3. Depunerea și retentia elementelor particuiate ia nivelul aparatului respirator Elementul esențial în ceea ce privește răspunsul biologic la… [311089]

3. Depunerea și retentia elementelor

particuiate ia nivelul aparatului

respirator

Elementul esențial în ceea ce privește răspunsul biologic la agresiunea PM este doza care ajunge la siturile țintă și nu nivelul expunerii exterioare. [anonimizat].

Acțiunea particulelor asupra țesuturilor țintă depinde de fenomenul inițial de 3epunere și în consecință de reținerea ulterioară a acestora în interiorul tractului •espirator. După ce particulele s-au depozitat pe suprafața interioară a tractului •espirator, ele devin ulterior ținta fie a unui proces de absorbție fie a unui proces de Îndepărtare de la nivelul căilor și al tractului respirator.

Clearance-[anonimizat], elemente ce pot influența fenomenul de îndepărtare a acestora. încărcătura de particule reținută poate fi determinată printr-o relație dinamică între depunere și rata x clearance.

Cantitatea de particule ce se reține la nivel respirator este condiționată de o serie de factori cum ar fi:

[anonimizat],

[anonimizat],

[anonimizat]:

• [anonimizat] a [anonimizat]

• prezența unor elemente celulare la nivel respirator.

[anonimizat].

3.1. Caracterizarea dimensiunilor particulelor

Majoritatea aerosolilor din mediu sunt polidispersați ceea ce înseamnă că particulele constituente ale unui aerosol se întind pe un interval de dimensiuni. Acest interval de dimensiuni se poate descrie prin intermediul unor parametri de distribuție a mărimilor. [anonimizat], situație în care logaritmii diametrelor particulelor sunt distribuite normal.

Media geometrică este mediana distribuției și variabilitatea în jurul tendinței centrale reprezintă deviația standard geometrică (og). og este un termen fără dimensiune și reprezintă raportul dintre 84 % (sau 16%) din dimensiunea particulei și 50% din dimensiune. Este nevoie deci de numai de doi parametri pentru a descrie o [anonimizat] a dimensiunilor particulelor pentru un anume aerosol și anume valoarea mediană a diametrului și deviația standard geometrică.

Distribuția dimensiunilor poate fi obținută pe mai multe căi și anume:

[anonimizat] „diametrul median numărat";

[anonimizat] „diametrul median de masă";

Dacă distribuția se face pe baza diametrului aerodinamic al aeroso
lului se folosește termenul de „diametru aerodinamic median de
masă" pentru mediana distribuției. [anonimizat]-se cont de diametrul aerodina
mic echivalent.

Cea mai folosită abordare este cea a determinării diametrului aerodinamic median de masă dar pentru particule cu dimensiuni mai mici de 0.5 um trebuie să fie luate în considerare și alte căi de evaluare a distribuției deoarece la aceste particule proprietățile aerodinamice sunt mai puțin importante.

3.2. Structura tractului respirator

Din punct de vedere al dozimetriei particulelor, tractul respirator se poate împărții în trei segmente și anume:

Segmentul extratoracic (ET),

Segmentul traheo-bronșic (TB) și

Segmentul alveolar (A).

Segmentul extratoracic cuprinde căile oro-nazale până la laringe prin care aerul împreună cu particulele trec într-o primă fază. La om poate apare tipul de respirație oro-nazală având atât componenta respiratorie la nivelul nasului cât și la niveiul cavității bucaie. Din sectorul extratoracic, aerul pătrunde în segmentui traheobronșic ajungând de la nivelul traheei până la cele mai îndepărtate puncte ale ramificației bronșice.

Bronhiolele terminale reprezintă punctele terminale ale ramificației broșice iar de aici se ajunge la nivelul ultimului segment și anume la nivelul sectorului alveolar. Aici este segmentul unde se produce schimbul gazos la nivel alveolo-capilar și anume la nivelul bronhiolelor respiratorii, la nivelul duetelor alveolare, a sacilor alveolari și a alveolelor ca atare.

în jurul conductelor aeriene, cu excepția traheei și a bronhiilor mari, se găsește țesut parenhimatos pulmonar compus în totalitate din elementele segmentului alveolar la care se asociază prezența vaselor sanguine și limfatice. Mai trebuie amintit și faptul că de-a lungul diferitelor segmente ale tractului respirator există o varietate foarte mare de tipuri de elemente celulare iar între cele trei segmente ce formează structura aparatului respirator există diferențe majore între celulele ce tapetează căile aeriene.

3.3. Depunerea particulelor la nivelai tractului respirator

Mecanismele de depunere a particulelor la nivelul tractului respirator sunt multiple și anume:

Impact inerțial,

Sedimentare,

Difuzie,

Precipitare electrostatică și

Interceptare.

în interiorul tractului respirator, la nivelul căilor aeriene, aerul care intră poate să prezinte modificări de direcție și orientare precum și modificări ale vitezei. Aceste elemente fac ca unele particule să nu mai urmeze fluxul aerian și să vină în contact cu suprafețele interiore ale tractului respirator.

în segmentul extratoracic și în cel traheo-bronșic, fluxul aerian se caracterizează printr-o viteză mare a aerului precum și prin modificări bruște ale direcției acestuia. Aceste elemente fac ca mecanismul principal care acționează în depozitarea particulelor să fie cel al impactului inerțial mai ales pentru particule mai mari de 2 um ca diametru aerodinamic echivalent (AED).

Asupra tuturor corpurilor aflate în câmpul gravific al Pământului acționează forța gravității, ceea ce înseamnă că și asupra particulelor, aflate în interiorul acestui câmp, acționează această forță. Particulele asupra cărora influența acestei forțe este cea mai puternică sunt acelea care au un AED mai mare de 1 pm. 0 particulă va atinge viteza de sedimentare atunci când se va stabili un echilibru între forța gravitații și rezistența aerului iar sedimentarea se va efectua când particulele intră în contact cu suprafața interioară a căilor respiratorii.

Depunea particulelor din același domeniu de dimensiuni poate fi efectuată prin intermediul atât al sedimentării cât și prin intermediul impactului inerțial. Aceste procese au loc în special în segmentul extratoracic precum și în segmentul traheo-bronșic al arborelui respirator. Impactul inerțial poate fi dominant în căile respiratorii superioare iar sedimentarea gravitațională domină în căile aeriene mai mici.

