Azbest, nanorurki węglowe i międzybłonek opłucnowy: przegląd hipotezy dotyczącej roli długiej retencji włókien w opłucnej ciemieniowej, zapaleniu i międzybłoniaku

Abstrakt

Wyjątkowe zagrożenie, jakie azbest stwarza azbestowi dla międzybłonka opłucnej, wzbudziło obawy o potencjalne podobne ryzyko związane z nanocząstkami o wysokim współczynniku kształtu (HARN), takimi jak nanorurki węglowe. W trakcie badania potencjalnego wpływu HARN na opłucną wykorzystaliśmy istniejącą hipotezę dotyczącą roli opłucnej ciemieniowej w odpowiedzi na długie włókna. Niniejszy przegląd ma na celu syntezę naszych nowych danych z wielościennymi nanorurkami węglowymi (CNT) z tą hipotezą zachowania długich włókien w płucach i ich zatrzymania w opłucnej ciemieniowej, co prowadzi do zainicjowania stanu zapalnego i patologii opłucnej, takiej jak międzybłoniak. Opisujemy dowody na to, że ułamek wszystkich osadzonych cząstek dociera do opłucnej i że mechanizm klirensu cząstek z opłucnej wychodzi przez aparaty szparkowe w opłucnej ciemieniowej. Sugerujemy, że szparki te są miejscem zatrzymywania długich włókien, które nie mogą ich negocjować, co prowadzi do stanu zapalnego i patologii opłucnej, w tym międzybłoniaka. Przytaczamy dane torakoskopowe na poparcie twierdzenia, jak można by oczekiwać z poprzedniego, że opłucna ciemieniowa jest miejscem pochodzenia międzybłoniaka opłucnej. Mechanizm ten, jeśli znajdzie poparcie, ma ważne implikacje dla przyszłych badań nad zagrożeniem międzybłoniakiem opłucnej z HARN, a także dla naszego obecnego poglądu na pochodzenie międzybłoniaka opłucnej inicjowanego azbestem wywołanego azbestem i powszechne stosowanie obciążenia miąższem płuc jako korelatem tego guza, który faktycznie powstaje w opłucnej ciemieniowej.

Tło

Doświadczenia z azbestem uwypukliły, że cząstki (włókna) o wysokim współczynniku kształtu stanowią dodatkowe zagrożenie dla płuc poza tym, które wytwarzają konwencjonalne cząstki zwarte i dały początek dyscyplinie toksykologii włókien. W ciągu kilku dziesięcioleci do chwili obecnej toksykologia włókien wyewoluowała paradygmat aktywności strukturalnej, który wyjaśnia patogeniczność włókien, która jest najbardziej odporna w toksykologii cząstek. Podczas gdy paradygmat ten wyjaśnia związek między właściwościami włókien a ich patogenicznością, dokładna sekwencja zdarzeń następujących po odkładaniu się włókien prowadzących do zagrożenia typu włóknistego dla opłucnej i mezotelium opłucnej nie została wyjaśniona. W szczególności słabo rozumiemy mechanizm, w którym włókna wydają się selektywnie dostarczać swoją dawkę do opłucnej ciemieniowej, podczas gdy opłucna trzewna nie jest początkowo dotknięta [1]. Nie ma jednoznacznej hipotezy co do tego, w jaki dokładnie sposób, w ramach normalnego rozumienia usuwania cząstek z płuc, trwała "dawka" włókien jest dostarczana do opłucnej ciemieniowej wystarczającej do wytworzenia charakterystycznego profilu efektów opłucnej związanych z ekspozycją na błonnik u ludzi i zwierząt. W tym artykule przedstawiamy prawdopodobny hipotetyczny mechanizm, który kładzie nacisk na translokację ułamka wszystkich osadzonych cząstek i włókien do przestrzeni opłucnej, ale zachowanie tylko długich włókien w opłucnej ciemieniowej. To zatrzymanie dawki błonnika w opłucnej ciemieniowej służy następnie jako czynnik, który inicjuje uszkodzenie międzybłonka i stan zapalny, który z czasem prowadzi do patologii opłucnej, w tym międzybłoniaka. Mechanizm ten, jak twierdzimy, można uogólnić na nanorurki węglowe i potencjalnie na inne nanocząstki o wysokim współczynniku kształtu (HARN), które są obecnie powodem do niepokoju ze względu na ich morfologię azbestopodobną i które stanowią bodziec napędowy dla tej pracy.

