Респираторни систем се протеже од зоне дисања непосредно изван носа и уста кроз проводне дисајне путеве у глави и грудном кошу до алвеола, где се одвија размена респираторног гаса између алвеола и капиларне крви која тече око њих. Његова главна функција је испорука кисеоника (О₂) до региона за размену гасова у плућима, где може да дифундује ка и кроз зидове алвеола да би оксигенисао крв која пролази кроз алвеоларне капиларе по потреби у широком опсегу нивоа рада или активности. Поред тога, систем такође мора: (1) уклонити једнаку запремину угљен-диоксида који улази у плућа из алвеоларних капилара; (2) одржава телесну температуру и засићеност воденом паром у плућним дисајним путевима (како би се одржала одрживост и функционални капацитети површинских течности и ћелија); (3) одржавање стерилитета (да би се спречиле инфекције и њихове штетне последице); и (4) елиминисати вишак површинских течности и остатака, као што су честице које се удахну и старе фагоцитне и епителне ћелије. Све ове захтевне задатке мора да остварује непрекидно током целог живота, и то са високом ефикасношћу у смислу перформанси и коришћења енергије. Систем може бити злоупотребљен и преплављен тешким увредама као што су високе концентрације дима цигарета и индустријске прашине, или ниским концентрацијама специфичних патогена који нападају или уништавају његове одбрамбене механизме, или узрокују њихов квар. Његова способност да превазиђе или надокнади такве увреде компетентно као што то обично чини сведочи о његовој елегантној комбинацији структуре и функције.

Masovni transfer

Комплексну структуру и бројне функције људског респираторног тракта сажето је сажела Радна група Међународне комисије за радиолошку заштиту (ИЦРП 1994), као што је приказано на слици 1. Проводни дисајни путеви, такође познати као респираторни мртви простор, заузимају око 0.2 литра. Они кондиционирају удахнути ваздух и дистрибуирају га, конвективним (масовним) протоком, до приближно 65,000 респираторних ацинуса који воде од терминалних бронхиола. Како се плимни волумени повећавају, конвективни проток доминира изменом гаса дубље у респираторним бронхиолама. У сваком случају, унутар респираторног ацинуса, растојање од конвективног плимног фронта до алвеоларних површина је довољно кратко тако да ефикасан ЦО₂-O₂ размена се одвија молекуларном дифузијом. Насупрот томе, честице у ваздуху, са коефицијентима дифузије мањим за редове величине од оних за гасове, теже да остану суспендоване у плимном ваздуху и могу се издахнути без таложења.

Слика 1. Морфометрија, цитологија, хистологија, функција и структура респираторног тракта и региона коришћених у ИЦРП дозиметријском моделу из 1994. године.

Значајан део удахнутих честица се таложи у респираторном тракту. Механизми за таложење честица у плућним дисајним путевима током фазе удисаја плимног даха су сажети на слици 2. Честице веће од око 2 мм у аеродинамичком пречнику (пречник сфере јединичне густине која има исту терминалну (Стоксову) брзину таложења) може имати значајан замах и таложење ударцем при релативно великим брзинама присутним у већим дисајним путевима. Честице веће од око 1 мм могу да се таложе седиментацијом у мањим проводним дисајним путевима, где су брзине протока веома ниске. Коначно, честице пречника између 0.1 и 1 мм, које имају веома малу вероватноћу да се таложе током једног плимног удисаја, могу се задржати унутар приближно 15% удахнутог плимног ваздуха који се размењује са резидуалним плућним ваздухом током сваког циклуса плиме. Ова волуметријска размена се дешава због променљивих временских константи за проток ваздуха у различитим сегментима плућа. Због много дужег времена задржавања заосталог ваздуха у плућима, мали унутрашњи помаци честица од 0.1 до 1 мм унутар таквих заробљених запремина удахнутог плимног ваздуха постају довољни да изазову њихово таложење седиментацијом и/или дифузијом током узастопни удисаји.

