星期一,二月21 2011 20:04

結構與功能

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呼吸系統從鼻子和嘴巴外面的呼吸區通過頭部和胸部的導氣管延伸到肺泡,肺泡和周圍流動的毛細血管血液之間發生呼吸氣體交換。 它的主要功能是輸送氧氣(O2) 到肺的氣體交換區域,在那裡它可以擴散到肺泡壁並通過肺泡壁,根據需要在廣泛的工作或活動水平上為流經肺泡毛細血管的血液充氧。 此外,該系統還必須: (1) 從肺泡毛細血管中清除等量進入肺部的二氧化碳; (2) 維持體溫和肺氣道內的水蒸氣飽和度(以維持表面液體和細胞的活力和功能能力); (3) 保持無菌(以防止感染及其不良後果); (4) 消除多餘的表面液體和碎片,例如吸入顆粒和衰老的吞噬細胞和上皮細胞。 它必須在整個生命週期內連續完成所有這些高要求任務,並且在性能和能源利用方面以高效率完成。 該系統可能會被高濃度的香煙煙霧和工業粉塵等嚴重侵害所濫用和淹沒,或者被低濃度的特定病原體攻擊或破壞其防禦機制,或導致它們發生故障。 它能夠像往常一樣勝任地克服或補償此類侮辱,這證明了其結構和功能的優雅結合。

傳質

國際放射防護委員會 (ICRP 1994) 的一個工作組簡明扼要地總結了人類呼吸道的複雜結構和眾多功能,如圖 1 所示。導氣管,也稱為呼吸死腔,佔據約0.2升。 它們調節吸入的空氣,並通過對流(大流量)將其分配到從末端細支氣管引出的大約 65,000 個呼吸腺泡。 隨著潮氣量的增加,對流主導呼吸性細支氣管深處的氣體交換。 在任何情況下,在呼吸腺泡內,從對流潮汐前沿到肺泡表面的距離足夠短,因此有效的 CO2-O2 交換通過分子擴散發生。 相比之下,空氣中的顆粒物的擴散係數比氣體的擴散係數小幾個數量級,它們傾向於保持懸浮在潮汐空氣中,並且可以在不沉積的情況下呼出。

圖 1. 1994 年 ICRP 劑量學模型中使用的呼吸道和區域的形態學、細胞學、組織學、功能和結構。

RES010F1

吸入的顆粒中有很大一部分確實沉積在呼吸道內。 圖 2 總結了潮式呼吸吸氣相期間肺氣道中顆粒沉積的機制。空氣動力學直徑大於約 2 毫米的顆粒(具有相同終端沉降(斯托克斯)速度的單位密度球體的直徑)在較大的氣道中存在的相對較高的速度下,可能具有顯著的動量和沈積物。 大於約 1 毫米的顆粒可以通過沉澱沉積在流速非常低的較小傳導氣道中。 最後,直徑在 0.1 和 1 毫米之間的顆粒在單次潮氣呼吸中沉積的可能性非常低,可以保留在每個潮氣週期中與殘餘肺空氣交換的大約 15% 的吸入潮氣中。 這種體積交換的發生是由於肺部不同部分的氣流時間常數不同。 由於殘留空氣在肺中的停留時間要長得多,吸入潮汐空氣的這種截留體積內的 0.1 至 1 毫米顆粒的低固有顆粒位移足以導致它們在呼吸過程中通過沉降和/或擴散而沉積連續的呼吸。

圖 2. 肺氣道中顆粒沉積的機制

RES010F2

佔呼氣潮氣流量約 15% 的基本上無顆粒的殘留肺空氣往往像清潔空氣鞘一樣圍繞著向遠側移動的潮氣的軸芯,因此呼吸腺泡中的顆粒沉積集中在內部氣道分叉處等表面,而支間氣道壁幾乎沒有沉積。

沉積的顆粒數量及其沿呼吸道表面的分佈,連同沉積材料的毒性,是致病潛力的關鍵決定因素。 沉積的顆粒會損壞沉積部位或附近的上皮細胞和/或活動的吞噬細胞,或者會刺激對系統產生二次影響的液體和細胞衍生介質的分泌。 沉積為顆粒、顆粒上或顆粒內的可溶性物質可以擴散到表面液體和細胞中並通過表面液體和細胞擴散,並通過血液迅速輸送到全身。

