Montag, Februar 21 2011 20: 04

Struktur und Funktion

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Das Atmungssystem erstreckt sich von der Atemzone direkt außerhalb von Nase und Mund durch die leitfähigen Luftwege in Kopf und Thorax bis zu den Alveolen, wo ein Atemgasaustausch zwischen den Alveolen und dem sie umgebenden Kapillarblut stattfindet. Seine Hauptfunktion ist die Abgabe von Sauerstoff (O2) in die Gasaustauschregion der Lunge, wo es zu und durch die Wände der Alveolen diffundieren kann, um das durch die Alveolarkapillaren strömende Blut je nach Bedarf über einen weiten Bereich von Arbeits- oder Aktivitätsniveaus mit Sauerstoff anzureichern. Zusätzlich muss das System auch: (1) ein gleiches Volumen an Kohlendioxid entfernen, das aus den Alveolarkapillaren in die Lungen eintritt; (2) Aufrechterhaltung der Körpertemperatur und Wasserdampfsättigung in den Atemwegen der Lunge (um die Lebensfähigkeit und die funktionellen Kapazitäten der Oberflächenflüssigkeiten und -zellen aufrechtzuerhalten); (3) Aufrechterhaltung der Sterilität (um Infektionen und ihren nachteiligen Folgen vorzubeugen); und (4) überschüssige Oberflächenflüssigkeiten und Trümmer, wie eingeatmete Partikel und seneszente Phagozyten- und Epithelzellen, zu eliminieren. All diese anspruchsvollen Aufgaben muss er ein Leben lang kontinuierlich erfüllen, und zwar mit hoher Effizienz in Bezug auf Leistung und Energieausnutzung. Das System kann durch schwere Belastungen wie hohe Konzentrationen von Zigarettenrauch und Industriestaub oder durch geringe Konzentrationen bestimmter Krankheitserreger, die seine Abwehrmechanismen angreifen, zerstören oder zu Fehlfunktionen führen, missbraucht und überwältigt werden. Seine Fähigkeit, solche Beleidigungen so kompetent zu überwinden oder zu kompensieren, wie es normalerweise der Fall ist, zeugt von seiner eleganten Kombination aus Struktur und Funktion.

Massentransfer

Der komplexe Aufbau und die zahlreichen Funktionen der menschlichen Atemwege wurden von einer Task Group der International Commission on Radiological Protection (ICRP 1994), wie in Abbildung 1 dargestellt, prägnant zusammengefasst etwa 0.2 Liter. Sie konditionieren die eingeatmete Luft und verteilen sie durch konvektiven (Massen-)Strom an die ungefähr 65,000 respiratorischen Azini, die von den terminalen Bronchiolen abgehen. Wenn die Atemzugvolumina zunehmen, dominiert der konvektive Fluss den Gasaustausch tiefer in die respiratorischen Bronchiolen. In jedem Fall ist innerhalb des Azinus der Atemwege der Abstand von der konvektiven Gezeitenfront zu den Alveolaroberflächen kurz genug, damit ein effizienter CO2-O2 Der Austausch erfolgt durch molekulare Diffusion. Im Gegensatz dazu neigen luftgetragene Partikel mit Diffusionskoeffizienten, die um Größenordnungen kleiner sind als die von Gasen, dazu, in der Gezeitenluft suspendiert zu bleiben und können ohne Ablagerung ausgeatmet werden.

Abbildung 1. Morphometrie, Zytologie, Histologie, Funktion und Struktur der Atemwege und Regionen, die im ICRP-Dosimetriemodell von 1994 verwendet wurden.

