Мукоцилиарная система респираторного тракта при бронхиальной астме и аллергическом рините

Мукоцилиарная система (МЦС) является важной составной частью врожденной защитной системы респираторного тракта от повреждающего действия поллютантов, аллергенов и патогенных микроорганизмов [1, 2]. Мукоцилиарный клиренс (МЦК) — естественный процесс очищения дыхательных путей. В патогенезе бронхолегочных заболеваний важное место отводится нарушениям МЦК, что обусловливает мукоцилиарную недостаточность (МЦН). Проблема МЦН при различных заболеваниях респираторного тракта изучена неполно и не всегда привлекает должное внимания исследователей и клиницистов. Правильное понимание механизмов развития МЦН и индивидуальный подход к пациенту позволят адекватно определить лечебную тактику и выбрать комплексную терапию, направленную на коррекцию МЦН [3]. Дисфункция МЦС является характерной чертой хронических заболеваний респираторного тракта [1]. Нарушение МЦК — одно из ведущих звеньев в патогенезе многих бронхолегочных заболеваний [3].

МЦС состоит из трех функционально связанных компонентов: реснитчатого эпителия, перицилиарного слоя секрета и собственно слизи [1]. Движение ресничек происходит в перицилиарном слое. Выпрямляясь во время удара, реснички своими верхушками погружаются в слизь и проталкивают ее вместе с прилипшими к ней инородными частицами. В норме реснички движутся координировано с соседними, формируя однонаправленное передвижение слизи. Движение реснички мерцательной клетки состоит из двух фаз: быстрого эффективного удара и медленного возвратного движения [4].

Эффективный МЦК осуществляется при эффективной координированной работе ресничек и адекватной продукции слизи как по количеству, так и по составу [2].

Направление тока слизи, передвигаемого ресничками, отличается в разных отделах респираторного тракта: на передних концах нижних носовых раковин оно направлено ко входу в нос, в более глубоких отделах полости носа слизь направляется в сторону ротоглотки, из бронхов и трахеи слизь также направляется к ротоглотке. В околоносовых пазухах движения ресничек ориентированы в сторону естественных соустий [5].

Эпителий дыхательных путей является многорядным мерцательным. На 80% он состоит из реснитчатых клеток, а также имеются бокаловидные клетки, продуцирующие слизь, и базальные недифференцированные клетки. В норме клетки обновляются каждые 4–8 недель.

На свободной поверхности каждой ресн��тчатой клетки расположены около 200 ресничек. Размеры ресничек составляют около 5–7 мкм в длину и 0,2 мкм в толщину. Несмотря на свои малые размеры они способны продвигать слизь со скоростью до 0,5 мм/сек (что составляет около 3 см в минуту) [6, 7].

Впервые ультраструктура ресничек была описана Fawcett и Porter в 1954 г. и дополнена Afzelius в 1959 г. Реснички представляют собой выросты клетки, центральную их часть занимает аксонема, состоящая из 9 дублетов микротрубочек, в центре расположены две отдельные микротрубочки (формула 9 + 2). Вдоль всей длины микротрубочек расположены динеиновые ручки — внутренние и внешние, которые участвуют в преобразовании химической энергии АТФ в механическую. Радиальные спицы между дублетами и центральной парой микротрубочек обеспечивают структурную устойчивость [4, 8–10].

Ключевую роль в осуществлении МЦК, помимо координированной работы ресничек, играет частота биения ресничек (ЧБР) [11]. По данным разных авторов, ЧБР респираторного тракта человека в норме составляет от 3 до 15,5 Гц, у детей ЧБР по данным большинства авторов находится в пределах 9–15 Гц. По-видимому, такая неоднородность данных связана с применяемыми методами исследования и условиями среды. Значения ЧБР по данным разных авторов приведены в таблице.

Большинство исследователей указывают на то, что с возрастом ЧБР изменяется: у детей ЧБР выше, чем у взрослых [13]. Однако в некоторых работах было показано, что ЧБР не зависит от возраста [12]. В периферических дыхательных путях ЧБР ниже, чем в полости носа, трахее и крупных бронхах [14]. Понижение температуры приводит к замедлению движения ресничек. Максимальная двигательная активность ресничек в эксперименте наблюдалась при 37 °С [15].

