Ce este nevoie pentru ca o tuse să expulzeze mucusul din căile respiratorii

tusea este unul dintre cele mai frecvente simptome pentru a solicita îngrijiri medicale (1, 2). Dacă tusea va provoca atât de multe probleme, ar fi bine să merite, iar dovezile clinice sunt că într-adevăr este. Pacienții cu tuse afectată din cauza bolii neuromusculare sau a sedării postoperatorii suferă rate ridicate de atelectază și pneumonie din cauza eșecului de a curăța secrețiile din căile respiratorii și există dovezi că un reflex tuse sporit îmbunătățește sănătatea (3, 4). Șeful dintre secrețiile căilor respiratorii este mucusul și, în PNAS, Button și colab. (5) analizați cerințele biofizice pentru o tuse pentru a separa mucusul aderent de peretele căilor respiratorii. Înainte de a vă scufunda în detalii, merită să revizuiți ceea ce se știe despre biochimia mucusului și forțele generate de tuse.

mucusul este o apărare importantă împotriva perturbațiilor din lumea exterioară la suprafețele epiteliale umede din tot corpul, inclusiv ochii, căile respiratorii, tractul gastro-intestinal și tractul genito-urinar. Importanța sa este dezvăluită atunci când bariera mucusului funcționează defectuos în tulburări precum ochii uscați sau boala inflamatorie intestinală. Mucusul este o substanță remarcabilă și proteică, cu proprietăți la granița dintre un fluid vâscos și un solid elastic moale. Proprietățile sale reflectă în primul rând interacțiunile glicoproteinelor mucinice (0,5% din masă) cu apa (98% din masă) și sărurile (1% din masă). Proteinele globulare sunt prezente și în mucusul normal (0,5% din masă), dar nu au un impact major asupra proprietăților fizice ale mucusului decât dacă acestea și ADN-ul sunt prezente în cantități anormale în timpul proceselor patologice (3). Mucinele sunt molecule foarte mari foarte glicozilate, reprezentând interacțiunile lor avide cu apa. Mucinele secretate polimerizează în lanțuri și rețele care conferă mucusului consistența sa semisolidă. Cu toate acestea, proprietățile fizice ale mucusului depind în mare măsură de concentrația mucinei, mucusul diluat acționând ca un fluid și mucusul concentrat ca un solid (6). În plus, mucusul diluat este un lubrifiant excelent, în timp ce mucusul concentrat este adeziv (7 -10).

în plămâni, un strat de mucus este propulsat continuu de la căile respiratorii periferice la cele centrale prin bătaia cililor pe celulele epiteliale care sunt intercalate între celulele secretoare într-un model mozaic (Fig. 1, Dreapta Jos). Particulele inhalate și agenții patogeni aterizează pe stratul de mucus și sunt mutați de cilia în trahee, prin corzile vocale, apoi înghițiți și curățați de tractul gastro-intestinal (Fig. 1, Dreapta Sus). Topologic, plămânul este un sac orb, deci fără clearance-ul particulelor și agenților patogeni de către un strat de mucus mobil, aceste materiale s-ar acumula. În schimb, tractul gastro-intestinal este un tub deschis prin care particulele și agenții patogeni trec ușor. Stratul de mucus este generat de secreția mucinelor din celulele epiteliale de suprafață (Fig. 1, dreapta jos) și glandele submucoase (nu este ilustrat). Bătaia ciliară este mecanismul principal pentru eliminarea mucusului, tusea fiind un mecanism de rezervă atunci când mucusul se acumulează în căile respiratorii sau aderă la pereții căilor respiratorii (3, 11).

tusea a fost studiată extensiv, astfel încât mecanismul și forțele pe care le generează sunt bine cunoscute (12). O tuse începe cu o inspirație rapidă pentru a umple plămânii cu aer, urmată de închiderea glotei, contracția mușchilor expiratori ai pieptului și abdomenului pentru a genera o presiune intrathoracică ridicată și deschiderea bruscă a glotei pentru a expulza forțat aerul din gură. În timpul tusei, presiunea intrathoracică poate ajunge la 200 cmH2O, care asigură atât forța motrice pentru fluxul de aer (până la 8 L/s), cât și îngustează căile respiratorii centrale prin compresie (Fig. 1, mijloc dreapta) pentru a maximiza viteza (până la 28.000 cm/S sau 626 mi/h). Aceasta expulzează secrețiile din căile respiratorii și în gât (faringe) (Fig. 1, stânga), unde pot fi înghițite sau expectorate. Ceea ce a fost aproape în întregime necunoscut până acum este modul în care forța de forfecare generată de tuse interacționează cu mucusul aderent din căile respiratorii.

