月曜日、2月21 2011 20:04

構造と機能

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呼吸器系は、鼻と口のすぐ外側の呼吸ゾーンから、頭と胸部の導電性気道を通って肺胞まで伸びており、肺胞とその周りを流れる毛細血管との間で呼吸ガス交換が行われます。 その主な機能は、酸素を供給することです (O2) 肺のガス交換領域に到達し、そこで肺胞壁に拡散し、肺胞毛細血管を通過する血液に酸素を供給することができます。 さらに、システムは次のことも行う必要があります。(1) 肺胞毛細血管から肺に入る同量の二酸化炭素を除去する。 (2)肺気道内の体温と水蒸気飽和を維持する(表面の液体と細胞の生存能力と機能能力を維持するため)。 (3) 無菌状態を維持する (感染症とその悪影響を防ぐため)。 (4)吸入された粒子や老化した食細胞や上皮細胞などの余分な表面液や破片を排除します。 これらの要求の厳しいすべてのタスクを生涯にわたって継続的に実行し、パフォーマンスとエネルギー利用の面で高い効率で実行する必要があります。 このシステムは、高濃度のたばこの煙や産業用粉塵などの深刻な障害、または防御機構を攻撃または破壊する低濃度の特定の病原体によって乱用され、圧倒される可能性があります。 そのような侮辱を克服または補償するその能力は、通常のように有能であり、構造と機能のエレガントな組み合わせの証です.

物質転送

図 1994 に示すように、人間の気道の複雑な構造と多数の機能は、国際放射線防護委員会のタスク グループ (ICRP 1) によって簡潔に要約されています。約0.2リットル。 それらは、吸入された空気を調整し、対流 (バルク) フローによって、終末細気管支につながる約 65,000 の呼吸腺房に分配します。 一回換気量が増加すると、対流が呼吸細気管支の奥深くまでガス交換を支配します。 いずれにせよ、呼吸腺房内では、対流潮汐前線から肺胞表面までの距離が十分に短いため、効率的な CO2-O2 交換は分子拡散によって行われます。 対照的に、空気中の粒子は、気体の拡散係数よりも桁違いに小さい拡散係数を持ち、潮汐空気中に浮遊したままになる傾向があり、堆積することなく吐き出すことができます。

図 1. 1994 年の ICRP 線量測定モデルで使用された気道および領域の形態計測、細胞学、組織学、機能および構造。

RES010F1

吸入された粒子のかなりの部分が気道内に沈着します。 2 回呼吸の吸気相における肺気道への粒子沈着の原因となるメカニズムを図 2 にまとめます。空気力学的直径 (同じ終末沈降 (ストークス) 速度を持つ単位密度球の直径) が約 1 mm を超える粒子大きな気道に存在する比較的高い速度での衝突により、かなりの運動量と沈着が発生する可能性があります。 約 0.1 mm を超える粒子は、流速が非常に遅い小さな導電性気道で沈降によって沈着する可能性があります。 最後に、直径が 1 ~ 15 mm の粒子は、0.1 回の呼吸で沈着する可能性が非常に低く、各潮汐サイクル中に残りの肺の空気と交換される吸気潮汐空気の約 1% 内に保持できます。 この容積交換は、肺のさまざまな部分における気流の可変時定数のために発生します。 肺内の残留空気の滞留時間がはるかに長いため、吸入された潮汐空気のそのような閉じ込められた体積内の XNUMX ~ XNUMX mm 粒子の低い固有の粒子変位は、呼吸の過程で沈降および/または拡散によってそれらの堆積を引き起こすのに十分になります。連続する呼吸。

図 2. 肺気道における粒子沈着のメカニズム

RES010F2

呼気潮流の約 15% を占める本質的に粒子のない残留肺気は、呼吸腺房の粒子沈着が内部に集中するように、遠位に移動する潮流の軸芯の周りのクリーンエア シースのように作用する傾向があります。気道分岐部などの表面、枝間気道壁には堆積物がほとんどありません。