МЦН возникает при различных повреждениях работы мукоцилиарного аппарата. Они могут быть врожденными (например, при первичной цилиарной дискинезии) или вторичными на фоне действия повреждающих агентов (например, инфекции), и в этом случае они обратимы. Приобретенные или врожденные ультраструктурные дефекты ресничек проявляются либо полной неподвижностью ресничек, либо снижением ЧБР, либо изменением паттерна биения ресничек. При первичной цилиарной дискинезии это приводит к рецидивирующим синуситам и бронхитам, образованию бронхоэктазов.

Вторичная цилиарная дискинезия — это нарушение работы ресничек, ассоциированное с их ультраструктурными дефектами после перенесенного заболевания (например, инфекции). Изменения в этом случае локальны и полностью обратимы. Характерно, что ультраструктурные дефекты исчезают после культивирования эпителия (в отличие от дефектов при первичной цилиарной дискинезии). Наиболее часто встречаются дефекты периферических микротрубочек. Для реализации нарушений функции ресничек могут иметь значение не только ультраструктурные дефекты, но также и метаболические нарушения. Вторичные ультраструктурные дефекты могут сохраняться до 12 недель после перенесенной острой респираторной инфекции [13, 16].

Система мукоцилиарного аппарата играет большую роль в формировании и поддержании аллергического воспаления дыхательных путей. МЦК является одним из основных механизмов очищения дыхательных путей от неспецифических триггерных факторов и аллергенов, а также продуктов гиперсекреторной деятельности клеток слизистой оболочки и подслизистых желез. При аллергическом рините (АР) происходят довольно выраженные изменения структуры и функции слизистой оболочки: метаплазия бокаловидных клеток, слущивание эпителия, в соскобе слизистой носа снижено количество клеток с подвижными ресничками, потеря ресничек эпителиальными клетками, инфильтрация слизистой клетками воспаления, утолщение базальной мембраны, патологические изменения сосудов. Выраженность патологических изменений напрямую зависит от длительности АР [17]. Ультраструктурные изменения ресничек при АР неспецифичны [18]. Наиболее частым морфологическим признаком при АР является потеря ресничек (облысение эпителия) [19]. Изменение структуры слизистой оболочки носа неизменно ведет к нарушению функции мерцательного эпителия и МЦК, нарушая таким образом защиту всего респираторного тракта.

Было показано, что при АР снижается ЧБР и нарушается их координированная работа, а также изменяются свойства и объем слизи. Наиболее выраженные изменения наблюдаются у больных с персистирующим среднетяжелым/тяжелым АР [20].

Интересно изучение МЦК у больных бронхиальной астмой (БА). Было показано, что даже в состоянии клинической ремиссии сохраняются нарушения МЦК, что ставит под сомнение саму возможность полной ремиссии при БА. Степень МЦН коррелирует с активностью воспалительного процесса, тяжестью течения и является существенным фактором бронхиальной проходимости [21].

При БА происходят гиперплазия бокаловидных клеток, что ведет к нарушению соотношения бокаловидных и реснитчатых клеток, к замещению реснитчатых клеток. Интересно, что повреждения эпителия выявляют даже у больных с легкой астмой [22]. Усилено слущивание эпителия, а при его восстановлении происходит неадекватная реакция организма, что может проявляться ремоделированием стенки бронхов [23].

В настоящее время большое внимание уделяется роли эпителия в патогенезе БА [24]. Важно отметить, что функциональные и морфологические изменения эпителия возникают гораздо раньше клинических проявлений. Уменьшается количество ресничек и реснитчатых клеток, нарушается ориентация ресничек, они имеют разную длину, утраченные реснички замещаются цитоплазматическими выростами [25].

Большую роль в патогенезе астмы играют метаболиты арахидоновой кислоты, в т. ч. цистеиновые лейкотриены. Они способствуют не только бронхоконстрикции, но и нарушению МЦК вследствие снижения активности реснитчатого эпителия, усиления секреции слизи и нарушения координированной работы ресничек [26].

