на то, что легкие новорожденного созреют и вырабатывают сурфактант до того, как они умрут от гипоксемии или гиперкапнии. Другие заболевания, которые могут быть вызваны или приводить к нарушениям в производстве или действии сурфактанта, включают респираторный дистресс-синдром взрослых (ARDS), альвеолярный протеиноз, обструктивные заболевания легких, такие как астма и ХОБЛ, интерстициальные заболевания легких, включая легочный фиброз и гиперчувствительный пневмонит, инфекционные процессы в легких таких как пневмония, СПИД, и у пациентов, которые курят.

Клиническое значение дисфункции легочных альвеол:

К счастью для детей с респираторным дистресс-синдромом, в настоящее время существует лечение, направленное на улучшение их легочной функции до тех пор, пока их легкие не разовьются достаточно для производства достаточного количества сурфактанта. При введении экзогенного поверхностно-активного вещества в их легкие коллапс альвеолярного и дистального дыхательных путей, приводящий к их дыхательной недостаточности, обратим. Как упоминалось ранее, существует множество других заболеваний легких, которые могут вызывать или проявляться с нарушениями в производстве, функционировании или метаболизме сурфактанта. К сожалению, в настоящее время нет никакого обычного использования экзогенного сурфактанта при этих заболеваниях (кроме респираторного дистресс-синдрома новорожденных), поскольку он не продемонстрировал клиническую пользу у этих пациентов.

Литература по физиологии альвеол

Prange HD. Laplace's law and the alveolus: a misconception of anatomy and a misapplication of physics. Adv Physiol Educ. 2003 Dec;27(1-4):34-40. Функции альвеол.
Knudsen L, Ochs M. The micromechanics of lung alveoli: structure and function of surfactant and tissue components. Histochem. Cell Biol. 2018 Dec;150(6):661-676. Физиология альвеолярного напряжения
Creuwels LA, van Golde LM, Haagsman HP. The pulmonary surfactant system: biochemical and clinical aspects. Lung. 1997;175(1):1-39. Физиология альвеол
Griese M. Pulmonary surfactant in health and human lung diseases: state of the art. Eur. Respir. J. 1999 Jun;13(6):1455-76
Bangham AD, Morley CJ, Phillips MC. The physical properties of an effective lung surfactant. Biochim. Biophys. Acta. 1979 Jun 21;573(3):552-6. Альвеолярное напряжение.
Lewis JF, Jobe AH. Surfactant and the adult respiratory distress syndrome. Am. Rev. Respir. Dis. 1993 Jan;147(1):218-33. Функции альвеолярного напряжения
Roberts D, Brown J, Medley N, Dalziel SR. Antenatal corticosteroids for accelerating fetal lung maturation for women at risk of preterm birth. Cochrane Database Syst Rev. 2017 Mar 21;3:CD004454. Функции альвеол.
Committee on Fetus and Newborn; American Academy of Pediatrics. Respiratory support in preterm infants at birth. Pediatrics. 2014 Jan;133(1):171-4. Альвеолы легких функции.

^Наверх