RES010F1

Ein erheblicher Teil der eingeatmeten Partikel lagert sich in den Atemwegen ab. Die Mechanismen, die für die Partikelablagerung in den Atemwegen der Lunge während der Inspirationsphase eines Atemzugs verantwortlich sind, sind in Abbildung 2 zusammengefasst. Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von mehr als etwa 2 mm (Durchmesser einer Einheitsdichtekugel mit der gleichen Endabsetzgeschwindigkeit (Stokes)) können bei den relativ hohen Geschwindigkeiten, die in den größeren Atemwegen vorhanden sind, einen erheblichen Impuls haben und sich durch Aufprall ablagern. Partikel, die größer als etwa 1 mm sind, können sich durch Sedimentation in den kleineren leitfähigen Atemwegen ablagern, wo die Strömungsgeschwindigkeiten sehr niedrig sind. Schließlich können Partikel mit Durchmessern zwischen 0.1 und 1 mm, die sich während eines einzelnen Atemzugs mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit ablagern, in den etwa 15 % der eingeatmeten Atemluft zurückgehalten werden, die während jedes Atemzugszyklus mit restlicher Lungenluft ausgetauscht wird. Dieser volumetrische Austausch erfolgt aufgrund der variablen Zeitkonstanten für den Luftstrom in den verschiedenen Lungensegmenten. Aufgrund der viel längeren Verweilzeiten der Restluft in der Lunge reichen die geringen intrinsischen Partikelverschiebungen von 0.1 bis 1 mm Partikeln innerhalb solcher eingeschlossenen Volumina eingeatmeter Atemluft aus, um ihre Ablagerung durch Sedimentation und/oder Diffusion im Laufe von zu bewirken aufeinanderfolgende Atemzüge.

Abbildung 2. Mechanismen der Partikelablagerung in den Atemwegen der Lunge

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Die im Wesentlichen partikelfreie Lungenrestluft, die etwa 15 % des exspiratorischen Gezeitenstroms ausmacht, wirkt tendenziell wie eine Reinlufthülle um den axialen Kern der sich distal bewegenden Gezeitenluft, so dass sich die Partikelablagerung im respiratorischen Azinus auf das Innere konzentriert B. Atemwegsverzweigungen, während Atemwegswände zwischen Ästen wenig Ablagerungen aufweisen.

Die Anzahl der abgelagerten Partikel und ihre Verteilung entlang der Oberflächen der Atemwege sind neben den toxischen Eigenschaften des abgelagerten Materials die entscheidenden Determinanten des pathogenen Potentials. Die abgelagerten Partikel können die Epithelzellen und/oder die beweglichen Fresszellen an oder in der Nähe der Ablagerungsstelle schädigen oder die Sekretion von Flüssigkeiten und von Zellen stammenden Mediatoren stimulieren, die sekundäre Wirkungen auf das System haben. Lösliche Materialien, die als, auf oder in Partikeln abgelagert sind, können in und durch Oberflächenflüssigkeiten und Zellen diffundieren und durch den Blutstrom schnell durch den Körper transportiert werden.

Die Wasserlöslichkeit von Schüttgütern ist ein schlechter Hinweis auf die Partikellöslichkeit in den Atemwegen. Die Löslichkeit wird im Allgemeinen durch das sehr große Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis von Partikeln, die klein genug sind, um in die Lungen einzudringen, stark verbessert. Darüber hinaus sind die Ionen- und Lipidgehalte von Oberflächenflüssigkeiten in den Atemwegen komplex und sehr variabel und können entweder zu einer verbesserten Löslichkeit oder zu einer schnellen Ausfällung von wässrigen gelösten Stoffen führen. Darüber hinaus sind die Clearance-Wege und Verweilzeiten von Partikeln auf Atemwegsoberflächen in den verschiedenen funktionellen Teilen des Respirationstraktes sehr unterschiedlich.

Das überarbeitete Clearance-Modell der ICRP Task Group identifiziert die wichtigsten Clearance-Wege innerhalb der Atemwege, die für die Bestimmung der Retention verschiedener radioaktiver Materialien und damit der Strahlendosen, die Atemgewebe und andere Organe nach der Translokation erhalten, wichtig sind. Das ICRP-Ablagerungsmodell wird verwendet, um die Menge an eingeatmetem Material abzuschätzen, das in jeden Clearance-Weg eintritt. Diese diskreten Pfade werden durch das in Abbildung 3 dargestellte Kompartimentmodell dargestellt. Sie entsprechen den in Abbildung 1 dargestellten anatomischen Kompartimenten und sind in Tabelle 1 zusammengefasst, zusammen mit denen anderer Gruppen, die Hinweise zur Dosimetrie eingeatmeter Partikel geben.