Слика 2. Механизми за таложење честица у плућним дисајним путевима

Преостали плућни ваздух у суштини без честица који чини око 15% плимног тока издисаја има тенденцију да делује као омотач чистог ваздуха око аксијалног језгра дистално покретног плимног ваздуха, тако да се таложење честица у респираторном ацинусу концентрише на унутрашњост површине као што су бифуркације дисајних путева, док зидови међугранских дисајних путева имају мало таложења.

Број депонованих честица и њихова дистрибуција дуж површина респираторног тракта су, уз токсична својства депонованог материјала, критичне детерминанте патогеног потенцијала. Депоноване честице могу оштетити епителне и/или мобилне фагоцитне ћелије на или близу места таложења, или могу стимулисати лучење течности и медијатора из ћелија који имају секундарне ефекте на систем. Растворљиви материјали депоновани као, на или унутар честица могу да дифундују уи кроз површинске течности и ћелије и да се брзо транспортују крвотоком кроз тело.

Растворљивост расутих материјала у води је лош водич за растворљивост честица у респираторном тракту. Растворљивост је генерално значајно побољшана веома великим односом површине и запремине честица које су довољно мале да уђу у плућа. Штавише, садржај јона и липида у површинским течностима у дисајним путевима је сложен и веома варијабилан и може довести до побољшане растворљивости или брзог таложења водених раствора. Штавише, путеви клиренса и времена задржавања честица на површини дисајних путева су веома различити у различитим функционалним деловима респираторног тракта.

Ревидирани модел чишћења ИЦРП-ове радне групе идентификује главне путеве чишћења унутар респираторног тракта који су важни у одређивању задржавања различитих радиоактивних материјала, а тиме и доза зрачења које добијају респираторна ткива и други органи након транслокације. ИЦРП модел депозиције се користи за процену количине удахнутог материјала који улази у сваки пут чишћења. Ови дискретни путеви су представљени моделом компартмента приказаним на слици 3. Они одговарају анатомским одељцима илустрованим на слици 1, и сажети су у табели 1, заједно са онима из других група које пружају смернице за дозиметрију инхалационих честица.

Слика 3. Модел преграда који представља временски зависан транспорт честица из сваког региона у ИЦРП моделу из 1994.

Табела 1. Региони респираторног тракта дефинисани у моделима таложења честица

Екстраторакални дисајни путеви

Као што је приказано на слици 1, екстраторакалне дисајне путеве је ИЦРП (1994) поделио на два различита клиренсна и дозиметријска региона: предње носне пролазе (ЕТ₁) и свим осталим екстраторакалним дисајним путевима (ЕТ₂)—то јест, задњи носни пролази, назо- и орофаринкс и ларинкс. Честице таложене на површини коже која облаже предње носне пролазе (ЕТ₁) претпоставља се да подлежу само уклањању спољним средствима (издувавање носа, брисање и тако даље). Највећи део материјала депонован у назо-орофаринксу или ларинксу (ЕТ₂) подлеже брзом чишћењу у слоју течности који покрива ове дисајне путеве. Нови модел препознаје да дифузионо таложење ултрафиних честица у екстраторакалним дисајним путевима може бити значајно, док ранији модели нису.

Торакални дисајни путеви

Радиоактивни материјал депонован у грудном кошу се генерално дели између трахеобронхијалне (ТБ) регије, где депоноване честице подлежу релативно брзом мукоцилијарном клиренсу, и алвеоларно-интерстицијалног (АИ) региона, где је клиренс честица много спорији.

За потребе дозиметрије, ИЦРП (1994) је поделио таложење удахнутог материјала у ТБ региону између трахеје и бронхија (ББ), и дисталнијих, малих дисајних путева, бронхиола (бб). Међутим, контроверзна је накнадна ефикасност којом цилије у било којој врсти дисајних путева могу да очисте депоноване честице. Да би били сигурни да дозе за бронхијални и бронхиоларни епител неће бити потцењене, Радна група је претпоставила да је чак половина броја честица депонованих у овим дисајним путевима подложна релативно „спором“ мукоцилијарном клиренсу. Изгледа да вероватноћа да се честица релативно споро чисти од стране мукоцилијарног система зависи од њене физичке величине.

