Научные статьи

В. Н. Солопов

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СИСТЕМЕ МУКОЦИЛИАРНОГО ТРАНСПОРТА
Кафедра внутренних болезней (зав. — акад. АМН СССР А.Г. Чучалин)
педиатрического факультета 2 ММИ им. Н.И. Пирогова

Многовековой опыт врачей, занимающихся лечением бронхолегочных заболеваний, свидетельствует о том, что постоянным симптомом последних является кашель с отделением мокроты. В первом подробном описании хронического бронхита, сделанном Р. Лаэннеком в 1826 г., эти симптомы поставлены на первое место. Стремление исследователей понять патогенез и найти объективные критерии тяжести заболевания, его обострения или ремиссии, выявить этиологический субстрат определило необходимость разработки методов исследования бронхиального содержимого.
Наиболее ранними и ставшими в настоящее время традиционными методами исследования, описанными во всех современных лабораторных руководствах, являются макроскопическое, микроскопическое и бактериологическое исследования [4]. Макроскопия мокроты включает оценку ее суточного количества, характера, цвета, консистенции, а также наличия патологических примесей, что в ряде случаев помогает уточнить диагноз заболевания. Дополнительное микроскопическое исследование, например изучение цитологического состава, позволяет уточнить характер воспаления в бронхиальном дереве, его выраженность и динамику изменений в процессе проводимой терапии. Проведение бактериологического исследования дает возможность верифицировать этиологический субстрат заболевания.
Вышеперечисленные методы исследования бронхиального содержимого широко применялись в клинической практике долгие годы и вполне удовлетворяли своей информативностью практических врачей. Однако на фоне успехов борьбы с туберкулезом, острыми пневмониями, профессиональными заболеваниями легких стала значительно повышаться заболеваемость хроническими неспецифическими заболеваниями, в первую очередь хроническим бронхитом и бронхиальной астмой, длительное течение которых приводит к выраженным осложнениям: эмфиземе, пневмосклерозу, развитию дыхательной недостаточности и легочного сердца с последующей инвалидизацией пациентов [5]. Попытки применить существующие методы исследования бронхиального содержимого для оценки тяжести состояния пациентов, эффективности проводимой терапии, уточнения патогенетических особенностей течения заболевания показали их невысокую информативность. Так, например, суточное количество мокроты и субъективная оценка ее консистенции не коррелировали с тяжестью заболевания, вследствие чего появились работы, посвященные разработке объективных способов оценки последнего показателя. Клиническая практика, однако, показала, что определение консистенции мокроты не является высокоинформативным методом исследования, в связи с тем что во многих случаях выявлено отсутствие корреляции между жалобами, показателями консистенции мокроты и объективного состояния пациентов, у которых выявлены нарушения бронхиальной проходимости.
Аналогичная ситуация сложилась и при исследовании клеточного состава и биохимических показателей, в частности содержания белка. В клинической практике диагностически ценным оказалось лишь определение соотношения клеточного состава различных элементов: преобладание нейтрофильных лейкоцитов расценивается как показатель инфекционного воспаления, а эозинофильных — аллергического. Наличие дистрофически измененных нейтрофилов и слущенного эпителия дополнительно характеризует выраженность воспалительного процесса. Количественное определение белка в мокроте часто давало противоречивые результаты: в одних случаях отмечалось снижение содержания белка в стадии ремиссии заболевания, в других — повышение, в третьих — регистрировались большие колебания его в мокроте.
Успехи биохимии позволили проводить определение не только общего белка мокроты, но и верифицировать все определяемые вещества белковой природы. Первыми из них были муцины, лизоцим, а затем все остальные компоненты плазмы крови. Детальное биохимическое определение всех составных частей мокроты дало возможность в ряде случаев выяснить их роль в развитии некоторых патологических процессов. Так, например, дефицит альфа-1-антитрипсина и выраженное преобладание протеолитической активности над антипротеолитической являются этиологическим субстратом развития первичной эмфиземы легких [1, 3]. Тем не менее исследователям все же не удавалось найти связь между какими-либо характеристиками мокроты и выраженностью обструктивного синдрома, тяжесть которого и определяет течение хронических неспецифических заболеваний легких.
Проведенные в физике И. Ньютоном исследования свойств вязких жидкостей и их поведения при движении по капиллярам навели клиницистов на мысль, что мокрота, являясь вязким субстратом, при движении по бронхиальному дереву подчиняется тем же законам. И скорость ее движения в значительной мере затрудняется в случае резкого увеличения вязкости, что и наблюдается при обострении заболевания. А это в свою очередь приводит к застою бронхиального содержимого и усугублению обструкции.