în ceea ce privește grupul de particule a căror diametru fizic este mai mic de lum, mecanismul ce guvernează depunerea acestora în interiorul tractului respirator este reprezentat de cel al difuziei datorată ciocnirii cu moleculele de aer.

Particulele ce au dimensiuni cuprinse între 0.2-1.0 um sunt particule cu dimensiuni prea mici pentru ca depunerea lor să fie realizată prin impact sau prin sedimentare și sunt destul de mari pentru ca depunerea lor să fie influențată prin difuzie. Aceste particule sunt cele ce persistă in fluxul aerian inhalat și au cel mai redus grad de depunere în tractui respirator.

Fenomenul de intercepție reprezintă depozitarea particulelor prin contactul direct cu suprafața interioară a căilor aeriene. Acest fenomen depinde de

dimensiunile fizice ale particulelor. Fibrele inhalate sunt depozitate la nivel respirator în special prin procesul de intercepție iar lungimea acestora influențează gradul lor de depozitare.

Precipitarea electrostatică este mecanismul prin care se realizează depozitarea particulelor în relație cu încărcătura acestora. Sarcina minimă a unui aerosol este zero. Acest aspect este foarte rar atins datorită faptului că aerosolii se pot încărca prin coliziune cu aeroioni. Aerosolii pot să își piardă încărcătura electrică deoarece ei atrag aeroioni cu încărcătură opusă. Astfel, se stabilește un echilibru al acestui proces. Echilibrul acestui proces se numește echilibru Bolzmann și reprezintă distribuția sarcinii unui aerosol într-un echilibru al sarcinilor cu ioni bipolari. Sarcina minimă poate fi foarte redusă. Astfel, din punct de vedere probabilistic, se poate accepta că într-un aerosol pot să fie particule ce nu au sarcină și altele care să aibă una sau mai multe sarcini negative sau pozitive.

Prezența unei sarcini electrice la nivelul particulei duce la creșterea depunerii la nivelul tractului respirator, la unele particule mai mult decât am estima numai datorită dimensiunilor. Efectul încărcăturii electrice asupra fenomenului de depunere a particulelor la nivel respirator este invers proporțional cu dimensiunile particulei sau cu rata fluxului aerian. Totuși, acest mecanism de depozitare a particulelor la nivel respirator are un rol minor în comparație cu contribuția turbulenței fluxului aerian din conductele tractului respirator și a altor mecanisme ce întră în funcțiune pentru depozitare particulelor din aer. Totuși, depozitarea particulelor ultrafine cu dimensiune de 0.02 um și particulele fine cu diametrul de 0.125 um care au o încărcătură electrică este cu de 5-6 ori mai mare decât a particulelor care nu au încărcătură electrică și de 2-3 ori mai mare față de particulele ce de află în echilibru Bolzmann (Cohen și colab., 1998). Acest fapt dovedește că, în anumite situații cum ar fi expunerea interioară la fum de tutun sau expunerea de la locul de muncă, mecanismul precipitării electrostatice poate avea un rol important în depozitarea particulelor ultrafine și fine la nivelul traheo-bronșic. Influența acestui mecanism este, însă, minimă în ceea ce privește aerosolii ce pot fi identificați în mediul urban.

3.4. Modelai de depozitare a părticelelor la nivelai tractatul respirator

Pentru a evalua corect efectele pe sănătate asociate cu expunerea la poluarea aerului cu particule trebuie studiate locurile unde se depozitează pulberile în tractul respirator. Particulele depozitate în diferite regiuni ale tractului respirator sunt supuse unor diferențe mari de acțiune ale mecanismului de clearance muco-ciliar, de timp și model de depozitare.

Aerul ambiant contfne particule care de multe ori sunt prea mari pentru a fi inhalate. Particule capabile de a fi inhalate sunt acele particule ce pot fi incluse în intervalul de dimensiuni capabile să pătrundă în tractul respirator. Capacitatea particulelor de a fi inhalate poate fi definită prin raportul între concentrația particulelor cu un anumit diametru aerodinamic, diametru ce le permite acestora să fie

inspirate prin intermediul cavității nazale sau a cavității bucale, raportat la concentrația de particule de un diametru similar prezente în aerul ambiant (International Commission on Radiological Protection, 1994). Pentru oameni, particule cu diametru mai mare de 100 um au o probabilitate scăzută de a pătrunde prin cavitatea nazală sau bucală în condiții de calm atmosferic dar nu este definită cu claritate o limită spre zero. în plus, nu există o limită inferioră a potențialului particulelor de a fi inhalate deoarece există posibilitatea ca unele particule să depășească dimensiunile critice prin agregare cu unități atomice sau moleculare și a forma elemente stabile, spre deosebire de ionii liberi sau de moleculele de gaz.

3.4.a. Depunerea totală Ia nivelai tractatul respirator

Depunerea totală a particulelor la nivelul aparatului respirator este funcție de dimensiunile particulelor. Depunerea la nivelul regiunii extratoracice (ET) a particulelor ce au pătruns prin intermediul inspirului prin cavitatea nazală este mai mare decât depozitarea particulelor ce au pătruns prin intermediul cavității bucale. Acest lucru se datorează capacității de filtrare mai ridicate ce apare în situația pasajului nazal, ceea ce s-ar traduce printr-o reținere superioară în situația respirației nazale pentru particulele mai mari de 1 um. Pentru particulele cu diametrul aerodinamic mai mare de 1 um, reținerea în tractul respirator se realizează prin impact și prin sedimentare și se mărește atunci când crește valoarea diametrului aerodinamic echivalent (AED). Atunci când AED este mai mare de 10 um, aproape toate particulele inhalate sunt depozitate.

Când dimensiunile particulelor scad și ajung să fie « 0,5 um, depunerea lor se face dominant prin difuzie și depozitarea depinde mai ales de diametrul fizic al particulelor. Scăderea diametrului particulelor duce la o creștere a depunerii totale a acestora. Depunerea totală arată o valoare minimă pentru particule cu diametru cuprins în intervalul de mărime 0.2-1.0 um, interval de dimensiuni asupra căruia nu sunt eficace nici mecanismele de sedimentare, de impact sau de difuzie. Nivelul de depunere nu atinge niciodată valoarea zero datorită faptului că apare un amestec între particulele din flux-volumul respirator și cantitatea de aer rezidual care aproape nu conține particule și care se găsește la nivelul plămânului. Particulele pătrunse odată cu fluxul respirator, particule care rămân la nivel profund în plămâni, vor fi depuse.

