Введение

Полость в легких. Пневмоалвеола (alveolus, от латинского alveolus, "маленькая полость"), также известная как воздушный мешок или воздушное пространство, – это одна из миллионов полых, растяжимых чашевидных полостей в легких, где происходит газообмен. Кислород обменивается на углекислый газ через кровь-воздушный барьер между альвеолярным воздухом и легочным капилляром. Альвеолы составляют функциональную ткань легких млекопитающих, известную как легочная паренхима, которая занимает 90% общего объема легких. Альвеолы впервые обнаруживаются в дыхательных бронхиолах, отмечающих начало дыхательной зоны. Они расположены немногочисленно в этих бронхиолах, выстилают стенки альвеолярных протоков и в большем количестве содержатся в слепых альвеолярных мешочках. Альвеолярная мембрана является поверхностью газообмена, окруженной сетью капилляров. Кислород диффундирует через мембрану в капилляры, а углекислый газ высвобождается из капилляров в альвеолы для выдыхания. Альвеолы характерны для легких млекопитающих. У других позвоночных в газообмене участвуют различные структуры.

Структура

Альвеолы впервые обнаруживаются в дыхательных бронхиолах в виде рассеянных выпячиваний, отходящих от их просвета. Дыхательные бронхиолы простираются на значительной длине и становятся все более альвеолированными, с боковыми ветвями альвеолярных протоков, которые глубоко выстланы альвеолами. Количество протоков от каждой бронхиолы варьируется от двух до одиннадцати. Каждый проток открывается в пять или шесть альвеолярных мешков, в которые открываются скопления альвеол. Каждая терминальная дыхательная единица называется ацинусом и состоит из дыхательных бронхиол, альвеолярных протоков, альвеолярных мешков и альвеол. Новые альвеолы продолжают формироваться до достижения восьмилетнего возраста. Типичная пара человеческих легких содержит около 480 миллионов альвеол, обеспечивая общую площадь поверхности для газообмена от 70 до 80 квадратных метров.

Микроанатомия

Альвеола состоит из эпителиального слоя простого плоского эпителия (очень тонкие, уплощенные клетки) и внеклеточного матрикса, окруженного капиллярами. Эпителиальная выстилка является частью альвеолярной мембраны, также известной как дыхательная мембрана, обеспечивающей газообмен. Мембрана состоит из нескольких слоев: слой альвеолярной жидкости, содержащей сурфактант, эпителиальный слой и его базальную мембрану; тонкое интерстициальное пространство между эпителиальной выстилкой и капиллярной мембраной; базальную мембрану капилляра, которая часто сливается с базальной мембраной альвеолы, и эндотелиальную мембрану капилляра. Однако толщина всей мембраны варьируется от 0,2 мкм в самой тонкой части до 0,6 мкм в самой толстой. В альвеолярных стенках имеются взаимосвязанные воздушные каналы между альвеолами, известные как поры Кона. Альвеолярная перегородка, разделяющая альвеолы в альвеолярном мешке, содержит коллагеновые и эластические волокна. В перегородках также располагается густая капиллярная сеть, окружающая каждую альвеолу.

Разработка

Развитие самых ранних структур, содержащих альвеолы, начинается на 22-й день и подразделяется на пять стадий: эмбриональную, псевдогландулярную, канальцевую, саккулярную и альвеолярную. Альвеолярная стадия начинается примерно на 36-й неделе развития. Незрелые альвеолы выглядят как выпячивания из саккул, которые проникают в первичные септы. По мере развития саккул, выступы в первичных септах становятся больше; новые септы длиннее и тоньше и называются вторичными септами. Они плоские (обеспечивая большую площадь поверхности каждой клетке) и имеют длинные цитоплазматические выросты, покрывающие более 95% поверхности альвеолы. Клетки I типа участвуют в процессе газообмена между альвеолами и кровью. Эти клетки чрезвычайно тонкие – иногда всего 25 нм – для доказательства того, что все альвеолы выстланы эпителием, потребовался электронный микроскоп. Эта тонкая выстилка обеспечивает быстрое распространение газов между воздухом в альвеолах и кровью в окружающих капиллярах. Ядро клетки I типа занимает большую часть свободной цитоплазмы, а ее органеллы сгруппированы вокруг него, уменьшая толщину клетки. Это также минимизирует толщину воздушно-кровяного барьера. Цитоплазма в тонкой части содержит пиноцитозные везикулы, которые могут играть роль в удалении мелких частиц загрязнений с внешней поверхности. Помимо десмосом, все альвеолярные клетки I типа имеют плотные контакты, предотвращающие утечку тканевой жидкости в альвеолярное воздушное пространство. Относительно низкая растворимость (и, следовательно, скорость диффузии) кислорода требует большой внутренней поверхности (около 80 квадратных метров) и очень тонких стенок альвеол. Между капиллярами, поддерживающими их, находится внеклеточный матрикс – сетчатая структура из эластических и коллагеновых волокон. Коллагеновые волокна, будучи более жесткими, придают стенке прочность, а эластические волокна обеспечивают расширение и сокращение стенок во время дыхания. Пневмоциты I типа не способны к репликации и восприимчивы к токсическому воздействию. В случае повреждения клетки II типа могут пролиферировать и дифференцироваться в клетки I типа для компенсации. Клетки II типа (гранулярные пневмоциты) в альвеолярной стенке содержат секреторные органеллы, известные как ламеллярные тельца или ламеллярные гранулы, которые сливаются с клеточными мембранами и секретируют легочный сурфактант. Этот сурфактант – это пленка жироподобных веществ, группа фосфолипидов, снижающих поверхностное натяжение альвеол. Фосфолипиды хранятся в ламеллярных тельцах. Без этого покрытия альвеолы схлопнутся. Сурфактант непрерывно высвобождается посредством экзоцитоза. Повторное раскрытие альвеол после выдоха облегчается сурфактантом, который снижает поверхностное натяжение в тонкой жидкой оболочке альвеол. Жидкая оболочка вырабатывается организмом для облегчения переноса газов между кровью и альвеолярным воздухом, и клетки II типа обычно находятся на воздушно-кровяном барьере. Клетки II типа начинают развиваться примерно на 26-й неделе гестации, секретируя небольшое количество сурфактанта. Однако достаточного количества сурфактанта секретируется только примерно на 35-й неделе гестации – это основная причина повышенной частоты синдрома дыхательного дистресса у новорожденных, который резко снижается после 35 недель гестации. Клетки II типа также способны к клеточному делению, давая начало большему количеству альвеолярных клеток I и II типа при повреждении ткани легких. MUC1, ген человека, связанный с пневмоцитами II типа, был идентифицирован как маркер рака легких. Важность альвеолярных клеток легких типа 2 в развитии тяжелых респираторных симптомов COVID-19 и потенциальные механизмы защиты этих клеток с помощью СИОЗС флувоксамина и флуоксетина были обобщены в обзоре в апреле 2022 года.