Материјал депонован у АИ региону је подељен на три одељка (АИ₁, АИ₂ и АИ₃) од којих се сваки чисти спорије од депозиције туберкулозе, при чему се подрегиони чисте различитим карактеристичним стопама.

Слика 4. Фракциона депозиција у сваком региону респираторног тракта за референтног радника на лаким (нормални дисач носа) у ИЦРП моделу из 1994. године.

Слика 4 приказује предвиђања ИЦРП (1994) модела у смислу фракционог таложења у сваком региону као функције величине удахнутих честица. Одражава минимално таложење у плућима између 0.1 и 1 мм, где је таложење детерминисано углавном разменом, у дубоким плућима, између плимног и резидуалног плућног ваздуха. Таложење се повећава испод 0.1 мм како дифузија постаје ефикаснија са смањењем величине честица. Таложење се повећава са повећањем величине честица изнад 1 мм како седиментација и удар постају све ефикаснији.

Мање сложене моделе за таложење селективно по величини усвојили су стручњаци и агенције за здравље на раду и загађење ваздуха у заједници, и они су коришћени за развој граница изложености удисањем унутар специфичних опсега величине честица. Разлике се праве између:

1. оне честице које се не усисавају у нос или уста и стога не представљају опасност од удисања
2. који се може удахнути (такође познат као инспиративно) маса честица (ИПМ) – оне које се удишу и опасне су када се депонују било где у респираторном тракту
3. торакална маса честица (ТПМ) – оне које продиру у ларинкс и опасне су када се депонују било где у грудном кошу и
4. маса честица које се могу удисати (РПМ) — оне честице које продиру кроз терминалне бронхиоле и опасне су када се таложе у области за измјену гаса у плућима.

Почетком 1990-их дошло је до међународног усклађивања квантитативних дефиниција ИПМ, ТПМ и РПМ. Спецификације улаза селективне величине за узоркиваче ваздуха који испуњавају критеријуме Америчке конференције владиних индустријских хигијеничара (АЦГИХ 1993), Међународне организације за стандардизацију (ИСО 1991) и Европског комитета за стандардизацију (ЦЕН 1991) су набројане у табели 2. разликују од фракција таложења ИЦРП-а (1994), посебно за веће честице, јер заузимају конзервативни став да треба обезбедити заштиту за оне који се баве оралном инхалацијом, и на тај начин заобићи ефикаснију ефикасност филтрације назалних пролаза.

Табела 2. Критеријуми АЦГИХ, ИСО и ЦЕН и ПМ за удисање, торакалну и респирабилну прашину₁₀ критеријуми УС ЕПА

Стандард америчке Агенције за заштиту животне средине (ЕПА 1987) за концентрацију честица у амбијенталном ваздуху познат је као ПМ₁₀, односно честице мање од 10 мм у аеродинамичком пречнику. Има улазни критеријум узорковања који је сличан (функционално еквивалентан) ТПМ-у, али, као што је приказано у табели 2, донекле различите нумеричке спецификације.

Загађивачи ваздуха

Загађивачи се могу дисперговати у ваздуху при нормалним температурама и притисцима околине у гасовитом, течном и чврстом облику. Последња два представљају суспензије честица у ваздуху и добили су генерички назив аеросоли Гибса (1924) на основу аналогије са термином хидросол, користи се за описивање диспергованих система у води. Гасови и паре, који су присутни као дискретни молекули, формирају праве растворе у ваздуху. Честице које се састоје од материјала са умереним до високим притиском паре имају тенденцију да брзо испаре, јер оне које су довољно мале да остану суспендоване у ваздуху дуже од неколико минута (тј. оне мање од око 10 мм) имају велики однос површине и запремине. Неки материјали са релативно ниским притисцима паре могу истовремено имати значајне фракције у облику паре и аеросола.