Zastosowanie tej hipotezy do nanorurek wynika z naszych wstępnych prac dotyczących podobieństw w zależnej od długości zapalności międzybłonka azbestu i nanorurek węglowych w jamie otrzewnej [2]. Rola nieudanego klirensu otrzewnowego i jamy opłucnej długich włókien w ich patogeniczności została przedstawiona w zasadniczej formie przez Kane'a i współpracowników [3, 4]. Boutin i współpracownicy [5-7] również przedstawili zasadniczo tę samą sugestię w odniesieniu do azbestu i oczyszczania z opłucnej ciemieniowej w odniesieniu do ludzkiego międzybłoniaka azbestologicznego. Dlatego w pełni uznajemy te intelektualne precedensy w naszym ponownym przedstawieniu i opracowaniu hipotezy w odniesieniu do naszej pracy z długimi i krótkimi nanorurkami w jamie opłucnej [2]. Ta nowa praca, która jest wspomniana w niewielkim stopniu w niniejszym przeglądzie, jest przedkładana do pełnej recenzji naukowej w innym miejscu (Murphy, F., Poland, C.A., Ali-Boucetta, H., Al-Jamal K.T., Duffin, R., Nunes, A., Herrero, M-A., Mather, S. J., Bianco, A., Prato, M., Kostarelos, Donaldson, K. Długie, ale nie krótkie nanorurki są zatrzymywane w przestrzeni opłucnej, inicjując długotrwałe zapalenie międzybłonka. Niniejszy przegląd przedstawia anatomiczne i patofizjologiczne tło zachowania cząstek i włókien w przestrzeni opłucnej oraz rozwija ewoluującą hipotezę, która może wyjaśnić, jak długie włókna i długie nanorurki mogą dostarczać "dawkę" do opłucnej ciemieniowej.

Włókna i mezotelium opłucnej

Cząsteczki mają tendencję do dostarczania swoich efektów do samego płuca w postaci zwłóknienia lub raka płuc. PM₁₀ Cząsteczki wpływają również na podatne populacje, zaostrzając istniejące choroby dróg oddechowych i choroby sercowo-naczyniowe, prawdopodobnie poprzez działanie prozapalne emanujące z płuc. Dodatkowe zagrożenie stwarzane przez włókna dotyczy błonki międzybłonkowej jamy opłucnej i do pewnego stopnia jamy otrzewnej. Osoby narażone na działanie azbestu wykazują szeroki zakres patologii opłucnej, w tym wysięk opłucnowy (gromadzenie się płynu w przestrzeni opłucnej), zwłóknienie opłucnej i międzybłoniak opłucnej [8]. Zmienny, zwykle niewielki, odsetek międzybłoniaków rozwijających się u osób narażonych na działanie azbestu powstaje w jamie otrzewnej, prawdopodobnie w wyniku translokacji włókien z jamy opłucnej do jamy otrzewnej [9]. Mechanizm produkcji międzybłoniaka opłucnej nie jest dobrze poznany, chociaż różne mechanizmy zostały rozwinięte [10]. Jednak pewien kontakt między włóknami a komórkami międzybłonka jest rozsądnym przypuszczeniem (patrz poniżej), a liczne badania wykazały skutki, takie jak genotoksyczność [11] i działanie prozapalne [10] po ekspozycji komórek międzybłonka na azbest i inne włókna in vitro.

Klasyczny paradygmat patogeniczności włókien: struktura aktywności:

Kilka dekad toksykologii włókien doprowadziło do powstania nadrzędnego paradygmatu toksykologii włókien: struktura aktywności, obejmująca długość, średnicę i biotrwałość (omówiony na [12] rys. 1).

Ryc. 1

Diagram ilustrujący włókno chorobotwórcze zgodnie z paradygmatem patogeniczności i rolą charakterystyk cząstek.

