Hoest is nodig om slijm uit de luchtwegen te verwijderen

hoest is een van de meest voorkomende symptomen bij het zoeken naar medische zorg (1, 2). Als hoest zoveel problemen gaat veroorzaken, kan het maar beter de moeite waard zijn, en het klinische bewijs is dat het inderdaad zo is. Patiënten met een verminderde hoest als gevolg van neuromusculaire ziekte of postoperatieve sedatie lijden aan hoge tarieven van atelectase en longontsteking als gevolg van het niet verwijderen van afscheiding uit de luchtwegen, en er is bewijs dat een verhoogde hoestreflex verbetert de gezondheid (3, 4). Belangrijkste onder luchtwegafscheidingen is slijm, en, in PNAS, Button et al. (5) analyseer de biofysische vereisten voor een hoest om aanhangend slijm van een luchtwegwand te scheiden. Voordat u in de details duikt, is het de moeite waard om te bekijken wat bekend is over de biochemie van slijm en de krachten die worden gegenereerd door een hoest.

slijm is een belangrijke afweer tegen verstoringen van de buitenwereld op natte epitheliale oppervlakken door het hele lichaam, inclusief de ogen, luchtwegen, maag-darmkanaal en urogenitale darmkanaal. Het belang ervan wordt onthuld wanneer de slijmbarrière storingen in aandoeningen zoals droge ogen of inflammatoire darmziekte. Slijm is een opmerkelijke en proteaanse stof, met eigenschappen op de grens tussen een viskeuze vloeistof en een zachte elastische vaste stof. De eigenschappen weerspiegelen voornamelijk de interacties van mucine glycoproteïnen (∼0,5% van de massa) met water (98 98%) en zouten (∼1%). De bolvormige proteã nen zijn ook aanwezig in normaal slijm (∼0,5% van massa) maar hebben geen belangrijke invloed op de fysische eigenschappen van slijm tenzij zij en DNA in abnormale hoeveelheden tijdens pathologische processen aanwezig zijn (3). Mucins zijn zeer grote hoogst geglycosyleerde molecules, die voor hun fervent interactie met water verklaren. Afgescheiden mucines polymeriseren in ketens en netwerken die slijm zijn halfvaste consistentie verlenen. De fysische eigenschappen van slijm zijn echter sterk afhankelijk van de mucineconcentratie, waarbij verdund slijm als een vloeistof werkt en geconcentreerd slijm als een vaste stof (6). Verder is verdund slijm een uitstekend smeermiddel, terwijl geconcentreerd slijm klevend is (7⇓ ⇓-10).

in de longen wordt een laag slijm continu voortgestuwd van perifere naar centrale luchtwegen door het slaan van trilharen op epitheliale cellen die in een mozaïekpatroon worden afgewisseld tussen secretoire cellen (Fig. 1, Rechtsonder). Geïnhaleerde deeltjes en ziekteverwekkers landen op de slijmlaag en worden verplaatst door trilharen omhoog de luchtpijp, door de stembanden, en vervolgens ingeslikt en geklaard door het maag-darmkanaal (Fig. 1, Rechtsboven). Topologisch gezien is de long een blinde zak, dus zonder de klaring van deeltjes en pathogenen door een mobiele slijmlaag, zouden deze materialen zich ophopen. In tegenstelling, is het maagdarmkanaal een open buis waardoor deeltjes en ziekteverwekkers gemakkelijk overgaan. De slijmlaag wordt gegenereerd door de secretie van mucines uit epitheelcellen van het oppervlak (Fig. 1, rechtsonder) en submucosale klieren (niet geïllustreerd). Ciliaire kloppen is het primaire mechanisme voor de klaring van slijm, met hoest is een back-up mechanisme wanneer slijm zich ophoopt in de luchtwegen of hecht aan luchtwegwanden (3, 11).

hoest is uitgebreid bestudeerd, zodat het mechanisme en de krachten die het genereert goed bekend zijn (12). Een hoest begint met een snelle inspiratie om de longen te vullen met lucht, gevolgd door sluiting van de glottis, samentrekking van de uitademingsspieren van de borst en buik om een hoge intrathoracale druk te genereren, en de plotselinge opening van de glottis om met kracht lucht uit de mond te verdrijven. Tijdens het hoesten kan de intrathoracale druk 200 cmH2O bereiken, wat zowel de drijfkracht voor de luchtstroom (tot 8 L/s) levert als de centrale luchtwegen vernauwt door compressie (Fig. 1, midden rechts) om de snelheid te maximaliseren (tot 28.000 cm/s of 626 mi/h). Dit verdrijft afscheidingen uit de luchtwegen en in de keel (keelholte) (Fig. 1, Links), waar ze kunnen worden ingeslikt of verwacht. Wat tot nu toe vrijwel geheel onbekend was, is hoe de afschuifkracht van hoest in wisselwerking staat met aanhangend slijm in de luchtwegen.