Depunerea particulelor la nivelul plămânilor este influențată nu numai de dimensiunea particulelor ci și de modelul respirator, model în care este inclus flux-volumul, frecvența respirațiilor și calea prin care se respiră. Depunerea particulelor crește proporțional cu creșterea flux-volumului la o anumită rata a fluxului și cu creșterea ratei de flux la un anumit timp respirator.

Figura 3.2. Depunerea totală a particulelor la nivelul tractulul respirator

Pentru fracțiunea ultrafină de particule, respectiv medul ultrafin sau acele particule ce au diametrul mai mic de 0.1 um, informațiile privind depunerea acestora sunt relativ puține. Pentru acestea este important de determinat potențialul lor agresiv. Fracția totală de depunere pentru particulele ultrafine crește invers proporțional cu dimensiunile particulelor și cu un model respirator cu un timp de respirație mai lung, un model care este concordant cu mecanismul de depozitare prin difuzie. Există o diferență în depunerea particulelor ultrafine egale cu 0.04 um între bărbați și femei.

O proprietate specifică unor particule este capacitatea acestora de a fi higroscopice. De exemplu, în mediu se pot găsi particule higroscopice cum ar fi sulfații, nitrații, și chiar unele elemente organice. în aerul cu o umiditate mare aceste particule își pot mări dimensiunile în interiorul tractului respirator și atunci când sunt inhalate vor fi depuse în acord cu dimensiunile lor hidratate, dominant față de

dimensiunile lor inițiale. în comparație cu particulele de aceleași dimensiuni dar care nu au proprietatea de a fi higroscopice, depunerea aerosolilor higroscopici la nivelul plămânilor poate fi mai mare sau mai mică, în funcție de dimensiunea inițială. De aceea, pentru particulele cu dimensiuni mai mari decât -0.5 pm, influența calităților higroscopice va duce la o creștere a depunerii totale cu o deplasare a depunerii de la nivelul zonelor periferice spre zonele centrale sau spre regiunea extratoracică în timp ce pentru particulele mici, depunerea totală tinde să scadă.

3.4.1». Depanerea la nivelai regimnil extratoracice

Fracțiunea de particule inhalate ce se depune la nivelul regiunii extratoracice este dependentă de dimensiunile particulelor, de rata fluxului, de frecvența respiratorie și de calea prin care pătrund în tractul respirator și anume fie pe cale orală sau pe cale nazală, precum și de parcursul drumului străbătut de fluxul aerian.

Respirația prin cavitatea nazală beneficiază de posibilități de filtrare datorită structurilor specifice ce se găsesc la nivelul nasului. în cazul respirației orale aceste filtre nu există ceea ce va duce la o creșterea a depunerii particulelor la nivel pulmonar în regiunea traheo-braonșică și la nivelul regiunii alveolare. Regiunea extratoracică este locul unde se realizează primul contact cu particulele inhalate și acționează de fapt ca un „prefiltru" pentru plămâni.

Depunerea particulelor este mai mare la nivelul zonei nazo-faringo-traheale față de zona oro-faringo-traheală.

Depunerea particulelor în zona extratoracică depinde în primul rând de dimensiunile particulelor mai mult decât de rata fluxului. Depunerea totală a particulelor în regiunea extratoracică crește pe măsură ce diametrul particulelor crește.

în ceea ce privește grupul particulelor ultrafine, ș-a constat că particule cu dimensiuni cuprinse între 0.3-2.5 um sunt depuse într-o proporție mai mare în timpul pasajului nazal față de situația pasajului oral. Depunerea la nivel nazal crește dacă rata de flux este mai mare iar elementul ce influențează depunerea este viteza liniară a aerului la nivelul nasului.

Pentru particulele ultrafine (Dp<0.1um), depunerea la nivelul regiunii extrato-racice este controlată prin difuzie, care la rândul ei este dependentă numai de diametrul geometric al particulei.

Pasajul nazal este mult mai eficient pentru depunerea particulelor ultrafine, ajungând până la un procent cuprins între 94-99% din totalul particulelor inhalate. în ceea ce privește relația dintre depunerea particulelor și rata fluxului, rezultatele diferitelor studii sunt contradictorii (Swift și Strong, 1996, Lennon și colab., 1998).

Ceea ce este însă constant este faptul că mecanismul de difuzie este principalul mecanism ce este folosit pentru depunerea particulelor ultrafine. Acest element are implicații în ceea ce privește evaluarea agresivității particulelor datorită faptului că o eficientă filtrare a aerului inhalat încărcat cu particule va duce la micșorarea probabilității depunerii particulelor ultrafine la nivelul pulmonar.

La niveiui iaringelui și traheei, turbulența aerului joacă un roi major în augmentarea proporției de particule depuse la acest nivel.

în concluzie, se poate spune că ia nivelul regiunii extratoracice și în mod deosebit cavitatea nazală, acționează ca un filtru deosebit de eficient pentru nanoparticule respectiv particule cu dimensiuni mai mici de 0.1 p precum și pentru particule mari cu dimensiuni mai mari de 5 um. în acest fel se reduce cantitatea de particule de dimensiuni variate care vor ajunge să se depună la nivelul zonelor traheo-bronșice și alveolare.

3.4.e. Depunerea partlealelor Ui nivelai zonei traheo-nronșiee și ta nivelai zonei alveolare

Particulele ce trec de segmentul extratoracic ajung în plămâni și vor fi depuse la nivelul celorlalte segmente respectiv la nivelul segmentului traheo-bronșic sau la nivelul segmentului alveolar. Cu privire la depunerea particulelor în aceste două segmente trebuie precizat cu se dispune de măsurători precise. Datele cunoscute sunt obținute din experimente pe animale, prin folosirea particulelor radioactive cu solubilitate redusă și prin intermediul tehnicii de administrare de bolusuri seriate.

Folosind tehnica bolusurilor a fost măsurat gradul de depunere atât a aerosolilor de dimensiuni mari (Kim și colab., 1996, Kim și Hu, 1998) precum și a aerosolilor ultrafini (Kim și Jacques, 2000). Metoda bolusurilor seriate recurge la folosirea unor aerosoli nonradioactivi și poate estima depunerea într-un număr nelimitat de compartimente pulmonare.