Первые попытки измерения вязкости мокроты [10], оценки скорости транспорта слизи в бронхах [12] и связи ее с цилиарной активностью, а также определения значения нарушения транспорта слизи в формировании обструктивного синдрома позволили сформулировать концепцию о системе мукоцилиарного транспорта (МЦТ). Согласно этой концепции, система МЦТ представлена реснитчатым эпителием слизистой бронхов и находящимся на его поверхности слоем слизи. Движением ресничек мерцательного эпителия по направлению к верхним дыхательным путям осуществляется выведение слизи и патологических частиц (пыли, микробов), попавших в респираторный тракт в процессе дыхания. Скорость выведения бронхиального секрета определяется, во-первых, цилиарной активностью, а во-вторых, реологическими свойствами слизи. Нарушение транспорта бронхиального содержимого вследствие поражения слизистой или ухудшения реологических свойств приводит к его застою и формированию обтурационного синдрома, усугубляющего нарушение бронхиальной проходимости [5-7].
Детально были изучены все звенья системы МЦТ: строение и функция слизистой, процессы слизеобразования, состав и свойства бронхиальной слизи, а также процессы ее транспорта. Изучение строения слизистой бронхов показало, что она представлена клетками различных типов: 1) реснитчатыми, обеспечивающими цилиарную активность; 2) бокаловидными, являющимися продуцентами слизи; 3) серозными эпителиальными; 4) промежуточными и др. Кроме бокаловидных и серозных клеток слизистой оболочки, в образовании секрета участвуют и железы подслизистого слоя — серозные и слизистые. Эффективная мукоцилиарная функция зависит от согласованного взаимодействия ресничек со слизью, к поверхности которой и прилипают выводимые из бронхов патологические частицы. Очищение слизистой от попавших на нее частиц происходит не только механически, с током слизи, но и путем обезвреживания последних. В бронхиальном секрете найдены лактоферрин, лизоцим, оказывающие бактерицидное действие, и интерферон, имеющий противовирусную активность. Наличие в респираторном содержимом секреторного иммуноглобулина класса А позволяет оказывать защитное действие путем агглютинации бактерий и вирусов.
Стремление исследователей понять патогенез хронических бронхолегочных заболеваний стимулировало проведение сравнительных исследований физиологии и патологии мукоцилиарной системы. Очень быстро выяснилось, что исследование процессов бронхиальной секреции у здоровых людей представляет большие трудности, так как образующуюся в бронхах и выводящуюся слизь они непроизвольно проглатывают. Поэтому большая часть физиологических данных получена в экспериментах на животных.
Вначале подробно изучали суточное количество образующегося секрета и его детальный биохимический состав. При этом выявлено, что основным компонентом сухого остатка, составляющего всего около 5% (остальное приходится на долю свободной и связанной воды), являются гликопротеины — биополимеры с молекулярной массой 10⁵-10⁶, которые и обусловливают вязкий характер бронхиальной слизи. Оставшаяся часть включает практически все компоненты плазмы: белки (альбумины, глобулины, иммуноглобулины классов А, G, Е, М, трансферрин, антипротеолитические ферменты), биологически активные вещества (гистамин, серотонин), электролиты, сурфактанты [18]. Детальное изучение гликопротеинов, состоящих из белковой цепи и нескольких олигосахаридных звеньев, показало, что они различаются по составу последних. Олигосахариды представлены N-ацетилглюкозамином, N-ацетилгалактозамином, галактозой, фукозой и сиаловыми кислотами. При гистохимическом исследовании слизеобразующих клеток выявлено наличие в них сиало-, сульфокислых и нейтральных гликопротеинов. Изучение структуры показало, что молекулы гликопротеинов связаны между собой дисульфидными, кальциевыми и водородными связями. При исследовании других белков бронхиального секрета установлено, что они идентичны таковым в плазме крови [18]. Электролитный состав содержимого бронхов, по данным ряда авторов, близок количественно и качественно к последнему в плазме крови и представлен в основном ионами Na⁺, К⁺, Ca²⁺, С1^-. При определении рН бронхиального секрета, полученного разными способами, выявлен сдвиг этого показателя в щелочную сторону (7,45-8,15) по сравнению с плазмой крови [16].
Проводя исследование бронхиального содержимого в норме, многие исследователи надеялись обнаружить существенные отличия свойств последнего от таковых у больных с заболеваниями бронхолегочной системы. И действительно, количественный состав секрета в норме и при патологии несколько различался. Так, например, были отмечены сдвиги в электролитном составе секрета у больных с бронхоэктазами и муковисцидозом [11], особенно выраженные для ионов К⁺ и С1^- выявлено резкое увеличение уровня К⁺ и снижение — С1^-. При определении рН супернатанта, полученного ультрацентрифугированием мокроты, отмечено снижение этого показателя у больных бронхиальной астмой до 6,6, муковисцидозом до 6,6-7,1. У большинства же пациентов с хроническим бронхитом значения рН мокроты оставались в пределах 7,5. В ряде случаев выявлено изменение состава гликопротеинов: увеличение содержания сульфомуцинов и снижение - сиаломуцинов. Иммунологические исследования мокроты позволили обнаружить повышение количества иммуноглобулинов классов G и Е в мокроте у больных бронхиальной астмой. Ряд авторов отметили повышение содержания биологически активных веществ (гистамина и серотонина) в мокроте [2, 21]. В то же время аналогичные сдвиги выявлены у курящих, а также у лиц, работа которых связана с профессиональными вредностями. В целом же при сравнительном анализе биохимического состава бронхиального содержимого в норме и при патологии получены противоречивые результаты, т. е. достоверной зависимости между составом бронхиального содержимого и тяжестью заболеваний, сопровождающихся нарушением бронхиальной проходимости, найдено не было.