Paradygmat włókien określa geometrię włókien jako ich najważniejszą cechę toksykologiczną, a nie skład chemiczny, z wyjątkiem zakresu, w jakim skład przyczynia się do biotrwałości (patrz dalej). Ta niezależność od składu jest widoczna w fakcie, że paradygmat obejmuje włókna złożone z różnych materiałów, w tym amfibolu i serpentyn, minerałów azbestowych, szklistych i ceramicznych oraz włókna organicznego (omówionego w [12]). Średnica jest ważna ze względu na centralną rolę, jaką średnica włókna odgrywa w określaniu średnicy aerodynamicznej (D_Ae) oraz zależność odkładania się płuc od D_Ae[13]. Klirens spoza dróg rzęskowych jest zdominowany przez powolny, zależny od makrofagów klirens [14], a więc włókna, które się tam osadzają, mogą w największym stopniu przyczyniać się do gromadzenia dawki. Długość ma niewielki wpływ na D_Ae dla cienkich włókien [15], z wyjątkiem sytuacji, gdy długość jest wystarczająca do przechwycenia, mechanizm osadzania się cząstek ograniczony do włókien, obejmujący środek ciężkości włókna podążający za strumieniem powietrza w rozwidleniu, podczas gdy końcówka włókna styka się ze ścianką, co prowadzi do osadzania się. Penetracja długich włókien (>50 μm) poza rzęskowymi drogami oddechowymi jest wyjaśniona na podstawie tego, że średnica aerodynamiczna włókna prostego jest około 3 razy większa od jego rzeczywistej średnicy [15]. Wynika to z jego wyrównania z przepływem powietrza, gdy włókna poruszają się aerodynamicznie przez te rury, wyrównane wzdłuż osi drzewa oskrzelowego.

Dowody wykazujące, że długość jest kluczowym czynnikiem chorobotwórczości włókien, pochodzą z wielu źródeł, ale najlepsze dane pochodzą z eksperymentalnych badań toksykologicznych, w których możliwe jest wyodrębnienie kategorii długości i ocena ich skutków, w przeciwieństwie do mieszanego charakteru narażenia ludzi. W latach siedemdziesiątych Stanton przeprowadził wiele badań mających na celu zrozumienie roli cech włókien w międzybłoniaku za pomocą implantacji włókien w żelatynie, bezpośrednio na powierzchnię międzybłonka opłucnej. Chociaż jest to wysoce sztuczne narażenie, w podsumowaniu tych badań [16] Stanton stwierdził, że rakotwórczość była związana z "trwałymi" włóknami dłuższymi niż 10 μm. W badaniu Davis i wsp. [17] Szczury wystawiono w komorze na działanie chmur o równym stężeniu masy w powietrzu albo długiego włókna azbestu amozytu, albo próbki krótkiego amozytu otrzymanego z niego przez mielenie kulowe. Po ekspozycji przez całe życie wystąpiła znaczna odpowiedź guza i zwłóknienia u szczurów narażonych na długi amozyt i praktycznie nie wystąpiła odpowiedź u szczurów narażonych na krótki amozyt. Adamson i wsp. Stosowany długi i krótki krokidolit i po odkładaniu się w płucach myszy zgłaszał zwłóknienie [18] i odpowiedzi proliferacyjne [19] w opłucnej z długimi, ale nie krótkimi próbkami. Jama otrzewnowa myszy została wykorzystana jako model bezpośredniej ekspozycji międzybłonka i znacznie większa toksyczna [20], zapalna [21] i generująca ziarniniaka [4] odpowiedź była widoczna u myszy, które były narażone na wysokie dawki długich włókien niż w przypadku krótszych włókien. Systemy in vitro wykazały również większą siłę działania długich w porównaniu z krótkimi włóknami w testach o działaniu prozapalnym i genotoksycznym [22-27].

Biotrwałość i długość oddziałują na określenie klirensu długich włókien z płuc, ponieważ długie włókna mogą ulegać rozpuszczeniu, co może prowadzić do całkowitego rozpuszczenia lub najprawdopodobniej osłabienia włókna w taki sposób, że ulega ono pęknięciu na krótsze włókna, które mogą być szybciej usuwane niż długie włókna. Półczas retencji (T_1/2) zwartej, obojętnej, respirabilnej, cząstki znacznika lub krótkiego włókna w drogach oddechowych szczura wynosi zwykle ~60 dni [28]. Jednak długie włókna (> 20 μm) są wolniej oczyszczane, ponieważ nie mogą być łatwo otoczone przez makrofagi [29], co prowadzi do sfrustrowanej fagocytozy (patrz poniżej). W ten sposób długie włókna są bardziej podatne na gromadzenie się w płucach, co pozwala na gromadzenie się długiej dawki błonnika. Długie włókna składające się z biorozpuszczalnych (niebiotrwałych) składników strukturalnych mogą ulec osłabieniu i pęknięciu w płucach [30]. Wiedza opisana powyżej doprowadziła do ewolucji paradygmatu patogeniczności włókien, pokazanego na rysunku 1, podkreślającego, że włókno chorobotwórcze to włókno długie, cienkie i biotrwałe.

