Сажа навсегда

«Легкие курильщика» — это один из самых старых интернет-мемов. Сколько всего про них сказано, но одно мы знаем точно – это какого они цвета. Какой цвет приходит в голову? Черный, правильно.

А почему именно черный? Откуда этот пигмент?

На этот вопрос ответила группа исследователей из Baylor College of Medicine, Beckman Research Institute и Rice University, опубликовавших на днях две статьи в журналах eLife и Nature Immunology.

reddit.com_

Раньше считалось, что черный цвет легким курильщиков придают смолы, образующиеся из конденсированного дыма сгоревшего табака и остальных ингредиентов или алюминий, в большом количестве содержащийся в табаке, бумаге и фильтрах.

Однако исследования профессора James Tour из нанотехнологического центра Rice University показали, что за черный цвет отвечает сажа, образующаяся при температурах около 9000С (при такой температуре табак горит во время затяжки).

Чтобы изучить природу черного пигмента авторы растворяли легкие погибших курильщиков протеолитическими ферментами и выделяли черный осадок. Далее проводилось комплексное исследование: форму и размеры составляющих осадок частиц исследовали при помощи просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (high-resolution transmission electron microscopy), а химический состав уточнялся методом Рамановской спектроскопии (спектроскопии комбинационного рассеяния).

Метод HR-TEM основан на прохождении пучка электронов через ультратонкий срез и его фокусировании на принимающей матрице. Его используют для изучения объектов размерами в доли нанометров.

HR TEM

HR-TEM показал, что в основе черного пигмента – агломераты наночастиц сажи, размером 30-40 нанометров. Такие наночастицы легко проникают в цитоплазму и ядро альвеолярных клеток, где повреждают сразу две цепи ДНК, вызывая необратимый дефект клеточного генома. Повреждение генома – это серьезный стресс для клетки, и она реагирует на него продукцией «сигналов опасности» (DAMPs).

Во внеклеточном пространстве такие сигналы – это ключ для рецепторов, активирующих иммунные клетки. Начинается воспаление и движение нейтрофилов, макрофагов и дендритных клеток в сторону поврежденной ткани.

Alveolar macrophages

Оказавшись в альвеолах эти иммунные клетки начинают вести себя по принципу «драку заказывали?». У них есть богатый арсенал для борьбы с патогенными микроорганизмами, разрушения наших поврежденных клеток, перестройки внеклеточного матрикса и контроля над воспалением.

Все это они пускают в ход. В результате — альвеолярные клетку гибнут, а многочисленные протеолитические ферменты из арсенала иммунных клеток начинают разрушать белки, отвечающие за эластичность легочной ткани.

У здорового человека газообменная часть легких выглядит, как гроздья винограда, в которых виноградинки – это маленькие мешочки (альвеолы), на стенках которых происходит обмен O2 и CO2 между воздухом и кровью.

Изнутри альвеолы выстилают эпителиальные клетки (альвеолоциты) через которые и идет газообмен с кровью. Чем больше площадь такой поверхности – тем больше кислорода могут получать наши ткани. Поэтому, чтобы уместить большую площадь в небольшой объем нашей грудной клетки природа придумала свернуть общую газообменную плоскость в маленькие шарики –

Alveoli

Восемь таких маленьких шариков с радиусом 1 помещаются в тот же объем, что и один шарик с радиусом 2, а площадь общей поверхности у них в 4 раза больше.

Чтобы легкие нормально функционировали эти шарики должны раздуваться и сдуваться, но при этом стеночки, создающие такую конфигурацию, должны выдерживать растяжение. За это отвечают специальные белки, например, эластин, входящий в состав внеклеточного матрикса.

Когда в альвеолах начинается воспаление – иммунные клетки разрушают эластин и другие матриксные белки. В результате – шарики начинают рваться, образуя большие полости. Так формируется эмфизема легкого

Emphysema

При эмфиземе уменьшается площадь газообменной поверхности, и в организме развивается дефицит кислорода. Это происходит постепенно и проявляется нарастающей одышкой.

Обычно сначала люди просто отказываются от физической активности, при которых у них развивается одышка и чувство дискомфорта. Но так продолжается лишь до тех пор, пока они не начинают задыхаться быту (по дороге к обеденному столу, например), или вообще в покое.

Эпидемиологические исследования доказали, что первейшая причина эмфиземы – это курение. Но в развитии заболевания виновата наша иммунная система, которая пытается безуспешно бороться с накапливающейся в альвеолах сажей, разрушая по ходу, альвеолярную ткань.

Однако, альеволярными клетками дело не ограничивается. Исследователи обнаружили такие же наночастицы сажи и в дендритных клетках, находящихся в легочной ткани курильщиков с эмфиземой.

carbon in dendritic cells

Дендритная клетка легочной ткани с содержащимися внутри включениями наночастиц сажи

В экспериментах на мышах, подвергнутых воздействию табачного дыма (мыши «выкуривали» по 4 сигареты в день на протяжении 4 месяцев), были обнаружены аналогичные результаты – сажа присутствовала в цитоплазме антиген-презентирующих клеток легких –

Nanoparticle coal in DC

Чтобы убедиться, что наночастицы сажи повинны в развитии эмфиземы – их вводили через нос интактным мышам. Инстилляции выполняли два раза в неделю в течение 6 недель. Затем исследователи изучили состояние легких и альвеолярных антигенпрезентирующих клеток животных.

Emphysema in mice

Картина оказалась знакомой. Легкие животных выглядели так же, как у курильщиков, а на гистологических препаратах (правая часть рисунка) были признаки эмфиземы (PBS – номальные альвеолы, nCB – разрушенные альвеолы и наночастицы сажи).

Исследователи доказали, что этот эффект прямо зависит от количества накопившихся в легких наночастиц.

James Tour

James Tour подчеркнул в комментариях к статье, что обнаруженный эффект наночастиц сажи опасен не только для активных и пассивных курильщиков. Такие же частицы содержатся в автомобильных покрышках и образуются при производстве резины и пластика.

Baylor

Профессор David Corry, руководитель подразделения иммунологии, аллергологии и ревматологии в Baylor University подчеркивает, что избавиться от наночастиц невозможно (таких технологий нет), они остаются с человеком до конца.

Поэтому необходимы исследования, которые достоверно опишут риски, связанные с накоплением наночастиц сажи в организме, а заодно и меры профилактики.

Спасибо Киру Ермину за помощь в подготовке этого поста.

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.