Повторные попытки были связаны с более детальным исследованием реологических показателей бронхиального содержимого. Ряд авторов пытались оценить последние в норме и найти их изменения при различных заболеваниях легких. Измерение вязкости «нормальной» мокроты, полученной аспирационными методами у здоровых людей или путем ингаляции различных аэрозолей — гипертонических растворов солей, ацетилхолина, простагландина F-2-альфа [17], дало противоречивые результаты. В первом случае вязкость «нормальной» мокроты была значительно меньше, чем у пациентов с бронхолегочной патологией. Во втором — показатели вязкости секрета у здоровых и больных существенно не различались. Сравнительные измерения в различных группах пациентов показали, что вязкость гнойной мокроты значительно выше, чем слизистой. Однако различия в показателях вязкости при измерении в одной и той же группе больных достигали 100% и более. При исследовании транспорта мокроты из бронхов не выявлено корреляции между ее вязкостью и скоростью выведения из респираторного тракта. Попытки исследовать вязкие свойства в эксперименте in vivo также не дали ожидаемых результатов [13]. Неудачи исследователей при измерении вязкости мокроты объясняются тем, что она принадлежит к так называемым неньютоновским жидкостям, гетерогенным системам, точное определение вязких свойств которых невозможно, так как их поведение не подчиняется уравнению Ньютона, описывающему движение вязких сред. Молекулы гликопротеинов мокроты, связанные между собой, как указывалось выше, поперечными связями, образуют сетку, которая и обусловливает ее неньютоновский характер, придавая ей не только вязкие, но и эластические свойства.
Измерение эластических характеристик показало, что они в отличие от вязкости не зависят от гнойного или слизистого характера мокроты. А при исследовании транспорта мокроты в эксперименте выявлено, что скорость ее выведения из дыхательных путей хорошо коррелирует с эластичностью. В процессе дальнейших исследований, однако, выяснилось, что, занимая промежуточное положение между жидкими (вязкими) и твердыми (эластичными) телами, мокрота в процессе механического воздействия при измерении может деформироваться и разрушаться, что значительно искажает получаемые результаты. В этой связи представляется перспективным исследование структурных характеристик геля мокроты с помощью биофизических и физико-химических методов, не оказывающих механического воздействия на исследуемый объект.
К наименее изученным реологическим характеристикам мокроты, по данным литературы, относятся адгезионные и поверхностно-активные свойства. Высокая адгезия обусловливает повышенную «прилипаемость» секрета к стенке бронха и снижает эффективность его эвакуации из дыхательных путей. Поверхностно-активные характеристики определяют величину поверхностного натяжения, которая также влияет на прочность контакта, образующегося со стенкой бронха.
Проведенные исследования показали, что представления о зависимости транспорта мокроты от ее реологических свойств дают возможность объяснить механизмы формирования обструкции вследствие нарушения процессов слизеобразования и ухудшения реологических характеристик бронхиального содержимого. Эти данные объяснили эффективность широко используемых в клинической практике муколитических препаратов — производных тиолов и протеолитических ферментов, которые, непосредственно разжижая бронхиальный секрет, способствуют его лучшему отхождению из дыхательных путей. Однако в ряде случаев результатом чрезмерного разжижения бронхиального содержимого оказывался противоположный эффект — полное прекращение МЦТ вследствие неэффективного взаимодействия ресничек мерцательного эпителия со слоем слизи - на его поверхности [8]. Детальные исследования показали, что эффективное сцепление ресничек зависит от соотношения фаз гель — золь. При изучении фаз мокроты выявлено, что золь — жидкая часть секрета — включает в основном компоненты плазмы, а гель — вязкая часть — образован гликопротеинами. Соотношение этих частей определяется активностью серозных и слизистых желез. Преобладающая активность серозных желез у больных с бронхореей приводит к образованию большого количества жидкого секрета, в котором мало гликопротеинов. И наоборот, выраженная гиперплазмия слизеобразующих клеток у пациентов с хроническим бронхитом, бронхиальной астмой приводит к гиперпродукции гликопротеинов, образованию преимущественно геля, обусловливающего повышенные вязкоэластические свойства бронхиального содержимого.