Nanorurki węglowe i klasyczny paradygmat patogeniczności włókien

Nanorurki węglowe (CNT) są jednym z najważniejszych produktów nanotechnologii, stanowiącym znaczne inwestycje i są już włączone do dużej liczby produktów, a liczba ta prawdopodobnie wzrośnie. Jednak zasadniczo włóknista struktura CNT budzi obawy, że mogą one powodować patologię azbestopodobną w płucach i mezotelium [2, 31]. Nanorurki węglowe mogą istnieć jako zwarte sploty nanorurek, które są zasadniczo cząstkami, lub jako dłuższe, prostsze "włókna" i spodziewalibyśmy się, że zagrożenie związane z tymi dwiema różnymi formami nanorurek węglowych będzie różne. Efekty cząsteczkowe byłyby ograniczone do płuc, ponieważ zwłóknienie i rak, podczas gdy włókna, których przykładem jest azbest, mają ten sam rodzaj działania płucnego, ale wpływają również na opłucną. Wcześniej przeprowadziliśmy badanie, w którym wystawiliśmy mezotelium otrzewnej, jako wygodny model mezotelium opłucnej, na nanorurki węglowe, aby ustalić, czy wykazują one toksyczność podobną do azbestu, zależną od długości [2]. Badania te wykazały, że nanorurki węglowe w postaci długich włókien wykazywały podobną lub większą skłonność do wywoływania stanu zapalnego i zwłóknienia w jamie otrzewnej, do tej wytwarzanej przez długi azbest. Natomiast ani krótkie włókna azbestu, ani krótkie, splątane CNT nie powodowały znaczącego stanu zapalnego. Jednym z ważnych procesów leżących u podstaw toksyczności długich włókien jest niezdolność makrofagów do ich całkowitego zamknięcia - określana jako niekompletna lub "sfrustrowana" fagocytoza, która jest stanem prozapalnym. Długie nanorurki węglowe najprawdopodobniej powodują stan zapalny w tym procesie, gdy są wystarczająco długie, tj. dłuższe niż około 15 μm [2]. Sfrustrowaną fagocytozę długich włókien, która prawdopodobnie dotyczy azbestu i nanorurek węglowych, zilustrowano na rysunkach 2 i 3.

Ryc. 2

Sfrustrowany paradygmat fagocytozy odnosi się do długich i krótkich włókien azbestu (po lewej) i różnych form nanorurek węglowych (po prawej). W konfrontacji z krótkimi włóknami azbestu lub splątanymi, zwartymi "cząstkami" nanorurek węglowych makrofagi mogą je zamknąć i usunąć. Jednak makrofagi nie mogą rozciągnąć się wystarczająco, aby zamknąć długi azbest lub długie nanorurki, co powoduje niepełną lub sfrustrowaną fagocytozę, co prowadzi do stanu zapalnego.

Ryc. 3

Sfrustrowana fagocytoza (strzałki) i związana z nią ostra reakcja zapalna w płukaniu oskrzelowo-pęcherzykowym myszy, których płuca zostały zaszczepione długimi nanorurkami. Aspiracja 50 μg długich, włóknistych wielościennych nanorurek węglowych (CNT) do płuc myszy C57BL / 6 spowodowała ostrą reakcję zapalną po 24 godzinach, charakteryzującą się dużym napływem zapalnych neutrofili (PMN) do płukania oskrzelowo-pęcherzykowego. Wiązki CNT i włókna singletowe obserwowano zarówno w makrofagach (pusta strzałka), jak i wychodzących poza makrofagi w procesie niepełnej lub sfrustrowanej fagocytozy (czarne strzałki). Wszystkie zdjęcia wykonane w powiększeniu ×1000.

