Pentru oamenii sănătoși, mucusul este prietenul nostru. Prinse potențialii agenți patogeni, astfel încât căile noastre respiratorii să poată expedia bug-uri urâte înainte de a provoca daune plămânilor noștri. Dar pentru persoanele cu afecțiuni precum fibroza chistică (CF) și tulburarea pulmonară obstructivă cronică (BPOC), mucusul poate deveni prea gros și lipicios; tusea singură nu o poate șterge. Se dezvoltă infecții, ducând la boli cronice severe și la moarte timpurie. Acum, pentru prima dată, oamenii de știință de la Școala de Medicină UNC și de la Universitatea Duke au demonstrat de ce tusea adesea nu poate rupe mucusul și îndepărtarea căptușelii căilor respiratorii. Și au arătat cum să facă mucusul mai subțire și mai puțin lipicios, astfel încât tusea poate deveni un ajutor terapeutic.

pentru

Descoperirea, publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences, ajută la explicarea modului în care FC dăunează plămânilor în timp și subliniază importanța terapiilor care modifică suficient mucusul pentru a oferi o ușurare imediată persoanelor cu FC. Combinând o serie de discipline științifice, de la biologia celulară la știința materialelor, cercetătorii au stabilit cel mai realist sistem experimental până în prezent pentru testarea proprietăților mecanice ale mucusului în bolile căilor respiratorii, inclusiv BPOC și astm, care afectează milioane de oameni din Statele Unite.

„Instrumentele dezvoltate în acest studiu ne vor ajuta să testăm strategiile de îmbunătățire a eliminării mucusului în mai multe boli importante în care eliminarea eșuează”, a declarat autorul principal Brian Button, dr., Profesor asociat de biochimie și biofizică și membru al UNC Cercetarea și tratamentul fibrozei chistice UNC Centru la UNC-Chapel Hill.

Autorul principal Michael Rubinstein, profesor la Departamentul de Inginerie Mecanică și Știința Materialelor de la Universitatea Duke, a spus: „Am măsurat forțele adezive care leagă mucusul de căptușeala căilor respiratorii și forțele de coeziune care țin mucusul împreună și am identificat mai mulți agenți care arată promit în reducerea puterii interacțiunilor adezive și coezive ale mucusului. "

La persoanele sănătoase, mucusul este 98% apă. Conduce căile respiratorii pentru a prinde particule, inclusiv bacterii și alți microbi, înainte ca acestea să ajungă la plămâni. Mai puțin de 1 la sută din mucusul obișnuit constă din proteine ​​lungi, lipicioase, asemănătoare lanțului, numite mucine, care conferă mucusului proprietățile sale asemănătoare gelului. CF, bronșita cronică și alte boli „muco-obstructive” prezintă mucus dramatic mai vâscos și elastic decât în ​​mod normal, aproape asemănător gelatinei, deoarece este încărcat cu mucine. În mucusul CF, de exemplu, cantitatea de mucine sare la 10%, iar cantitatea de apă scade la 79%. În timp ce mucusul CF este în mare parte apă, chiar și mici modificări ale conținutului de mucină pot avea efecte dramatice asupra viscoelasticității mucusului.

De obicei, reflexul tusei produce fluxuri de aer de mare viteză care sfâșie mucusul și îl rup din căptușeala căilor respiratorii și în același timp. Dar oamenii de știință nu au înțeles niciodată pe deplin de ce tusea nu reușește să elimine mucusul în bolile muco-obstructive, cum ar fi CF. Îndrumați de munca teoretică a lui Rubinstein, cercetător îndelungat la UNC-Chapel Hill înainte de a se alătura lui Duke în 2018, cercetătorii de la UNC au dezvoltat un sistem sofisticat pentru testarea forțelor mecanice necesare pentru dislocarea și fracturarea mucusului normal și de tip CF.

Oamenii de știință au luat mai întâi celule care căptușesc căile respiratorii din plămânii pacienților cu transplant și le-au cultivat în vase de laborator. Aceste celule și-au produs propriul strat de mucus. Button a spus: „Arată ca versiuni în miniatură ale unei căptușeli reale a căilor respiratorii”.

Deoarece mucusul este un gel foarte „moale”, cercetătorii au dezvoltat o tehnică pentru a încorpora ochiuri mici, care se leagă ferm de mucus. Această plasă este apoi conectată prin fir de mătase la un motor cu un senzor de forță pentru a cuantifica forța necesară pentru a trage și rupe mucusul. Acest lucru le-a permis să testeze forțele adezive și de coeziune ale mucusului. Și ar putea compara aceste forțe în mucusul normal și mucusul CF.

"Am constatat că rezistența adezivă și coezivă a mucusului crește dramatic atunci când raportul dintre mucine și apă este mai mare decât în ​​mod normal", a spus Button. "În mucusul CF, aceste forțe au depășit forțele produse de tuse. Asta înseamnă că tusea ar avea o capacitate substanțial redusă de a elimina mucusul."

Cercetătorii UNC și Duke au folosit, de asemenea, această configurație experimentală pentru a testa eficacitatea a două tipuri populare de tratamente CF asupra proprietăților mucusului CF. Un singur tratament - ser fiziologic inhalat și ser fiziologic hipertonic (mai sărat decât apa din corp) - crește conținutul de apă din mucus pentru a-l subțire. Celelalte tipuri de tratamente - așa-numitele terapii „mucolitice” - fac mucusul mai puțin vâscos și elastic prin tăierea sau separarea moleculelor de mucină pentru a reduce capacitatea lor de a rigidiza mucusul. Echipa a constatat că ambele tipuri de terapie funcționează bine la reducerea punctelor tari adezive și de coeziune ale mucusului CF.

„Pentru pacienți, unul dintre aceste tipuri de terapie ar trebui să ajute”, a spus Button. „Dar efectele lor sunt aditive, deci probabil ar fi mai bine să le combinăm pe amândouă. Și cercetările noastre sugerează că această abordare ar putea permite tusei să devină benefică pentru acești pacienți, la fel ca și pentru restul dintre noi când luptăm împotriva unor afecțiuni mai puțin grave, precum virusurile ".

Cercetătorii intenționează acum să își folosească sistemul experimental pentru a studia proprietățile mucusului și efectele terapiilor în alte boli ale căilor respiratorii.