Таким образом, в настоящее время принята концепция двухслойного строения слизи, покрывающей мерцательный эпителий бронхов [9]. Перицилиарным слоем является золь, над ним находится слизистый слой — гель, с которым и взаимодействуют кончики ресничек. Нарушение соотношения этих фаз вследствие гиперпродукции какой-либо части вызывает изменение реологических свойств секрета и нарушение нормального МЦТ, что проявляется значительным снижением скорости эвакуации бронхиального содержимого и усугублением его застоя. Скорость МЦТ является интегральным показателем и зависит от состояния всех звеньев: цилиарной активности, функции слизеобразующего аппарата и реологических свойств бронхиального секрета.
Существующие способы оценки скорости мукоцилиарной функции основаны на определении времени выведения из респираторного тракта индикаторных веществ и частиц. В эксперименте на животных в качестве индикаторных частиц использовалась танталовая пыль, которая по понятным причинам не может применяться у больных с бронхолегочной патологией. Описан способ оценки мукоцилиарной функции путем рентгенологического контроля за скоростью продвижения со слизью тефлоновых дисков, введенных в бронхиальное дерево при фибробронхоскопии [5]. При этом отмечено, что скорость транспорта значительно снижена у пожилых людей, а также у курящих. Наиболее распространенными являются способы с применением радиоактивных изотопов, в частности технеция [19], позволяющие не только определить время полного выведения индикатора, но и исследовать динамику выведения на фоне применения различных фармакологических препаратов. Непрерывность слизистой оболочки верхних дыхательных путей и бронхиального дерева позволила клиницистам применить простой способ оценки состояния мукоцилиарной системы: на слизистую носовой полости помещается крупинка сахарина и по времени появления с током слизи сладкого вкуса в глотке пациента оценивается мукоцилиарная функция респираторного тракта. Появление сладкого вкуса позднее чем через 30 мин свидетельствует о снижении скорости MЦT [20] Недостатком описанного способа является не всегда достоверный результат, особенно при селективных поражениях слизистой верхних дыхательных путей (атрофический ринит). К наиболее современным способам оценки очистительной способности респираторного тракта относится аэрозоль-ингаляционная киносцинтиграфия [14], позволяющая визуально наблюдать за движением частичек ингалированного аэрозоля. При исследовании мукоцилиарного клиренса у здоровых людей выявлено, что нормальное время полного выведения индикатора из легких составляет от 1 до 20 ч, увеличение этого времени при отсутствии нарушенного слизеобразования может свидетельствовать о дефектах цилиарного аппарата. Поэтому в последнее время разрабатываются методы селективной оценки цилиарной активности слизистой. С этой целью проводится щеточная биопсия слизистой верхних и нижних дыхательных путей с последующим измерением частоты колебаний ресничек [15]. Проведенные всеми существующими способами исследования мукоцилиарной системы позволили выявить такую закономерность: практически у всех больных хроническими неспецифическими заболеваниями легких имеется снижение мукоцилиарной функции в среднем на 50-70%. Тем не менее клиническая практика показывает, что не у всех пациентов формируется так называемая мукоцилиарная недостаточность, приводящая к выраженному застою содержимого респираторного тракта. Оценка цилиарной активности, в частности, не дает объективной информации о МЦТ скорее всего потому, что на фоне воспалительного поражения и атрофии мерцательного эпителия выведение бронхиального содержимого в основном обусловлено эффективностью кашлевого механизма эвакуации. Таким образом, интегральным показателем, определяющим эффективность эвакуации содержимого респираторного тракта, является скорость его экспекторации, или отхаркивания, зависящая не только от состояния мукоцилиарного аппарата, но и от эффективности кашля. Бронхиальная проходимость также в значительной степени определяет эффективность выведения секрета, так как из клинической практики известно, что после ликвидации бронхоспазма у больных бронхиальной астмой значительно облегчается отхождение мокроты. По-видимому, формирование мукоцилиарной недостаточности и нарастание обтурации бронхов вязким секретом возникают в ситуации, когда темпы накопления бронхиального содержимого значительно превышают скорость его эвакуации. В этой связи, вероятно, перспективной является разработка способов определения времени экспекторации окрашенной мокроты после ингаляции в дыхательные пути какого-либо индифферентного красителя.
Таким образом, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что нарушения в системе МЦТ имеют важное значение в бронхолегочной патологии. Существующие методы изучения мукоцилиарной системы технически достаточно сложны и не применяются широко в клинической практике. Поэтому разработка простых и информативных тестов для оценки состояния очистительной функции бронхиального дерева является актуальной задачей.