Гасови и паре

Једном распршени у ваздуху, загађујући гасови и паре генерално формирају смеше тако разблажене да се њихова физичка својства (као што су густина, вискозност, енталпија и тако даље) не разликују од оних чистог ваздуха. За такве смеше се може сматрати да прате односе закона идеалног гаса. Не постоји практична разлика између гаса и паре осим што се ова друга генерално сматра гасовитом фазом супстанце која може постојати као чврста или течна материја на собној температури. Док су дисперговани у ваздуху, сви молекули датог једињења су у суштини еквивалентни по својој величини и вероватноћи да их захвате околне површине, површине респираторног тракта и сакупљачи или узорковачи загађивача.

Аеросоли

Аеросоли, као дисперзије чврстих или течних честица у ваздуху, имају веома значајну додатну променљиву величине честица. Величина утиче на кретање честица, а самим тим и на вероватноћу физичких појава као што су коагулација, дисперзија, седиментација, удар на површине, међуфазни феномени и својства расејања светлости. Није могуће окарактерисати дату честицу једним параметром величине. На пример, аеродинамичка својства честице зависе од густине и облика, као и од линеарних димензија, а ефективна величина за расејање светлости зависи од индекса преламања и облика.

У неким посебним случајевима, све честице су у суштини исте величине. Такви аеросоли се сматрају монодисперзним. Примери су природни полен и неки лабораторијски генерисани аеросоли. Типичније, аеросоли се састоје од честица много различитих величина и стога се називају хетеродисперзни или полидисперзни. Различити аеросоли имају различите степене дисперзије величине. Стога је неопходно специфицирати најмање два параметра у карактеризацији величине аеросола: меру централне тенденције, као што је средња вредност или медијана, и меру дисперзије, као што је аритметичка или геометријска стандардна девијација.

Честице које генерише један извор или процес генерално имају пречнике који прате лог-нормалну дистрибуцију; односно логаритми њихових појединачних пречника имају Гаусову расподелу. У овом случају, мера дисперзије је геометријска стандардна девијација, која је однос величине од 84.1 процената према величини од 50 процената. Када је значајно више од једног извора честица, добијени мешани аеросол обично неће пратити једну лог-нормалну дистрибуцију и можда ће бити неопходно да се опише збиром неколико дистрибуција.

Карактеристике честица

Постоје многе особине честица осим њихове линеарне величине које могу у великој мери утицати на њихово понашање у ваздуху и њихов утицај на животну средину и здравље. Ови укључују:

Површина. За сферне честице, површина варира као квадрат пречника. Међутим, за аеросол дате масене концентрације, укупна површина аеросола расте са смањењем величине честица. За несферичне или агрегатне честице, као и за честице са унутрашњим пукотинама или порама, однос површине и запремине може бити много већи него за сфере.

Волуме. Запремина честица варира као коцка пречника; стога, неколико највећих честица у аеросолу имају тенденцију да доминирају његовом запреминском (или масеном) концентрацијом.

Облик. Облик честице утиче на њен аеродинамички отпор, као и на површину, а самим тим и на вероватноћу њеног кретања и таложења.

Gustina. Брзина честице као одговор на гравитационе или инерцијалне силе расте као квадратни корен њене густине.

Аеродинамички пречник. Пречник сфере јединичне густине која има исту терминалну брзину таложења као честица која се разматра једнак је њеном аеродинамичком пречнику. Терминална брзина таложења је равнотежна брзина честице која пада под утицајем гравитације и отпора флуида. Аеродинамички пречник је одређен стварном величином честица, густином честица и фактором аеродинамичког облика.

Врсте аеросола

Аеросоли се генерално класификују у смислу њиховог процеса формирања. Иако следећа класификација није ни прецизна ни свеобухватна, она се обично користи и прихвата у области индустријске хигијене и загађења ваздуха.

Прашина. Аеросол формиран механичком поделом расутог материјала на финоће у ваздуху истог хемијског састава. Честице прашине су углавном чврсте и неправилног облика и имају пречник веће од 1 мм.

Дим. Аеросол чврстих честица настао кондензацијом пара насталих сагоревањем или сублимацијом на повишеним температурама. Примарне честице су углавном веома мале (мање од 0.1 мм) и имају сферни или карактеристични кристални облик. Они могу бити хемијски идентични матичном материјалу, или могу бити састављени од производа оксидације као што је метални оксид. Пошто се могу формирати у великим концентрацијама, често се брзо коагулирају, формирајући агрегатне кластере ниске укупне густине.

