Znečistenie ovzdušia – mechanizmus pôsobenia vzdušných polutantov v respiračnom systéme

1. Znečistenie ovzdušia – mechanizmus pôsobenia vzdušných polutantov v respiračnom systéme Doc. MUDr. Jana Plevková, PhD, 2011

4. Dýchací systém Je otvorený systém, pretože neustále je v kontakte s atmosferickým vzduchom a zložkami v ňom obsiahnutými, ktoré sa dostávajú do organizmu pri každom nádychu Fyziologické komponenty vdychovaného vzduchu sú kyslík, dusík, oxid uhličitý, vodné pary a niektoré vzácny plyny v stopových množstváchakékoľvek iné prímesy sú považované za polutanty Je presne známy vzťah expozície niektorým vzdušným polutantom a ochoreniam dýchacieho systému cigaretový dym – bronchogénny CA, chronická bronchitída alergény – astma, hyperreaktivita DC častice minerálov – pneumokoniózy mikroorganizmy – infekcie fyzikálne vlastnosti vdychovaného vzduchu – teplota, vlhkosť

5. Obranné a ochranné mechanizmy DC ochranné – ich úlohou je zabrániť vniknutiu škodlivín do DC obranné – ich úlohou je odstrániť z DC hlien a iné potenciálne škodlivé noxy reflexné & nereflexné mechanizmy zmeny dychového vzoru protiprúdový systém ND apnoe filtrácia častíc kýchanie Waldayerov ly filter sniffing tekutina na povrchu DC exspiračný reflex MCT kašeľ imunokompetentné bb bronchokonstrikcia proteázy/antiproteázy oxidanty/antioxidanty

6. Z histórie sú známe epizódy závažného znečistenia ovzdušia s následkami pre zdravie populácie v danom regióne Meuse Valley v Belgicku v 1930 Donnora, Pensylvania USA 1948 London 1948 V minulosti boli dominantnými polutantmi oxidy síry, ktoré vznikali predovšetkým v procese spaľovania uhlia pri vykurovaní domácností, - situácia bola dramatická hlavne vo Veľkej Británii Vplyv tohto závažného znečistenia viedol vládu Veľkej Británie k regulácii spôsobu vykurovania - z uhlia sa prešlo na vykurovanie plynom, zákon, ktorý toto upravoval sa nazýval „Clean Air Act“ 1956, po jeho uvedení do platnosti sa znížila aj chorobnosť na respiračné ochorenia

8. Hlavné zdroje vonkajších vzdušných polutantov - spaľovanie fosílnych palív - doprava, hlavne automobilová - petrochemický a hutnícky priemysel - sopečné erupcie, lesné požiare a pod Je možné povedať, že ide o molekuly, látky, častice, ktoré pochádzajú hlavne z priemyselnej činnosti a ovplyvňujú populáciu v príslušnom regióne

9. Hlavné zdroje polutantov v obytných a pracovných priestoroch V poslednom období bol identifikovaných viac ako 300 prchavých organických látok, ktoré sa vyskytujú v budovách - indoor pullutants – a tiež môžu viesť k vzniku ochorení Pochádzajú zo stavebných materiálov farieb, náterov, lakov čistiacich prostriedkov, chemikálií všeobecne cigaretový dym V roku 1980 bol opísaný „sick building syndrome“ – ako vznik a progresia symptómov ako bolesti hlavy, nauzea, únava, závraty a iné, ktoré sa môžu objaviť pri pobyte v takto kontaminovaných priestorov Prítomnosť vzdušných in door polutantov sa veľmi podceňuje, ich vysoká koncentrácia a opakovaná expozícia môžu viesť napríklad k chorobám z povolania

11. Klasifikácia vzdušných polutantov Z hľadiska fyzikálno - chemických vlastností 1. Plyny ( napr. O3, NO2, SO2, CO) 2. Pary, dymy a aerosóly - zlúčeniny chlóru, oxidy kadmia, kyslé aerosóly 3. Anorganické častice - zlúčeniny niklu, azbestové vlákna, kremík 4. Organické častice (peľ, obilninový prach, benzpyrén) 5. Rádioaktívne plyny (napr. radón)a častice (napr. radionuklidy) 6. Zmiešaniny (cigaretový dym, exhaláty dieselových motorov)