Изучать состояние МЦК можно различными методами. К ним относятся: сахариновый тест, угольный тест, тест с окрашенными полимерными пленками, радиоаэрозольный метод, непосредственное изучение двигательной активности мерцательного эпителия в соскобах слизистых оболочек.

Наиболее доступным источником получения образцов мерцательного эпителия является слизистая оболочка носа. Материал можно получить с помощью цитологической щеточки, но удобнее выполнять соскоб с помощью специальной пластиковой одноразовой ложечки (например, RhinoPro®, производство Arlington scientific, США). К ее преимуществам относятся: нетравматичность, возможность забора материала без анестезии, возможность получения материала из конкретного участка слизистой (диаметр рабочей поверхности всего 2 мм), получение достаточного количества клеток, получение более цельных пластов эпителия. Благодаря способности цилиарного эпителия к автономному существованию, возможно его изучение ex vivo.

В настоящее время на кафедре детских болезней лечебного факультета Первого МГМУ им. И. М. Сеченова проводится работа по изучению состояния МЦА верхних дыхательных путей у детей с БА и АР. Некоторые предварительные результаты будут приведены ниже.

Было обследовано 30 детей от 6 до 17 лет с БА в сочетании с АР. БА легкого течения была у 21 ребенка, среднетяжелого течения — у 9 детей. АР легкого течения был у 19 детей, среднетяжелого — у 11 детей, ремиссия АР была отмечена у 14 детей, обострение — у 16 детей.

В ходе проводимого исследования был апробирован цифровой видеокомплекс для регистрации, просмотра и хранения видеороликов движения ресничек мерцательного эпителия для последующей оценки функционального состояния мерцательного эпителия. Цифровой видеокомплекс состоит из медицинского светового микроскопа Биомед-6 с тринокулярной насадкой, цифровой высокоскоростной видеокамеры для микроскопа (BMR0440?HC-UF, Россия), персонального компьютера с достаточной мощностью процессора и видеокартой и специального программного обеспечения.

Соскобы мерцательного эпителия производились ложечкой RhinoPro® с нижней носовой раковины, отступая около 1 см от ее переднего конца. Полученный материал немедленно помещали в пробирку с физиологическим раствором при температуре 22–24 °С. Полученный материал переносили на предметное стекло, добавляли несколько капель физиологического раствора и покрывали покровным стеклом. Исследование проводилось в течение первых 15–30 минут. Микроскопию нативных неокрашенных соскобов проводили в светлом поле с затемнением при увеличении х400. Интересующие области записывали в архив в виде видеороликов длительностью 2 секунды.

Алгоритм оценки функционального состояния мерцательного эпителия следующий: проводится оценка общей картины движения ресничек: число подвижных клеток в поле зрения, характер их расположения — единичные, группами, пластами. Проводится подсчет средней ЧБР и определение максимальной ЧБР. Проводится оценка синхронности движения ресничек и оценка амплитуды движения ресничек. Оценивается характер движения (ундулирующий, маятникообразный, спастический). Дальнейший более детальный анализ (например, длина ресничек, количество ресничек на клетке, угол их отклонения, размер клеток и т. д.) может быть проведен с помощью специальных программ, позволяющих провести морфометрический анализ.

Кроме того, проводился сахариновый тест. Таблетку пищевого сахарина разделяли на 4 части, придавали кусочкам сахарина округлую форму. Кусочек сахарина помещали на нижнюю носовую раковину, отступая около 1 см от ее переднего конца. Ребенку предлагали не сморкаться, по возможности не чихать, периодически сглатывать слюну. Засекали время до появления сладкого ощущения во рту. По данным разных авторов в норме у детей сахариновое время составляет от 10 до 15 минут.

По данным сахаринового теста время МЦК у подавляющего большинства детей с БА и АР было в пределах нормы и даже ускорено. В среднем этот показатель оставил 5,7 ± 3 мин. Отмечалась тенденция к сокращению времени сахаринового теста до 1–2 минут, что может быть связано с наличием жидкого водянистого секрета, смывающего сахарин в ротоглотку.

