Mechanizmy oczyszczania dróg oddechowych stanowią efektywną obronę przeciwko wdychanym czynnikom szkodliwym. Barierą pomiędzy światłem dróg oddechowych (środowiskiem zewnętrznym) a tkanką podnabłonkową (środowiskiem wewnętrznym) jest nabłonek dróg oddechowych, w którym znajdują się systemy aktywnego transportu jonów, wydzielania substancji formujących płyn okołorzęskowy ( Periciliary Liquid – PCL) i mucyn oraz wektorowa czynność rzęsek. Nabłonek reguluje płynną wyściółkę dróg oddechowych ( Airway Surface Liquid – ASL) w zakresie stężenia jonów, objętości oraz jej właściwości elektrycznych, określając wielkość przeznabłonkowej różnicy potencjałów, czyli wielkość oddziaływań elektrostatycznych między składnikami ASL a powierzchnią nabłonka [1, 2].

Nabłonek dróg oddechowych stanowi heterogenną populację komórek rzęskowych i innych, wyściełających drogi oddechowe. Zintegrowana obrona dróg oddechowych przed wnikającymi do płuc czynnikami szkodliwymi uwzględnia współdziałanie trzech elementów:

A – płynnej warstwy ochronnej (ASL) na powierzchni dróg oddechowych, w sposób ciągły przemieszczającej się z dystalnych do proksymalnych odcinków dróg oddechowych;

B – nabłonka dróg oddechowych, stanowiącego czynnościową i anatomiczną podstawę dla integracji mechanizmów obronnych, także tych, które oddziaływują przez układ nerwowy i hormonalny oraz

C – komórek i mediatorów układu immunologicznego obecnych w drogach oddechowych (Toll – receptory na makrofagach obecnych w ASL, komórkach dendrytycznych i nabłonkowych oraz białka przeciwbakteryjne – lizozym , laktoferyna i beta-defensyny ASL) (ryc. 1). ASL jest wydzieliną komórek nabłonkowych i kubkowych oraz gruczołów podśluzowych. Składa się z dwóch warstw: okołorzęskowej płynnej (PCL), której grubość jest zwykle równa długości rzęsek oraz śluzowej, znajdującej się na powierzchni PCL [3]. Obie warstwy są przemieszczane przez system transportu śluzowo-rzęskowego ( Mucociliary transport – MCT) z podobną prędkością [4], ok. 3 mm min^-1 do jamy ustnej, skąd są wykrztuszane lub połykane [5] (ryc. 2). Funkcją żelu, dzięki lepkości, jest przechwytywanie wdychanych cząstek, natomiast PCL pełni rolę nawilżającą, ułatwiając napędzany rzęskami transport śluzu [6]. Śluz zawiera wodę (95%), sole nieorganiczne (1%) i makromolekuły, jak glikoproteiny i lipidy (4%). Glikoproteiny nadają śluzowi lepkość i elastyczność. W aspekcie skuteczności transportu, elastyczność śluzu jest ważniejsza od lepkości.