Jeśli chodzi o paradygmat patogeniczności włókien, nanorurki węglowe mogą być patogenne, ponieważ są cienkie, długie i biotrwałe, ale w przeciwieństwie do innych włókien możliwe jest również, że CNT występują w formach, które nie są zgodne z paradygmatem dla włókien chorobotwórczych. Na przykład CNT może istnieć jako krótkie formy i dłuższe, ale splątane formy (patrz prawa strona ryc. 2), z których żadna nie stanowi problemu dla makrofagów pod względem fagocytozy lub klirensu. Podczas gdy nanorurki singletowe są zawsze cienkie, tworzą sploty, liny i druty splecionych rurek, które mogą być grubsze, chociaż nadal mogą być wystarczająco cienkie, aby mogły być respirabilne. Jednak w większych splotach i wiązkach średnica aerodynamiczna może znacznie wzrosnąć poza oddychalność. Grafen, podstawowy składnik strukturalny CNT, jest niezwykle silnym materiałem [31], a więc prawdopodobnie jest biotrwały, gdy grafen jest nieskazitelny, z kilkoma wadami i niedostatecznie urozmaicony, co sugerują nasze własne dane (w przygotowaniu). Jednak CNT derywatyzowany przez niektóre chemie, ze zwiększoną ilością defektów w strukturze grafenu, może być mniej biotrwały.

Wstrzyknięcie włókien do jamy otrzewnej jako substytut efektów włóknistych w jamie opłucnej: rola zatrzymywania długich włókien w jamie otrzewnej w zapalności i fibrogenności wywołanej długimi włóknami

Jama otrzewnowa i jej wnętrzności są pokryte mezotelium, co zostało uznane za wygodny substytut mezotelium jamy opłucnej w badaniach włókien ponad 30 lat temu. Następnie stwierdzono, że włókna azbestu wywołują stan zapalny [21] i międzybłoniaka [32] w jamie otrzewnej po wstrzyknięciu. Chociaż nie oczekuje się, że jama otrzewnowa wyewoluowała skuteczne mechanizmy oczyszczania wykazywane przez płuca, w rzeczywistości ma system usuwania cząstek. Zaszczepione cząstki są szybko wciągane czaszkowo w przepływ limfy przez przeponę do przytarczycowych węzłów chłonnych [33]. Obejmuje to tranzyt przez przeponę przez aparaty szparkowe, które są strukturami podobnymi do porów o średnicy mniejszej niż 10 μm (ryc. 4), łączącymi jamę otrzewnową z leżącymi pod nią naczyniami włosowatymi limfatycznymi i które zostały zaangażowane w efekty włókien przez Kane'a i współpracowników w 1987 roku [4].

Ryc. 4

SEM powierzchni otrzewnej przepony myszy pokazującej aparaty szparkowe (strzałki) odtworzone za zgodą Moalli i in. [4].

Kane i współpracownicy [3] zauważyli, że długie włókna azbestu gromadziły się preferencyjnie na otrzewnej powierzchni przepony wokół aparatów szparkowych, ponieważ nie można ich było przez nie usunąć ze względu na ich długość. Kane i wsp. twierdził, że zatrzymanie długich włókien na przeponowej powierzchni międzybłonka inicjuje stan zapalny, proliferację i tworzenie ziarniniaka. Krótkie włókna nie powodowały tego efektu, łatwo wychodząc przez aparaty szparkowe. Jednakże, jeśli krótkie włókna zostały wstrzyknięte w tak dużej dawce, że ich sama objętość zablokowała aparaty szparkowe, uniemożliwiło to klirens umożliwiający zatrzymanie, powodując stan zapalny [3]. Potwierdziliśmy, że ekspozycja na niską dawkę mysiej jamy otrzewnej na długie wielościenne nanorurki węglowe (MWCNT) [34] spowodowała nagromadzenie długiego CNT w przeponie, co sugeruje, że są one również zbyt długie lub nieporęczne, aby wyjść przez aparaty szparkowe. Zatrzymanie długiego CNT w jamie otrzewnej zainicjowało ziarniniaki z klasycznymi komórkami olbrzymiego ciała obcego w płukaniu otrzewnej (ryc. 5) i ziarniniakach (ryc. 6) [2]. Krótkie, splątane CNT nie zostały zachowane i nigdy nie były widoczne w przeponie lub wnętrznościach i nie wywoływały stanu zapalnego ani tworzenia ziarniniaków, ich brak w sekcjach silnie sugerujących, że zostały usunięte przez aparaty szparkowe.

