ما آلية عمل الرئتين؟

تتمثل الوظيفة الأساسية للرئتين في التنفس. وتبادل الغازات هو اسم العملية التي تُطلق على دخول الأكسجين إلى مجرى الدم (عن طريق الشهيق) وخروج ثاني أكسيد الكربون من الجسم (عن طريق الزفير). وقد خُلق هيكل الرئة لأداء هذه المهمة على أكمل وجه. فالهيكل الأساسي للرئتين عبارة عن سلسلة من الأنابيب المجوفة تسمى مجاري الهواء. وتتفرع مجاري الهواء وتصبح أصغر وتنتهي بأكياس هوائية بالغة الصغر تسمى الحويصلات الهوائية. تُغطَّى الحويصلات الهوائية بأوعية دموية صغيرة تُسمى الشعيرات الدموية تعمل على تبادل الغازات في الدم [1]. ويمكن تشبيه الرئتين بشجرة لها جذع كبير رئيسي يحمل فروعًا تصغر كلما ابتعدت عن الجذع. وتشبّه الحويصلات الهوائية الأوراق.

توجد منطقتان رئيسيتان في الرئة هما: المنطقة الموصّلة والمنطقة التنفسية (الشكل 1). يدخل الهواء إلى الرئتين من خلال المنطقة الموصّلة ويصل إلى المنطقة التنفسية التي تحتوي على الحويصلات الهوائية. والجدير بالذكر أن الحويصلات الهوائية تشغل في الإنسان الواحد مساحة سطح تعادل ساحة تنس وهي مساحة شاسعة تسمح بتبادل الغازات. تُعرف المنطقة الموصّلة بأنها الجزء من الرئة الذي يتدفق الهواء من خلاله دون أن يحدث بها أي عملية لتبادل الغازات؛ نظرًا إلى السُمك الشديد للأنابيب مما يعوق حركة الغازات من خلالها. وتُبطَّن المنطقة الموصّلة بتراكيب تشبه الشعر تُسمى الأهداب وتُغطَّى بالمخاط، مما يساعد على حجز المواد ذات الخطورة المحتملة. وهذه الأهداب عبارة عن زوائد متحركة بالغة الصغر تشبه الأصابع توجد على سطح خلايا مجرى الهواء. تبطِّن هذه الأهداب مجاري الهواء وتساعد على تحريك المخاط إلى الأعلى خارج الرئتين [2]. ويبلغ طول الأهداب حوالي 6 أو 7 ميكرومترات، أو ما يعادل تقريبًا عُشر عرض شعرة الإنسان [3 ,2].

الجسيمات والجراثيم التي يحملها الهواء: أسباب حاجة الرئتين إلى آلية دفاعية

تتنوع الجسيمات التي قد تدخل إلى الرئتين وتسبّب تلفًا فيهما تنوعًا شديدًا. وتندرج بعض هذه الجسيمات ضمن فئة الملوِّثات؛ مثل الانبعاثات الناتجة عن المركبات التي تعمل بالغاز، وأول أكسيد الكربون الناتج عن المواقد، والسموم المنبعثة من تدخين السجائر الإلكترونية أو التدخين التقليدي، والأهباء الجوية مثل بخاخ الشعر. ويمكن احتجاز هذه الجسيمات في عدة مناطق بالرئة. تبطّن الشعرات القصيرة، على غرار شعر رأسك، الأجزاء الداخلية من فتحتي الأنف وتُغطَّى بالمخاط. وتساعد هذه الشعرات المغطاة بالمخاط على احتجاز الجسيمات الأكبر حجمًا عند دخولها إلى الأنف. تجدر الإشارة إلى أن الجسيمات التي تدخل إلى المنطقة الموصّلة قد تؤذي خلايا مجرى الهواء، ما قد يقلل من حركة الأهداب بها، ويتسبب ذلك في تراكم المخاط الذي تتعذر إزالته من مجاري الهواء [4]. وقد لا تسمح مجاري الهواء المسدودة بفعل المخاط بنقل الهواء بنفس القدر من الفعالية، مثلما تحول أوراق الأشجار الموجودة في البالوعة دون تدفق المياه.

