CC BY
40
б. Reynolds H.Y. Microbiologische und Pneumonie//Atemwegs-Lungen Kr.-1988.-Bd.14, №1.-Wirstsfactoren in der Pathogenese der S.15-26.
□ □□
УДК 611.233:612.215.1:612.592 М.Т. Луценко
МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БРОНХОВ ПРИ ОБЩЕМ ОХЛАЖДЕНИИ ОРГАНИЗМА
ГУ Дальневосточный научный центр физиологии и патологии дыхания СО РАМН
РЕЗЮМЕ
Проводилось моделирование экстремальных условий для воздухоносных путей организма -общее охлаждение животных в климатокамере при температуре -30°С в течение 10, 20 и 30 дней по 3 часа ежедневно. Опыты показали, что в экстремальных условиях в течение 10 дней эксперимента нарушается нервно-трофический процесс в слизистой бронхов, происходит усиленная миграция тучных клеток в эпителии слизистой оболочки бронхов, приводящих к усиленной выработке гистамина, NO и перекисей жирных кислот. Данные компоненты являются пусковым началом нарушения управления процессом дифференци-ровки специализированных клеток однослойного многорядного эпителия, порождая явления метаплазии. Появляются очаги гиперплазии соединительной ткани и мышечных элементов по ходу слизистой бронхов, приводящие к явлениям обструкции.
SUMMARY
M.T.Lutsenko
MORPHOFUNCTIONAL CHARACTERISTICS OF BRONCHIAL TREE SUBJECTED TO COLD
We subjected organism airways to simulated I extreme conditions. Animals were kept in climate |
chamber with air temperature - 30°C for 3 hours every day during 10, 20 and 30 days. Studies showed that subjecting animals to cold during 10 days leads to disturbance of nervous-trophic processes in bronchial mucosa, resulting in increased migration of mast cells, enhanced production of histamine, NO and fat acid peroxides. This causes disturbances differentiation process regulation of specific cells of single layer stratified epithelium, generating metaplasia. There are hyperplasia focuses in connective tissue and muscular elements in bronchial mucosa, leading to obstruction.
В структуре заболеваемости населения, проживающего на Северо-Востоке России, ведущее место принадлежит процессам, поражающим органы дыхания: бронхиты, пневмония, бронхиальная астма, на-гноительные заболевания легких [1, 2, 3, 7, 8, 11, 13,
15, 16, 17, 18]. На территории Чукотки и Магаданской области почти 50% в структуре общей заболеваемости отводится неспецифическим процессам в дыхательной системе [14]. Это самые тяжелые по климатическим условиям регионы на территории России, характеризующиеся низкими температурами атмосферы в осенне-зимний период, а также высокой влажностью вдыхаемого воздуха. У лиц, проживающих в таких условиях, отмечается возрастание теп-лопотери в верхних дыхательных путях, особенно при физической активности, что и приводит к холодовому поражению воздухоносного отдела легких [4, 5, 6, 9, 10, 12, 14, 19, 20, 21, 22, 23]. Охлажденный
Таблица l
Физиологическая относительная влажность для насыщенного влагой воздуха
Температура, °С Физиологическая относительная влажность, % Температура, °С Физиологическая относительная влажность, % Температура, °С Физиологическая относительная влажность, %
0 10 21 40 30 67
5 14 22 42 31 72
10 20 23 45 32 76
15 27 24 48 33 80
16 29 25 50 34 85
17 31 26 54 35 90
18 33 27 57 36 95
19 35 28 60 37 100
20 37 29 63
Таблица 2