散裝材料的水溶性不能很好地指導顆粒在呼吸道中的溶解度。 小到足以進入肺部的顆粒的非常大的表面積與體積比通常大大提高了溶解度。 此外,氣道內表面液體的離子和脂質含量複雜且高度可變,可導致溶解度增加或水性溶質快速沉澱。 此外,顆粒在氣道表面的清除途徑和停留時間在呼吸道的不同功能部位有很大差異。

修訂後的 ICRP 工作組的清除模型確定了呼吸道內的主要清除途徑,這些途徑對於確定各種放射性物質的滯留以及呼吸組織和其他器官在易位後接收的輻射劑量具有重要意義。 ICRP 沉積模型用於估計進入每個清除途徑的吸入物質的量。 這些離散路徑由圖 3 中所示的隔室模型表示。它們對應於圖 1 中所示的解剖隔室,並在表 1 中進行了總結,連同提供吸入顆粒劑量測定指導的其他小組的路徑一起進行了總結。

圖 3. 表示 1994 ICRP 模型中每個區域隨時間變化的粒子傳輸的隔間模型

RES010F3

表 1. 粒子沉積模型中定義的呼吸道區域

包括解剖結構 ACGIH地區 ISO 和 CEN 區域 1966 年 ICRP 任務組區域 1994 年 ICRP 任務組區域
鼻子、鼻咽部
口腔、口咽、喉咽
頭部氣道 (HAR) 胸外 (E) 鼻咽 (NP) 前鼻道(ET1 )
所有其他胸腔外 (ET2 )
氣管、支氣管 氣管支氣管 (TBR) 氣管支氣管 (B) 氣管支氣管 (TB) 氣管和大支氣管 (BB)
細支氣管(至終末細支氣管)       細支氣管 (bb)
呼吸性細支氣管、肺泡管、
肺泡囊,肺泡
氣體交換 (GER) 肺泡 (A) 肺 (P) 肺泡間質 (AI)

 

胸外氣道

如圖 1 所示,ICRP (1994) 將胸腔外氣道劃分為兩個不同的間隙和劑量測定區域:前鼻道 (ET1) 和所有其他胸外氣道 (ET2)——即後鼻道、鼻咽和口咽以及喉部。 沉積在前鼻道內壁皮膚表面的顆粒 (ET1) 被假定只能通過外部手段(鼻涕、擦拭等)去除。 大部分物質沉積在鼻口咽或喉部(ET2) 會在覆蓋這些氣道的液體層中快速清除。 新模型認識到超細顆粒在胸腔外氣道中的擴散沉積可能是大量的,而早期模型則沒有。

胸呼吸道

沉積在胸腔中的放射性物質通常分為氣管支氣管 (TB) 區域和肺泡間質 (AI) 區域,前者沉積的顆粒經受相對較快的粘膜纖毛清除,後者的顆粒清除速度慢得多。

出於劑量測定目的,ICRP(1994 年)將肺結核區域吸入物質的沉積分為氣管和支氣管 (BB),以及更遠端的小氣道細支氣管 (bb)。 然而,這兩種類型的氣道中的纖毛能夠清除沉積顆粒的後續效率存在爭議。 為了確定支氣管和細支氣管上皮細胞的劑量不會被低估,工作組假設沉積在這些氣道中的顆粒數量中有一半受到相對“緩慢”的粘膜纖毛清除的影響。 顆粒被粘膜纖毛系統清除得相對較慢的可能性似乎取決於它的物理尺寸。

沉積在 AI 區域的材料被細分為三個隔間(AI1,AI2 和AI3),每個都比 TB 沉積更慢地清除,子區域以不同的特徵速率清除。

圖 4. 1994 年 ICRP 模型中參考光之工作者(正常鼻子呼吸器)在每個呼吸道區域的沉積分數。

RES010F4

圖 4 描述了 ICRP (1994) 模型根據每個區域的沉積分數作為吸入顆粒大小的函數的預測。 它反映了 0.1 和 1 毫米之間的最小肺沉積,其中沉積主要由深肺中潮氣和殘餘肺空氣之間的交換決定。 沉積增加到 0.1 毫米以下,因為隨著粒徑的減小擴散變得更加有效。 隨著沉降和撞擊變得越來越有效,沉積會隨著大於 1 毫米的粒徑增加而增加。

 

 

職業健康和社區空氣污染專業人員和機構採用了不太複雜的尺寸選擇性沉積模型,這些模型已用於製定特定粒徑範圍內的吸入暴露限值。 區別在於:

