結構生物化學/粘膜系統
由於許多可能對人體有害的顆粒會沉積在我們的呼吸道上，因此我們的身體已經發展出先天性的防禦機制，這些機制不斷地工作以保護我們免受各種感染。透過使用全氟碳/鋨/透射電子顯微鏡固定技術和共聚焦顯微鏡，現在可以在高解析度下觀察到粘液的運輸。氣道表面液體，也稱為 ASL，充當第一道防線，並沿上皮細胞襯裡排列。它由兩層組成：纖毛周圍液層，也稱為 PCL，和粘液層。富含粘蛋白的粘液層位於 PCL 的頂部，PCL 是一種非常水樣的層，包圍著纖毛（Matsui）。粘液層由高度糖基化的生物大分子組成，即 MUC5AC 和 MUC5B 基因。這些生物大分子充當蜘蛛網，用來捕獲吸入的顆粒。由於這些生物大分子包含大量的碳水化合物序列，因此粘蛋白幾乎可以與所有顆粒結合，以便在這些顆粒到達肺部之前將其清除。粘液的粘彈性特性允許將纖毛拍打的能量轉化為沿著氣道表面的單向粘液運輸。PCL 和粘液襯裡的摩擦相互作用也充當第二種運輸形式。如果所有其他方法都失敗，肺部還有另一道防線，即咳嗽清除。咳嗽清除完全獨立於纖毛。簡單來說，咳嗽的效率與氣道表面液體的厚度和體積有關。PCL 和粘液襯裡會遇到大量不同的外來顆粒。這可能包括從你前面的人放出的屁，你在踢足球時可能吸入的灰塵，到從實驗室意外洩漏的有毒煙霧。為了討論一些特定的刺激物，氨氣、有機蒸汽和香菸煙霧等物質會誘發上皮分泌細胞和粘膜下腺體分泌粘液。這些細胞分別受到直接和反射刺激。長時間吸入 SO2 和香菸煙霧會導致杯狀細胞增生和粘膜下腺體增大。此外，各種藥物會誘發粘液分泌。例如，前列腺素 (PG) 會刺激貓的粘液分泌。但當人類吸入前列腺素時，PG 會刺激咳嗽感受器。
粘液清除的機制是由汙染或身體壓力引起的。當哺乳動物的身體由於持續攝入外來顆粒而受到壓力時，細胞外核苷酸和核苷會刺激 Cl- 轉運並抑制 Na+ 吸收。這允許 ASL 達到正確的厚度和體積。在正常情況下，氣道沿線的上皮細胞襯裡會調節 Na+ 和 Cl− 轉運，以保持 PCL 液體水平的完整性。ATP 也被釋放到氣道中，在那裡它被代謝成腺苷，以啟用 Cl- 分泌通道。所有這些都是為了平衡吸收和分泌，以實現有效的粘液穩態。“機械轉導是將物理力轉化為生理反應的過程，在組織穩態中至關重要。”汙染，在這種情況下是香菸煙霧，是破壞 ASL 穩態的直接因素。當吸入香菸煙霧時，顯而易見的影響是肺部損傷。大多數人沒有意識到的是，它還會導致你的身體進行更長和更大的呼吸，以實現最佳的氧氣吸入。最近的研究表明，當正常的人類氣道上皮細胞受到潮汐呼吸的影響時，ASL 的高度會增加一倍，同時 ATP 會隨著剪下應力的增加而增加。