Abbildung 3. Kompartimentmodell zur Darstellung des zeitabhängigen Partikeltransports aus jeder Region im ICRP-Modell von 1994

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Tabelle 1. Atemwegsregionen wie in Partikelablagerungsmodellen definiert

Anatomische Strukturen enthalten ACGIH-Region ISO- und CEN-Regionen 1966 ICRP Task Group Region 1994 ICRP Task Group Region
Nase, Nasopharynx
Mund, Oropharynx, Laryngopharynx		 Kopfluftwege (HAR) Extrathorakal (E) Nasopharynx (NP) Vordere Nasengänge (ET1 )
Alle anderen extrathorakalen (ET2 )
Luftröhre, Bronchien Tracheobronchial (TBR) Tracheobronchial (B) Tracheobronchiale (TB) Luftröhre und große Bronchien (BB)
Bronchiolen (zu terminalen Bronchiolen)       Bronchiolen (bb)
Atembronchiolen, Alveolargänge,
Alveolarsäcke, Alveolen		 Ladungswechsel (GER) Alveolar (A) Lungen (P) Alveolar-interstitielle (AI)

 

Extrathorakale Atemwege

Wie in Abbildung 1 gezeigt, wurden die extrathorakalen Atemwege von ICRP (1994) in zwei unterschiedliche Clearance- und dosimetrische Bereiche unterteilt: die vorderen Nasengänge (ET1) und alle anderen extrathorakalen Atemwege (ET2) – das heißt, die hinteren Nasengänge, der Naso- und Oropharynx und der Kehlkopf. Partikel, die sich auf der Hautoberfläche ablagern, die die vorderen Nasengänge auskleidet (ET1) wird davon ausgegangen, dass sie nur durch äußere Mittel (Schnäuzen, Wischen usw.) entfernt werden können. Der Großteil des im Naso-Oropharynx oder Larynx abgelagerten Materials (ET2) unterliegt einer schnellen Clearance in der Flüssigkeitsschicht, die diese Atemwege bedeckt. Das neue Modell erkennt an, dass die Diffusionsablagerung von ultrafeinen Partikeln in den extrathorakalen Atemwegen erheblich sein kann, während dies bei früheren Modellen nicht der Fall war.

Thorakale Atemwege

Im Thorax abgelagertes radioaktives Material wird im Allgemeinen zwischen der tracheobronchialen (TB)-Region, wo abgelagerte Partikel einer relativ schnellen mukoziliären Clearance unterliegen, und der alveolar-interstitiellen (AI)-Region, wo die Partikel-Clearance viel langsamer ist, unterteilt.

Für Dosimetriezwecke teilte die ICRP (1994) die Ablagerung eingeatmeten Materials in der TB-Region zwischen Luftröhre und Bronchien (BB) und den distaleren, kleinen Atemwegen, den Bronchiolen (bb), auf. Die anschließende Effizienz, mit der Zilien in beiden Arten von Atemwegen abgelagerte Partikel entfernen können, ist jedoch umstritten. Um sicherzustellen, dass die Dosen an Bronchial- und Bronchiolenepithelien nicht unterschätzt werden, ging die Task Group davon aus, dass etwa die Hälfte der in diesen Atemwegen abgelagerten Partikel einer relativ „langsamen“ mukoziliären Clearance unterliegen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Partikel relativ langsam durch das mukoziliäre System entfernt wird, scheint von seiner physikalischen Größe abzuhängen.

Das in der AI-Region deponierte Material ist in drei Kompartimente unterteilt (AI1AI2 und KI3), die jeweils langsamer beseitigt werden als die TB-Ablagerung, wobei die Unterregionen mit unterschiedlichen charakteristischen Raten beseitigt werden.

Abbildung 4. Anteilige Ablagerung in jeder Region des Atemtrakts für Referenzlichtarbeiter (normaler Nasenatmer) im ICRP-Modell von 1994.

RES010F4

Abbildung 4 zeigt die Vorhersagen des ICRP-Modells (1994) hinsichtlich der fraktionierten Deposition in jeder Region als Funktion der Größe der eingeatmeten Partikel. Es spiegelt die minimale Lungendeposition zwischen 0.1 und 1 mm wider, wobei die Deposition hauptsächlich durch den Austausch zwischen Atem- und Lungenrestluft in der tiefen Lunge bestimmt wird. Die Abscheidung nimmt unter 0.1 mm zu, da die Diffusion mit abnehmender Partikelgröße effizienter wird. Die Ablagerung nimmt mit zunehmender Partikelgröße über 1 mm zu, da Sedimentation und Impaktion zunehmend effektiver werden.