Средняя ЧБР у детей с БА легкого течения составила 6,02 ± 1,25 Гц, максимальная ЧБР 9,95 ± 2,37 Гц. При БА среднетяжелого течения показатели были соответственно 6,72 ± 2,13 Гц и 9,7 ± 3,35 Гц. Статистически значимых различий показателей у детей с БА легкого и среднетяжелого течения не выявлено.

Средняя ЧБР у детей с БА и сопутствующим АР легкого течения составила 6,72 ± 1,63 Гц, у детей с АР среднетяжелого течения 5,53 ± 1,58 Гц. Различия статистически недостоверны (рис. 1). Также значимо не отличалась и максимальная ЧБР в этих двух группах: 10,28 ± 3,02 Гц и 9,7 ± 2,28 Гц соответственно (рис. 2).

При сравнении ЧБР в стадии ремиссии и обострения АР также не было выявлено существенных различий. В стадии ремиссии АР средняя ЧБР составила 7,00 ± 1,89 Гц, в стадии обострения 5,58 ± 1,09 Гц (рис. 3). Максимальная ЧБР соответственно 11,29 ± 2,75 Гц и 8,86 ± 2,19 Гц (рис. 4).

Полученные данные позволяют предположить, что даже в стадии ремиссии АР не происходит полного восстановления морфофункциональных свойств цилиарного эпителия. Тяжесть течения АР существенно не влияет на ЧБР. Даже при АР легкого течения имеются достаточно выраженные нарушения структуры и функции цилиарного эпителия.

Характерными особенностями цилиарного эпителия у детей с БА и АР в нашем исследовании были следующие:

• отсутствие подвижных ресничек более чем в 50% полей зрения;
• большое количество слущенного эпителия;
• большое количество частично или полностью «оголенного» эпителия без ресничек («лысеющий» эпителий);
• часто встречаются конгломераты клеток в виде глобулы с оголенным эпителием (слущенный эпителий, свернувшийся в виде клубка);
• относительно синхронное движение ресничек в пласте клеток сохранено лишь в отдельных участках, их не более 10%;
• в большинстве полей зрения движение ресничек лишь местами (отдельные подвижные клетки или группы клеток);
• часто патологический характер движения ресничек (маятникообразный, спастический или пульсирующий);
• асинхронное движение ресничек как на соседних клетках, так и ресничек одной клетки;
• амплитуда движения ресничек снижена;
• ритм движения сбивается.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют в пользу выраженных изменений структуры и функции мерцательного эпителия слизистой оболочки носа у детей с БА в сочетании с АР.