堆積した粒子の数と気道表面に沿ったそれらの分布は、堆積した物質の毒性とともに、病原性の可能性の重要な決定要因です。 沈着した粒子は、沈着部位またはその近くの上皮および/または移動性食細胞を損傷する可能性があり、システムに二次的な影響を与える体液および細胞由来のメディエーターの分泌を刺激する可能性があります。 粒子として、またはその上に、または粒子内に沈着した可溶性物質は、表面の液体および細胞内に拡散し、血流によって全身に急速に運ばれます。

バルク材料の水への溶解度は、気道での粒子溶解度のガイドとしては不十分です。 溶解性は、一般に、肺に入るのに十分小さい粒子の表面積対体積比が非常に大きいことによって大幅に強化されます。 さらに、気道内の表面液のイオンおよび脂質含有量は複雑で非常に変化しやすく、溶解度の向上または水溶性溶質の急速な沈殿のいずれかにつながる可能性があります。 さらに、気道表面上の粒子のクリアランス経路と滞留時間は、気道のさまざまな機能部分で大きく異なります。

改訂された ICRP タスク グループのクリアランス モデルは、さまざまな放射性物質の保持を決定する上で重要な気道内の主要なクリアランス経路を特定し、したがって、移行後に呼吸器組織や他の臓器が受ける放射線量を特定します。 ICRP沈着モデルは、各クリアランス経路に入る吸入物質の量を推定するために使用されます。 これらの個別の経路は、図 3 に示すコンパートメント モデルで表されます。それらは、図 1 に示す解剖学的コンパートメントに対応し、吸入粒子の線量測定に関するガイダンスを提供する他のグループの経路とともに、表 1 にまとめられています。

図 3. 1994 年の ICRP モデルにおける各地域からの時間依存の粒子輸送を表すコンパートメント モデル

RES010F3

表 1. 粒子沈着モデルで定義された気道領域

含まれる解剖学的構造 ACGIH 地域 ISO および CEN 地域 1966 ICRP タスクグループ地域 1994 ICRP タスクグループ地域
鼻、上咽頭
口、中咽頭、喉頭
頭部気道 (HAR) 胸郭外 (E) 鼻咽頭 (NP) 前鼻腔(ET1 )
他のすべての胸郭外 (ET2 )
気管、気管支 気管気管支 (TBR) 気管気管支 (B) 気管気管支 (TB) 気管および大気管支 (BB)
細気管支(終末細気管支へ)       細気管支 (bb)
呼吸細気管支、肺胞管、
肺胞嚢、肺胞
ガス交換 (GER) 肺胞 (A) 肺 (P) 肺胞間質 (AI)

 

胸郭外気道

図 1 に示すように、胸郭外気道は ICRP (1994) によって XNUMX つの異なるクリアランス領域と線量測定領域に分割されました。1) および他のすべての胸腔外気道 (ET2)—つまり、後鼻道、鼻咽頭、中咽頭、および喉頭です。 前鼻腔の内側を覆う皮膚の表面に沈着した粒子 (ET1) は、外部手段 (鼻をかむ、拭くなど) による除去のみを受けるものと想定されます。 鼻中咽頭または喉頭に堆積した物質の大部分(ET2) は、これらの気道を覆う体液の層で急速に除去されます。 新しいモデルは、胸腔外気道における超微粒子の拡散沈着がかなりの量になる可能性があることを認識していますが、以前のモデルではそうではありませんでした。

胸部気道

胸部に沈着した放射性物質は、一般に、沈着した粒子が比較的速い粘膜繊毛クリアランスを受ける気管気管支 (TB) 領域と、粒子クリアランスがはるかに遅い肺胞 - 間質 (AI) 領域に分けられます。

線量測定の目的で、ICRP(1994)は、気管と気管支の間の結核領域(BB)と、より遠位の小さな気道である細気管支(bb)に吸入された物質の沈着を分割しました。 ただし、いずれかのタイプの気道の繊毛が堆積した粒子を除去できるその後の効率については、議論の余地があります。 気管支および細気管支上皮への線量が過小評価されないことを確認するために、タスクグループは、これらの気道に沈着した粒子数の半分が比較的「遅い」粘液線毛クリアランスを受けると仮定しました。 粒子が粘膜繊毛系によって比較的ゆっくりと除去される可能性は、その物理的なサイズに依存するようです。