يمكن أن تصل الجسيمات الأصغر حجمًا في بعض الأحيان إلى الحويصلات الهوائية. وقد يتسبب التلف في الحويصلات الهوائية في مواجهة صعوبة أكبر بكثير في التنفس بسبب عدم انتشار الأكسجين أيضًا في الدم. وقد تتسبب عملية تبادل الغازات ذات الكفاءة المنخفضة هذه في إصابة باقي الجسم بنقص التأكسج، أي انخفاض الأكسجين. ونظرًا إلى أن المنطقة الموصّلة، التي تمتد من القصبة الهوائية إلى القصيبات الهوائية، هي الوحيدة القادرة على تحريك المخاط باستخدام الأهداب، فيتعذر على الحويصلات الهوائية الاعتماد على هذه الآلية للتخلص من هذه الجسيمات الصغيرة [3]. ومن ثمّ فإن الإقامة في مدينة ملوَّثة أو تدخين السجائر التقليدية أو الإلكترونية لعدة سنوات قد يتسبب في التهاب أنسجة الرئتين وقد يؤدي إلى الإصابة بالأمراض، مثل مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) [5].

ما المقصود بالمصعد المخاطي الهدبي؟

يوجد المصعد المخاطي الهدبي داخل مجاري الهواء بالمنطقة الموصّلة، ويتكون من مخاط وأهداب تحرِّك المخاط إلى أعلى خارج الرئتين حيث يمكن طرده عن طريق السعال أو البلع (الشكلان 1 و2) [2]. وفي خط الدفاع الأول نجد مخاط مجرى الهواء الذي يتألف من مختلف المكونات التي تساعده على حجز الجسيمات والجراثيم [4, 5]. وهنا يؤدي المخاط دور الحاجز المادي الذي يعمل على حماية الرئة كما يتمتع بخصائص تساعد على التخلص من البكتيريا والفطريات والفيروسات التي يُحتمل أن تكون مُعدية [5 ,2]. ومن المكونات المهمة لمخاط مجرى الهواء بروتينات الميوسين (بروتينات لزجة مغلفة بالسكريات) والبروتينات الدفاعية والملح والماء. وتكوّن هذه المكونات معًا هلامًا يحجز الجزيئات التي تدخل مجرى الهواء [4].

يُنتَج المخاط على الأغلب بواسطة الخلايا التي تبطن الجزء الداخلي من مجاري الهواء. ويُطلق عليها اسم الخلايا الكأسية. تشبه الخلايا الكأسية الكؤوس التي ترجع إلى القرون الوسطى، ومن هنا جاءت تسميتها بالخلايا الكأسية. وعلى عكس الخلايا الأخرى المهدبة الموجودة في مجرى الهواء والتي تبدو مثل الأعمدة، فإن الخلايا الكأسية ليست مهدّبة من الأعلى. ولا توجد الخلايا الكأسية خارج المنطقة الموصّلة لمنع المخاط من عرقلة عملية تبادل الغازات. يلعب المخاط دورًا أيضًا في ترطيب مجاري الهواء، وهو أمر ضروري لكي تؤدي الأهداب وظيفتها أداءًا سليمًا [3 ,2].

تشبه حركة الأهداب الطريقة التي تحرك بها ذراعيك أثناء السباحة على الصدر [3]. والجدير بالذكر أن الهَدَب الواحد لا يتمتع بالقوة الكافية اللازمة لتحريك طبقة المخاط بمفرده، ولكن عندما تعمل آلاف الأهداب معًا في نغم متناسق، تتمكن معًا من تحريك المخاط [4 ,3]. تخيَّل أن هناك حشدًا جماهيريًا في حفل موسيقي وخرج العازف من خشبة المسرح مرتميًا على رؤوس الحشد الجماهيري: هنا يمكن تشبيه العازف بحزمة من المخاط، كونه محمولًا بين ذراعي الحشد الجماهيري وماضيًا بطريقة منسّقة. بمعنى، تُنسق الأهداب بين بعضها بعضًا من خلال الحركة لإنتاج حركة منسّقة وكفؤة للمخاط! وهذه هي آلية عمل المصعد المخاطي الهدبي.