Литература

1. Гембицкая Т.Е. // Клин. мед. — 1984. — № 9. — с. 86.
2. Гончарова В.А., Клемент Р.Ф., Лаврушин А.А. // Там же.— 1981. —№ 4. —с. 21-25.
3. Дидковский Н.А., Лебедев Ю.А. // Тер. арх. — 1974. — №2. —с. 30-34.
4. Предтеченский В.Е. Руководство по лабораторным методам исследования. — М., 1950.
5. Руководство по пульмонологии / Под ред. Н.В. Путова, Г.Б. Федосеева. — Л., 1984.
6. Страшинина О.А. //Тер. арх. — 1984.—№ 3 — с. 63-64.
7. Сыромятникова Н.В., Страшинина О.А. // Клиника и лечение хронического бронхита. — Л., 1980. — с. 36-40.
8. Сыромятникова Н.В., Страшинина О.А. // Содержимое бронхов при хроническом бронхите. — Л., 1981.— с. 36-45.
9. Чучалин А.Г. Бронхиальная астма. — М., 1985.
10. Blanschard G. //Arch. Middx. Hosp. New Ser. — 1955. —Vol. 5. — P. 222-241.
11. Boat T. F., Mattews L. N. // Sputum: Fundamental and Clinical Pathology. — Springfield, 1973. — P 243-274.
12. Carson S., Goldhamer R., Weinberg M. et al. //Ann N. Y. Acad. Sci. — 1966. —Vol. 130. —P. 935-943.
13. Dalham T. //Acta physiol. scand. — 1956. — Suppl. 123. —P. 1-161.
14. Ito S., Mikami R., Ryujin Y. et al. //Nippon Kyobu Shikkan Gakkai Zaschi. — 1984. — Vol. 12. — P. 961-969.
15. Konietzko N., Nakhosteen I. A., Mizera W. et al. // Chest. — 1981. —Vol. 80, N 6. — Suppl. — P. 855-857.
16. Kwart H., Moseley W.. Katz M. // Ann. N. Y. Acad. Sci. — 1963.— Vol. 106.— P. 709-721.
17. Lopez-Vidriero M. T., Das I., Smith A. et al.// Thorax. — 1977.— Vol. 32. — P. 734-739.
18. Lopez-Vidriero M. T., Reid L. // Brit. med. Bull — 1978. — Vol. 34. —P. 63-73.
19. Puchelle E., Aug P., Zahm L, Bertrand A. // Clin. Sci. — 1982.— Vol. 62. —P. 13-16.
20. Stanley P., Mac William L., Greenstone M. et al. // Brit. j. Dis. Chest. — 1984. — Vol. 78. — P. 62-65.
21. Thomes H. V., Simmons E.//J. appl. Physiol. — 1969. — Vol. 26. — P. 793-797.

THE DEVELOPMENT OF THE CONCEPTS OF MUCOCILIARY TRANSPORT

V. N. Solopov

Summary

A review is made of the main stages in the formation of the concept of the mucociliary transport system. The diagnostic and informative value of the different research methods for the mucociliary system and possible prospects of the design of the novel methods for its investigation are discussed.

«Терапевтический архив», 1989, №3, с. 58-62.