AI 領域に堆積した物質は、XNUMX つのコンパートメント (AI1、AI2 とAI3)それぞれが結核沈着よりもゆっくりとクリアされ、サブリージョンは異なる特性速度でクリアされます。

図 4. 1994 年の ICRP モデルにおける参照ライト ワーカー (通常の鼻呼吸) の気道の各領域における部分沈着。

RES010F4

図 4 は、吸入された粒子のサイズの関数として、各領域の沈着率に関する ICRP (1994) モデルの予測を示しています。 これは、0.1 ~ 1 mm の最小の肺沈着を反映しており、沈着は主に、肺深部での、潮と残留肺の空気との間の交換によって決定されます。 粒子サイズが小さくなるにつれて拡散がより効率的になるため、堆積は 0.1 mm 未満に増加します。 粒子サイズが 1 mm を超えると、沈降と衝突がますます効果的になるため、沈着が増加します。

 

 

労働衛生および地域の大気汚染の専門家や機関によって、サイズ選択的沈着のより単純なモデルが採用されており、これらは特定の粒子サイズ範囲内での吸入暴露限界を開発するために使用されています。 区別は次のとおりです。

  1. 鼻や口に吸い込まれず、したがって吸入の危険がない粒子
  2. 吸入可能(としても知られています 刺激的な) 粒子状物質 (IPM) - 吸入され、気道内のどこかに沈着すると危険な物質
  3. 胸部微粒子塊 (TPM) - 喉頭を貫通し、胸部内のどこかに沈着すると危険な物質
  4. 呼吸に適した微粒子量 (RPM) - 終末細気管支を貫通し、肺のガス交換領域内に沈着すると危険な粒子。

 

1990 年代初頭に、IPM、TPM、および RPM の定量的定義の国際的な調和が行われました。 米国政府産業衛生士会議 (ACGIH 1993)、国際標準化機構 (ISO 1991)、および欧州標準化委員会 (CEN 1991) の基準を満たすエアサンプラーのサイズ選択インレット仕様を表 2 に列挙します。 ICRP (1994) の沈着画分とは異なり、特に大きな粒子については、経口吸入に従事する人々に保護を提供する必要があるという保守的な立場を取っているため、鼻腔のより効率的なろ過効率を回避します。

表 2. ACGIH、ISO、CEN、および PM の吸入性、胸部および呼吸性粉塵の基準10 米国 EPA の基準

吸入可能 胸部 吸入性のある PM10
粒子エアロ-
動的直径 (mm)
吸入可能
微粒子
質量
(IPM) (%)
粒子エアロ-
動的直径 (mm)
胸部
微粒子
質量 (TPM) (%)
粒子エアロ-
動的直径 (mm)
吸入性のある
微粒子
質量 (RPM) (%)
粒子エアロ-
動的直径 (mm)
胸部
微粒子
質量 (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        

 

大気粒子濃度に関する米国環境保護庁 (EPA 1987) の基準は、PM として知られています。10、つまり、空気力学的直径が 10 mm 未満の粒子状物質です。 これは、TPM と同様 (機能的に同等) のサンプラー入口基準を備えていますが、表 2 に示すように、数値仕様が多少異なります。

大気汚染物質

汚染物質は、通常の周囲温度と圧力で気体、液体、固体の形で空気中に分散する可能性があります。 後者の XNUMX つは空気中の粒子の懸濁液を表し、一般的な用語が与えられました。 エアロゾル Gibbs (1924) による用語への類推に基づく ハイドロゾル、 水中の分散系を表すために使用されます。 個別の分子として存在するガスと蒸気は、空気中で真の溶液を形成します。 蒸気圧が中程度から高い物質からなる粒子は、急速に蒸発する傾向があります。これは、空気中に数分以上浮遊したままでいるほど小さい粒子 (つまり、約 10 mm 未満の粒子) は、表面積と体積の比率が大きいためです。 蒸気圧が比較的低い一部の物質は、蒸気とエアロゾルの両方の形態でかなりの部分を同時に持つことができます。