Дефицит влажностного баланса дыхания, или количество водяных паров (г), теряемое организмом в процессе дыхания за час при различной температуре атмосферного воздуха и различной относительной влажности (В.О.Пальчинский, 1935)
Относительная влажность, % Темпе ратура воздуха, °С
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
10 14,99 14,97 14,95 14,88 14,75 14,53 14,13 13,48 12,44
20 14,98 14,95 14,89 14,76 14,51 14,06 13,37 11,96 9,91
30 14,98 14,93 14,84 14,65 14,27 13,59 12,41 10,44 7,32
40 14,97 14,91 14,79 14,52 14,03 13,12 11,54 8,93 4,94
50 14,95 14,88 14,73 14,41 13,77 12,64 10,68 7,41 2,24
60 14,95 14,86 14,68 14,29 13,54 12,17 9,81 5,93 -0,30
70 14,94 14,84 14,62 14,17 13,30 11,70 8,92 4,40 -2,89
80 14,93 14,82 14,57 14,06 13,06 11,23 8,08 2,87 -5,43
90 14,92 14,80 14,51 13,94 12,82 10,76 7,19 1,34 -7,98
100 14,91 14,77 14,46 13,82 12,57 10,29 6,36 -0,19 -10,57
Таблица 3
Дефицит теплового баланса дыхания, или количество больших калорий тепла, теряемое легкими в процессе дыхания за час при различной температуре вдыхаемого воздуха при различной относительной влажности (В.О.Пальчинский, 1935)
Относительная влажность, % Температура воздуха, °С
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
10 19,373 17,878 16,634 14,859 13,301 11,690 9,975 8,115 6,028
20 19,367 17,867 16,649 14,790 13,161 11,418 9,476 7,233 4,560
30 19,363 17,853 16,670 14,725 13,022 11,145 8,977 6,352 3,078
40 19,356 17,840 16,686 14,650 12,883 10,870 8,473 5,476 1,620
50 19,349 17,826 16,658 14,586 12,733 10,571 7,974 4,594 0,112
60 19,345 17,814 16,626 14,517 12,599 10,298 7,469 3,720 -1,361
70 19,340 17,803 16,612 14,447 12,460 10,049 6,953 2,849 -2,863
80 19,337 17,790 16,983 14,383 12,320 9,776 6,452 1,961 -4,336
90 19,332 17,778 16,601 14,310 12,181 9,504 5,950 1,079 -5,800
100 19,326 17,762 16,600 14,244 12,036 9,234 5,450 0,187 -7,317
Таблица 4
Содержание различных классов фосфолипидов в плазме периферической крови кроликов при общем охлаждении организма при температуре -30°С (%)
Фосфолипиды Интактные животные После однократного охлаждения организма в течение 3 часов при t -30°С После 5-дневного охлаждения организма при t -30°С ежедневно по 3 часа После 30-дневного охлаждения организма при t -30°С ежедневно по 3 часа
Фосфатидилэтаноламин 45,0±5,5 43,3±2,9 40,0±3,1 36,2±1,8
Фосфатидилхолин 24,0±4,0 28,3±3,6 28,5±1,8 32,0±2,1
Фосфатидилсерин 8,3±1,4 3,9±0,8 6,6±0,9 4,0±0,6
Фосфатидилинозитол 4,6±1,8 3,0±0,5 4,0±0,3 4,0±0,8
Сфингомиэлин 14,5±0,8 15,0±0,6 15,4±1,2 16,8±1,1
Лизофосфатидилхолин 0,4±0,05 3,0±0,2 5,2±0,8 7,0±0,8
воздух гигроскопичен, что вызывает процесс его увлажнения, приводя к еще более выраженному повреждению слизистой бронхов. При вдыхании воздуха при температуре -30°С через нос ее показатели на уровне бифуркации трахеи становятся на 2°С ниже по сравнению с температурой тела.
Человек в течение часа вдыхает и выдыхает в спокойных условиях около 0,5 м3 воздуха. Посту-
пающий воздух имеет в среднем температуру 32°С и относительную влажность 90%. Разность вдыхаемых и выдыхаемых водяных паров является дефицитом влажностного баланса дыхания, который выражается количеством водяных паров в граммах, теряемых организмом в процессе дыхания в течение часа при различной температуре атмосферного воздуха и различных процентах относительной влажности.