 

 

Weniger komplexe Modelle für die größenselektive Ablagerung wurden von Experten und Agenturen für Luftverschmutzung am Arbeitsplatz und in der Gemeinschaft übernommen und zur Entwicklung von Inhalationsexpositionsgrenzwerten innerhalb bestimmter Partikelgrößenbereiche verwendet. Es wird unterschieden zwischen:

  1. jene Partikel, die nicht in die Nase oder den Mund eingesaugt werden und daher keine Inhalationsgefahr darstellen
  2. das inhalierbare (auch bekannt als inspirierend) Partikelmasse (IPM) – diejenigen, die eingeatmet werden und gefährlich sind, wenn sie sich irgendwo in den Atemwegen ablagern
  3. die thorakale Partikelmasse (TPM) – diejenigen, die in den Kehlkopf eindringen und gefährlich sind, wenn sie sich irgendwo im Brustkorb ablagern und
  4. die lungengängige Partikelmasse (RPM) – jene Partikel, die durch die terminalen Bronchiolen dringen und gefährlich sind, wenn sie sich in der Gasaustauschregion der Lunge ablagern.

 

In den frühen 1990er Jahren gab es eine internationale Harmonisierung der quantitativen Definitionen von IPM, TPM und RPM. Die größenselektiven Einlassspezifikationen für Luftkeimsammler, die die Kriterien der American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH 1993), der International Organization for Standardization (ISO 1991) und des European Standardization Committee (CEN 1991) erfüllen, sind in Tabelle 2 aufgeführt unterscheiden sich von den Depositionsfraktionen von ICRP (1994), insbesondere für größere Partikel, da sie die konservative Position vertreten, dass Schutz für diejenigen bereitgestellt werden sollte, die an der oralen Inhalation beteiligt sind, und dadurch die effizientere Filtrationseffizienz der Nasenwege umgehen.

Tabelle 2. Einatembare, thorakale und einatembare Staubkriterien von ACGIH, ISO und CEN und PM10 Kriterien der US EPA

Inhalierbar Brust- Atmungsaktiv PM10
Partikel-
 Dynamischer Durchmesser (mm)		 Inhalierbar
Partikel
Masse
(IPM) (%)		 Partikel-
 Dynamischer Durchmesser (mm)		 Brust-
Partikel
Masse (TPM) (%)		 Partikel-
 Dynamischer Durchmesser (mm)		 Atmungsaktiv
Partikel
Masse (RPM) (%)		 Partikel-
 Dynamischer Durchmesser (mm)		 Brust-
Partikel
Masse (TPM) (%)
0 100 0 100 0 100 0 100
1 97 2 94 1 97 2 94
2 94 4 89 2 91 4 89
5 87 6 80.5 3 74 6 81.2
10 77 8 67 4 50 8 69.7
20 65 10 50 5 30 10 55.1
30 58 12 35 6 17 12 37.1
40 54.5 14 23 7 9 14 15.9
50 52.5 16 15 8 5 16 0
100 50 18 9.5 10 1    
    20 6        
    25 2        

 

Der Standard der US-Umweltschutzbehörde (EPA 1987) für die Partikelkonzentration in der Umgebungsluft ist als PM bekannt10, das heißt Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 10 mm. Es hat ein Sampler-Einlasskriterium, das dem TPM ähnlich (funktional äquivalent) ist, aber, wie in Tabelle 2 gezeigt, etwas andere numerische Spezifikationen.

Luftverschmutzer

Schadstoffe können sich bei normalen Umgebungstemperaturen und -drücken in gasförmiger, flüssiger und fester Form in der Luft verteilen. Die beiden letzteren stellen Suspensionen von Partikeln in Luft dar und erhielten den Oberbegriff Aerosole von Gibbs (1924) aufgrund der Analogie zum Begriff Hydrolat, verwendet, um dispergierte Systeme in Wasser zu beschreiben. Gase und Dämpfe, die als diskrete Moleküle vorliegen, bilden in Luft echte Lösungen. Partikel, die aus Materialien mit mäßigem bis hohem Dampfdruck bestehen, neigen dazu, schnell zu verdampfen, da diejenigen, die klein genug sind, um länger als ein paar Minuten in der Luft suspendiert zu bleiben (dh solche, die kleiner als etwa 10 mm sind), große Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisse haben. Einige Materialien mit relativ niedrigen Dampfdrücken können beträchtliche Anteile gleichzeitig sowohl in Dampf- als auch in Aerosolform aufweisen.

