结构生物化学/粘膜系统
由于许多可能对人体有害的颗粒会沉积在我们的呼吸道上，因此我们的身体已经发展出先天性的防御机制，这些机制不断地工作以保护我们免受各种感染。通过使用全氟碳/锇/透射电子显微镜固定技术和共聚焦显微镜，现在可以在高分辨率下观察到粘液的运输。气道表面液体，也称为 ASL，充当第一道防线，并沿上皮细胞衬里排列。它由两层组成：纤毛周围液层，也称为 PCL，和粘液层。富含粘蛋白的粘液层位于 PCL 的顶部，PCL 是一种非常水样的层，包围着纤毛（Matsui）。粘液层由高度糖基化的生物大分子组成，即 MUC5AC 和 MUC5B 基因。这些生物大分子充当蜘蛛网，用来捕获吸入的颗粒。由于这些生物大分子包含大量的碳水化合物序列，因此粘蛋白几乎可以与所有颗粒结合，以便在这些颗粒到达肺部之前将其清除。粘液的粘弹性特性允许将纤毛拍打的能量转化为沿着气道表面的单向粘液运输。PCL 和粘液衬里的摩擦相互作用也充当第二种运输形式。如果所有其他方法都失败，肺部还有另一道防线，即咳嗽清除。咳嗽清除完全独立于纤毛。简单来说，咳嗽的效率与气道表面液体的厚度和体积有关。PCL 和粘液衬里会遇到大量不同的外来颗粒。这可能包括从你前面的人放出的屁，你在踢足球时可能吸入的灰尘，到从实验室意外泄漏的有毒烟雾。为了讨论一些特定的刺激物，氨气、有机蒸汽和香烟烟雾等物质会诱发上皮分泌细胞和粘膜下腺体分泌粘液。这些细胞分别受到直接和反射刺激。长时间吸入 SO2 和香烟烟雾会导致杯状细胞增生和粘膜下腺体增大。此外，各种药物会诱发粘液分泌。例如，前列腺素 (PG) 会刺激猫的粘液分泌。但当人类吸入前列腺素时，PG 会刺激咳嗽感受器。
粘液清除的机制是由污染或身体压力引起的。当哺乳动物的身体由于持续摄入外来颗粒而受到压力时，细胞外核苷酸和核苷会刺激 Cl- 转运并抑制 Na+ 吸收。这允许 ASL 达到正确的厚度和体积。在正常情况下，气道沿线的上皮细胞衬里会调节 Na+ 和 Cl− 转运，以保持 PCL 液体水平的完整性。ATP 也被释放到气道中，在那里它被代谢成腺苷，以激活 Cl- 分泌通道。所有这些都是为了平衡吸收和分泌，以实现有效的粘液稳态。“机械转导是将物理力转化为生理反应的过程，在组织稳态中至关重要。”污染，在这种情况下是香烟烟雾，是破坏 ASL 稳态的直接因素。当吸入香烟烟雾时，显而易见的影响是肺部损伤。大多数人没有意识到的是，它还会导致你的身体进行更长和更大的呼吸，以实现最佳的氧气吸入。最近的研究表明，当正常的人类气道上皮细胞受到潮汐呼吸的影响时，ASL 的高度会增加一倍，同时 ATP 会随着剪切应力的增加而增加。