Jak nasze płuca regenerują się po wdychaniu pyłu zawieszonego i mikroplastiku
Projekt pt. „Mechanizmy powstawania zniszczeń i ich regeneracji po działaniu pyłu zawieszonego i mikroplastiku z zanieczyszczenia powietrza w modelu ostrego i przewlekłego uszkodzenia płuc” jest finansowanego w ramach konkursu Narodowego Centrum Nauki OPUS 25.
Wpływ zanieczyszczenia powietrza na zdrowie
Zanieczyszczenie środowiska, w tym powietrza, jest ważnym elementem wpływającym na zdrowie publiczne. Ocena wpływu zanieczyszczeń powietrza na nasze zdrowie i funkcjonowanie układu oddechowego są obecnie przedmiotem intensywnych badań naukowych.
Według Światowej Organizacji Zdrowia 4,2 miliona ludzi na całym świecie umiera rocznie z powodu zanieczyszczenia powietrza (dane za rok 2019). Wykazano, że stała ekspozycja na zanieczyszczenia powietrza:
- jest niebezpieczna nawet dla osób zdrowych,
- istotnie zwiększa zachorowalność oraz śmiertelność na choroby układu krążeniowego oraz oddechowego,
- a także zaostrza przebieg chorób płuc.
Potencjalne negatywne skutki zdrowotne wynikające z wdychania pyłów zawieszonych w powietrzu zależą od wielkości i kształtu cząstek, ich właściwości chemicznych, fizycznych i biologicznych. Należy pamiętać, że stężenie i skład pyłu zawieszonego różni się pomiędzy rejonami, jest warunkowany wieloma czynnikami naturalnymi i antropogenicznymi, takimi jak jego źródło, warunki meteorologiczne lub położenie geograficzne.
Charakterystyka cząstek pyłu zawieszonego
Na obszarach o dużej gęstości zaludnienia większość zanieczyszczeń powietrza stanowią cząstki stałe powstające w czasie spalania biomasy roślinnej i węgla, które są najpopularniejszym surowcem energetycznym wykorzystywanym do ogrzewania domów. Innym źródłem zanieczyszczenia powietrza są samochody spalinowe oraz przemysł emitujący do atmosfery zanieczyszczenia zawierające metale ciężkie.
Cząstki pyłu zawieszonego charakteryzuje się na podstawie ich średnicy aerodynamicznej. Rozróżnia się pył zawieszony (PM – particulate matter) o średnicy aerodynamicznej pomiędzy 10 μm a 2,5 μm (PM10); cząstki drobne < 2,5 μm (PM2,5), oraz cząstki ultradrobne < 0,1 μm (PM0,1).
Odpowiedz nabłonka dróg oddechowych na ekspozycję pyłu z zanieczyszczeń powietrza zależy od rozmiarów wdychanych cząstek. Cząstki PM10 mogą przenikać do układu oddechowego, są jednak zatrzymywane w większości w warstwie śluzu i usuwane przez klirens oddechowy oraz makrofagi. Należy pamiętać, że największe cząstki pyłu zawieszonego w powietrzu wywierają dodatkowy negatywny wpływ na tkankę, ponieważ są nośnikami metali ciężkich, toksyn, ładunku biologicznego i innych związanych do ich powierzchni elementów organicznych i nieorganicznych. Jednak większość badań naukowych koncentruje się na tzw. „frakcji respirabilnej” czyli PM2.5 który jest uważany za najbardziej szkodliwy.
Wdychane cząstki drobne stanowią ponad 80% zanieczyszczeń inhalowanych do naszego układu oddechowego i mogą przenikać głęboko, powodując szereg reakcji biologicznych prowadzących do miejscowego zapalenia i uszkodzenia płuc.
Charakterystyka mikroplastiku
Innym ważnym elementem zanieczyszczeń powietrza, o którym mówi się od niedawna, są włókna mikroplastiku. Roczna produkcja tworzyw sztucznych stale rośnie, osiągając 390,7 milionów ton w 2021 roku. Osiemdziesiąt procent odpadów z tworzyw sztucznych jest gromadzona na wysypiskach lub w środowisku naturalnym, gdzie woda, promieniowanie UV i metabolizm biologiczny powoduje ich fragmentację do włókien mikroplastikowych (o długości od 1 µm do 5 mm) i nanoplastikowych (od 1 µm do 100 nm).
Ponieważ są one nierozpuszczalne w wodzie, mikrodrobiny plastiku są powszechnie wykrywane w środowiskach wody morskiej, wód gruntowych, agroekosystemów, żywności i wody pitnej. Ostatnio wykazano, że ogromna część rozdrobionych włókien mikroplastiku ulega zawieszeniu w powietrzu, wraz z wiatrem mikroplastik jest przenoszony na duże odległości, następnie wdychany i gromadzony w płucach. Szczegółowe mechanizmy przewlekłej kumulacji mikroplastiku w drogach oddechowych są nie są jeszcze poznane.