Evaluarea depunerii de la nivelul segmentuluf traheo-bronșic și al segmentului alveolar a fost făcută atât pentru bărbați cât și pentru femei, pentru particule cu diametre cuprinse între 0.04 um până la 5 pm.

Pentru bărbați s-a constat o depunere totală cuprinsă între 24-32% din totalul particulelor depuse cu dimensiuni egale cu 0.04-, 0.06-, 0.08- și 0.10 um la nivelul regiunii traheo-bronșice și de 67-76% la nivelul regiunii alveolare.

în cazul femeilor, depunerea particulelor a fost mai mare în regiunea traheo-bronșică, între 21-48% iar în regiunea alveolară depunerea a fost ușor mai scăzută decât în cazul bărbaților.

în ceea ce privește depunerea totală a particuleleor ultrafine a fost ușor mai mare pentru femei și anume între ~5%-14%. Pentru particulele de 1-, 3-,5- um, la bărbați s-a identificat un procent de depunere între 16-37% în regiunea traheo-bronșică și de 57%-83% în regiunea alveolară. La femei, depunerea particulelor de dimensiunile amintite a fost între 27-68% dar era comparabilă sau chiar ușor mai redusă pentru regiunea alveolară față de procentul de depunere de la bărbați. Depunerea totală de la nivelul plămânului a fost ușor mai mare pentru femei față de bărbați și 3nume de ~ 16-22%.

în concluzie, se poate spune că depunerea atât a particulelor mari cât și a particulelor ultrafine la nivelul segmentului traheo-bronșic pulmonar este mai mare pentru femei decât pentru bărbați.

Particulele ultrafine, ce ajung până la nivelul spațiului unde se desfășoară schimburile gazoase, sunt depuse la bifurcația căilor aeriene atunci când sunt în concentrații mari.

Indiferent de natura minerală a particulelor, de formă sau de concentrație, particulele inhalate care au dimensiuni suficient de mici ca să poată trece prin conductele aeriene sunt depuse în primul rând la nivelul bifurcațiilor duetelor alveolare. Modelul de depunere la nivelul bifurcației duetelor alveolare este rezultatul

caracteristicilor fluxului aerian. Acesta determină o creștere a depunerii particulelor la nivelul bifurcațiilor duetelor și este similar modelului de depunere a particulelor la nivelul bifurcației conductelor aeriene, în general. în ceea ce privește fibrele, cum ar fi de exemplu fibrele de azbest ce pot trece prin căile aeriene, ele se depun la nivelul bifurcațiilor duetelor alveolare. Cu cât o bifurcație a duetului alveolar este mai depărtată față de bronhiola terminală, cu atât se observă mai puține fibre, azbest în cazul de mai sus.

3.4.d. Distribuția locală a depwwrU particulelor

Structura căilor aeriene precum și modelul de pătrundere al fluxului aerian sunt extrem de complexe iar distribuția aerului este neomogenă în diferite părți din plămân. De aceea, modelul de distribuție al depunerii particulelor în toate cele trei segmente pulmonare respectiv în segmentul extratoracic, traheo-bronșic și alveolar este foarte neuniform observându-se valori mai mari a depunerii particulelor decât o valoare medie.

Eficiența depunerii la fiecare bifurcație crește odată cu creșterea numărului Stokes. Numărul Stokes este utilizat pentru a caracteriza abilitatea particulelor de a urmări un anumit parcurs al fluxului aerian în regim curbiliniu. Cu cât numărul Stokes crește cu atât particulele nu mai au capacitatea de a urma un flux în jurul unui obstacol și probabilitatea de a se lovi de obstacol crește (Hinds, 1999). Analiza modelului de depozitare a arătat o depunere foarte localizată la nivelul și în imediata vecinătate a fiecărei margini de bifurcație, indifereant de ramificații și de modelul de flux.

Particulele de dimensiuni mari precum și particulele de dimensiuni mici se depun în punctele de bifurcație ale căilor aeriene, afirmație valabilă chiar și pentru calea respiratorie superioară.

Prin studierea efectului spațiului anatomic inert (anatomic dead space – ADS) s-a observat că fracția depozitată în căile aeriene intratoracice variază între 0.04-0.43 și crește cu micșorarea ADS. Doza de depozitare la nivelul căilor aeriene intratoracice a fost mai mică la subieții cu dimensiuni mai reduse ale spațiilor aeriene. O doză mai redusă de depozitare s-a observat la femei datorită unor căi intratoracice mai reduse, cu dimensiunea spațiilor aeriene mai mică. S-a observat o depozitare mai mare la nivelul plămânului stâng față de plămânul drept. Valoarea raportului stâng/drept (raportul de depozitare în plămânul stâng față de cel drept funcție de raportul volumului plămânului drept față de volumul plămânului stâng) a fost de 1.58 ±0.42. Reținerea particulelor insolubile în căile bronșice mari a fost semnificativă la 24 de ore după depozitare respectiv 1.40 la plămânul drept și 1.82 în cel stâng.

Kim și Jacques (2000) au observat prin utilizarea tehneii bolusului că, pentru particulele ultrafine 0.04-0.1, depozitarea variază foarte mult în profunzimea tractuiui respirator. Depozitarea regională a particulelor mari cu dimensiuni cuprinse între 1.0-5.0 um este mult mai puțin variabilă. Modelul de depozitare pentru particulele

ultrafine, mai ales pentru cele foarte mici, este similar celui de depozitare a particulelor mari.

3.4.e. Factorii biologici ee inftaențeaza depozitarea particalelor

Dintre factorii biologici care pot influența comportamentul și depunerea particulelor în interiorul tractului respirator se pot număra:

Sexul,

Vârsta,

Prezența bolilor tractului respirator,

Elemente de variabilitate anatomică.

Sexul

Bărbații și femeile au dimensiuni diferite ale corpului, dimensiuni diferite ale căilor respiratorii și parametri ventilatori diferiți. Din aceste motive, sexul poate favoriza apariția de diferențe în depunerea particulelor în interiorul tractului respirator. Deși, modelul respirator este similar pentru ambele sexe, regiunile de depozitare fracționată cu valori mari sunt situate mai aproape de cavitatea bucală. De asemenea și valorile vârfurilor de încărcare sunt ușor mai mari la femei decât la bărbați, indiferent de condițiile de expunere.