Дим. Аеросол настао кондензацијом продуката сагоревања, углавном органских материјала. Честице су углавном течне капљице пречника мањег од 0.5 мм.

Магла. Капљични аеросол формиран механичким смицањем течности у расутом стању, на пример, атомизацијом, распршивањем, мехурићењем или прскањем. Величина капљица може покрити веома велики опсег, обично од око 2 мм до више од 50 мм.

Магла Водени аеросол настао кондензацијом водене паре на атмосферским језгрима при високој релативној влажности. Величине капљица су углавном веће од 1 мм.

смог Популаран израз за аеросол загађења који потиче од комбинације дима и магле. Сада се обично користи за било коју мешавину загађења атмосфере.

Измаглица. Субмикрометарски аеросол хигроскопних честица који упија водену пару при релативно ниској релативној влажности.

Аиткен или кондензациона језгра (ЦН). Веома мале атмосферске честице (углавном мање од 0.1 мм) настале процесима сагоревања и хемијском конверзијом из гасовитих прекурсора.

Режим акумулације. Израз који се даје за честице у амбијенталној атмосфери у распону од 0.1 до око 1.0 мм у пречнику. Ове честице су углавном сферичне (са течном површином) и формирају се коагулацијом и кондензацијом мањих честица које потичу из гасовитих прекурсора. Будући да су превелики за брзу коагулацију и премали за ефикасну седиментацију, имају тенденцију да се акумулирају у околном ваздуху.

Режим грубих честица. Честице амбијенталног ваздуха веће од око 2.5 мм у аеродинамичком пречнику и генерално формиране механичким процесима и ресуспендовањем површинске прашине.

Биолошки одговори респираторног система на загађиваче ваздуха

Реакције на загађиваче ваздуха крећу се од сметњи до некрозе ткива и смрти, од генерализованих системских ефеката до високо специфичних напада на појединачна ткива. Фактори домаћина и средине служе за модификацију ефеката удахнутих хемикалија, а крајњи одговор је резултат њихове интеракције. Главни фактори домаћина су:

1. старост—на пример, старији људи, посебно они са хронично смањеном кардиоваскуларном и респираторном функцијом, који можда неће моћи да се носе са додатним плућним стресом
2. здравствено стање - на пример, истовремена болест или дисфункција
3. нутритивни статус
4. имунолошки статус
5. пол и други генетски фактори — на пример, разлике у механизмима биотрансформације у вези са ензимима, као што су дефицитарни метаболички путеви и немогућност да се синтетишу одређени ензими за детоксикацију
6. психолошко стање - на пример, стрес, анксиозност и
7. културни фактори — на пример, пушење цигарета, које може утицати на нормалну одбрану или може појачати ефекат других хемикалија.

Фактори животне средине укључују концентрацију, стабилност и физичко-хемијске особине агенса у окружењу изложености и трајање, учесталост и пут излагања. Акутна и хронична изложеност хемикалијама може довести до различитих патолошких манифестација.

Сваки орган може реаговати на само ограничен број начина, а постоје бројне дијагностичке ознаке за насталу болест. Следећи одељци разматрају широке врсте одговора респираторног система који се могу јавити након излагања загађивачима животне средине.

Иритантни одговор

Иританси стварају образац генерализоване, неспецифичне упале ткива, а деструкција може резултирати на подручју контакта са загађивачем. Неки иританси не производе системски ефекат јер је одговор на иритацију много већи од било ког системског ефекта, док неки такође имају значајне системске ефекте након апсорпције - на пример, сумпороводик који се апсорбује преко плућа.

У високим концентрацијама, иританси могу изазвати осећај печења у носу и грлу (а обично и у очима), бол у грудима и кашаљ који изазивају упалу слузокоже (трахеитис, бронхитис). Примери иританата су гасови као што су хлор, флуор, сумпор диоксид, фосген и оксиди азота; магле киселина или алкалија; димови кадмијума; прах цинк хлорида и ванадијум пентоксида. Високе концентрације хемијских иританса такође могу продрети дубоко у плућа и изазвати едем плућа (алвеоле су испуњене течношћу) или упалу (хемијски пнеумонитис).