Gase und Dämpfe

Einmal in der Luft verteilt, bilden Schadstoffgase und -dämpfe im Allgemeinen so verdünnte Gemische, dass ihre physikalischen Eigenschaften (wie Dichte, Viskosität, Enthalpie usw.) nicht von denen sauberer Luft zu unterscheiden sind. Es kann davon ausgegangen werden, dass solche Mischungen idealen Gasgesetzbeziehungen folgen. Es gibt keinen praktischen Unterschied zwischen einem Gas und einem Dampf, außer dass letzterer im Allgemeinen als die gasförmige Phase einer Substanz angesehen wird, die bei Raumtemperatur als Feststoff oder Flüssigkeit vorliegen kann. Während sie in der Luft dispergiert sind, sind alle Moleküle einer gegebenen Verbindung in ihrer Größe und Wahrscheinlichkeit des Einfangens durch Umgebungsoberflächen, Atemwegsoberflächen und Kontaminantensammler oder -sammler im Wesentlichen äquivalent.

Aerosole

Aerosole, die Dispersionen von festen oder flüssigen Partikeln in Luft sind, haben die sehr signifikante zusätzliche Variable der Partikelgröße. Die Größe beeinflusst die Partikelbewegung und damit die Wahrscheinlichkeiten physikalischer Phänomene wie Koagulation, Dispersion, Sedimentation, Aufprall auf Oberflächen, Grenzflächenphänomene und Lichtstreuungseigenschaften. Es ist nicht möglich, ein bestimmtes Partikel durch einen einzigen Größenparameter zu charakterisieren. Beispielsweise hängen die aerodynamischen Eigenschaften eines Partikels von Dichte und Form sowie linearen Abmessungen ab, und die effektive Größe für die Lichtstreuung ist abhängig von Brechungsindex und Form.

In einigen Spezialfällen haben alle Partikel im Wesentlichen die gleiche Größe. Solche Aerosole gelten als monodispers. Beispiele sind natürliche Pollen und einige im Labor erzeugte Aerosole. Typischerweise bestehen Aerosole aus Partikeln vieler unterschiedlicher Größen und werden daher als heterodispers oder polydispers bezeichnet. Unterschiedliche Aerosole haben unterschiedliche Größenverteilungsgrade. Es ist daher notwendig, mindestens zwei Parameter zur Charakterisierung der Aerosolgröße anzugeben: ein Maß für die zentrale Tendenz, wie z. B. einen Mittelwert oder Median, und ein Maß für die Streuung, wie z. B. eine arithmetische oder geometrische Standardabweichung.

Partikel, die durch eine einzelne Quelle oder einen einzelnen Prozess erzeugt werden, haben im Allgemeinen Durchmesser, die einer logarithmischen Normalverteilung folgen; das heißt, die Logarithmen ihrer einzelnen Durchmesser haben eine Gaußsche Verteilung. In diesem Fall ist das Streuungsmaß die geometrische Standardabweichung, die das Verhältnis der 84.1-Perzentil-Größe zur 50-Perzentil-Größe darstellt. Wenn mehr als eine Partikelquelle von Bedeutung ist, folgt das resultierende gemischte Aerosol normalerweise keiner einzelnen logarithmischen Normalverteilung, und es kann erforderlich sein, es durch die Summe mehrerer Verteilungen zu beschreiben.

Partikeleigenschaften

Es gibt viele andere Eigenschaften von Partikeln als ihre lineare Größe, die ihr Verhalten in der Luft und ihre Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit stark beeinflussen können. Diese beinhalten:

Oberfläche. Bei kugelförmigen Partikeln variiert die Oberfläche mit dem Quadrat des Durchmessers. Für ein Aerosol gegebener Massenkonzentration nimmt jedoch die gesamte Aerosoloberfläche mit abnehmender Partikelgröße zu. Bei nicht kugelförmigen oder aggregierten Partikeln und bei Partikeln mit inneren Rissen oder Poren kann das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen viel größer sein als bei Kugeln.

Volumen. Das Partikelvolumen variiert mit der dritten Potenz des Durchmessers; Daher neigen die wenigen größten Partikel in einem Aerosol dazu, seine Volumen- (oder Massen-) Konzentration zu dominieren.

Gestalten. Die Form eines Partikels beeinflusst seinen Luftwiderstand sowie seine Oberfläche und damit seine Bewegungs- und Ablagerungswahrscheinlichkeiten.

Dichte. Die Geschwindigkeit eines Teilchens als Reaktion auf Gravitations- oder Trägheitskräfte nimmt mit der Quadratwurzel seiner Dichte zu.