ガスと蒸気

空気中に分散すると、汚染ガスと蒸気は一般に混合物を形成するため、その物理的特性 (密度、粘度、エンタルピーなど) はきれいな空気と区別できなくなります。 このような混合物は、理想気体の法則の関係に従うと見なすことができます。 気体と蒸気の間に実際的な違いはありませんが、後者は一般に、室温で固体または液体として存在できる物質の気相であると考えられています。 空気中に分散している間、特定の化合物のすべての分子は、そのサイズと、周囲表面、気道表面、および汚染物質収集装置またはサンプラーによる捕捉確率において本質的に同等です。

エアロゾル

空気中の固体または液体粒子の分散であるエアロゾルには、粒子サイズの非常に重要な追加変数があります。 サイズは粒子の動きに影響を与えるため、凝集、分散、沈降、表面への衝突、界面現象、光散乱特性などの物理現象の確率に影響を与えます。 特定の粒子を単一のサイズ パラメータで特徴付けることはできません。 たとえば、粒子の空気力学的特性は、密度と形状、および線形寸法に依存し、光散乱の有効サイズは屈折率と形状に依存します。

いくつかの特殊なケースでは、すべての粒子のサイズが本質的に同じです。 このようなエアロゾルは単分散であると考えられます。 例としては、天然の花粉や実験室で生成されたエアロゾルがあります。 より一般的には、エアロゾルはさまざまなサイズの粒子で構成されているため、ヘテロ分散または多分散と呼ばれます。 エアロゾルが異なれば、サイズの分散度も異なります。 したがって、エアロゾルのサイズを特徴付けるには、少なくとも XNUMX つのパラメーターを指定する必要があります。平均値や中央値などの中心傾向の尺度と、算術標準偏差や幾何標準偏差などの分散の尺度です。

単一のソースまたはプロセスによって生成された粒子は、通常、対数正規分布に従う直径を持ちます。 つまり、個々の直径の対数はガウス分布になります。 この場合、分散の尺度は幾何標準偏差であり、これは 84.1 パーセンタイル サイズと 50 パーセンタイル サイズの比率です。 複数の粒子源が重要な場合、結果として生じる混合エアロゾルは、通常、単一の対数正規分布に従わず、いくつかの分布の合計によってそれを記述する必要がある場合があります。

粒子特性

粒子には、空気中の挙動や環境や健康への影響に大きな影響を与える、線形サイズ以外の多くの特性があります。 これらには以下が含まれます:

表面。 球状粒子の場合、表面は直径の XNUMX 乗で変化します。 ただし、特定の質量濃度のエアロゾルの場合、エアロゾルの総表面積は、粒子サイズの減少とともに増加します。 非球形または凝集粒子の場合、および内部にクラックまたは細孔がある粒子の場合、表面と体積の比率は球の場合よりもはるかに大きくなる可能性があります。

ボリューム。 粒子の体積は直径の XNUMX 乗で変化します。 したがって、エアロゾル内のいくつかの最大粒子が、その体積 (または質量) 濃度を支配する傾向があります。

形状。 粒子の形状は、空気力学的抗力と表面積に影響を与えるため、粒子の運動と沈着の可能性に影響を与えます。

密度。 重力または慣性力に反応する粒子の速度は、その密度の平方根として増加します。

空力直径。 考慮中の粒子と同じ終末沈降速度を有する単位密度球の直径は、その空気力学的直径に等しい。 終末沈降速度は、重力と流体抵抗の影響下で落下する粒子の平衡速度です。 空気力学的直径は、実際の粒子サイズ、粒子密度、および空気力学的形状係数によって決まります。

エアロゾルの種類

エアロゾルは一般に、その形成過程によって分類されます。 次の分類は正確でも包括的でもありませんが、産業衛生および大気汚染の分野で一般的に使用され、受け入れられています。

ほこり。 バルク材料を同じ化学組成を持つ空気中の微粒子に機械的に再分割することによって形成されるエアロゾル。 粉塵粒子は一般に固体で不規則な形状をしており、直径は 1 mm を超えています。