Ochronna funkcja dróg oddechowych
Nabłonek dróg oddechowych jest pierwszym puntem kontaktu organizmu ze środowiskiem zewnętrznym. Pełni on funkcje ochronną poprzez wiele mechanizmów czynnościowych i morfologicznych, dzięki którym wychwytuje, oczyszcza i unieszkodliwia część zanieczyszczeń wdychanych do płuc. Odpowiedź ta obejmuje:
- warstwę surfaktantu (substancji lipidowo-białkowej) wyściełającą i chroniącą pęcherzyki płucne;
- pracę aparatu rzęskowo-migawkowego;
- wysoce fagocytarne makrofagi po stronie luminalnej nabłonka płuc;
- obecność szczelnych połączeń między komórkami nabłonkowymi;
- komórki dendrytyczne jako wyspecjalizowane komórki prezentujące antygen w obrębie i u podstawy nabłonka oraz blaszki podstawnej;
- aktywną, lokalną odpowiedz zapalną inicjowaną przez nabłonek. Bariera nabłonka dróg oddechowych jest utrzymywana i regulowana przez kompleks połączeń międzykomórkowych, który obejmuje zarówno połączenia ścisłe, jak i adhezyjne.
Tak wszechstronne funkcje nabłonka możliwe są dzięki jego złożonej budowie. W zdrowym nabłonku dróg oddechowych wyróżniamy wiele jego typów, z których najczęściej występującymi są: komórki podstawne, urzęsione, wydzielnicze zaś typami rzadszymi są jonocyty, komórki chemosensoryczne (komórki Tuft), komórki maczugowate (dawnej komórki Clary), oraz komórki neuroendokrynne.
Ze względu na swoją funkcję nabłonek dróg oddechowych jest przystosowany do reagowania zarówno na ostre (spowodowane przez bakterie, wirusy lub czynniki toksyczne), jak i przewlekłe (spowodowane długotrwałą szkodliwą stymulacją np. dymem tytoniowym, przewlekłym stanem zapalnym) miejscowe uszkodzenia, które charakteryzują się rozluźnieniem szczelności połączeń międzynabłonkowych, a w konsekwencji przerywają jego integralność. Po uszkodzeniu nabłonek uruchamia szereg mechanizmów naprawczych i regeneracyjnych, do których zaliczamy migrację komórek podstawnych, a następnie ich proliferację i różnicowanie w inne typy komórek nabłonkowych. Wykazano, że aktywacja receptora naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR) przez jego ligandy: EGF oraz transformujący czynnik wzrostu alfa (TGF-α) przyspiesza naprawę nabłonka dróg oddechowych.
W wyniku przewlekłej ekspozycji na czynniki szkodliwe, procesy naprawcze mogą być niewystarczające lub upośledzone. Trwała ekspozycja na zanieczyszczenia powietrza podczas urazu i procesu naprawy może zatem zwiększać aktywność EGFR za pośrednictwem (metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej 9) MMP-9, prowadząc do nieprawidłowej naprawy nabłonka dróg oddechowych.
Częste uszkodzenia i źle kontrolowane procesy naprawcze nabłonka powodują jego przebudowę: metaplazję płaskonabłonkową i przerost błony śluzowej. Zmiany te mogą znacznie zakłócić wrodzone funkcje odpornościowe w obrębie dróg oddechowych, a także prowadzić do upośledzonej czynnością płuc: rozległe uszkodzenie drobnych dróg oddechowych, powoduje zmniejszenie pojemności dyfuzyjnej i funkcji płuc, i jest elementem patofizjologii wielu chorób płuc, np. przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POChP) lub zwłóknienia płuc.
O projekcie
Celem projektu pt. „Mechanizmy powstawania zniszczeń i ich regeneracji po działaniu pyłu zawieszonego i mikroplastiku z zanieczyszczenia powietrza w modelu ostrego i przewlekłego uszkodzenia płuc” realizowanego w Katedrze i Klinice Chorób Wewnętrznych, Pneumonologii i Alergologii WUM będzie charakterystyka i porównanie procesów biologicznych po ekspozycji na zanieczyszczenie powietrza i mikroplastik w modelu normalnego, ostrego i przewlekłego uszkodzenia nabłonka, a także badanie mechanizmów naprawczych w czasie gojenia się tkanki w trakcie stymulacji pyłami z zanieczyszczenia powietrza oraz włóknami mikroplastiku.
Cele te będą realizowane przy użyciu modelu 3D in vitro ostrego i przewlekłego uszkodzenia nabłonka zawierającego współhodowle makrofagów i komórek nabłonka oskrzelowego. Modele te będą fizycznie ranione, a właściwości regeneracyjne komórek będą oceniane w hodowlach po ekspozycji na pył zawieszony z zanieczyszczenia powietrza i włókna mikroplastiku.
Hipoteza badawcza zakłada, że negatywne działanie zanieczyszczeń powietrza jest skorelowane ze zmianami strukturalnymi nabłonka dróg oddechowych, gojenie się uszkodzeń nabłonka w obecności składników zanieczyszczenia atmosferycznego różni się podczas ostrego i przewlekłego uszkodzenia płuc. Dysfunkcje nabłonka dróg oddechowych spowodowane jego przewlekłym uszkodzeniem zwiększają przepuszczalność przeznabłonkową i wzmagają toksyczne działanie zanieczyszczeń powietrza.
Charakterystyka procesów odpowiedzi nabłonka na zanieczyszczenia atmosferyczne pozwoli nam lepiej zrozumieć wpływ zanieczyszczenia środowiska na patobiologię chorób dróg oddechowych, może stanowić wstęp do poszukiwania nowych celów terapeutycznych, a szczególnie leczenia zaostrzeń astmy i POChP spowodowanych zanieczyszczeniem powietrza.
Redakcja i fotografia: Biuro Komunikacji i Promocji Uczelni