Blagoveschensk, Blagoveshchensk, Russian Federation
The natives of Russian North-East region have a long exposure of organism to low air temperatures. Already at the early age (15-20) many citizens of Chukotka have the signs of inflammatory processes in airways that lead to long inflammation and later result in severe asthma. In November-January period 1985-1986, 320 Chukotka citizens were examined. The values of bronchoscopy and bronchobiopsy of bronchial mucosa were studied. It was found out that the low temperature of the inhaled air damages adenylatcyclase receptors on the cilia of ciliary cells, which leads to the suppression of cAMP activity. Mast cells, macrophages, eosinophils and neutrophils drawn to the bronchial mucosa lead to the damage of blood circulation in the mucosa as well as to the disturbance of energetic processes in epithelial cells and their differentiation under the suppression of the activity of APUD-system. Ciliary cells and the whole of epithelial layer of the mucosa die at the time of hyperplasia of muscular elements, bronchial spasm and bronchial obstruction development with impaired conductance of the distal airways. All these factors lead to the development of severe asthma.
extreme climatic factors, low air temperatures, bronchial mucosa, mucociliary clearance, bronchial spasm.
Жесткие климатические факторы окружающей среды оказывают сильное влияние на кровеносную систему соединительной ткани слизистой оболочки бронхов, нарушая трофические процессы в ней [8–11, 13, 14, 16, 26]. На начальных этапах воспалительного процесса, когда в соединительной ткани накапливается большое количество тучных клеток, макрофагов, эозинофилов, выделяется много гистамина, сосуды кровеносной сети значительно расширены. Местное воспаление обусловлено сосудорасширяющим действием на Н1- и Н2-рецепторы гистамина, вырабатываемого в тучных клетках. Сильными дилататорами сосудов являются некоторые простагландины: ПГЕ1, ПГЕ2 и ПГЕ3, которые также вырабатываются тучными клетками. Помимо этого важную роль в расширении сосудов играют пептиды Р и вазоактивный интестинальный пептид [2, 3]. Стимуляция специфических рецепторов эндотелиальных клеток вызывает выработку релаксирующего фактора эндотелиальных клеток, который через гуанилатциклазу действует расслабляюще на мышечные клетки. Мелкие кровеносные сосуды и капилляры в норме плохо пропускают макромолекулы. Белки плазмы медленно циркулируют в сосудах, возвращаясь из тканей в кровь через лимфатические сосуды.
Возврат в мелкие кровеносные сосуды возможен лишь в силу того, что концентрация белков в плазме кровеносных сосудов меньше, чем в окружающих тканях.
При воспалительных процессах обмен изменяется, и жидкость обогащается белком, вытекая из кровеносных капилляров, переполняя лимфатические сосуды и вызывая отечность тканей. При длительно протекающем воспалительном процессе, особенно при действии на организм низкой температуры, в эндотелии микрососудов образуются промежутки, через которые проходят белки в окружающую их ткань. По мере нарастания воспалительного процесса, на α1-рецепторы сосудов активно начинают действовать серотонин, норадренолин, вызывая сужение артериол и капиллярного русла.
Сужение мелких кровеносных сосудов замедляет кровоток в органах, которые они снабжают кислородом. Особенно это сильно проявляется в слизистой оболочке бронхов, приводя к перестройке ее эпителиального слоя.
В процессе начальных стадий воспаления, начинающегося вследствие попадания в бронхиальные пути атмосферного воздуха с низкой температурой, активизируется APUD-система [4, 17]. В клетках APUD-системы отмечается высокая метаболическая активность ферментов цикла Кребса, пентозного цикла и обмена аминов. Гормоны из апудоцитов выделяются через кровь органов, в которых они присутствуют. Нейроэндокринная система апудоцитов регулирует пролиферацию и дифференцировку клеток слизистой оболочки бронхов. В их состав входит субстанция Р, нейрокинин А и пептиды, связанные с геномом кальциотонина, структурирующие процессы в слизистой оболочке. Р-вазоактивный интерстициальный пептид (субстанция Р), рассматриваемый как нейроэндокринный медиатор [2, 24], уменьшающий давление в легочной артерии и резистентность легочных сосудов. Нервная система при воспалении бронхов является одним из важнейших факторов, обеспечивающих гомеостаз дыхательной системы, как в норме, так и при патологии. В регуляции принимают участие адренергический, холинэргический, норадренергический и пептидергический отделы вегетативной нервной системы [21].