ما الأمراض التي قد تحدث نتيجة الخلل في أداء المصعد المخاطي الهدبي لعمله؟

يرث بعض الأشخاص جينات غير طبيعية من آبائهم ويولَدون مصابين بمرض يُسمّى خلل الحركة الهدبية الأولي (PCD) (الشكل 2). وهذا المرض هو مرض رئوي يمنع الأهداب من العمل بكفاءة ويمنعها من الحركة على الإطلاق في بعض الحالات الشديدة [3]. وفي المرضى المصابين بمرض خلل الحركة الهدبية الأولي (PCD)، تُصاب مجاري الهواء بالعدوى نتيجة عدم فعالية نقل المخاط، ما يسبب تلف خلايا مجرى الهواء. وعندما تصير مجاري الهواء تالفة بمرور الوقت تصبح مرتخية مثل شفاط مشروبات منطبق على نفسه، ما يحول دون تحرّك الهواء من خلالها ويسبّب صعوبة في التنفس. تخيّل أنك تشرب مخفوق حليب سميك القوام ولذيذ الطعم، فأنت تحتاج إلى بذل مجهود أقل عندما تستخدم شفاط مشروبات ذي عرض عادي مقارنة بشفاط مشروبات بعرض يعادل عرض المكرونة الإسباجتي.

التليّف الكيسي (CF) هو مرض وراثي آخر يؤثر على المصعد المخاطي الهدبي [3] (الشكل 2). إذ يعاني الأشخاص المصابون بمرض التليف الكيسي من طفرات في كلتا نسختي الجين (نسخة من الأم ونسخة من الأب) المسؤولتين عن إنتاج بروتين يُسمى البروتين المنظّم للنقل عبر الغشاء في التليف الكيسي (CFTR). ويكوّن هذا البروتين قناة عبر أغشية الخلايا تشارك في إنتاج العرق والعصارات الهضمية والمخاط. ويعمل أيضًا على تنظيم مقدار الماء الذي يصل إلى هذه الإفرازات ومن ثمّ مدى سماكة المخاط ولزوجته. وعندما لا تؤدي القناة عملها بطريقة صحيحة، يفتقر المخاط إلى القدر الكافي من المياه ويصبح سميكًا مثل الصمغ. يتراكم المخاط السميك للغاية في الرئتين على عكس المخاط المائي المعتاد الذي يسهل التخلص منه بواسطة المصعد المخاطي الهدبي، ما يسبب تراكم المخاط السميك وتلف مجرى الهواء وفشلًا رئويًا في نهاية المطاف.

مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) عبارة عن مرض قد يحدث بعد تدخين السجائر أو تدخين السجائر الإلكترونية. ومن الممكن أن يؤثر هذا المرض سلبًا على المصعد المخاطي الهدبي ويسبب مرضًا رئويًا يشبه مرض التليف الكيسي في نواحٍ عدة [3]. ويمكن أن يُسهم التلف الحاصل في المصعد المخاطي الهدبي في ظهور أمراض أخرى شائعة مثل الالتهاب الرئوي والربو الذين يتسببان في حدوث مشكلات مشابهة تتعلق بالمخاط ولكنها أقل خطورة في بعض الأحيان.

الخلاصة: ما أسباب أهمية المخاط والأهداب والمصعد المخاطي الهدبي

يعتبر أداء المصعد المخاطي الهدبي لعمله أداءً سليمًا أمرًا حيويًا لصحة الرئتين. أما المخاط والأهداب فهما آلية الدفاع الأساسية في الرئتين. وإذا حدثت مشكلة في المخاط أو الأهداب، فربما تصبح مجاري الهواء مسدودة ومن الممكن أن تُحجَز الجراثيم والجسيمات الضارة في الرئتين، ما يسبب تلفها. وتؤثر الأمراض الوراثية مثل مرض خلل الحركة الهدبية الأولي (PCD) والتليف الكيسي (CF) والأمراض المكتسبة مثل مرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) سلبًا على المصعد المخاطي الهدبي. ويمكن أن تُسفر هذه الأمراض الرئوية عن نقص تبادل الغازات وتسبّب إصابة باقي الجسم بنقص التأكسج. لذا تذكّر أن المخاط الذي تُخرجه أثناء السعال، عندما تلازم منزلك نتيجة إصابتك بالبرد، يأتي من المصعد المخاطي الهدبي وهو يساعد على إبقاء رئتيك في حالة سليمة وصحية بالتخلص من الجسيمات والجراثيم التي من المحتمل أن تسبب التلف!