  1. 那些不會被吸入鼻子或嘴裡的顆粒,因此不會造成吸入危害
  2. 可吸入的(也稱為 鼓舞人心的) 顆粒物 (IPM)——那些被吸入並沉積在呼吸道內任何地方的危險物質
  3. 胸腔顆粒物 (TPM)——那些穿透喉部並且沉積在胸腔內任何地方時都是危險的
  4. 可吸入顆粒物 (RPM) - 那些穿透末梢細支氣管並沉積在肺部氣體交換區域時具有危險性的顆粒。

 

在 1990 年代初期,IPM、TPM 和 RPM 的量化定義在國際上得到了統一。 表 1993 列舉了符合美國政府工業衛生學家會議 (ACGIH 1991)、國際標準化組織 (ISO 1991) 和歐洲標準化委員會 (CEN 2) 標準的空氣採樣器的尺寸選擇入口規格。它們與 ICRP (1994) 的沉積分數不同,特別是對於較大的顆粒,因為它們採取保守的立場,即應該為那些從事口腔吸入的人提供保護,從而繞過鼻道更有效的過濾效率。

表 2. ACGIH、ISO 和 CEN 以及 PM 的可吸入、胸腔和呼吸性粉塵標準10 美國環保局標準

可吸入 胸椎 可呼吸 PM10
粒子氣-
動態直徑(mm)
可吸入
顆粒狀
質量
(IPM) (%)
粒子氣-
動態直徑(mm)
胸椎
顆粒狀
質量 (TPM) (%)
粒子氣-
動態直徑(mm)
可呼吸
顆粒狀
質量 (RPM) (%)
粒子氣-
動態直徑(mm)
胸椎
顆粒狀
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        

 

美國環境保護署 (EPA 1987) 環境空氣顆粒濃度標準稱為 PM10,即空氣動力學直徑小於 10 毫米的顆粒物。 它具有與 TPM 相似(功能等效)的採樣器入口標準,但如表 2 所示,數值規格略有不同。

空氣污染物

污染物可以在正常環境溫度和壓力下以氣態、液態和固態形式分散在空氣中。 後兩者代表空氣中的顆粒懸浮物,並被賦予通用術語 氣溶膠 Gibbs (1924) 在類比術語的基礎上 水溶膠, 用於描述水中的分散系統。 以離散分子形式存在的氣體和蒸汽在空氣中形成真正的溶液。 由中等至高蒸氣壓材料組成的顆粒往往會迅速蒸發,因為那些小到足以在空氣中保持懸浮超過幾分鐘的顆粒(即小於約 10 毫米的顆粒)具有大的表面積與體積比。 一些具有相對低蒸氣壓的材料可以同時具有相當大的蒸氣和氣溶膠形式的分數。

氣體和蒸汽

一旦分散在空氣中,污染物氣體和蒸汽通常會形成混合物,其稀釋度如此之高,以至於它們的物理特性(例如密度、粘度、熱函等)與清潔空氣的物理特性無法區分。 這樣的混合物可以被認為遵循理想的氣體定律關係。 氣體和蒸氣之間沒有實際區別,只是後者通常被認為是一種物質的氣相,可以在室溫下以固體或液體形式存在。 當分散在空氣中時,給定化合物的所有分子在大小和被環境表面、呼吸道表面和污染物收集器或採樣器捕獲的概率方面基本相同。

氣溶膠

氣溶膠是固體或液體顆粒在空氣中的分散體,具有非常重要的顆粒尺寸附加變量。 大小影響粒子運動,因此影響物理現象的概率,如凝結、分散、沉降、撞擊表面、界面現象和光散射特性。 不可能通過單一尺寸參數來表徵給定顆粒。 例如,粒子的空氣動力學特性取決於密度和形狀以及線性尺寸,而光散射的有效尺寸取決於折射率和形狀。

在某些特殊情況下,所有粒子的大小基本相同。 這種氣溶膠被認為是單分散的。 例如天然花粉和一些實驗室產生的氣溶膠。 更典型的是,氣溶膠由許多不同尺寸的顆粒組成,因此被稱為雜分散或多分散。 不同的氣溶膠具有不同程度的尺寸分散。 因此,有必要在表徵氣溶膠尺寸時指定至少兩個參數:集中趨勢的度量,例如平均值或中位數,以及分散的度量,例如算術或幾何標準差。

由單一來源或過程產生的顆粒通常具有遵循對數正態分佈的直徑; 也就是說,它們各自直徑的對數服從高斯分佈。 在這種情況下,分散度的度量是幾何標準偏差,它是 84.1 個百分位大小與 50 個百分位大小的比率。 當一個以上的粒子源很重要時,所產生的混合氣溶膠通常不會服從單一的對數正態分佈,可能需要用幾種分佈的總和來描述它。