Ryc. 5

Wielojądrowa komórka olbrzymia wypłukana z jamy otrzewnej myszy zaszczepionej długimi nanorurkami węglowymi. CNT są widoczne w cytoplazmie (strzałki); PMN = leukocyt neukocytów poymorphojądrowych; L = limfocyt (powiększenie ×100).

Ryc. 6

Zmiany na otrzewnej powierzchni przepony po wstrzyknięciu dootrzewnowym 2 form nanorurek węglowych różniących się proporcjami. Rysunek pokazuje przekroje przez otrzewnowy aspekt przepony myszy C57BL / 6 6 miesięcy po wstrzyknięciu dootrzewnowym 10 μg dwóch oddzielnych form wielościennych nanorurek węglowych (CNT). Sekcje barwione są Haematoxylin & Eosin (panele A i C) lub Picro-sirius red spot, które barwią kolagen na jaskrawoczerwony (panele B i D). Mu = mięsień przepony; G = ziarniniak; małe strzałki = mezotelium; duże strzałki = nanorurki węglowe. C i D wykazują dużego ziarniniaka siedzącego na szczycie warstwy mięśniowej, spowodowanego obecnością CNT w postaci długich włókien (otwarte strzałki). A i B wykazują kontrastującą odpowiedź na CNT w postaci ściśle związanych gęstych sferycznych agregatów (otwartych strzałek), które wytwarzają minimalną reakcję tkankową. Wszystkie zdjęcia wykonywane są przy ×100 słupkach powiększenia = 100 μm.

Dlatego postulujemy, że istnieją dwie ważne części mechanizmu prozapalnego działania długich włókien w jamie otrzewnej, wspólnych zarówno przez azbest, jak i długi MWCNT

i) niepowodzenie długich włókien w negocjowaniu szparki przeponowej z późniejszym zatrzymaniem dawki długiego włókna w przeponie; kontrastuje to z mniejszymi cząstkami, które łatwo opuszczają jamę otrzewnową przez szparki przeponowe, aby gromadzić się w węzłach przytarczycowych [33],

ii) w punkcie, w którym dawka długiego włókna gromadzi się na powierzchni otrzewnej przepony, makrofagi próbują fagocytozować długie włókna; Następnie ulegają zaburzonej fagocytozie stymulującej stan zapalny i uszkodzenie komórek międzybłonka, co prowadzi do przewlekłego stanu zapalnego i rozwoju ziarniniaka [2].

Konsekwencje prozapalnego i fibrogennego działania długiej retencji włókien w przeponie były najbardziej widoczne w zakresie odpowiedzi ziarniniaka/zwłóknienia obserwowanej 6 miesięcy po wkropleniu 10 μg długich lub krótkich nanorurek (patrz [2] pełny opis nanorurek NT tang 2 i NT long 1 stosowanych w tym badaniu). Jak pokazuje rysunek 6, obecność dość dużego agregatu krótkich/splątanych nanorurek wywołała bardzo małą reakcję tkankową (ryc. 6A i 6B). Natomiast luźne agregaty i włókna singletowe długich nanorurek wywoływały kwiecistą odpowiedź ziarniniaka (ryc. 6C i 6D). Wielowarstwowy koszykowy układ w dużej mierze bezkomórkowego kolagenu w ziarniniaku silnie przypomina strukturę płytki opłucnej wywołanej azbestem (patrz później).

Pojawia się problem międzybłoniaka otrzewnej i nasuwa się pytanie o stopień translokacji włókien z przestrzeni opłucnej do jamy otrzewnej. Niewiele o tym wiadomo i nigdy nie zostało to określone ilościowo u człowieka. Sam fakt, że większość międzybłoniaków występuje w jamie opłucnej, sugeruje, że długie włókna są tam zatrzymywane, więc krótkie włókna mogą dotrzeć do jamy otrzewnej, ale ze względu na ich niską patogenność na ogół nie powodują tam większych szkód.