Aerodynamischer Durchmesser. Der Durchmesser einer Einheitsdichtekugel mit der gleichen Endabsetzgeschwindigkeit wie das betrachtete Teilchen ist gleich seinem aerodynamischen Durchmesser. Endabsetzgeschwindigkeit ist die Gleichgewichtsgeschwindigkeit eines Teilchens, das unter dem Einfluss der Schwerkraft und des Flüssigkeitswiderstands fällt. Der aerodynamische Durchmesser wird durch die tatsächliche Partikelgröße, die Partikeldichte und einen aerodynamischen Formfaktor bestimmt.

Arten von Aerosolen

Aerosole werden allgemein nach ihren Entstehungsprozessen eingeteilt. Obwohl die folgende Klassifizierung weder präzise noch umfassend ist, wird sie in den Bereichen Industriehygiene und Luftverschmutzung allgemein verwendet und akzeptiert.

Staub. Ein Aerosol, das durch mechanische Zerlegung von Schüttgut in luftgetragene Feinstoffe gleicher chemischer Zusammensetzung entsteht. Staubpartikel sind im Allgemeinen fest und von unregelmäßiger Form und haben Durchmesser von mehr als 1 mm.

Rauch. Ein Aerosol aus festen Partikeln, das durch Kondensation von Dämpfen gebildet wird, die durch Verbrennung oder Sublimation bei erhöhten Temperaturen entstehen. Die Primärpartikel sind im Allgemeinen sehr klein (weniger als 0.1 mm) und haben sphärische oder charakteristische kristalline Formen. Sie können mit dem Ausgangsmaterial chemisch identisch sein oder aus einem Oxidationsprodukt wie Metalloxid bestehen. Da sie in hohen Konzentrationen gebildet werden können, koagulieren sie oft schnell und bilden Aggregatcluster mit geringer Gesamtdichte.

Rauch. Ein Aerosol, das durch Kondensation von Verbrennungsprodukten, im Allgemeinen aus organischen Materialien, gebildet wird. Die Partikel sind im Allgemeinen Flüssigkeitströpfchen mit Durchmessern von weniger als 0.5 mm.

Nebel. Ein Tröpfchenaerosol, das durch mechanisches Scheren einer flüssigen Masse gebildet wird, beispielsweise durch Zerstäuben, Zerstäuben, Sprudeln oder Sprühen. Die Tröpfchengröße kann einen sehr großen Bereich abdecken, üblicherweise von etwa 2 mm bis über 50 mm.

Nebel. Ein wässriges Aerosol, das durch Kondensation von Wasserdampf an atmosphärischen Kernen bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit entsteht. Die Tröpfchengrößen sind im Allgemeinen größer als 1 mm.

Smog Ein beliebter Begriff für ein Verschmutzungsaerosol, das aus einer Kombination von Rauch und Nebel stammt. Es wird heute allgemein für jede Mischung aus atmosphärischer Verschmutzung verwendet.

Dunst. Ein submikrometergroßes Aerosol aus hygroskopischen Partikeln, das bei relativ niedriger relativer Luftfeuchtigkeit Wasserdampf aufnimmt.

Aitken oder Kondensationskerne (CN). Sehr kleine atmosphärische Partikel (meist kleiner als 0.1 mm), die durch Verbrennungsprozesse und durch chemische Umwandlung aus gasförmigen Vorläufern entstehen.

Akkumulationsmodus. Ein Begriff für Partikel in der Umgebungsatmosphäre mit einem Durchmesser von 0.1 bis etwa 1.0 mm. Diese Partikel sind im Allgemeinen kugelförmig (mit flüssigen Oberflächen) und bilden sich durch Koagulation und Kondensation kleinerer Partikel, die aus gasförmigen Vorläufern stammen. Da sie zu groß für eine schnelle Koagulation und zu klein für eine effektive Sedimentation sind, neigen sie dazu, sich in der Umgebungsluft anzureichern.

Grober Partikelmodus. Umgebungsluftpartikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von mehr als etwa 2.5 mm, die im Allgemeinen durch mechanische Prozesse und Oberflächenstaub-Resuspension gebildet werden.