Biorąc pod uwagę znaczną różnorodność w zakresie pola powierzchni: pęcherzyków płucnych (70 m² ), dystalnych (ok. 2 m² ) i proksymalnych (ok. 50-60 cm² ) dróg oddechowych, utrzymywanie stałej grubości PCL (ok. 5-10 ?m) wymaga ciągłej absorpcji płynu podczas jego dogłowowego przemieszczania [7]. Komórki nabłonka dróg oddechowych wypracowały liczne mechanizmy pozwalające efektywnie kontrolować wysokość ASL, a tym samym utrzymywać skuteczny MCT. Najważniejszymi z nich są bierny transport wody oraz aktywny transport jonów. W warunkach fizjologicznych transport płynu odbywa się dwukierunkowo, z przewagą przepływu ze światła dróg oddechowych do komórek [8]. Aktualne badania nabłonkowych kultur komórkowych wykazały, że płyn może być uzupełniany lub usuwany z warstwy śluzowej bez zmiany wysokości PCL [9]. Stwierdzono, że usunięcie ok. 50% płynu z ASL, prowadzi do zmniejszenia grubości warstwy śluzowej z zachowaniem wysokości PCL. Przy zwiększeniu objętości PCL, cały „dodany” w nadmiarze płyn, przemieszcza się do warstwy śluzowej. Przy łączeniu się dwóch mniejszych oskrzelików w jeden większy, następuje zwiększenie objętości ASL, a nadmiar płynu może być przejściowo zgromadzony w warstwie śluzowej z zachowaniem prawidłowej wysokości PCL i wielkości MCT. Przeciwnie, gdy dochodzi do utraty wody w wyniku nadmiernego parowania, mechanizmy wyrównawcze wybiórczo zmniejszają warstwę śluzową, zachowując wysokość PCL i MCT. Z obserwacji tych wynika, że wielkość warstwy śluzowej jest zmienna oraz, że pełni ona rolę rezerwuaru wody w stosunku do PCL, gwarantując skuteczność MCT [4] (ryc. 2).

U płodu, głównym rodzajem aktywnego transportu płynu w drogach oddechowych i pęcherzykach płucnych jest wydzielanie Cl^-. To przemieszcza izotoniczny roztwór NaCl do światła płuc w okresie płodowym. Po porodzie nabłonki oddechowe zmieniają rodzaj transportu: z sekrecji Cl^- na absorpcję Na⁺, co nasila wchłanianie wody tak, że w ciągu kilku minut pozostaje na powierzchni dróg oddechowych cienka (5-10 ?m) warstewka płynu [10]. Tak więc, przeważający w warunkach fizjologicznych proces absorpcji Na⁺ i wody z warstwy luminalnej do warstwy podśluzowej stanowi silny mechanizm zabezpieczający drogi oddechowe przed „zalaniem” i utrzymuje ich drożność [6].

Zasadniczym czynnikiem determinującym objętość ASL na powierzchni nabłonka jest stężenie jonów, co w połączeniu z wysoką przepuszczalnością dla wody, szybko przywraca i utrzymuje objętość ASL w prawie izotonicznym stanie [11]. Ilość i stężenie jonów w ASL na nabłonku dróg oddechowych jest określona w części przez ruch płynu wzdłuż jego powierzchni oraz w części przez aktywny transport jonów w danym regionie. Podobnie jak w przypadku komponenty śluzowej, również PCL reguluje swoją wielkość – nabłonek szybko wchłania nadmiar PCL aż do momentu gdy osiągnie fizjologiczną wysokość ok. 7 ?m [4]. Liczne badania, w oparciu o pomiary przeznabłonkowej różnicy potencjałów jako wskaźnika aktywnego transportu jonów oraz stosowanie inhibitorów transportu Na⁺ (amilorid) i Cl^- (bumetanid), pozwalają zrozumieć regulację absorpcji PCL jako funkcję jej objętości i wysokości [9]. Podstawowym procesem reabsorpcji nadmiaru PCL jest transport jonu Na⁺ do wnętrza komórki nabłonkowej. Gdy objętość PCL osiągnie fizjologiczną wysokość, wchłanianie płynu ulega zwolnieniu. Zahamowanie przewodności dla Na⁺ generuje mechanizm sekrecyjny dla jonów Cl^-, który indukuje napływ płynu i zwiększenie objętości PCL [12]. Oba procesy (absorpcji i sekrecji) zależne są od znajdujących się w błonie apikalnej kanałów jonowych – chlorkowych i sodowych [1].