Альвеолярные макрофаги

Альвеолярные макрофаги располагаются на внутренних просветных поверхностях альвеол, альвеолярных протоков и бронхиол. Они представляют собой подвижные фагоциты, поглощающие инородные частицы в легких, такие как пыль, бактерии, частицы угля и клетки крови, образующиеся при повреждениях. Их также называют лёгочными макрофагами и пылевыми клетками.

Плотноактивный агент

Недостаток сурфактанта в альвеолах – одна из причин, способствующих развитию ателектаза (спадения части или всего легкого). Без легочного сурфактанта ателектаз неизбежен. Тяжелое состояние – синдром острого респираторного дистресс-синдрома (ОРДС) – вызывается дефицитом или дисфункцией сурфактанта. Недостаток сурфактанта в легких недоношенных детей приводит к синдрому дыхательных расстройств у новорожденных (СДРН). Соотношение лецитин/сфингомиелин используется для оценки зрелости легких плода по амниотической жидкости. Низкое соотношение указывает на риск развития СДРН. Лецитин и сфингомиелин – два из гликолипидов, входящих в состав легочного сурфактанта. Нарушение регуляции сурфактанта может привести к накоплению сурфактантных белков в альвеолах при таком заболевании, как легочный альвеолярный протеиноз, что вызывает нарушение газообмена.

Структурные

Почти любой тип опухоли легкого или рака легких может сдавливать альвеолы и уменьшать способность к газообмену. В некоторых случаях опухоль заполняет альвеолы. Кавитарная пневмония – это процесс, при котором альвеолы разрушаются и образуется полость. По мере разрушения альвеол уменьшается площадь поверхности, доступная для газообмена. Дальнейшие изменения в кровотоке могут привести к снижению функции легких. Эмфизема – это другое заболевание легких, при котором эластин в стенках альвеол разрушается из-за дисбаланса между продукцией нейтрофильной эластазы (уровень которой повышается под воздействием сигаретного дыма) и альфа-1 антитрипсина (активность которого варьируется в зависимости от генетики или реакции критического остатка метионина с токсинами, включая сигаретный дым). В результате потери эластичности легких выдох становится более продолжительным и происходит за счет пассивного сокращения расширенного легкого. Это приводит к уменьшению объема газа, обмениваемого с каждым вдохом. Пневмоальвеолярный микролитияз – редкое заболевание легких, характеризующееся образованием мелких камней в альвеолах.

Жидкость

Ушиб легкого – это кровоподтек в ткани легкого, вызванный травмой. Поврежденные капилляры при ушибе могут приводить к накоплению крови и других жидкостей в ткани легкого, нарушая газообмен. Легочный отек – это накопление жидкости в паренхиме и альвеолах. Отек обычно вызывается сердечной недостаточностью левого желудочка или повреждением легкого или его сосудистой системы.

Коронавирус

Из-за высокой экспрессии ангиотензинпревращающего фермента 2 (ACE2) во II типе альвеолярных клеток, легкие восприимчивы к инфекциям, вызываемым некоторыми коронавирусами, включая вирусы, вызывающие тяжелый острый респираторный синдром (ТОРС) и коронавирусную болезнь 2019 (COVID-19).