Biologische Reaktionen des Atmungssystems auf Luftschadstoffe

Die Reaktionen auf Luftschadstoffe reichen von Belästigung bis hin zu Gewebenekrose und Tod, von allgemeinen systemischen Wirkungen bis hin zu hochspezifischen Angriffen auf einzelne Gewebe. Wirts- und Umweltfaktoren dienen dazu, die Wirkungen eingeatmeter Chemikalien zu modifizieren, und die letztendliche Reaktion ist das Ergebnis ihrer Wechselwirkung. Die wichtigsten Host-Faktoren sind:

  1. Alter – zum Beispiel ältere Menschen, insbesondere solche mit chronisch eingeschränkter Herz-Kreislauf- und Atemfunktion, die möglicherweise nicht in der Lage sind, mit zusätzlichen Lungenbelastungen fertig zu werden
  2. Gesundheitszustand – zum Beispiel gleichzeitige Erkrankung oder Funktionsstörung
  3. Ernährungszustand
  4. Immunologischer Status
  5. Geschlecht und andere genetische Faktoren – zum Beispiel enzymbedingte Unterschiede in Biotransformationsmechanismen, wie z. B. mangelhafte Stoffwechselwege und die Unfähigkeit, bestimmte Entgiftungsenzyme zu synthetisieren
  6. psychischer Zustand – zum Beispiel Stress, Angst und
  7. kulturelle Faktoren – zum Beispiel Zigarettenrauchen, das die normalen Abwehrkräfte beeinträchtigen oder die Wirkung anderer Chemikalien verstärken kann.

 

Zu den Umweltfaktoren zählen Konzentration, Stabilität und physikalisch-chemische Eigenschaften des Wirkstoffs in der Expositionsumgebung sowie Dauer, Häufigkeit und Weg der Exposition. Akute und chronische Expositionen gegenüber einer Chemikalie können zu unterschiedlichen pathologischen Manifestationen führen.

Jedes Organ kann nur auf eine begrenzte Anzahl von Wegen reagieren, und es gibt zahlreiche diagnostische Bezeichnungen für die daraus resultierenden Krankheiten. In den folgenden Abschnitten werden die breiten Arten von Reaktionen des Atmungssystems erörtert, die nach der Exposition gegenüber Umweltschadstoffen auftreten können.

Reizende Reaktion

Reizstoffe erzeugen ein Muster allgemeiner, unspezifischer Gewebeentzündungen, und im Kontaktbereich mit Schadstoffen kann es zu Zerstörungen kommen. Einige Reizstoffe haben keine systemische Wirkung, da die Reizreaktion viel größer ist als jede systemische Wirkung, während einige nach der Absorption auch signifikante systemische Wirkungen haben – zum Beispiel Schwefelwasserstoff, der über die Lunge absorbiert wird.

Reizstoffe können in hohen Konzentrationen ein brennendes Gefühl in Nase und Rachen (und meist auch in den Augen), Schmerzen in der Brust und Husten mit Schleimhautentzündung (Tracheitis, Bronchitis) verursachen. Beispiele für Reizstoffe sind Gase wie Chlor, Fluor, Schwefeldioxid, Phosgen und Stickoxide; Nebel von Säuren oder Laugen; Dämpfe von Cadmium; Stäube von Zinkchlorid und Vanadiumpentoxid. Hohe Konzentrationen chemischer Reizstoffe können auch tief in die Lunge eindringen und ein Lungenödem (die Lungenbläschen sind mit Flüssigkeit gefüllt) oder eine Entzündung (chemische Pneumonitis) verursachen.

Stark erhöhte Konzentrationen von Stäuben, die keine chemisch reizenden Eigenschaften haben, können die Bronchien auch mechanisch reizen und nach Eintritt in den Magen-Darm-Trakt auch zu Magen- und Dickdarmkrebs beitragen.

Die Exposition gegenüber Reizstoffen kann zum Tod führen, wenn kritische Organe schwer geschädigt werden. Andererseits kann der Schaden reversibel sein oder zu einem dauerhaften Verlust eines gewissen Grades an Funktion führen, wie z. B. einer Beeinträchtigung der Gasaustauschkapazität.

Fibrotische Reaktion

Eine Reihe von Stäuben führt zur Entwicklung einer Gruppe von sogenannten chronischen Lungenerkrankungen Pneumokoniose. Dieser allgemeine Begriff umfasst viele fibrotische Zustände der Lunge, das heißt Erkrankungen, die durch Narbenbildung im interstitiellen Bindegewebe gekennzeichnet sind. Pneumokoniosen entstehen durch Einatmen und anschließendes selektives Zurückhalten bestimmter Stäube in den Alveolen, aus denen sie einer interstitiellen Sequestrierung unterliegen.