Energii dla obu torów transportu dostarcza ATP-aza Na-K, bezpośrednio dla transportu Na⁺, a pośrednio przez układ współtransportowy Na-K-2Cl, (wrażliwy na bumetanid) dla transportu Cl^- [1]. Informacje, które kontrolują aktywność tych kanałów są zakodowane w samej PCL. I tak dla kanału nabłonkowego Na⁺, związkami kontrolującymi jego funkcję są prawdopodobnie zewnątrzkomórkowe nukleotydy jak np. ATP, który w badaniach doświadczalnych wykazuje efekt hamujący poprzez interakcję z receptorem purynergicznym 2 [13]. Kanał chlorkowy należy do rodziny transporterów wiążących ATP i zawiera dwie domeny wiążące nukleotydy. Jest on aktywowany przez mechanizm transdukcji związanej z cAMP, przez aktywację cyklazy adenylowej, zależnej od białka G, hydrolizę cAMP, fosfodiesterazę oraz aktywność kinaz i fosfataz białkowych [14]. Oprócz regulacji zależnej od cAMP, kanał chlorkowy wykazuje zależność od aktywności białkowej kinazy C, która reguluje mechanizm otwarcia. Aktualne wyniki badań sugerują, że miejscowe powstawanie adenozyny, reagującej ze swoim receptorem błonowym, białkami G_s i cyklazą adenylową, sprzyja energooszczędnemu procesowi otwarcia kanału [15]. Jest to istotne z punktu widzenia potencjału oksydacyjno-redukcyjnego komórek, gdyż zmiany w ich metabolizmie wpływają na procesy otwierania i zamykania kanału chlorkowego [16].

W ostatnich latach zwraca się uwagę na kanały potasowe oraz ich udział w procesach transportu przeznabłonkowego i współtworzenia płynnej wyściółki dróg oddechowych. Przynajmniej 3 zróżnicowane biofizycznie i farmakologicznie kanały K są zaangażowane w błonowe przewodnictwo jonów K⁺: cAMP-zależny, Ca-zależny i tzw. Maxi kanał K o dużej przewodności [16]. Podstawnoboczny przepływ K⁺ jest kluczowy dla procesów sekrecji i absorpcji, a jego zahamowanie nieselektywnymi blokerami redukuje transport wszystkich jonów. Kanał K⁺ usuwa jony potasu wchodzące do komórki w czasie wymiany na Na⁺ lub Cl^- oraz przyczynia się do zachowania komórkowego potencjału błonowego, istotnej siły elektrochemicznej, napędzającej bierny przezbłonowy ruch jonów [17] (ryc. 3).

Rzęski oddechowe posiadają wzorzec rytmicznych uderzeń. Każdy cykl składa się z 2 aktywnych składowych: 1 – efektywnego uderzenia, podczas którego w pełni wyprostowana rzęska porusza się prostopadle do powierzchni nabłonka oraz 2 – faza regeneracyjna, w której ugięta rzęska porusza się mniej lub bardziej równolegle do powierzchni komórek, bocznie i wstecznie aż do pozycji wyjściowej. Czas trwania 2 fazy jest 2-3-krotnie dłuższy niż pierwszej. Pomiędzy nimi następuje krótka faza spoczynkowa, zanim rzęska rozpocznie fazę regeneracyjną. Czas trwania przerwy zależy od częstotliwości uderzeń rzęsek ( Ciliary Beat Frequency – CBF). Uginanie rzęsek wywoływane jest ślizganiem się mikrotubul względem siebie, jako wyraz sprzężenia mechaniczno-chemicznego (podobnie jak system aktyna-miozyna w mięśniach). Energia potrzebna do uderzeń rzęsek pochodzi z hydrolizy ATP przy udziale ATP-azy zawartej w ramionach wewnętrznych struktur rzęsek-dynein. Prędkość ruchów ślizgowych mikrotubul i częstotliwość uderzeń rzęsek zależy od ilości ramion dynein i stężenia ATP.

CBF zwiększa się od obwodowych odcinków dróg oddechowych w kierunku proksymalnym. W większych drogach oddechowych, jak nos, tchawica i główne oskrzela, CBF wynosi 13-27 Hz, w mniejszych – małe oskrzela i oskrzeliki – 7-12 Hz [18].