om dit probleem aan te pakken, Button et al. (5) eerst ontwikkelde een conceptueel model waarbij aanhangend slijm van de luchtwegwand kon worden gescheiden door cohesief of kleeffout. Cohesief falen impliceert breuk van het aanhangend slijm door Fysisch breken mucines en andere polymeren binnen het slijm, terwijl lijm falen impliceert het scheiden van het aanhangend slijm van de glycocalyx van de onderliggende celoppervlakken (zie figuur 1 van ref. 5). Vervolgens zetten ze een peel-testapparaat op om de kracht te meten die nodig is om een aanhangende slijmlaag van een laag epitheliale cellen van de luchtwegen te pellen om hun model te testen. Dit systeem werd ook gebruikt om de rollen van mucineconcentratie en pH in het bepalen van de sterkte van slijm cohesie en adhesie te beoordelen, vindend dat de gevolgen van mucineconcentratie over pH binnen fysiologische reeksen van deze twee parameters domineerden. Ten slotte beoordeelden zij de effecten van therapeutische modaliteiten zoals slijmhydratatie met zoutoplossing, mucinepolymeerlysis met een reductiemiddel om disulfidebindingen te breken, en afnemende cohesie en hechting met een oppervlakteactieve stof. Elk van deze modaliteiten gaf voordeel wanneer het alleen werd gebruikt, en de combinatie van hydratatie en mucine lysis was bijzonder effectief.

de mobiele slijmlaag is een essentiële afweer van zoogdierlongen, zoals blijkt uit de dood van muizen door infectie, ontsteking en obstructie wanneer het belangrijkste uitgescheiden luchtwegmucine, Muc5b, wordt verwijderd (13). Het belang van deze verdediging voor de menselijke gezondheid wordt benadrukt door het feit dat een overexpressie allel van MUC5B is zo sterk geselecteerd dat het aanwezig is in 20% van de blanken (14), vergelijkbaar met de allelfrequentie van sikkel hemoglobine in gebieden met hyperendemische malaria. Ook vergelijkbaar met sikkel hemoglobine, bescherming komt op een prijs omdat de muc5b-overexpressie allel is de belangrijkste risicofactor voor idiopathische pulmonale fibrose laat in het leven, waarschijnlijk als gevolg van epitheliale progenitordepletie veroorzaakt door de proteostasisstress van het produceren van hoge niveaus van dit grote en complexe molecuul (14, 15).

veel vaker dan de problemen die muc5b-hyperexpressie veroorzaakt bij pulmonale fibrose zijn de centrale rollen die slijmdisfunctie speelt bij obstructieve aandoeningen van de luchtwegen zoals astma, chronische obstructieve longziekte (COPD) en cystische fibrose (CF). Bij astma is slijmdisfunctie meestal te wijten aan hyperproductie van het andere uitgescheiden luchtwegmucine, MUC5AC, samen met de abnormale aanwezigheid van plasma-eiwitten, beide als gevolg van ontsteking als onderdeel van afwijkende pathogeenafweer (16). Bij CF is slijmdisfunctie te wijten aan onvoldoende chloride-en bicarbonaattransport naar het lumen van de luchtwegen om voldoende mucinehydratatie en-uitzetting mogelijk te maken (17). Bij COPD is slijmdisfunctie te wijten aan een combinatie van de mechanismen die werken bij astma en CF, evenals aan ciliaire disfunctie, allemaal veroorzaakt door sigarettenrook (3). Bij deze aandoeningen accumuleert slijm zowel in grote centrale luchtwegen als in kleine perifere luchtwegen. Opgehoopte slijm in centrale luchtwegen wordt relatief effectief verwijderd door hoesten, omdat op dat niveau de luchtstroom hoog is en slijm niet zo geconcentreerd is als in perifere luchtwegstekkers. Echter, in kleine luchtwegen, luchtstroom tijdens hoesten taps af perifeer, en geconcentreerd slijm wordt beïnvloed. Een radiografische beeldvormingsstudie bij proefpersonen met astma heeft aangetoond dat perifere luchtwegslijmpluggen jarenlang aanhouden (18). Luchtwegen van gemiddelde grootte en afstand van de luchtpijp zijn waar het werk als dat van Button et al. (5) zal waarschijnlijk de grootste impact hebben. De zorgvuldige definitie van krachten die betrokken zijn bij het opruimen van slijm aanhangend aan luchtwegwanden door hoest, gecombineerd met de analyse van de interacties van nieuwe slijmtherapie met deze krachten, zal ons in staat stellen om de voordelen van het complexe biologische afweermechanisme dat slijmklaring, terwijl het minimaliseren van de nadelige effecten van slijmdisfunctie (19).