Основными рецепторами холинэргического отдела является М3-рецепторы, расположенные на гладких мышечных клетках. Активация М3-рецепторов вызывает констрикцию гладких мышечных элементов кровеносных сосудов. При воспалительном процессе, сопровождающемся нарастанием в слизистой оболочке бронхов количества нейтрофилов и эозинофилов, выделяющих триптазу, происходит разрушение вазоактивного пептида, что приводит к формированию гиперреактивности дыхательных путей и развитию бронхоспазма у лиц, предрасположенных к обструктивной патологии в дыхательных путях. Находящаяся на ресничках мерцательных клеток аденилатциклаза нейтрализует нейтропептиды и блокирует связывание их с рецепторами.
Исследования показали, что при охлаждении организма активность аденилатциклазы на ресничках мерцательных клеток подавляется, вследствие чего происходит угнетение в мерцательных клетках цАМФ, тем самым подавляется активность цикла Кребса, снижается энергетический ресурс, необходимый для двигательной активности, как эпителиальных клеток слизистой, так и мукоцилиарной системы в целом. Поэтому неудивительно, что при сильном охлаждении организма в первую очередь на слизистой бронхиальных путей начинается гибель реснитчатых клеток и угнетается мукоцилиарная активность бронхов [5, 6, 12, 15, 16, 18–20, 25].
Подавление активности рецепторного аппарата, поддерживающего кровенаполнение мелких сосудов слизистой бронхов, снижает циркуляцию крови в слизистой оболочке и трофику эпителиального слоя. APUD-система в таких условиях неспособна справляться с процессом дифференцировки клеточных элементов эпителиального слоя и он превращается в многослойную систему недифференцированных элементов. Последние вначале образуют утолщенную пластинку, а затем, вследствие недостаточности трофических процессов со стороны сосудов слизистой, разрушаются, и на стадии тяжелой бронхиальной астмы остаются в виде единичных плоских, либо кубических клеток, расположенных на базальной мембране слизистой бронхов. Такая перестройка, возникающая вследствие гиперчувствительности рецепторов реснитчатых клеток к низкой температуре вдыхаемого воздуха, приводит к разрушению двигательной активности реснитчатого аппарата и к ремоделированию структуры эпителиального слоя слизистой бронхов, усиливая вазо- и миоконстрикторную реакцию в стенке бронхов, что лежит в основе нарушения проходимости дистальных отделов воздухоносных путей [6, 12, 15, 18–20, 23, 25].
Цель исследования – выявить патогенетически значимые факторы, индуцирующие нарушение состояния слизистой бронхов при действии низких температур у жителей Чукотки.
\
Материалы и методы исследования
Обследовано 320 жителей Чукотки в ноябре-январе 1985-1986 гг., в том числе 200 мужчин и 120 женщин в возрасте от 15 до 55 лет. Исследование функции внешнего дыхания проводили на аппарате Ultrascreen (Erich Jaeger, Германия). Вентиляционную функцию легких оценивали по данным кривой «поток-объем» форсированного выдоха [1]. Забор биопсийного материала со слизистой оболочки среднедолевого бронха осуществляли через инструментальный канал бронхоскопа при бронхоскопии. Фиксацию материала проводили 10% формалином и глутаральдегидом. Полутонкие срезы окрашивали толуидиновым синим, парафиновые – галлоцианином, по Ван Гизону. Аденозинтрифосфатаза (АТФаза) изучалась по методу Падикула-Германа, сукцинатдегидрогеназа – по Шелтон-Шнейдеру [7], катионные белки – по методу Пигаревского [22], аденилатциклаза (АЦ) – по методу Рейка.