Таблица 5
Спектр жирных кислот в плазме периферической крови кроликов при общем охлаждении организма в различные сроки при температуре -30°С
Жирные кислоты р и н* Интактные животные После однократного охлаждения организма в течение 3 часов при 1 -30°С После 5-дневного охлаждения организма при 1 -30°С ежедневно по 3 часа После 30-дневного охлаждения организма при 1 -30°С ежедневно по 3 часа
Лауриновая Сі2 0,47±0,015 0,95±0,03 1,2±0,05 0,9±0,04
Лауролеиновая С12:1 0,31±0,05 0,65±0,09 0,8±0,02 0,7±0,05
Миристиновая Сі4 1,55±0,04 2,93±0,5 2,8±0,4 0,6±0,03
Миристолеиновая С14:1 0,65±0,01 0,85±0,02 0,6±0,01 0,7±0,02
Пентадеценовая Сі5 0,3±0,08 0,27±0,07 0,4±0,01 0,5±0,01
Пальмитиновая Сі6 26,9±2,7 34,5±2,5 24,2±1,6 24,3±1,4
Пальматолеиновая С16:1 1,3±0,7 8,7±1,2 0,9±0,01 1,4±0,1
Маргариновая Сі7 1,6±0,1 0,75±0,01 1,4±0,02 1,5±0,02
Гептадекановая С17:1 0,92±0,06 0,64±0,09 0,5±0,01 0,6±0,01
Стеариновая Сі8 18,9±1,5 15,0±1,0 19,8±1,0 17,8±0,4
Олеиновая С18:1 15,6±1,2 25,0±1,8 14,0±0,6 14,3±0,9
Линолевая С18:2 26,3±2,0 16,2±1,3 27,5±1,4 30,0±2,1
Линоленовая С18:3 0,9±0,04 1,0±0,09 0,7±0,04 1,6±0,09
Эйкозадиеновая С20:2 0,5±0,07 0,3±0,04 0,8±0,02 1,1±0,02
Эйкозатетраеновая С20:3 0,5±0,03 0,4±0,01 0,9±0,02 1,1±0,04
Арахидоновая С20:4 1,9±0,08 4,5±0,05 10,9±0,9 8,0±0,8
Таблица 6
Фосфолипиды в мембранах эритроцитов у больных бронхиальной астмой (%)
Группы РЕ РС 8РИ Рє ЬРС РІ
Легкая степень БА
До лечения 21,6±0,4 26,4±1,2 16,3±1,4 9,7±1,2 13,0±1,2 12,0±1,3
После лечения 24,9±0,5 37,1±1,0 22,0±2,1 10,0±2,0 6,0±0,8 5,0±0,7
Средняя степень БА
До лечения 18,4±1,2 34,0±0,8 16,1±2,0 11,5±1,3 10,0±1,8 10,0±1,3
После лечения 23,2±0,7 29,8±1,5 25,6±3,0 10,7±0,3 7,7±1,7 3,0±0,2
Контроль
Здоровые лица 27,1±1,1 38,4±1,9 29,3±0,9 - 5,2±0,6 -
В зимний период при холодной и сухой погоде слизистые оболочки пересыхают, и требуется даже искусственное увлажнение воздуха. Так, в январе человек, находящийся на открытом воздухе при температуре -20°С и относительной влажности 30%, будет терять в процессе дыхания за 1 час 14,84 г воды, а при 20°С и 30% относительной влажности в комнатных условиях - 12,41 г воды. Летом при температуре 20°С и относительной влажности 90-96% дефицит влажностного баланса дыхания составляет лишь 7,19 г воды. Таким образом, в зимних условиях организм человека теряет влаги через дыхательные пути примерно в 2 раза больше, чем в летний период.
У человека 4-6% общего количества теплопотерь приходится на выдыхание теплого воздуха (В.О.Пальчинский, 1935). Количество тепла, теряемое легкими при дыхании, зависит как от температуры наружного воздуха, так и от относительной влажности. Поэтому теплопотери при дыхании зимой и летом существенно отличаются (табл. 1, 2, 3). Физиологически влажность больше 35% переносится
уже тягостно. Упругость водяных паров увеличивается с повышением температуры. Величина физиологической относительной влажности вычисляется по формуле:
а
Ф = --100,
в
где Ф - физиологическая относительная влажность (%);
а - давление насыщенного пара (относительная влажность равна 100%);
в - давление насыщенного пара при температуре 37°С.
Вдыхаемый воздух с пониженной температурой оказывает влияние на рецепторный аппарат вегетативной нервной системы. Включается сложная ней-ро-гормональная местная система: нейро-
трофический эффект ^ нейроэндокринная система клеток слизистой бронхов ^ транзиторная гормональная система (тучные клетки). Подобная ситуация влечет за собой нарушение метаболизма в эпителиальных клетках, выработку биогенноактивных ве-
Рис. 1. Слизистая оболочка бронха кролика. Охлаждение в климатокамере при температуре -30°С в течение 10 дней по 3 часа ежедневно. В эпителии слизистой скопление большого количества тучных клеток. Окраска толуидиновым синим. Увеличение 20 х 40.
Рис. 2. Слизистая оболочка бронха кролика. Охлаждение в климатокамере при температуре -30°С в течение 20 дней по 3 часа ежедневно. Апикальная поверхность мерцательной клетки. На ресничках и микроворсинках резкое снижение активности адени-латциклазы. Увеличение х 10000.