Vârsta

Structura și condițiile respiratorii variază cu vârsta și aceste variații pot altera modelul de depunere al particulelor inhalate.

în studiile efectuate s-a observat că eficiența depunerii scade pe măsura avansării în vârstă pentru o anumită dimensiune de particule și pentru o anumită rată a fluxului. Oldham și colab., 1997, a arătat că eficiența depunerii totale este mai mare la copil decât la adult.

Există o relație inversă între înălțime și depunerea extratoracică. Un studiu efectuat pe copii sub 14 ani în comparație cu un grup de copii peste 14 ani a arătat că depunerea extratoracică a fost mai mare la primii față de cea de-a doua grupă, cei sub 14 ani având aproape dublu față de cei peste 14 ani. Nu apar diferențe între aspectul plămânilor și gradul de depozitare al pulberilor la nivelul tractului respirator între copil și adult. Datorită faptului că depunerea extratoracică este influențată de vârstă iar fenomenul de depunere totală nu, se sugerează faptul că la copii regiunea extratoracică, prin caracteristicile sale, are o acțiune mai eficientă în filtrarea și eliminarea particulelor care în alte condiții ar ajunge până la nivelul segmentului traheo-bronșic. Totuși, datorită faptului că la copil, plămânii sunt mai mici decât la adult, copilul poate avea aceeași grad de depozitare pe unitatea de suprafață ca și adultul.

Nu s-au evidențiat diferențe între copii în ceea ce privește depozitarea particulelor indiferent de vârstă.

Nu s-au evidențiat diferențe semnificative în depozitare între copii și adolescenți, între copii și adulți sau între adolescenți și adulți. Totuși, datorită faptului că la copii raportul minut-volum fată de dimensiunile plămânilor este mai mare. este

probabil ca ei să primească o cantitate mai mare de particule pe unitatea de suprafață spre deosebire de adulți. Un studiu ce a avut ca obiectiv evaluarea fracționată a depunerii particulelor, în funcție de fiux-volum, a arătat că rata de depozitare la copii este cu 35% mai mare decât la adolescent sau la adult. Totuși acest element nu reprezintă o evidență fără echivoc că există diferențe semnificative în depozitarea particulelor între adulți și copii. Trebuie menționat faptul că diferența de activitate între adulți și copii, în sensul că cei din urmă pot avea activități pe parcursul zilei mai intense, duce la creșterea minut-volumului. Astfel, este probabil să apară o diferență în creșterea cantității particulelor ce se depun la nivel respirator și acest element poate fi legat de vârstă.

Un alt subgrup populațional care poate reprezenta un grup cu susceptibilitate la particulele din aer este grupul vârstnicilor.

3.4.1. Prezent» bolilor tractatei respirator

Bolile tractului respirator pot afecta atât structura arborelui bronșic cât și performanțele ventilatorii pulmonare. Aceste boli pot determina alterări în procesul de depunere a particulelor la indivizii bolnavi în comparație cu indivizii sănătoși. Astfel, persoane cu bronhopneumopatie cronică obstructivă (BPOC) au un model de depunere a particulelor foarte neomogen cu diferențe mari de depunere între diferitele regiuni pulmonare, în comparație cu un om sănătos. Persoanele suferinde de astm sau de boli pulmonare obstructive tind să aibă un grad mai mare de depunere a particulelor la nivel traheo-bronșic față de un om sănătos. Mai mult decât atât, ei tind să aibă o relație inversă între prezența bronhoconstricției și un grad mai mare de depozitare a particulelor la nivelul regiunii alveolare. Gradul de depozitare totală a particulelor în tractul respirator crește odată cu creșterea gradului de obstrucție. Mărirea gradului de depozitare a fost asociat cu prezența bronșitei cronice ca o componentă a BPOC-ului față de componenta emfîzematoasă.

într-un studiu efectuat de Kim and Kang, 1997, s-a constatat că fracția de depozitare a fost cu 16% mai mare la fumători, cu 49% mai mare la fumătorii ce sufereau de afectarea căilor aeriene mici, cu 59% mai mare la astmatici și cu 103% la cei ce sufereau de BPOC fața de oamenii sănătoși. Cei cu BPOC au înregistrat valori semnificatv mai mari spre deosebire de astmatici sau cei cu afectarea căilor aeriene mici. Fracția de depozitare a fost corelată cu valorile volumului expirator forțat (FEVi) și cu fluxul expirator forțat( FEF2s-75%)- Valoarea rezistenței la flux nu a putut fi corelată cu depunerea totală a particulelor la nivel pulmonar. Kohlhăufl și colab., 1999 au arătat o creștere a depunerii particulelor fine de 0.9 um la femei ce aveau o hiperresponsivitate crescută bronșică.

Depunerea particulelor poate fi afectată de prezența unor boli respiratorii. Depunerea totală crește cu obstrucția căilor respiratorii, indiferent de distribuția depunerii în sectorul traheo-bronșic și alveolar. Fluxul aerian este neuniform în situația unui plămân bolnav datorită unui model de obstrucție neuniform. Pot fi căi

aeriene mici ce țx>t fi obstruate ceea ce va face ca o anumită parte a plămânului să fie inaccesibilă. în acesta situație, particulele pot pătrunde adânc la nivelul căilor aeriene libere ceea ce va face ca depunerea particulelor să crească local în regiunile ventilate activ și în mod deosebit la nivelul segmentului alveolar.

3.4.g. Elemente «te variabilitate anatomică

Pot apare variații în gradul de depozitare a particulelor la nivel pulmonar datorită nu numai sexului, vârstei sau prezenței unor boli pulmonare ci și datorită unor caracteristici anatomice cum ar fi: dimensiunea cavității nazale, rolului spațiului anatomic inert (anatomic dead space – ADS) sau datorită structurii laringelui.

ș

3.5. Mecanismul de dearance pulmonar

Particulele ce se depozitează la nivelul tractului respirator pot fi eliminate complet sau pot fi mutate spre alte locusuri din organism printr-o serie de mecanisme diverse. Mecanismele de dearance pulmonar pot fi:

Mecanisme absorbtive ce produc o dizolvare a particulelor și

Mecanisme non-absorbtive ce acționează prin transportarea
particulelor rămase intacte.

Aceste două mecanisme pot să acționeze concomitent sau pot acționa succesiv în momente diferite.