Результаты исследования и их обсуждение
Длительное пребывание жителей Чукотки на холоде и вдыхание холодного воздуха увеличивает теплопотерю через верхние дыхательные пути, составляя почти половину от общей теплопотери организма. Сильно охлажденный воздух гигроскопичен, поэтому повреждающее действие его на слизистую оболочку бронхов усиливается. На этом фоне отмечается выраженное кровенаполнение мелких сосудов и капилляров (рис. 1, 2), обусловленное действием гистамина, выделяемого тучными клетками и эозинофилами. На более поздних стадиях развития хронического воспаления при тяжелой форме бронхиальной астмы активизируется адренергическая система.
В периферическую кровь выбрасывается большое количество норадреналина, а тучными клетками – серотонина. Капилляры слизистой бронхов суживаются, что приводит к нарушению трофических процессов в слизистой бронхов. При воспалительном процессе жидкость и белки выходят в окружающую соединительную ткань и попадают в лимфатические капилляры, значительно расширяя их (рис. 3). Проникновению жидкости и белковым молекулам в лимфатические сосуды способствует процесс расширения пространства между эндотелиальными клетками (рис. 4).
Обращало на себя внимание и выявляемое нарушение функционального состояния реснитчатых клеток, их рецепторного аппарата. При длительном охлаждении организма и вдыхании низкотемпературного атмосферного воздуха активность аденилатциклазы угнетается (рис. 5, 6).
Подавление активности аденилатциклазы реснитчатых клеток приводит к блокированию сигнального пути через цАМФ, и весь цикл защитных метаболических процессов, выполняемых тучными клетками и эозинофилами, нарушается. Последнее усиливает процессы пероксидации липидов в слизистой бронхов.
Снижение аденилатциклазной активности способствует усилению действия гуанилатциклазы и передачи внутриклеточного сигнала через цГМФ, что вызывает повышение выработки тучными клетками, эозинофилами и нейтрофилами большего количества катионных белков (рис. 7), а также ферментов, подавляющих активность сукцинатдегидрогеназы и АТФазы (схема).
Нарушение трофических процессов вследствие снижения кровоснабжения и повышение активности протеолитических процессов в эпителии слизистой бронхов снижает активность секреторных и количество мерцательных клеток (рис. 8, 9).
Важную роль в слизистой бронхов играет APUD-система, поскольку от нее зависит дифференцировка клеточных элементов эпителиального слоя слизистой, а также их энергетический потенциал.
Работа APUD-системы значительно снижается в связи с нарушением трофических процессов и гибели APUD-клеток, находящихся между эпителиальными клетками слизистой оболочки бронхов (рис. 10). Нарушение управления дифференцировкой клеток и отсутствие достаточного трофического обеспечения эпителиального слоя создает благоприятные условия для развития протеолитических процессов со стороны катионных белков, перекисей жирных кислот в эпителиальном слое слизистой оболочки. Камбиальные клетки, большей частью управляемые APUD-системой, не получают необходимого сигнала для специализации оставшихся клеточных элементов. Увеличиваясь в количестве, они наслаиваются слоями друг на друга, напоминая многослойный эпителий (рис. 11).
Потерявший управление процессами дифференцировки эпителий слизистой оболочки бронхов после достижения оптимальных условий для своего существования начинает разрушаться. Повреждающие факторы (перекиси, протеолитические белки и ферменты), содержащиеся в нейтрофилах и тучных клетках, способствуют деструкции многослойного пласта эпителия (рис. 12, 13).