Високо повишене концентрације прашине које немају хемијска иритирајућа својства могу такође механички да иритирају бронхије и, након уласка у гастроинтестинални тракт, могу допринети и раку желуца и дебелог црева.

Излагање иритантима може довести до смрти ако су критични органи озбиљно оштећени. С друге стране, оштећење може бити реверзибилно, или може довести до трајног губитка одређеног степена функције, као што је смањен капацитет размене гаса.

Фиброзни одговор

Бројне прашине доводе до развоја групе хроничних обољења плућа која се називају пнеумокониоза. Овај општи појам обухвата многа фибротична стања плућа, односно болести које карактерише стварање ожиљака у интерстицијском везивном ткиву. Пнеумокониозе настају услед удисања и накнадног селективног задржавања одређене прашине у алвеолама, из којих су подложне интерстицијској секвестрацији.

Пнеумокониозе карактеришу специфичне фиброзне лезије, које се разликују по типу и обрасцу у зависности од прашине која је укључена. На пример, силикозу, услед таложења силицијум-диоксида без кристала, карактерише нодуларни тип фиброзе, док се код азбестозе налази дифузна фиброза, услед излагања азбестним влакнима. Одређене прашине, као што је оксид гвожђа, производе само измењену радиологију (сидерозу) без функционалног оштећења, док се ефекти других крећу од минималног инвалидитета до смрти.

Алергијски одговор

Алергијски одговори укључују феномен познат као сензибилизација. Прво излагање алергену доводи до индукције стварања антитела; накнадно излагање сада „сензибилизоване” индивидуе резултира имунолошким одговором – то јест, реакцијом антитело-антиген (антиген је алерген у комбинацији са ендогеним протеином). Ова имунолошка реакција може се јавити одмах након излагања алергену, или може бити одложена реакција.

Примарне респираторне алергијске реакције су бронхијална астма, реакције у горњим дисајним путевима које укључују ослобађање хистамина или медијатора сличних хистамину након имунолошких реакција у слузокожи, и врста пнеумонитиса (упале плућа) позната као екстринзични алергијски алвеолитис. Поред ових локалних реакција, системска алергијска реакција (анафилактички шок) може уследити након излагања неким хемијским алергенима.

Инфективни одговор

Инфективни агенси могу изазвати туберкулозу, антракс, орнитозу, бруцелозу, хистоплазмозу, легионарску болест и тако даље.

Канцерогени одговор

Рак је општи термин за групу сродних болести које карактерише неконтролисани раст ткива. Његов развој је последица сложеног процеса интеракције више фактора у домаћину и окружењу.

Једна од великих потешкоћа у покушају да се излагање специфичном агенсу повеже са развојем рака код људи је дуг латентни период, обично од 15 до 40 година, између почетка излагања и манифестације болести.

Примери загађивача ваздуха који могу изазвати рак плућа су арсен и његова једињења, хромати, силицијум диоксид, честице које садрже полицикличне ароматичне угљоводонике и одређене прашине које садрже никл. Азбестна влакна могу изазвати рак бронха и мезотелиом плеуре и перитонеума. Депоноване радиоактивне честице могу изложити плућно ткиво високим локалним дозама јонизујућег зрачења и бити узрок рака.

Системски одговор

Многе хемикалије из животне средине изазивају генерализовану системску болест због својих ефеката на бројна циљана места. Плућа нису само мета многих штетних агенаса, већ и место уласка токсичних супстанци које пролазе кроз плућа у крвоток без икаквог оштећења плућа. Међутим, када се циркулацијом дистрибуирају у различите органе, могу их оштетити или изазвати опште тровање и имати системско дејство. Ова улога плућа у професионалној патологији није предмет овог чланка. Међутим, треба поменути ефекат фино диспергованих честица (испарења) неколико металних оксида који се често повезују са акутним системским синдромом познатим као грозница металних пара.

Назад