pentru a rezolva această problemă, Button și colab. (5) a dezvoltat mai întâi un model conceptual prin care mucusul aderent ar putea fi separat de peretele căilor respiratorii fie prin defectare coezivă, fie adezivă. Eșecul coeziv implică fracturarea mucusului aderent prin ruperea fizică a mucinelor și a altor polimeri din mucus, în timp ce eșecul adeziv implică separarea mucusului aderent de glicocalixul suprafețelor celulare subiacente (vezi Figura 1 din ref. 5). Apoi, au creat un dispozitiv de testare a cojii pentru a măsura forța necesară pentru a îndepărta un strat de mucus aderent de pe un strat de celule epiteliale ale căilor respiratorii pentru a testa modelul lor. Acest sistem a fost, de asemenea, utilizat pentru a evalua rolurile concentrației mucinei și pH-ului în determinarea rezistenței coeziunii și aderenței mucusului, constatând că efectele concentrației mucinei au dominat pH-ul în intervalele fiziologice ale acestor doi parametri. În cele din urmă, au evaluat efectele modalităților terapeutice, cum ar fi hidratarea mucusului cu soluție salină, Liza polimerului mucinei cu un agent reducător pentru a rupe legăturile disulfidice și scăderea coeziunii și aderenței cu un surfactant. Fiecare dintre aceste modalități a oferit beneficii atunci când a fost utilizată singură, iar combinația de hidratare și Liza mucinei a fost deosebit de eficientă.

stratul de mucus mobil este o apărare esențială a plămânilor de mamifere, așa cum se arată prin moartea șoarecilor din cauza infecției, inflamației și obstrucției atunci când mucina principală secretată a căilor respiratorii, Muc5b, este ștearsă (13). Importanța acestei apărări pentru sănătatea umană este evidențiată de faptul că o alelă supraexprimată a MUC5B a fost atât de puternic selectată încât este prezentă la 20% din Albi (14), similar cu frecvența alelelor hemoglobinei secera în zonele de malarie hiperendemică. De asemenea, similar cu hemoglobina secera, protecția are un preț, deoarece alela supraexprimată MUC5B este factorul de risc major pentru fibroza pulmonară idiopatică târziu în viață, probabil ca urmare a epuizării progenitorului epitelial cauzată de stresul proteostaziei de a produce niveluri ridicate ale acestei molecule mari și complexe (14, 15).mult mai frecvente decât problemele pe care le provoacă hiperexpresia MUC5B în fibroza pulmonară sunt rolurile centrale pe care le joacă disfuncția mucusului în bolile obstructive ale căilor respiratorii, cum ar fi astmul, boala pulmonară obstructivă cronică (BPOC) și fibroza chistică (CF). În astm, disfuncția mucusului se datorează în principal hiperproducției celeilalte mucine secretate ale căilor respiratorii, MUC5AC, împreună cu prezența anormală a proteinelor plasmatice, ambele rezultate din inflamație ca parte a apărărilor aberante ale agenților patogeni (16). În CF, disfuncția mucusului se datorează transportului insuficient de clorură și bicarbonat în lumenul căilor respiratorii pentru a permite hidratarea și expansiunea adecvată a mucinei (17). În BPOC, disfuncția mucusului se datorează unei combinații a mecanismelor care funcționează în astm și CF, precum și disfuncției ciliare, toate induse de fumul de țigară (3). În aceste tulburări, mucusul se acumulează atât în căile respiratorii centrale mari, cât și în căile respiratorii periferice mici. Mucusul acumulat în căile respiratorii centrale este eliminat relativ eficient prin tuse, deoarece, la acest nivel, fluxul de aer este ridicat și mucusul nu este la fel de concentrat ca în dopurile căilor respiratorii periferice. Cu toate acestea, în căile respiratorii mici, fluxul de aer în timpul tusei se reduce periferic, iar mucusul concentrat devine afectat. Un studiu de imagistică radiografică la subiecți cu astm a arătat că dopurile de mucus ale căilor respiratorii periferice persistă ani de zile (18). Căile respiratorii de dimensiuni intermediare și distanță de trahee sunt acolo unde funcționează ca cea a Button și colab. (5) este probabil să aibă cel mai mare impact. Definirea atentă a forțelor implicate în curățarea mucusului aderent la pereții căilor respiratorii prin tuse, combinată cu analiza interacțiunilor noilor terapii cu mucus cu aceste forțe, ne va permite să obținem beneficiile mecanismului complex de apărare biologică care este eliminarea mucusului, minimizând în același timp efectele adverse ale disfuncției mucusului (19).