Pentru mecanismul de dearance al particulelor trebuie să se ia în considerație soiubilitatea particulelor depuse în fluidele tractului respirator. Astfel, în situația particulelor solubile în fluidele de la nivelul tractului mecanismul de mare importanță este cel în care se produce fenomenul de dizolvare a particulelor pe când în cazul particulelor ce nu sunt solubile sau au o soiubilitate redusă rata de eliminare a acestora este prin transportarea particulelor rămase intacte.

Eliminarea particulelor de la nivelul tractului respirator se poate evalua separat în situația regiunii extratoracice, traheo-bronșice și alveolare.

3.5.a. Mecanismele de clearance palmonar al particaletor

> Regiunea extratoracică (ET) include:

Transport mucociliar,

Strănut,

Eliminare nazală,

Dizolvare și absorbție sanguină.

> Regiunea traheo-bronșică (TB) include:

Transport mucociliar,

Endocitoză prin acțiunea celuleor macrofage sau a celulelor
epitetele,

• Tuse,

ș Dizolvare și absorbție sanguină sau limfatică.

> Regiunea a1veolară(A) include:

Acțiunea macrofagelor și a celulelor epiteliale,

Dizolvare și absorbție sanguină sau limfatică.

Sursa acestei clasificări este: Schlesinger (1995).

Regiunea extratoracică (ETJ

în funcție de solubilitatea particulelor, se pot pune în evidență diferite situații, astfel:

Particulele cu solubilitate redusă ce sunt depozitate în partea
posterioare a pasajului nazal vor fi eliminate prin mecanismul de
transport muco-ciliar spre nazo-faringe și eliminate prin strănut,
suflarea nasului.

Particulele solubile depozite la nivelul epiteliului nazal, prin difuzie,
vor ajunge la nivelul stratului de celule subiacente. în mucus, ele se
vor dizolva și astfel vor putea fi absorbite în sânge. La nivelul nasului
există o vascularizație foarte bogată ceea ce permite o trecere rapidă
în sânge a substanțelor absorbite.

Pentru particulele puțin solubile depozitate la nivelul cavității bucale
eliminarea se face prin tuse și expjectorație sau prin înghițire la
nivelul tractului gastro-intestinal. în cazul particulelor solubile,
absorbția lor poate fi rapidă în funcție de rata de dizolvare și de
dimensiunea particulelor solubilizate.

Regiunea traheo'bronșică (TBJ

Solubilitatea particulelor poate influența eliminarea particulelor din această regiune, astfel:

Particulele solubile depozitate în zona traheo-bronșică sunt
transportate spre cavitatea oro-faringiană prin intermediului
aparatului muco-ciliar și apoi sunt înghițite. Aceeași categorie de
particule poate, însă, să traverseze epiteliul bronșic prin fenomenul
de endocitoză, ajungând la nivelul regiunii peribronșice unde apoi
sunt inglobate în interiorul celulelor macrofage prin fagocitare și pot
fi eliminate prin transport muco-ciliar sau să ajungă la nivelul
lumenului căilor aeriene pornind de !a mucoasa bronhiolară sau
mucoasa bronșică.

Particulele solubile pot fi absorbite prin intemediul epiteliului direct în
sânge. Există o relație inversă între scăderea fluxului sanguin la
nivelul regiunii traheo-bronșice și creșterea reținerii particulelor
solubile la nivelul căilor aeriene. Chiar și particulele solubile pot fi
îndepărtate prin intermediul mecanismului de eliminare muco-ciliar.

Figura 3.4. Căile principale de clarance pentru particulele depuse în zona extratoracică și la

nivelul arborelui traheo-bronșic Regiunea alveolară(A)

Mecanismul de dearance de la nivelul regiunii alveolare se poate realiza pe mai multe căi.

Principalul mecanism non-absorbtiv de îndepărtare a particulelor cu o solubilitate redusă se derulează prin intermediul acțiunii macrofagelor. Macrofagele reprezintă între 3-19% din totalul celulelor alveolare. Totuși, numărul real de celule poate fi modificat de particulele ce sunt depuse la acest nivel. Numărul de celule este reglementat de numărul de particule depuse și nu de influența acestora prin greutate. Dimensiunea particulelor poate influența numărul de macrofage. Astfel, dacă se produce o depunere a unor particule de dimensiuni mici se poate genera o creștere a numărului de macrofage față de ceea ce s-ar putea produce prin depozitarea unor particule de dimensiuni mai mari.

Macrofagele care au fagocitat particule pot fi eliminate din regiunea alveolară (A) pe trei căi și anume:

Prin transport prin intermediul covorului muco-ciliar după ce aceste
celule ajung la nivel distal unde vin în contact cu mucusul,

Prin dirijare din interstițiu spre canalele limfatice și spre ganglionii
limfatici ce pot deveni locuri de depozitare a particulelor,

Prin traversarea endoteliului alveolo-capilar și pătrunderea directă în
fiuxui sanguin.

Figura 3.5. Diagrama căilor de clearance pentru particulele cu solubilitate mică depuse la

nivel alveolar

Particulele ce ajung în circulația limfatică, după trecerea de stațiile gangliona-re, vor ajunge la nivelul sângelui. Odată ajunse la nivelul circulației sanguine, particulele sau macrofagele ce au inglobat particulele pot ajunge în zonele extrapulmonare ale organismului.

Particulele ce au fost depozitate și care nu au fost fagocitate de macrofagele alveolare pot ajunge în interstițiu unde vor fi fagocitate de macrofagele interstițiale și pot ajunge la nivelul zonelor peribronhiolare sau a zonelor subpleurale unde ele vor fi reținute și vor reprezenta încărcătura de particule din organism, încărcătură ce are potențial de crește. Clearance-ul pulmonar poate fi întârziat datorită legării particulelor de membranele celulelor epiteliale, de macromolecule sau de alte elemente componente ale celulelor. De asemenea, migrarea și gruparea particulelor și a macrofagelor pulmonare pot determina tranformarea unor depozite difuze în agregări focalizate de particule.