Литература

1. Mall M. A. Role of cilia, mucus, and airway surface liquid in mucociliary dysfunction: lessons from mouse models // J Aerosol Med Pulm Drug Deliv. 2008, Mar; 21 (1): 13–24.
2. Stannard W., O’Callaghan C. Ciliary function and the role of cilia in clearance // J Aerosol Med. 2006, Spring; 19 (1): 110–115.
3. Кобылянский В. И., Окунева Е. Ю. Коррекция мукоцилиарной недостаточности: возможности и перспективы // Терапевтический архив, 2006, № 3, с. 74–84.
4. Teff Z., Priel Z., Ghebery L. A. Forces Applied by Cilia Measured on Explants from Mucociliary Tissue // Biophysical Journal. 2007, March, vol. 92, 1813–1823.
5. Козлов В. С., Шиленкова В. В., Азатян А. С., Крамной А. И. Мукоцилиарный транспорт и двигательная активность цилиарного аппарата слизистой оболочки носа у больных хроническим полипозным риносинуситом // Вестник оториноларингологии. 2008, № 2, с. 10–13.
6. Sleigh M. A. Movement and coordination of tracheal cilia and the relation of these to mucus transport // Cell Motil Suppl. 1982. 1: 19–24.
7. King M., Gilboa A., Meyer F. A., Silberberg A. On the transport of mucus and its rheologic stimulants in ciliated systems // Am. Rev. Respir. Dis. 1974,110: 740–745.
8. Plesec T. P., Ruiz A., McMahon J. T., Prayson R. A. Ultrastructural Abnormalities of Respiratory Cilia: A 25?Year Experience // Archives of Pathology & Laboratory Medicine. 2008. November.
9. Tamalet A., Clement A. et al. Abnormal Central Complex Is a Marker of Severity in the Presence of Partial Ciliary Defect // Pediatrics. 2001; 108; e86.
10. Fawcett D. W., Porter K. R. A study of the fine structure of ciliated epithelia // J Morphol. 1954, 94: 221–281.
11. Braiman A., Priel Z. Efficient mucociliary transport relies on efficient regulation of ciliary beating // Respir Physiol Neurobiol. 2008, Nov 30; 163 (1–3): 202–207.
12. Jorissen M., Willems T., Van der Schueren B. Nasal ciliary beat frequency is age independent //Laryngoscope. 1998, Jul; 108 (7): 1042–1047.
13. Chilvers M. A., Rutman A., O’Callaghan C. Functional analysis of cilia and ciliated epithelial ultrastructure in healthy children and young adults // Thorax. 2003; 58: 333–338.
14. Rutland J., Griffin W. M., Cole P. J. Human ciliary beat frequency in epithelium from intrathoracic and extrathoracic airways // Am Rev Respir Dis. 1982. Jan; 125 (1): 100–105.
15. Yager J., Chen T. M., Dulfano M. J. Measurement of frequency of ciliary beats of human respiratory epithelium // Chest. 1978; 73; 627–633.
16. Bertrand B., Collet S., Eloy P., Rombaux P. Secondary ciliary dyskinesia in upper respiratory tract // Acta Otorhinolaryngol Belg. 2000; 54 (3): 309–316.
17. Liu Y. H., Tao Z. Z. Effect of intranasal glucocorticoid on the pathological change of nasal mucosa in rats with allergic rhinitis // Zhonghua Er Bi Yan Hou Tou Jing Wai Ke Za Zhi. 2009, Nov; 44 (11): 935–940.
18. Maurizi M., Paludetti G., Todisco T. et al Ciliary ultrastructure and nasal mucociliary clearance in chronic and allergic rhinitis // Rhinology. 1984, Dec; 22 (4): 233–240.
19. Yang P. C. Investigation of the nasal mucosa in perennial allergic rhinitis with SEM and TEM // Zhonghua Er Bi Yan Hou Ke Za Zhi. 1990; 25 (2): 95–96, 126.
20. Kirtsreesakul V., Somjareonwattana P., Ruttanaphol S. The correlation between nasal symptom and mucociliary clearance in allergic rhinitis // Laryngoscope. 2009, Aug; 119 (8): 1458–1462.
21. Ошур Л. Ю. Мукоцилиарный клиренс и бронхиальная проходимость при стандартной базисной терапии у больных бронхиальной астмой. Дисс. … к.м.н. Благовещенск, 2004.
22. Steven R. White, Delbert R. Dorscheid. Corticosteroid-Induced Apoptosis of Airway Epithelium // Chest. 2002; 122; 278 S —284 S.
23. Davies D. E. The bronchial epithelium in chronic and severe asthma // Curr Allergy Asthma Rep. 2001, Mar; 1 (2): 127–133.
24. Holgate S. T. Epithelium dysfunction in asthma // J Allergy Clin Immunol. 2007; 120: 1233–1244.
25. Загорулько А. К., Аскара Т. А., Загорулько А. А. и др. Комплексная электронно-микроскопическая оценка изменений ультраструктуры эпителия бронхиол при бронхиальной астме в эксперименте // Украинский пульмонологический журнал. 2002, № 2, с. 51–53.
26. Одиреев А. Н. Клинико-морфо­функциональ­ные особенности мукоцилиарной системы у больных брониальной астмой при базисной противовоспалительной терапии. Дисс. к.м.н. Благовещенск, 2004.

И. В. Озерская
Н. А. Геппе, доктор медицинских наук, профессор
У. С. Малявина, кандидат медицинских наук

Первый МГМУ им. И. М. Сеченова, Москва

Контактная информация об авторах для переписки: ozerskaya@inbox.ru