مساهمة المؤلف

أسهم كل من MW وJP وJK وTB وSP وR-JS وSR في إعداد المسودة البحثية والتحرير النهائي لها. وقد وافق كل المؤلفين على المسودة البحثية النهائية قبل تقديمها.

مسرد للمصطلحات

تبادل الغازات (Gas Exchange): ↑ هي عملية التخلص من ثاني أكسيد الكربون (CO₂) من مجرى الدم واستبداله بالأكسجين المُستنشَق (O₂).

الحويصلات الهوائية (Alveoli): ↑ عبارة عن أكياس هوائية تشكّل أصغر جزء من المنطقة التنفسية؛ وتقع الحويصلات الهوائية والشعيرات الدموية على مقربة شديدة من بعضهما؛ وهذا هو المكان الذي يحدث به تبادل الغازات.

المنطقة الموصِّلة (Conducting Zone): ↑ هي الجزء من الجهاز التنفسي غير المشارك في عملية تبادل الغازات؛ ويتمثل الغرض من المنطقة الموصّلة في نقل الهواء من المنطقة التنفسية وإليها؛ والتي يقع فيها المصعد المخاطي الهدبي؛ وتمتد من الجزاء الداني من الرئة؛ بداية من القصبة الهوائية إلى القصيبات الهوائية.

المنطقة التنفسية (Respiratory Zone): ↑ هي الجزء من الجهاز التنفسي الذي يحدث فيه تبادل الغازات؛ وتوجد في الجزء القاصي من الرئة الذي توجد به الحويصلات الهوائية.

الأهداب (Cilia): ↑ هي زوائد متحركة شبيهة بالشعرات توجد أعلى الخلايا التي تبطِّن مجاري الهواء بالمنطقة الموصّلة؛ وتعمل الأهداب على تحريك المخاط على امتداد المصعد المخاطي الهدبي.

المخاط (Mucus): ↑ عبارة عن مادة لزجة تشبه الهُلام توجد أعلى فرشاة الأهداب في مجاري الهواء بالمنطقة الموصّلة في الرئتين، وتنتجه الخلايا الكأسية والغُدد وهو يعمل بدوره على حماية مجاري الهواء من المواد الخطرة؛ ويتكون المخاط من ماء وبروتينات سكرية من عائلة الميوسين وبروتينات دفاعية، وملح.

المصعد المخاطي الهدبي (Mucociliary Escalator): ↑ مصطلح يشير إلى جهاز المخاط والأهداب المسؤول عن تحريك المخاط إلى أعلى خارج الجهاز التنفسي، حيث يحجز المخاط الجسيمات وتطرد الأهداب المخاط إلى أعلى خارج الرئتين.

إقرار تضارب المصالح

يتمتع SR بإمكانية استخدام براءة الاختراع بدون ترخيص للتصوير المقطعي التوافقي البصري الدقيق بوصفه جهازًا تشخيصيًا، وهو مستخدم في تحديد خصائص التشريح المجهري الوظيفي للمصعد المخاطي الهدبي.

يقر باقي المؤلفين بأن البحث قد أُجري في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها على أنها تضارب محتمل في المصالح.

شكر وتقدير

يودّ المؤلفون أن يعربوا عن تقديرهم لكل من George D. Phillips (13 عامًا)، وS. Corinne Phillips (16 عامًا)، وAndrew Rowe (14 عامًا) على قراءتهم للمسودة البحثية وتعديلاتهم وتعليقاتهم الرصينة. كل الشكر والتقدير لكل من Jeremie Lever وBasil Bono على ما قدماه من دعم قيّم لإكمال هذا المشروع.