Brauer și colab. (2001) au comparat fragmente de plămân obținute prin autopsie de la rezidenți, nefumători, dintr-o zonă având un nivel ridicat de poluare a aerului cu particule (Mexico City, Mexic) cu fragmente de plămân recoltate de la rezidenți, nefumători, dintr-o zonă cu nivele relativ scăzute de poluare cu pulberi a aerului (Vancouver, Canada). Investigația a măsurat concentrația de particule per gram de plămân, la nivelul parenhimului pulmonar. Rezultatul investigației a arătat că traiul într-o zonă în care se evidențiază o concentrație mai mare de particule se traduce printr-o retenție mai mare atât de particule fine cât și ultraflne în plămâni. Astfel, în Mexico City concentrația acestor particule a fost de peste 7.4 ori mai mare decât concentrația identificată în plămânii rezidenților din Vancouver. Aceste

rezultate indică o relație clară între expunerea ambientală, concentrația particulelor și rețienerea acestora la nivelul regiunii alveolare (A).

Clearance-ul prin intermediul mecanismului absorbtiv implică dizolvarea particulelor în fluidele existente la nivel alveolar, dizolvare urmată de traversarea epiteliului până la nivelul interstițiului și apoi difuzie în fluxul limfatic sau în fluxul sanguin. Solubiiitatea particulelor este influențată de raportul dintre suprafața șl volumul acestora precum și de proprietatea lor de a fi hidrofile sau lipofile.

3.5.b. Cinetica clearance-lai

Regiunea extratoracică (ET)

Rata fluxului mucusuiui este la nivelul zonei posterioare a cavității nazale foarte neuniformă dar se poate evalua că o valoare medie, la un adult sănătos, este de 5 mm/min.

Particulele din zona anterioară a cavității nazale sunt eliminate prin suflarea nasului sau prin strănut iar o valoare medie a timpului de transport al mucusuiui din zona anterioară spre zona posterioară a cavității nazale este de aproximativ 10 până la 20 minute pentru particule cu solubilitate redusă.

Regiunea traheO'bronșică (TB)

Pentru evaluarea cineticii clearance-ului de la nivelul regiunii traheo-bronșice, deci ca index al cinetici muco-ciliare, se folosește durata totală al clearance-ul broșic.

Viteza de transport a mucusuiui în interiorul arborelui bronșic este diferită. La nivelul traheei mișcarea mucusuiui este mai rapidă și devine din ce în ce mai lentă la nivelul căilor aeriene distale. Astfel, rata de transport a mucusuiui la nivelul traheei este între 4.3 spre 5.7 mm/min, în bronșiile principale este de « 2.4 mm/min, pentru bronșiile medii este între 0.2-1.3 mm/min iar în cele mai distale ramificații care au componente ale aparatului muco-ciliar, viteza este de 0.001 mm/min.

… . Deși viteza procesului de clearance la nivelul segmentului traheo-bronșic este destul de mare, s-a constat că există o anumită proporție de elemente particulate depozitate care sunt reținute mai mult de 24 de ore.

O serie de studii susțin faptul că în regiunea traheo-bronșică, mecanismul de clearance are două componente și anume o componentă rapidă și o componentă lentă de eliminare a particulelor depozitate la acest nivel.

Clearance-ul din regiunea traheo-bronșică a fost găsit ca fiind incomplet în timp de 24 de ore și această situație se datorează unui clearance incomplet la nivelul bronhiolelor (Camner și colab., 1997). O scădere a reținerii particulelor mai mică de 24 de ore este proporțională cu creșterea dimensiunilor particulelor. Se constată, de asemenea, o reținere mai mare a particulelor de dimensiuni mai mici și o depozitare într-o zonă proximală a tractului respirator sau ambele elemente.

Estimări efectuate cu ajutorul unui model matematic a indicat o mai mare depozitare în regiunea bronșiilor de generația 9 până la generația 15 în situația unei

rate de inhalare mai reduse decât în mod normal. 40% dintre particulele depozitate în căile aeriene în timpul unei inhalări cu o rată scăzută de flux au fost reținute peste 24 de ore.

Compartimentul în care se produce o acțiune lentă de clearance la nivel traheo-bronșic este probabil legat de bronhiolele cu diametrul mai mic de 1 mm.

Reținerea pe o durată mai mare la nivelul regiunii traheo-bronșice are un design neuniform. Se produce o creștere a retenției la nivelul zonelor de bifurcație și o eficacitate mai redusă a clearance-ului mucos în aceste arii.

Regiunea alveolară

Particulele ce se rețin la nivelul regiunii alveolare sunt reținute un timp mai îndelungat față de cele ce sunt reținute la nivelul căilor aeriene la care principalul mecanism de clearance este transportul mucociliar. în ceea ce privește rata de clearance alveolar la om nu sunt decât informații limitate. Clearance-ul de la nivel alveolar este un proces multifazic, în fiecare etapă a procesului acționând alt mecanism. Procesul inițial este reprezentat de o înglobare a particulelor prin intermediul macrofagelor alveolare, proces ce se desfășoară cu o rapiditate destul de mare, de obicei pe parcursul primelor 24 de ore de la depozitare.

Particulele care nu sunt fagocitate pot ajunge la nivelul interstițiului în câteva ore de la depozitare. Migrarea transepitelială a particulelor crește proporțional cu creșterea încărcăturii de particule până la un nivel peste care se observă o creștere a numărului de macrofage. De asemenea, procesul poate fi direct proporțional cu dimensiunile particulelor insolubile ultrafine mai mici de 0,1 um diametru. Aceste particule au un acces mai mare spre interstițiu și au un procent de absorbție limfatică mai mare decât particulele de dimensiuni mai mari provenind din aceeași substanță. Este posibil ca particule ultrafine provenind din substanțe diferite să nu pătrundă în interstițiu în aceeași proporție.

Particulele libere pot ajunge la ganglionii limfatici în câteva zile după absorbție. Absorbția limfatică a particulelor depinde de gradul de eficacitate al acțiunii celorlalte căi de clearance pulmonar. Probabilitatea de creștere a preluării limfatice apare atunci când activitatea fagocitară a macrofagelor alveolare descrește. Acest element poate fi un factor de încărcare pulmonară. Se pare că particulele depozitate, atât prin masă cât și prin număr de particule, trebuie să depășească un anumit prag. Sub acest prag trecerea spre căile limfatice nu este afectată de creșterea încărcării cu particule. Trecerea spre sistemul limfatic al particulelor este dependentă de dimensiunile acestora. Rata de trecere spre sistemul limfatic este lentă iar eliminarea din ganglioni este și mai lentă cu un timp de înjumătățire estimat la zeci de ani.