ヒューム。 高温での燃焼または昇華によって形成された蒸気の凝縮によって形成された固体粒子のエアロゾル。 一次粒子は一般に非常に小さく (0.1 mm 未満)、球形または特徴的な結晶形をしています。 それらは母材と化学的に同一である場合もあれば、金属酸化物などの酸化生成物で構成されている場合もあります。 それらは高い数の濃度で形成される可能性があるため、しばしば急速に凝固し、全体的な密度の低い凝集クラスターを形成します。

煙。 一般に有機物質の燃焼生成物の凝縮によって形成されるエアロゾル。 粒子は一般に、直径が 0.5 mm 未満の液滴です。

ミスト。 例えば、霧化、噴霧化、バブリング、または噴霧によるバルク液体の機械的せん断によって形成される液滴エアロゾル。 液滴サイズは、通常約 2 mm から 50 mm 以上まで、非常に広い範囲をカバーできます。

霧。 高い相対湿度で大気核に水蒸気が凝縮することによって形成される水性エアロゾル。 液滴のサイズは一般に 1 mm を超えます。

スモッグ 煙と霧の組み合わせに由来する汚染エアロゾルの一般的な用語。 現在、大気汚染混合物に一般的に使用されています。

もや 比較的低い相対湿度で水蒸気を吸収する吸湿性粒子のサブマイクロメートル サイズのエアロゾル。

エイトケンまたは凝縮核 (CN)。 燃焼プロセスおよび気体前駆体からの化学変換によって形成される非常に小さな大気粒子 (ほとんどが 0.1 mm 未満)。

蓄積モード。 直径0.1mmから約1.0mmの範囲の周囲大気中の粒子に与えられる用語。 これらの粒子は一般に球形 (液面を有する) であり、気体前駆体に由来するより小さい粒子の凝固および凝縮によって形成されます。 急速な凝固には大きすぎ、効果的な沈降には小さすぎるため、周囲空気中に蓄積する傾向があります。

粗粒子モード。 空気力学的直径が約 2.5 mm を超える大気中の粒子で、一般に機械的プロセスと表面の粉塵の再懸濁によって形成されます。

大気汚染物質に対する呼吸器系の生物学的反応

大気汚染物質への反応は、不快なものから組織の壊死や死に至るまで、全身的な影響から単一の組織への非常に特異的な攻撃までさまざまです。 宿主および環境要因は、吸入された化学物質の影響を修正するのに役立ち、最終的な反応はそれらの相互作用の結果です。 主な宿主因子は次のとおりです。

  1. 年齢—例えば、高齢者、特に心血管機能と呼吸機能が慢性的に低下している人は、追加の肺ストレスに対処できない可能性があります
  2. 健康状態 — たとえば、併発疾患または機能障害
  3. 栄養状態
  4. 免疫学的状態
  5. 性別およびその他の遺伝的要因 - たとえば、代謝経路の欠損や特定の解毒酵素を合成できないなど、生体内変化メカニズムにおける酵素関連の違い
  6. 心理状態 - 例えば、ストレス、不安、
  7. 文化的要因 - たとえば、喫煙は通常の防御に影響を与えたり、他の化学物質の影響を増強したりする可能性があります。

 

環境要因には、曝露環境における病原体の濃度、安定性、物理化学的特性、および曝露の期間、頻度、経路が含まれます。 化学物質への急性および慢性暴露は、異なる病理学的症状を引き起こす可能性があります。

どの臓器も限られた数の方法でしか応答できず、結果として生じる疾患には多数の診断ラベルがあります. 次のセクションでは、環境汚染物質にさらされた後に発生する可能性のある呼吸器系の広範なタイプの反応について説明します。

刺激反応

刺激物は、一般化された非特異的な組織炎症のパターンを引き起こし、汚染物質と接触した領域で破壊が生じる可能性があります。 一部の刺激物は、刺激反応が全身作用よりもはるかに大きいため、全身作用を生じませんが、吸収後に重大な全身作用を有するものもあります。たとえば、肺を介して吸収される硫化水素などです。

刺激物が高濃度になると、鼻やのど (通常は目も) に灼熱感、胸の痛み、咳を引き起こし、粘膜の炎症 (気管炎、気管支炎) を引き起こすことがあります。 刺激物の例としては、塩素、フッ素、二酸化硫黄、ホスゲン、窒素酸化物などのガスがあります。 酸またはアルカリのミスト; カドミウムの煙; 塩化亜鉛と五酸化バナジウムの粉塵。 高濃度の化学的刺激物は、肺の奥深くまで浸透し、肺水腫 (肺胞が液体で満たされる) または炎症 (化学性肺炎) を引き起こすこともあります。

