Реснички создают динамический барьер в эпителии дыхательных путей человека

Учёные обнаружили ранее неизвестный механизм защиты лёгких от инфекций в дыхательных путях человека — действие ресничек, крошечных волосовидных структур, выстилающих дыхательные пути.

Известно, что эти структуры скоординированно бьются, чтобы перемещать слизь и захваченные частицы к ротовой полости вдоль поверхности эпителия.

Однако новое исследование показывает, что они также генерируют движение жидкости от поверхности эпителия, потенциально усиливая защитный барьер дыхательных путей.

Динамический барьер

Новые эксперименты, проведённые доктором Эрикой Каузой и коллегами из группы профессора Пьетро Чикуты в Кембриджском университете, а также математическое моделирование доктора Дебасиша Даса из Университета Стратклайда, показывают, что движение ресничек создаёт не только латеральный, но и вертикальный поток, выталкивая жидкость вверх от поверхности дыхательных путей.

Этот «динамический барьер», вероятно, помогает предотвращать достижение бактериями, вирусами и другими вредными частицами клеток, выстилающих дыхательные пути, и вызывание инфекции.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, может помочь объяснить повышенную восприимчивость к инфекциям у людей с нарушениями функции ресничек, такими как муковисцидоз или первичная цилиарная дискинезия.

При таких состояниях нарушенное биение ресничек связано со сниженным клиренсом слизи. Эксперименты ex vivo также показали, что когда реснички становятся неподвижными (состояние, называемое цилиостазом), репликация патогенов, таких как вирус гриппа H3N2, значительно увеличивается.

Аналогично, SARS-CoV-2, вирус, вызывающий COVID-19, поражает реснитчатые клетки дыхательных путей, часто оставляя их реснички укороченными, деформированными или неспособными правильно биться. Эта дисфункция ресничек может ослабить защиту дыхательных путей и позволить вирусным частицам достигать более глубоких областей лёгкого.

Новое понимание

Доктор Дас из Департамента математики и статистики сказал: «Наши результаты показывают, что реснички не просто перемещают слизь вдоль дыхательных путей; они также выталкивают жидкость вверх, от лёгочной выстилки.

Скоординированное биение ресничек не только поддерживает здоровье дыхательной системы, очищая слизь, но и обеспечивает динамический барьер против проникновения патогенов. Это новое понимание может привести к лучшим методам лечения лёгочных заболеваний, при которых реснички работают неправильно».

Команда из Кембриджа отслеживала движение жидкости в реальном времени с помощью передового метода «высвобождения» крошечных флуоресцентных маркеров внутри культивируемого человеческого эпителия дыхательных путей. Они обнаружили, что скоординированное биение ресничек создаёт как быстрые горизонтальные потоки, так и более медленные вертикальные потоки — комбинированный эффект, который ранее не наблюдался напрямую.

Для поддержки экспериментальной работы доктор Дас создал детальные компьютерные симуляции, используя теорию тонкого тела. Эти симуляции показали, что вертикальные потоки возникают только тогда, когда реснички бьются синхронно или в метахронных волнах, и отсутствовали при случайном биении, подчёркивая важность координации для этого дополнительного слоя защиты.