Particulele solubile depozitate la nivelul regiunii alveolare pot fi eliminate rapid prin absorbție prin epiteliu și se produce intrarea în torentul circulator. Rata de absorbție depinde de dimensiunea particulelor, moleculele cu greutate mai mică fiind eliminate mai repede decât cele mai mari. Absorbția este un proces cu două trepte și anume:

în prima treaptă particulele depozitate sunt disociate prin
dizolvare în componente ce pot fi absorbite în circulație.

în a doua fază se produce absorbția.

Cele două trepte sunt independente temporar iar rata de disoluție depinde de o serie de elemente incluzând elemente de structura chimică a particulelor sau elemente de suprafață a acestora. Ratele de absorbție pot fi variate în funcție de legăturile existente cu diferite componente ale tractului respirator și cu proprietățile fizico-chimice ale materialului depozitat.

Un element important este evaluarea modului cum elementele particulate pot fi inhalate și depozitate la nivel pulmonar și pot influența sisteme extrapulmonare din organism și îndeosebi poate afecta sistemul cardio-vascular. Evaluări recente au constat că particule ultrafine pot difuza rapid de la nivel pulmonar în sistemul circulator ceea ce poate justifica acțiunea rapidă a particulelor din mediu ambiant asupra unor organe altele decât plămânul. Astfel, într-un studiu efectuat de Takenaka și colab., 2001, s-au expus șobolani la particule de argint de 0.015 um putându-se astfel, foarte rapid, să se identifice prezența unor nivele ridicate de argint în diferite organe într-o perioadă de timp de până la 7 zile post-expunere. Nivelul de argint de la nivel pulmonar scade rapid iar după 7 zile numai 4% din încărcătura pulmonară mai poate fi regăsită la nivel pulmonar. în ziaua 0, deja, argintul poate fi găsit în sânge, în ziua 1 argintul poate fi identificat în ficat, rinichi, inimă și creier. Cele mai mari concentrații de argint au fost evidențiate la nivelul rinichilor, urmat de nivelul identificat în ficat și apoi de nivelul din cord. Acest studiu demonstrează rapiditatea cu care particulele ultrafine sunt eliminate de la nivel pulmonar și acest clearance rapid s-ar datora unei dizolvări rapide a particulelor ultrafine de argint la nivelul fluidelor pulmonare, dizolvare urmată de difuzie în torentul sanguin. Nu poate fi exclusă și o trecere directă a particulelor solide în torentul sanguin.

Dimensiunile particulelor precum și tendința de a se alipi între ele formând formațiuni ce pot afeca trecerea de la nivel pulmonar spre zonele extrapulmonare.

3.5.C Factorii ce pot inflranța dearance-«l

Aceste elemente pot fi:

Vârsta,

Sexul,

Activitatea fizică,

» Prezența unor boli pulmonare.

Din punct de vedere al vârstei, al sexului și al activității fizice, nu s-au observat elemente ce pot influența clearance-ul pulmonar.

în ceea ce privește prezența unor boli la nivelul aparatului pulmonar pot apare o serie de alterări ale mecanismului de clearance pulmonar.

Astfel, mecanismul de clearance poate fi afectat de o serie de boli ale arborelui bronșic. Poate apare o încetinire a clearance-ul muco-ciliar nazal în situația unor boli

cum ar fi prezența unei rinite cronice sau a unei sinuzite cronice sau la nivel pulmonar prezența unei bronșiectazii sau a unei fibroze chistice pulmonare. Este posibilă apariția unei încetiniri a transportului de mucus la nivel bronșic în situația prezenței unui carcinom bronșic, a unei bronșite cronice, a astmului sau in prezența unor infecții respiratorii acute. Modelul de clearance este același și în același grad de eficiență la nivelul căilor aeriene ciliate mici în situația unui om sănătos și la un bolnav cu o formă ușoară de astm. în cazul astmului acesta similaritate s-ar putea atribui eficienței tratamentului astmului (Svartengren și colab., 1996).

Un mecanism de clearance este și tușea prin acțiunea în prima parte a arborelui bronșic. Aceasta situație este valabilă în cazul unei hipersecreții de mucus și pentru eliminarea particulelor de dimensiuni cuprinse între 0.5-5 um. Un clearance mai eficient se asociază cu un număr mai mare de accese de tuse. Se poate spune că tușea este un mecanism adjuvant aparatului muco-ciliar în îndepărtarea particulelor depozitate în plămânii bolnavilor cu bronhopneumopatie cronică obstructivă. Pe măsura agravării bolii, acesta tuse, ca modalitate de clearance pulmonar, își scade performanța, fenomen ce apare mai ales în situația dischineziei cililor ceea ce se asociază cu scăderea valorii FEVi.

Rata de clearance la nivelul segmentului alveolar se reduce la om în situația prezenței unui BPOC. De asemenea, viabilitatea și funcționalitatea macrofagelor este afectată în cazul bolnavilor de astm bronșic. Un alt factor ce poate influența mecanismul de clearance pulmonar este integritatea suprafeței epiteliului bronșic. Lezarea acestui epiteliu poate apare fie datorită unor boli fie prin inhalare de substanțe chimice iritante sau prin fumat. Această lezare a epiteliului poate duce la apariția unei creșteri a permeabilității acestuia iar particulele pot ajunge în interstițiu și la nivelul ganglionilor limfatici.

3.5.<l. Supraîncărcarea ca particule

Expunerea prelungită la o concentrație ridicată de particule poate duce la fenomenul denumit „supraîncărcare cu particule" ceea ce se poate traduce printr-o depășire a capacități de clearance mediată de macrofage. La animalele de experiență, respectiv la șobolani, se pare că are mai mare importanță volumul decât masa particulelor. Fenomenul de supraîncărcare apare atunci când retenția de particule se apropie de 1 mg particule/g de țesut pulmonar. La om, relevanța acestui fenomen în special pentru particulele cu solubilitate redusă este destul de neclară. în fibroza masivă progresivă se bănuiește că o supraîncărcare cu praf ar avea rol în patogeneza bolii (Green, 2000). în acesta situație ar putea apărea o supraexpunere la pulberi asociată cu deteriorarea mecanismului de clearance pulmonar. Această alterare poate fi consecința expunerii din mediu la care se poate asocia o expunere ocupațională. Chiar și în situația unei expuneri normale, fenomenul de supraîncărcare poate apare în situația unui piămân compromis ceea ce va duce la apariția unei patologii sau chiar la mortalitate datorită expunerii la particule.