粒子特性

除了線性尺寸之外,顆粒還有許多特性可以極大地影響它們的空氣傳播行為及其對環境和健康的影響。 這些包括:

表面。 對於球形顆粒,表面隨直徑的平方變化。 然而,對於給定質量濃度的氣溶膠,總氣溶膠表面隨著粒徑的減小而增加。 對於非球形或聚集顆粒,以及具有內部裂紋或孔隙的顆粒,表面積與體積之比可能比球形大得多。

卷。 顆粒體積隨直徑的立方變化; 因此,氣溶膠中少數最大的顆粒往往會支配其體積(或質量)濃度。

形狀。 粒子的形狀會影響其氣動阻力及其表面積,從而影響其運動和沈積概率。

密度。 粒子響應重力或慣性力的速度隨著其密度的平方根而增加。

氣動直徑。 與所考慮的顆粒具有相同終端沉降速度的單位密度球體的直徑等於其空氣動力學直徑。 終端沉降速度是顆粒在重力和流體阻力的影響下下落的平衡速度。 空氣動力學直徑由實際顆粒大小、顆粒密度和空氣動力學形狀因子決定。

氣溶膠的種類

氣溶膠通常根據其形成過程進行分類。 儘管以下分類既不精確也不全面,但在工業衛生和空氣污染領域是普遍使用和接受的。

灰塵。 通過將散裝材料機械細分為具有相同化學成分的懸浮微粒而形成的氣溶膠。 粉塵顆粒一般呈固體狀,形狀不規則,直徑大於1mm。

煙。 由燃燒或昇華在高溫下形成的蒸氣冷凝形成的固體顆粒氣溶膠。 初級顆粒通常非常小(小於 0.1 毫米)並具有球形或特有的晶體形狀。 它們可能在化學上與母材相同,或者可能由氧化產物(例如金屬氧化物)組成。 由於它們可能以高數量濃度形成,因此它們通常會迅速凝結,形成總密度較低的聚集體簇。

抽煙。 由燃燒產物(通常是有機材料)冷凝形成的氣溶膠。 顆粒一般為直徑小於0.5mm的液滴。

霧。 通過機械剪切散裝液體形成的液滴氣溶膠,例如通過霧化、霧化、鼓泡或噴霧。 液滴尺寸可以覆蓋非常大的範圍,通常從大約 2 毫米到大於 50 毫米。

多霧路段。 水蒸氣在高相對濕度下在大氣核上凝結形成的含水氣溶膠。 液滴尺寸通常大於 1 毫米。

煙霧 一個流行的術語,指的是由煙和霧混合而成的污染氣溶膠。 它現在通常用於任何大氣污染混合物。

陰霾。 一種亞微米大小的吸濕性顆粒氣溶膠,可在相對較低的相對濕度下吸收水蒸氣。

艾特肯或凝結核 (CN)。 由燃燒過程和氣態前體化學轉化形成的非常小的大氣顆粒(大部分小於 0.1 毫米)。

積累模式。 環境大氣中直徑範圍為 0.1 至約 1.0 毫米的顆粒的術語。 這些顆粒通常是球形的(具有液體表面),並且通過源自氣態前體的較小顆粒的凝結和冷凝形成。 由於太大而無法快速凝結,太小而無法有效沉降,它們往往會積聚在周圍空氣中。

粗顆粒模式。 空氣動力學直徑大於約 2.5 毫米的環境空氣顆粒,通常由機械過程和表面灰塵再懸浮形成。

呼吸系統對空氣污染物的生物學反應

對空氣污染物的反應範圍從滋擾到組織壞死和死亡,從普遍的全身效應到對單個組織的高度特異性攻擊。 宿主和環境因素用於改變吸入化學物質的影響,最終的反應是它們相互作用的結果。 主要的宿主因素有:

  1. 年齡——例如,老年人,尤其是心血管和呼吸功能長期下降的人,他們可能無法應對額外的肺部壓力
  2. 健康狀況——例如並發疾病或功能障礙
  3. 營養狀況
  4. 免疫狀態
  5. 性別和其他遺傳因素——例如,生物轉化機制中與酶相關的差異,例如代謝途徑缺陷,以及無法合成某些解毒酶
  6. 心理狀態——例如壓力、焦慮和
  7. 文化因素——例如,吸煙可能會影響正常防禦,或可能會增強其他化學物質的作用。

 