ществ и гистамина за счет скопления в эпителиальном пласте большого количества тучных клеток (рис. 1). Изменяется привычный ритм работы адени-латциклазы в сторону резкого снижения ее активности на апикальном полюсе эпителиальных клеток (рис. 2). В мембранах эпителиальных клеток резко меняется фосфолипидный обмен. По примеру мембран эритроцитов, взятых в этих условиях у животных, охлаждавшихся в течение 5-30 дней при температуре -30°С по 3 часа в день, отмечается снижение содержания фосфатидилэтаноламина и фосфатиди-линозитола и увеличивается удельный вес лизофос-фатидилхолина (табл. 4, 5), как в плазме, так и в мембранах эритроцитов (табл. 6).
Рис. 3. Слизистая оболочка бронха кролика. Охлаждение в климатокамере при температуре -30°С в течение 20 дней по 3 часа ежедневно. Апикальная поверхность клетки с выраженной «текучестью» клеточной мембраны. Увеличение х 15000.
Рис. 4. Слизистая оболочка бронха кролика. Охлаждение в климатокамере при температуре -30°С в течение 20 дней по 3 часа ежедневно. Активность НАДФН-диафоразы в эпителиальных клетках. Увеличение 20 х 40.
Такой состав фосфолипидов способствует текучести жирных кислот (рис. 3). На этом фоне снижается активность аденилатциклазы и увеличивается содержание в клетках перекисей жирных кислот (рис. 4). В эпителиальных клетках увеличивается активность НАДФН-диафоразы, приводя к увеличению содержания N0 (рис. 5). Комплекс таких патологических процессов оказывает сильное мутационное влияние на тканевую информационную систему.
В зоне повышенной гиперчувствительности мы отмечаем нарушение дифференцировки эпителия по заданной эволюционно программе: камбиальные
клетки ^ промежуточные ^ мерцательные и бокаловидные.
На уровне камбиальных элементов в метаплази-
а*г............ - ■
„ ’У*’’ * ' ‘ %7 '
. .V* •.‘1'к»‘ ' *■' • .*•' ■' '•-
Рис. 6
№
■ *ч •
Рис. 7
■* V ^г, - + *
*дЗ«5
Рис. 8.
Рис. 9.
\
* о • Р5^ч, V ■ 1-!^ . '1^ ->» * * К* >■__.. ^ у>.
Рис. 11.
Рис. 6-11. Слизистая оболочка бронха кролика. Охлаждение в климатокамере при температуре -30°С по 3 часа ежедневно: Рис. 6. - в течение 10 дней. Легкая инфильтрация слизистой. Эпителий однослойный многорядный. Увеличение 10 х 20. Рис. 7, 8 - в течение 20 дней. Инфильтрация усиливается, происходит перестройка эпителия, теряется привычный план строения, присущий однослойному многорядному типу. Увеличение 15х40. Рис. 9 - в течение 20 дней. Утолщение базальной мембраны. Метаплазия эпителия. Увеличение 20х20. Рис. 10, 11 - в течение 30 дней. Эпителий стал однослойным кубическим и даже плоским (рис. 11). Разрастание соединительной ткани. Увеличение 15 х 20.
рованный эпителий врастают стволики эфферентных волокон, по ходу которых выявляется большое количество кальция. Ионы кальция в большом количестве обнаруживаются и в цитоплазме эпителиальных клеток. Это усиливает активность НАДФН-диафоразы в зоне измененного эпителия. По мере удлинения сроков охлаждения организма в слизистой оболочке бронхов прогрессируют с одной стороны дегенеративные процессы в эпителии, а с другой стороны, усиливается продукция коллагеновых волокон III типа (рис. 6).
Таким образом, моделируя экстремальные условия окружающей среды (общее охлаждение организма), мы убеждаемся, что подобная ситуация становится пусковым механизмом для нарушения обменных процессов в слизистой бронхов. Повышается возбудимость нервно-гуморальной системы в стенке бронхов, что приводит к изменению ритма процессов дифференцировки как эпителиальных, так и мышечных элементов. Камбиальные клетки теряют генетически вырабатываемый механизм формирования элементов, присущий для однослойного многоядерного эпителия бронхов. Формируются только однотипные по своей форме клетки: кубические или плоские, что и выражается в построении метаплазиро-ванного эпителия. В ядрах камбиальных элементов увеличивается содержание гистонов, что по всей вероятности и является причиной подавления локусов ДНК, ответственных за синтез высокодифференцированных видов однослойного многорядного эпителия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авцын А.П., Барсова Р.И., Ботвинник Л.К. Хронические прогрессирующие заболевания легких как краевая патология некоторых Северо-Восточных районов СССР.-Вестник АМН СССР.-1971.-№10.-С.3-13.
2. Патология человека на Севере/А.П. Авцын, А.А.Жаворонков, А.Г.Марачев, А.П.Милованов.-М.: Медицина, 1985.-416 с.