После разрушения многослойного эпителия, на утолщенной базальной мембране остаются единичные клетки плоской, кубической, либо цилиндрической формы (рис. 14, 15).
|
А |
|
ББ |
 |
 |
 |
||||||||||
 |
 |
|||||||||||
|
||||||||||||
|
А |
|
Рис. 7. Слизистая бронха при длительном охлаждении организма и вдыхании низкотемпературного воздуха. Тучными клетками, эозинофилами и нейтрофилами выделяется большое количество протеолитических – катионных белков. Реакция по Пигаревскому прочным зеленым. Увеличение: 15×400. |
|
А |
|
Б |
|
Б |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
 |
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Рис. 13. Эпителиальный дедифференцированный слой, достигший предельной толщины, разрушается под действием катионных белков, выделяемых тучными клетками и эозинофилами. Полутонкий срез. Окраска толуидиновым синим. Увеличение: 10×1000. |
 |
||||
|
||||
Заключение
Неблагоприятные климатические условия окружающей среды Северо-Восточного региона России определяют морфофункциональную специфику клеточно-тканевой структурной организации слизистой оболочки бронхов. Длительное вдыхание холодного воздуха способствует нарушению симпатоадреналовой регуляции слизистой бронхов, что вызывает изменение микроциркуляторных и трофических процессов.
На субклеточном уровне под действием патогенных факторов, выделяемых тучными клетками, эозинофилами и нейтрофилами, активируются протеолитические процессы в мерцательном эпителии, усиливающие функциональную и метаболическую дезорганизацию клеток. Повышается роль гуанилатциклазного комплекса и APUD-системы в нарушении дифференцировки клеточных элементов эпителиального слоя слизистой, а также их энергетического потенциала. Все это приводит к хроническому течению воспалительного процесса в бронхах и развитию тяжелой бронхолегочной патологии у жителей Чукотки.
Таким образом, полученные результаты исследования позволяют заключить, что низкая температура окружающей среды и вдыхание холодного атмосферного воздуха являются патогенетически значимыми факторами нарушений слизистой бронхов для популяции, живущей в условиях жестких климатических условиях Северо-Восточного региона России.
1. Free Encyclopedia. Assessment of resident population at January 1, 2016 and the average for 2015. Moscow; 2016 (in Russian). Available at: https://ru.wikipedia.org/wiki
2. Zhuk O.N., Lapteva E.A., Chaplinskaya E.V. Interstitial vasoconstrictor peptide. Substance P. Meditsinskaya panorama 2004; 10:10-13 (in Russian). Available at: http://www.plaintest.com/pulmonology/substantion-p
3. Zhuk O.N., Lapteva E.A., Chaplinskaya E.V., Lapteva I.M. Neuropeptides and neurotrophins. Nerve growth factor. Meditsinskaya panorama 2004; 10:1-10 (in Russian). Available at: http://www.plaintest.com/pulmonology/neyropeptids
4. Kvetnoy I.M. APUD-system (structural and functional organization, the biological significance in normal and pathological conditions). Uspekhi fiziologicheskikh nauk 1987; 18(1):84-102 (in Russian).
5. Kozlov B.I. State of the mucociliary system in patients with chronic obstructive pulmonary disease. Problemy klinicheskoy meditsiny 2005; 4:88-91 (in Russian).
6. Kolosov V.P., Dobrykh V.A., Odireev A.N., Lutsenko M.T. Dispergation and mucociliary transport at respiratory diseases. Vladivostok: Dal'nauka; 2011 (in Russian).
7. Lillie R.D. Histopathologic technic and practical histochemistry. Moscow: Mir; 1969 (in Russian).
8. Lutsenko M.T., Tseluyko S.S., Samsonov V.P., Manakov L.G., Perelman J.M., Pirogov A.B., Lenshin A.V., Ershov S.P., Lysenko A.V. Respiratory diseases under extreme environmental conditions of the North-East of the USSR. Blagoveshchensk; 1989 (in Russian).
9. Lutsenko M.T. Far Eastern population health determining factors. Bûlleten' fiziologii i patologii dyhaniâ 1998; 1:1-14 (in Russian).