Aktywność rzęsek regulowana jest przez humoralne i hormonalne układy przekaźnikowe:

1. autokrynno-parakrynny układ tlenek azotu (NO) – cGMP-białkowa kinaza G zwiększa CBF („regulacja w górę”) [19, 20];

2. stymulacja purynergiczna – indukowany ATP wzrost stężenia Ca⁺² aktywuje kaskadę przekaźnikową, obejmującą cyklazę adenylową i cAMP-zależną kinazę białkową A [21];

3. stymulacja receptorów adenozynowych A3 zwiększając stężenie Ca⁺² stymuluje CBF [22];

4. wazopresyna wydzielana przez nabłonek oddechowy, poprzez receptory V1b stymuluje CBF mobilizując Ca⁺² z zapasów wrażliwych na thapsigarginę [23];

5. neuropeptyd Y zmniejsza CBF poniżej podstawowego poziomu przez aktywację izoformy kinazy białkowej C (nPKC) i ATP-azę; jest to autonomiczny eferentny neurotransmiter, hamujący MCT [24];

6. substancja P – SP (tachykininy) poprzez receptory NK1 (neurokininowe) powoduje wzrost CBF i MCT, zależny od wielkości destrukcji tego białka wokół receptorów [25];

7. regulacja opioidowa – b-endorfiny wywierają efekt hamujący na CBF i MCT;

8. układ GABA-ergiczny – pobudzanie receptorów GABA zmienia stężenie Ca⁺² śródkomórkowego i zmniejsza CBF [26].

Reakcje obronne dróg oddechowych podlegają złożonym procesom regulacyjnym. Oprócz oddziaływań nerwowych i hormonalnych, które dostosowują funkcję dróg oddechowych do aktualnego obciążenia ustroju, istnieją lokalne mechanizmy regulacyjne odpowiedzialne za scalenie elementów czynności dróg oddechowych (napięcie mięśni gładkich, wydzielanie śluzu i transport jonów przez nabłonek) w skuteczną reakcję fizjologiczną [1]. Dla wymienionych zagadnień, w tym wydzielania płynu przez nabłonek oddechowy, szczególne znaczenie ma unerwienie czuciowe przewodzone głównie przez nerw błędny [27]. Istotnymi składowymi są capsaicyno-wrażliwe receptory włókien C, odpowiadające na bodźce drażniące receptory szybko adaptujące i mięśniowe receptory wolno adaptujące. Receptory te, zbiorczo nazywane receptorami kaszlu, generują sygnały aferentne. W szczególnym centrum zainteresowania znajdują się niezmielinizowane zakończenia włókien C, które pod wpływem bodźców drażniących wydzielają neuropeptydy tj. tachykininy (neurokininy – NKA, NKB, substancja P – SP), peptyd związany z genem kalcytoninowym – CGRP, naczyniowo-aktywny peptyd jelitowy, peptyd histydyno-metioninowy [28, 29]. Uwolnienie neuropeptydów z żylakowatości neurosekrecyjnych tych włókien, powoduje zmiany przeznabłonkowego transportu jonów, tym samym wpływając na ilość i jakość ASL.

Na podstawie badań wykonanych po pobudzeniu nerwowych receptorów dróg oddechowych przypuszcza się, że w czasie kaszlu występują lokalne zmiany transportu jonów w drogach oddechowych, ułatwiające oczyszczanie dróg oddechowych przez korzystne zmiany ilościowe ASL. Zmiany transportu jonów w fazie wydechowej kaszlu mogą zmniejszać przyczepność śluzu, do ściany oddechowej i tym samym ułatwiać ewakuację śluzu natomiast w fazie wdechowej kaszlu, zmiany transportu jonów mogą ułatwiać wdech przez zmniejszenie płynnej wyściółki i zwiększenie efektywnego przekroju dróg oddechowych. Tę hipotezę nazwano jonowym wsparciem kaszlu ( cough ionic support reaction) [30] (ryc. 4).