3. Башкатов В.А. Особенности гемодинамики малого и большого круга кровообращения в климатогеографических условиях Дальневосточного регио-на//Бюл. Сиб.отд-ния АМН СССР.-1984.-№>5.-С.83-87.
4. Величковский Б.Т. Экологическая пульмонология (лекция, прочитанная на I Всесоюзном конгрессе по болезням органов дыхания, Киев, 1990)//Пульмонология. -1991. -№ 1.-С.47-51.
5. Диденко И.И. Физиолого-гигиенические основы теплообмена в процессе труда горнорабочих открытых карьеров и глубоких рудников Крайнего Се-вера:Автореф. дис. ... д-ра мед. наук.-М., 1986.-39 с.
6. Дидковский Н.А. Диагностика нарушений местной защиты легких у больных ХНЗЛ: Методические рекомендации.-М., 1988.
7. Казначеев В.П., Куликов В.Ю., Панин Л.Е. Особенности экологических факторов высоких ши-рот.-Л., 1980.-С.10-13.
8. Казначеев В.П. Современные аспекты адапта-ции.-Новосибирск: Наука, 1980.-191 с.
9. Казначеев В.П., Казначеев С.В., Маянский Д.Н. Клинические аспекты полярной медицины.-М., 1986.-208 с.
10. Кондрор И. С. Очерки по физиологии и гигиене человека на Крайнем Севере.-М.: Медицина, 1986.-150 с.
11. Луценко М.Т., Ландышева И. В., Ландышев Ю.С. и др. Механизмы адаптации организма к холо-ду.-Благовещенск, 1978.-149 с.
12. Луценко М.Т., Целуйко С.С. Особенности морфологических изменений органов дыхания под воздействием низких температур//Тез. докл. 4-го Междунар. симпозиума по приполярной медицине.-Новосибирск, 1978.-Т.1.-С.99-100.
13. Луценко М.Т., Целуйко С.С., Манаков Л.Г. Социальные проблемы заболеваемости органов дыхания в Дальневосточном регионе//Бюл. Сиб. отд-ния АМН СССР.-1987.-№5.-С.29-31.
14. Марачев А.Г., Совершаева С.П., Матвеев Л.Н. Метод определения функциональных резервов легких человека в условиях Севера//Морфологические критерии дизадаптации дыхательной системы к факторам внешней среды.-Благовещенск, 1985.-С.64-67.
15. Милованов А. П. Адаптация и донозологиче-ская диагностика напряжения легких человека на Севере//Особенности патологии коренного и пришлого населения в условиях Крайнего Севера:Тез. докл. конф., 15-17 июня, 1981.-Красноярск, 1981.-Т.2.-С.231-232.
16. Милованов А.П., Луценко М.Т., Норейко Б.В. Вентиляционно-перфузионные соотношения в легких у жителей Арктического побережья Северо-Востока СССР.-Физиол. человека.-1982.-Т.8, №2.-С.203-211.
17. Миронова Г.Е., Васильев Е.П., Величковский Б. Т. Хронический обструктивный бронхит в условиях Крайнего Севера.-Красноярск: Якутский научный центр, 2003.-169 с.
18. Сулейманов С.Ш., Иванов В.Н. Эпидемиология ХНЗЛ у коренного населения Севера Читинской области//3-й Национальный конгресс по болезням органов дыхания.-Пульмонология.-1992.-№4.-С.20.
19. Целуйко С.С. Гистофизиология сурфактантной системы легких при действии на организм низких температур//Гистофизиология дыхательной системы при адаптации организма к низким температурам.-Благовещенск, 1983.-С.64-73.
20. Целуйко С.С., Лабецкая Н.В. Морфофункциональные и биохимические аспекты патологии легких при холодовом стрессе//Морфологические критерии дизадаптации дыхательной системы к факторам внешней среды.-Благовещенск, 1985.-С.59-61.
21. Целуйко С.С., Руденко Н.Б., Пискун Н.И. Морфологическая характеристика слизистой оболочки воздухоносного отдела легких больных хроническим бронхитом//Диагностика, особенности течения и профилактика болезней органов дыхания в Дальневосточном регионе. Т1.-Благовещенск, 1986.-С.251-252.
22. Чучалин А.Г. Механизмы защиты органов ды-хания//Пульмонология.-1992.-№ 1.-С.8-15.
23. Чучалин А.Г. Хронические обструктивные болезни легких.-М.: ЗАО Изд-во Бином; СПб.: Невский Диалект, 1998.-512 с.