Struktura i funkcja opłucnej

Chociaż jama otrzewnowa służy jako wygodny model do badania wpływu mezotelium włókien, głównym celem międzybłonka dla wdychanych włókien jest międzybłonek opłucnowy. Jama klatki piersiowej lub jama opłucnowa to jama otaczająca płuca i serce, obejmująca żebra i związane z nimi mięśnie oraz tkankę łączną. Ta jama jest pokryta opłucną ciemieniową, która jest przymocowana do ściany klatki piersiowej i jest pokryta ciągłą "ciemieniową" warstwą komórek międzybłonka. Same płuca są otoczone opłucną trzewną, która jest integralną częścią powierzchni płuca i która ma powierzchniową "trzewną" warstwę międzybłonka. Ścisłe dopasowanie płuc do wnętrza ściany klatki piersiowej oznacza, że dwie warstwy międzybłonka są ściśle przylegające, a między nimi znajduje się cienka przestrzeń, która zawiera płyn opłucnowy (ryc. 7), a także populację makrofagów opłucnej.

Ryc. 7

Diagramowa reprezentacja związku między opłucną trzewną i ciemieniową. Opłucna trzewna (VP) i opłucna ciemieniowa (PP) są widoczne w bliskim przyłożeniu oddzielone przestrzenią opłucnową, która zawiera niewielką objętość płynu opłucnowego (pf). Kontakt między 2 opłucną odbywa się poprzez warstwy komórek międzybłonka (m) na powierzchni opłucnej ciemieniowej i trzewnej. Makrofagi opłucnej (PM) są obecne w przestrzeni opłucnej. Sztywna ściana klatki piersiowej jest ściśle związana z płucami przez przyleganie opłucnej trzewnej do opłucnej ciemieniowej, umożliwiając ruchy ściany klatki piersiowej spowodowane działaniem mięśnia przeponowego i mięśnia międzyżebrowego (IM) w celu rozszerzenia i rozluźnienia płuc, umożliwiając wdech płucny i wydech. Droga cząstek do przestrzeni opłucnej jest nieznana, ale droga dla unoszącej się w powietrzu cząstki (1), która osadza się w dystalnych pęcherzykach płucnych (2), jest pokazana, gdy przechodzi do śródmiąższu (3), wchodzi do przestrzeni opłucnej (4) i wychodzi przez stomię w opłucnej ciemieniowej (s) do naczynia włosowatego limfatycznego (lc, 5), aby wejść do przepływu limfy do węzłów chłonnych w śródpiersiu i płucach centralnych.

Mezotelium trzewne i ciemieniowe składają się z pojedynczej warstwy komórek międzybłonka, blaszki podstawnej tkanki łącznej i luźnej warstwy tkanki łącznej z naczyniami krwionośnymi i limfatycznymi. Komórki śródbłonka mają kilka funkcji w normalnym działaniu opłucnej [35]. Płyn opłucnowy jest stale wytwarzany przez ciśnienie hydrostatyczne z naczyń włosowatych podopłucnowych [35], uzupełniane przez glikoproteiny wydzielane przez komórki międzybłonka [36]. Płyn opłucnowy i jego stały odpływ (patrz poniżej) utrzymuje ścisłe sprzężenie płuc ze ścianą klatki piersiowej, umożliwiając skurcz i rozluźnienie mięśni przeponowych w celu rozszerzenia i pasywnego rozluźnienia płuc podczas ruchów oddechowych. Przestrzeń opłucnej jest wąską, zmienną przestrzenią, która wynosi do około 20 μm u owiec szybko utrwalonych po śmierci i przypuszczalnie podobnej wielkości u ludzi [35]. Płyn opłucnowy obraca się szybko [37], stale wychodząc przez aparaty szparkowe w ciemieniowej (nie trzewnej) opłucnej przez naczynia włosowate limfatyczne; te otwory szparkowe na ciemieniowej powierzchni opłucnej mają średnicę od 3 do 10 μm (ryc. 8). Często występują w połączeniu z "plamami mlecznymi", dużymi nagromadzeniami leukocytów obecnych na opłucnej ciemieniowej [38] i przypuszcza się, że są zaangażowane w aktywność immunologiczną w przestrzeni opłucnej. Odpływ płynu opłucnowego przez te aparaty szparkowe odprowadza do węzłów chłonnych płuc w okolicy śródpiersia i szlak ten jest ważny w oczyszczaniu cząstek i włókien, które docierają do przestrzeni opłucnej (patrz poniżej). Drenaż płynu z przestrzeni opłucnej przenosi cząstki w limfie do górnych węzłów chłonnych, węzłów chłonnych śródpiersia, przymostkowych węzłów chłonnych i tylnej tkanki limfatycznej śródpiersia [39]. Szparki są najgęściej położone w najbardziej ogonowych i tylnych przestrzeniach międzyżebrowych, chociaż są lżej rozproszone w bardziej czaszkowych i przednich regionach międzyżebrowych [40].