環境因素包括藥劑在暴露環境中的濃度、穩定性和理化性質以及暴露的持續時間、頻率和途徑。 急性和慢性接觸化學品可能導致不同的病理表現。

任何器官都只能以有限的幾種方式做出反應,並且由此產生的疾病有許多診斷標籤。 以下部分討論了暴露於環境污染物後可能發生的呼吸系統的主要反應類型。

刺激反應

刺激物會產生一種普遍的非特異性組織炎症模式,並且可能會在接觸污染物的區域造成破壞。 有些刺激物不會產生全身效應,因為刺激反應比任何全身效應都要大得多,而有些刺激物在吸收後也會產生顯著的全身效應——例如,通過肺部吸收的硫化氫。

在高濃度下,刺激物可能會引起鼻子和喉嚨(通常還有眼睛)的灼燒感、胸部疼痛和咳嗽,從而導致粘膜發炎(氣管炎、支氣管炎)。 刺激物的例子有氯氣、氟氣、二氧化硫、光氣和氮氧化物等氣體; 酸霧或鹼霧; 鎘煙霧; 氯化鋅和五氧化二釩粉塵。 高濃度的化學刺激物也可能深入肺部,引起肺水腫(肺泡充滿液體)或炎症(化學性肺炎)。

沒有化學刺激性的高濃度粉塵也會機械刺激支氣管,進入胃腸道後,還可能導致胃癌和結腸癌。

如果重要器官嚴重受損,接觸刺激物可能會導致死亡。 另一方面,損害可能是可逆的,或者可能導致某種程度的功能永久喪失,例如氣體交換能力受損。

纖維化反應

許多粉塵導致一組慢性肺部疾病的發展,稱為 塵肺病。 這個通用術語包括許多肺部纖維化病症,即以間質結締組織中疤痕形成為特徵的疾病。 塵肺病是由於肺泡中某些粉塵的吸入和隨後的選擇性滯留,它們從肺泡中受到間質隔離。

塵肺病的特徵是特定的纖維化病變,其類型和模式因所涉及的粉塵而異。 例如,由於無結晶二氧化矽的沉積,矽肺病的特徵是結節型纖維化,而由於接觸石棉纖維,在石棉肺中發現瀰漫性纖維化。 某些粉塵,如氧化鐵,只會產生改變的放射學(鐵質沉著症)而不會造成功能障礙,而其他粉塵的影響範圍從輕微殘疾到死亡不等。

過敏反應

過敏反應涉及稱為致敏的現象。 最初接觸過敏原會導致抗體形成; 現在“敏感”的個體隨後接觸會導致免疫反應,即抗體-抗原反應(抗原是與內源性蛋白質結合的過敏原)。 這種免疫反應可能在接觸過敏原後立即發生,也可能是延遲反應。

主要的呼吸道過敏反應是支氣管哮喘,上呼吸道反應涉及粘膜免疫反應後組胺或組胺樣介質的釋放,以及一種稱為外源性過敏性肺泡炎的肺炎(肺部炎症)。 除了這些局部反應外,全身性過敏反應(過敏性休克)可能會在接觸某些化學過敏原後發生。

傳染性反應

傳染性病原體可引起結核病、炭疽病、鳥類病、布魯氏菌病、組織胞漿菌病、軍團病等。

致癌反應

癌症是一組以組織不受控制的生長為特徵的相關疾病的總稱。 它的發生是由於宿主與環境中多種因素相互作用的複雜過程。

試圖將暴露於特定試劑與人類癌症發展聯繫起來的最大困難之一是從暴露開始到疾病表現之間的潛伏期很長,通常為 15 至 40 年。

可導致肺癌的空氣污染物包括砷及其化合物、鉻酸鹽、二氧化矽、含有多環芳烴的顆粒和某些含鎳粉塵。 石棉纖維可導致支氣管癌和胸膜及腹膜間皮瘤。 沉積的放射性粒子可能會使肺組織暴露於高局部劑量的電離輻射中,並成為癌症的誘因。

全身反應

許多環境化學物質由於它們對許多靶位點的影響而產生全身性疾病。 肺部不僅是許多有害物質的目標,而且是通過肺部進入血液而對肺部沒有任何損害的有毒物質的進入部位。 但經血液循環分佈至各臟器時,可對其造成損害或引起全身中毒,產生全身作用。 肺在職業病理學中的這種作用不是本文的主題。 然而,應該提到通常與稱為金屬煙熱的急性全身綜合徵相關的幾種金屬氧化物的精細分散顆粒(煙霧)的影響。

 

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