化学的刺激性を持たない高濃度の粉塵も気管支を機械的に刺激し、胃腸管に入ると胃がんや結腸がんの原因となる可能性があります。

刺激物にさらされると、重要な器官がひどく損傷した場合、死に至る可能性があります。 一方、損傷は元に戻せる場合もあれば、ガス交換能力の障害など、ある程度の機能が永久に失われる場合もあります。

線維化反応

粉塵の数は、慢性肺疾患と呼ばれるグループの発症につながります。 じん肺。 この一般的な用語は、肺の多くの線維性状態、つまり、間質性結合組織の瘢痕形成を特徴とする疾患を含みます。 じん肺は、肺胞内の特定の粉塵の吸入とその後の選択的な保持によるものであり、そこから間質隔離の対象となります。

じん肺は、関連する粉塵に応じてタイプとパターンが異なる特定の線維性病変によって特徴付けられます。 例えば、結晶質を含まないシリカの沈着による珪肺は結節型の線維症を特徴とし、びまん性線維症は石綿繊維への暴露による石綿症に見られる。 酸化鉄などの特定の粉塵は、機能障害を伴わずに変化した放射線 (シデロシス) のみを生成しますが、他の粉塵の影響は、最小限の障害から死亡にまで及びます。

アレルギー反応

アレルギー反応には、感作として知られる現象が含まれます。 アレルゲンに最初にさらされると、抗体形成が誘導されます。 その後、「感作」された個人が暴露されると、免疫応答、つまり抗体-抗原反応が起こります (抗原は、内因性タンパク質と結合したアレルゲンです)。 この免疫反応は、アレルゲンにさらされた直後に起こる場合もあれば、遅延反応である場合もあります。

主な呼吸器アレルギー反応は、気管支喘息、粘膜での免疫反応に続くヒスタミンまたはヒスタミン様メディエーターの放出を伴う上気道での反応、および外因性アレルギー性肺胞炎として知られる一種の肺炎 (肺の炎症) です。 これらの局所反応に加えて、全身性アレルギー反応 (アナフィラキシー ショック) がいくつかの化学アレルゲンへの暴露に続くことがあります。

感染反応

感染性病原体は、結核、炭疽菌、鳥類症、ブルセラ症、ヒストプラスマ症、レジオネラ症などを引き起こす可能性があります。

発がん反応

がんは、制御されない組織の増殖を特徴とする関連疾患群の総称です。 その発生は、宿主と環境の複数の要因が相互作用する複雑なプロセスによるものです。

特定の病原体への暴露とヒトのがんの発生を関連付ける際の大きな困難の 15 つは、暴露の開始から疾患の発現までの長い潜伏期間 (通常は 40 年から XNUMX 年) です。

肺がんを引き起こす可能性のある大気汚染物質の例は、ヒ素とその化合物、クロム酸塩、シリカ、多環式芳香族炭化水素を含む粒子、特定のニッケル含有粉塵です。 アスベスト繊維は、気管支がんや胸膜や腹膜の中皮腫を引き起こす可能性があります。 沈着した放射性粒子は、肺組織を高い局所線量の電離放射線にさらし、がんの原因となる可能性があります。

全身反応

多くの環境化学物質は、多くの標的部位に影響を与えるため、全身性疾患を引き起こします。 肺は、多くの有害物質の標的であるだけでなく、肺に損傷を与えることなく肺を通過して血流に入る有毒物質の侵入部位でもあります. しかし、血液循環によってさまざまな臓器に分配されると、それらを損傷したり、一般的な中毒を引き起こしたり、全身に影響を与える可能性があります. 職業病理学における肺のこの役割は、この記事の主題ではありません。 ただし、金属フューム熱として知られる急性全身性症候群に関連することが多い、いくつかの金属酸化物の微細に分散した微粒子 (フューム) の影響について言及する必要があります。

 

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内容

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