Ryc. 8

Skaningowy obraz ściany klatki piersiowej z mikrogramu elektronowego od normalnego szczura przedstawiający ciemieniową powierzchnię opłucnej z komórkami międzybłonka (M) i stomią (białe strzałki, St) o średnicy około 3 μm.

Ułamek wszystkich osadzonych cząstek przechodzi przez opłucną, wychodzi przez aparaty szparkowe i tworzy "czarne plamy" wokół aparatów szparkowych

Stosując klasyczny paradygmat toksykologii dawka/odpowiedź do wyjątkowej patologii opłucnej obserwowanej przy ekspozycji na azbest i inne włókna, można założyć, że ponieważ odpowiedź występuje w opłucnej, dawka musi być zastosowana w opłucnej. Można zatem argumentować, że skoro włókna wywołują patologię opłucnej, a cząstki nie, włókna muszą dotrzeć do opłucnej, a cząstki nie. Istnieje jednak literatura, z której wynika, że w rzeczywistości część wszystkich osadzonych cząstek dociera do opłucnej, przechodzi przez przestrzeń opłucnową i wychodzi przez aparaty szparkowe. W trakcie tego procesu wywołują tam szereg odpowiedzi niskiego i wyższego stopnia w postaci ciemieniowych "czarnych plam" opłucnej.

Dowody na to, że wszystkie cząsteczki przechodzą przez opłucną, pochodzą z obszernej literatury dotyczącej niemal powszechnego istnienia tych "czarnych plam", obserwowanych na ciemieniowej ścianie opłucnej podczas autopsji. Oznaczają one aparaty szparkowe i powstają, gdy cząstki muszą się skupić, aby wyjść z przestrzeni opłucnej w aparatach szparkowych i gdzie wchodzą do podmiędzybłonkowej tkanki łącznej wokół ust szparkowych. W badaniu Mitchev i wsp. [41] W Belgii zbadano 150 kolejnych przypadków zwłok mieszkańców miast. Spośród 96 martwicy mężczyzn i 54 kobiet, których wiek wahał się od 22 do 93 lat, czarne plamy były prawie zawsze widoczne (>90% autopsji) na opłucnej ciemieniowej. Autorzy zauważyli, że ich lokalizacja wydaje się być związana ze strukturami odpowiedzialnymi za drenaż limfatyczny jamy opłucnej i uznali je za oznaczające punkty resorpcji płynu opłucnowego. Czarne plamy były również obecne na opłucnej powierzchni przepony, co sugeruje, że występuje odpływ płynu opłucnowego w kierunku ogonowym. Czarne plamy w badaniu Mitcheva na normalnych osobnikach podczas autopsji wyraźnie odzwierciedlają, że osadzone cząsteczki sadzy zwykle przechodzą przez opłucną, niektóre z nich gromadzą się w ciemieniowej ścianie opłucnej, tworząc czarne plamy. Czarne plamy zawierają cząstki i wywołują odpowiedź tkankową, która jest niskiej jakości u mieszkańców miast, gdzie gromadzi się zakurzone makrofagi i limfocyty. Jednak u górników, przy dużej ekspozycji na cząstki, mieszane cząstki pyłu wywołują reakcję zapalną opłucnej ciemieniowej wyższego stopnia z towarzyszącym zwłóknieniem niskiego stopnia w "czarnych plamach", które są bardzo wyraźne [42]. Czasami reakcje zapalne opłucnej na śródmiąższową mieszankę pyłu w czarnych plamach są bardziej wyraźne, tworząc cięższe struktury ziarniniakowe z koncentrycznie ułożonymi włóknami kolagenowymi [42]. W jednym badaniu [