Tachykininy mają różnorodny wpływ na funkcję dróg oddechowych poprzez receptory NK1 (głównie aktywowane przez SP) oraz receptory NK2 (aktywowane przez NKA). Tachykininy wywołują uogólnioną odpowiedź skurczową w drogach oddechowych. Reakcja skurczowa na NKA jest silniejsza w małych oskrzelikach, co wskazuje na ich silniejszy wpływ na dystalne drogi oddechowe, podczas gdy na reakcje skurczowe w proksymalnych drogach oddechowych istotniejszy wpływ ma unerwienie cholinergiczne. Mechaniczne usunięcie lub uszkodzenie nabłonka oddechowego nasila skurcz oskrzeli w odpowiedzi na tachykininy, głównie z powodu utraty obojętnej neuropeptydazy (NEP) zawartej w tymże nabłonku, która jest kluczowym czynnikiem odpowiedzialnym za degradację tachykinin [31]. Substancja P stymuluje sekrecję śluzu z gruczołów podśluzowych i komórek kubkowych poprzez aktywację receptorów NK1. Tachykininy wzmagają również neurotransmisję cholinergiczną ułatwiając uwalnianie acetylocholiny z zakończeń nerwów cholinergicznych oraz przyspieszając przekaźnictwo zwojowe. Tachykininy są rozkładane przez 2 enzymy – enzym konwertujący angiotensynę (ACE) i NEP. ACE jest głównie zlokalizowana w komórkach śródbłonka naczyniowego, degradując peptydy wewnątrznaczyniowe, podczas gdy NEP jest ważna dla metabolizmu tachykinin w drogach oddechowych. Aktywność NEP jest zredukowana w infekcjach wirusowych, u palaczy tytoniu i przy zwiększeniu osmolarności [32]. Wspólnie z SP wydzielany jest CGRP. Peptyd ten rozszerza naczynia, głównie oskrzelowe i sprzyja zwiększeniu przepływu krwi w odpowiedzi na stymulację czuciowych zakończeń nerwowych w drogach oddechowych. Oprócz tachykinin i CGRP, unerwienie dróg oddechowych zawiera inne neuropeptydy, które uczestniczą w wywoływaniu zjawisk neurogennych. Są to galanina, cholecystokinina i enkefaliny oraz sekretoneuryna [31].

Aktualnie zwraca się większą uwagę na zachorowalność związaną ze znieczuleniem ogólnym. Najważniejszym i najczęstszym problemem w okresie pooperacyjnym są powikłania oddechowe, głównie u chorych z grupy wysokiego ryzyka oraz po długotrwałym znieczuleniu ogólnym – opisywana częstość powikłań wynosi 6-21% [33]. Przypadki pooperacyjnych infekcji płucnych i niedodmy są oczywiście wieloczynnikowe, jednak zależą w głównej mierze od właściwego usuwania wydzieliny. Wymaga to efektywnego kaszlu oraz sprawnego transportu śluzowo-rzęskowego. O ile w okresie pooperacyjnym kaszel i odkrztuszanie wydzieliny są doceniane, o tyle działania w czasie znieczulenia ogólnego zmierzające do jak najmniejszego upośledzenia transportu śluzu nie zawsze są respektowane. Już wiele lat temu Gamsu i wsp. [34] wykazali zmniejszenie transportu śluzu w okresie pooperacyjnym. Klirens śluzu może być zmniejszony w wyniku zmian jego lepkości lub objętości, a także przez zmniejszenie częstości uderzeń rzęsek lub przez oba mechanizmy. Zmniejszenie objętości śluzu pod wpływem anestetyków wydaje się mało prawdopodobne; obserwowano raczej jego nadmierną produkcję. Upośledzenie transportu śluzowo-rzęskowego w czasie znieczulenia ogólnego jest zwykle wywołane zmniejszeniem CBF. Z logarytmicznej zależności pomiędzy CBF a MCT wynika, że skromna redukcja funkcji rzęsek np. o 20%, zmniejsza transport śluzu aż o 50%.

Wiele elementów związanych z prowadzeniem znieczulenia ogólnego i wentylacji zastępczej oddziaływuje na transport śluzowo-rzęskowy.