Pneumokoniosen sind durch spezifische fibrotische Läsionen gekennzeichnet, die sich je nach Staub in Art und Muster unterscheiden. Beispielsweise ist Silikose aufgrund der Ablagerung von kristallfreiem Siliziumdioxid durch eine noduläre Art von Fibrose gekennzeichnet, während bei Asbestose eine diffuse Fibrose aufgrund einer Exposition gegenüber Asbestfasern gefunden wird. Bestimmte Stäube, wie Eisenoxid, erzeugen nur eine veränderte Radiologie (Siderose) ohne funktionelle Beeinträchtigung, während die Auswirkungen anderer von einer minimalen Behinderung bis zum Tod reichen.

Allergische Reaktion

Allergische Reaktionen umfassen das Phänomen, das als Sensibilisierung bekannt ist. Die anfängliche Exposition gegenüber einem Allergen führt zur Induktion der Antikörperbildung; eine anschließende Exposition des nun „sensibilisierten“ Individuums führt zu einer Immunantwort, dh einer Antikörper-Antigen-Reaktion (das Antigen ist das Allergen in Kombination mit einem körpereigenen Protein). Diese Immunreaktion kann unmittelbar nach Kontakt mit dem Allergen auftreten oder es kann sich um eine verzögerte Reaktion handeln.

Die primären allergischen Reaktionen der Atemwege sind Asthma bronchiale, Reaktionen in den oberen Atemwegen, bei denen Histamin oder histaminähnliche Mediatoren nach Immunreaktionen in der Schleimhaut freigesetzt werden, und eine Form der Pneumonitis (Lungenentzündung), die als extrinsische allergische Alveolitis bekannt ist. Zusätzlich zu diesen lokalen Reaktionen kann eine systemische allergische Reaktion (anaphylaktischer Schock) nach dem Kontakt mit einigen chemischen Allergenen auftreten.

Ansteckende Reaktion

Infektionserreger können Tuberkulose, Anthrax, Ornithose, Brucellose, Histoplasmose, Legionärskrankheit und so weiter verursachen.

Krebserzeugende Reaktion

Krebs ist ein allgemeiner Begriff für eine Gruppe verwandter Krankheiten, die durch das unkontrollierte Wachstum von Gewebe gekennzeichnet sind. Seine Entwicklung ist auf einen komplexen Prozess zurückzuführen, bei dem mehrere Faktoren im Wirt und in der Umwelt zusammenwirken.

Eine der großen Schwierigkeiten beim Versuch, die Exposition gegenüber einem spezifischen Mittel mit der Krebsentwicklung beim Menschen in Beziehung zu setzen, ist die lange Latenzzeit, typischerweise von 15 bis 40 Jahren, zwischen dem Beginn der Exposition und der Manifestation der Krankheit.

Beispiele für Luftschadstoffe, die Lungenkrebs hervorrufen können, sind Arsen und seine Verbindungen, Chromate, Kieselsäure, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe enthaltende Partikel und bestimmte nickelhaltige Stäube. Asbestfasern können Bronchialkrebs und Mesotheliom des Rippenfells und Bauchfells verursachen. Abgelagerte radioaktive Partikel können Lungengewebe hohen lokalen Dosen ionisierender Strahlung aussetzen und Krebs verursachen.

Systemische Reaktion

Viele Umweltchemikalien erzeugen aufgrund ihrer Wirkungen auf eine Reihe von Zielstellen eine allgemeine systemische Erkrankung. Die Lunge ist nicht nur Angriffspunkt vieler Schadstoffe, sondern auch Eintrittsort toxischer Substanzen, die durch die Lunge in den Blutkreislauf gelangen, ohne dass die Lunge Schaden nimmt. Wenn sie jedoch über den Blutkreislauf an verschiedene Organe verteilt werden, können sie diese schädigen oder allgemeine Vergiftungen hervorrufen und systemische Wirkungen haben. Diese Rolle der Lunge in der Berufspathologie ist nicht Gegenstand dieses Artikels. Erwähnenswert ist jedoch die Wirkung von fein verteilten Partikeln (Rauchen) einiger Metalloxide, die häufig mit einem akuten systemischen Syndrom, dem sogenannten Metallrauchfieber, einhergehen.

 

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