10. Lutsenko M.T., Tseluyko S.S., Manakov L.G., Kolosov V.P., Perelman J.M. Mechanisms of influence of atmospheric pollution on the course of pulmonary disease («Angara» asthma). Pul'monologya 1992; 1:6-10 (in Russian).
11. Lutsenko M.T., Babtsev B.E. Ethiopathogenic aspects of bronchial asthma in the Far Eastern region. Bûlleten' fiziologii i patologii dyhaniâ. 1999; 4:6-11 (in Russian).
12. Lutsenko M.T., Prikhodko V.B. Odireev A.N. Galigberov A.A. Mucociliary activity of bronchial ciliated epithelium in patients with bronchial asthma after and before laser treatment. Bûlleten' fiziologii i patologii dyhaniâ 1999; 4:49-53 (in Russian).
13. Lutsenko M.T., Gladush L.P. Population health in the Far-Eastern region. Blagoveshchensk; 2000 (in Russian).
14. Lutsenko M.T. Morphofunctional characteristics of bronchi tree subjected to cold. Bûlleten' fiziologii i patologii dyhaniâ 2004; 18:68-73 (in Russian).
15. Lutsenko M.T., Pirogov A.B., Perelman J.M., Odireev A.N., Lukianov I.N. Diagnosis of the functioning of the bronchial mucociliary clearance in chronic obstructive pulmonary disease. Blagoveshchensk; 2004 (in Russian).
16. Lutsenko M.T. Environmental effect on morphofunctional characteristics of respiratory system. Bûlleten' fiziologii i patologii dyhaniâ 2006; 22:33-36 (in Russian).
17. Milʹto I.V., Sukhodolo I.V., Gereng E.A., Shamardina L.A. Disperse endocrine system and APUD concept. Morfologiia 2011; 139(2):80-88 (in Russian).
18. Odireev A.N. Kolosov V.P., Surnin D.E. Mucociliary insufficiency diagnostics in patients with chronic obstructive pulmonary disease. Bûlleten' fiziologii i patologii dyhaniâ 2006; S23:47-50 (in Russian).
19. Odireev A.N. Kolosov V.P., Lutsenko M.T. The new approach to diagnostic of mucociliary insufficiency in patients with bronchial asthma. Sibirskiy nauchnyy meditsinskiy zhurnal 2009; 2:75-80 (in Russian).
20. Odireev A.N., Zhou S.D., Lee C., Kolosov V.P., Lutsenko M.T. Mucociliary clearance disturbances in bronchial asthma. Bûlleten' fiziologii i patologii dyhaniâ 2010; 37:15-21 (in Russian).
21. Pastukhov Iu.F., Khaskin V.V. Adrenergic control of thermogenesis during experimental and natural animal adaptation to cold. Uspekhi fiziologicheskikh nauk 1979; 10(3):121-142 (in Russian).
22. Pigarevskiy V.E. Granular leukocytes and their properties. Moscow: Meditsina; 1978 (in Russian).
23. Pirogov A.B., Luk'yanov I.N., Odireev A.N., Tyurikova T.I. Lung capillary circulation in patients with mild bronchial asthma treated with standard basic therapy. Bûlleten' fiziologii i patologii dyhaniâ 2004; 17:29-34 (in Russian).
24. Sukhodolo I.V., Gereng Ye.A. The structurally functional organization of cells in respiratory ways to norm and at a pathology. Byulleten' Sibirskoy meditsiny 2008; 7(1):71-75 (in Russian).
25. Li M., Li Q., Yang G., Kolosov V.P., Perelman J.M., Zhou X.D. Cold temperature induces mucin hypersecretion from normal human bronchial epithelial cell in vitro though a transient receptor potential melastatin 8 (TRPM8) - mediated mechanism. J. Allergy Clin. Immunol. 2011; 128(3):626-634.
26. Daly I. de B., Hebb C. Pulmonary and bronchial vascular systems. London: Arnold; 1966.