12. Vplyv na organizmus Účinok závisí na faktoroch atmosféry, ktoré významne menia ich chemické a fyzikálne vlastnosti. Dôležitú úlohu, okrem prúdenia atmosféry, má vlhkosť vzduchu, slnečné žiarenie (fotoefekt), prítomnosť mikročastíc rôznych typov pôd v ovzduší a iné. Otázka je ???? ako pôsobia v DC keď ide o herogénnu skupinu látok s rôznymi chemickými a fyzikálnymi vlastnosťami? TRPA1 kanál – na nervových zakončeniach v DC – je relevantný pre väčšinu vzdušných pulutantov, aktivujú ho kovalentnou modifikáciou aminokyselinovných zvyškov na N konci molekuly Jeho aktivácia vyvoláva pocit podráždenia DC a zasahuje do patogenézy zápalových procesov, neurogénny zápal

13. Source: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2735846/figure/F1/

14. Typy znečisteného ovzdušia Londýnsky typ - ide o historické označenie typické pre Londýn Obsahuje prevažne oxidy síry, aerosóly kyseliny sírovej a jej solí a rozptýlené častice pochádzajú zo spaľovania fosílnych palív, najčastejšie uhlia. Annualmeanpollution in London, 1958-1974

16. Los - angeleský typ - primárnym zdrojom tohto typu sú spaľovacie motory automobilov produkujúce oxidy dusíkaa uhľovodíky Slnečné žiarenie (prevažne UV zložka) je podstatné pre vznik sekundárnych zlúčenín. Najpodstatnejší je vznik ozónu, aldehydov, ketónov a peroxyacylnitrátov. Z dôvodu zvýšenej intenzity slnečného žiarenia je v znečistenej oblasti väčšia koncentrácia ozónu nie na dne dolín, kde je vizuálne najviac smogu, ale vo vyšších nadmorských výškach, nad úrovňou smogu.

17. Air quality index

18. Vstup znečistenín ovzdušia do organizmu – dýchací systém V pokoji a miernej fyzickej aktivite preferujem nadychovanie nosom turbulentné prúdenie v nose protiprúdový systém pre ohrievanie a zvlhčovanie vzduchu impakcia polutantov, filtrácia korpuskulárnych polutantov dilúcia plynných polutantov Farmakokinetika závisí od ich rozpustnosti a chemických procesoch v tekutine pokrývajúcej povrch sliznice dýchacích ciest a ich difúzii cez biologické membrány. Vo farmakokinetike vdýchnutých častíc hrá dôležitú úlohu ich veľkosť, väčšie častice sa zachytia v HDC, kým častice s menším aerodynamickým Parametrom prenikajú hlbšie do DC

19. Polutanty pri vstupe do DC môžu iniciovať ochranné a obranné reflexy (kašeľ, kýchanie, pocit podráždenia DC) Ak koncentrácia polutantov vo vdychovanom vzduchu je veľká, potom dochádza k nadprodukcii hlienu a dysreguláciiriasinkovéhoepitelu, znižuje sa kmitanie riasiniek Výsledkom je stagnácia hlienu, obliterácia malých DC, možnosť pomnoženia mikroorganizmov v tomto teréne atd. Po prieniku škodlivín až do alevol - aktivované alveolárne makrofágyregulujú zápalovú a fibrotickúodpoveď parenchýmu pľúc. Aktivuje sa proteázový systém, vzniká oxidačný stres, ktoré môžu poškodzovať pľ. tkanivo

20. Toxické vplyvy najčastejších znečistenín ovzdušia Oxid siričitý Plynný SO2 sa úplne resorbuje už v nosovej dutine a nazofaryngu. V periférnych dýchacích cestách pôsobí toxicky v transformovanej forme buď absorbovaný na malé častice, alebo ako kyslý aerosól. Spomaľuje alebo až zastavuje mukociliárny transport. Dráždenie sliznice dýchacích ciest vyvoláva bronchokonstrikciu. Na rozvoji chronických zápalových zmien sa zúčastňujú proteolytickéenzýmy, mediátory a voľné radikály uvoľnené zo zápalových buniek.

21. Ozón Predstavuje asi 50% celkových oxidantov. Počas dýchania nosom sa z vdýchnutého množstva až 80% resorbuje v horných dýchacích cestách. K hlbšiemu prieniku O3 do pľúc dochádza aj pri hlbokom dýchaní pri fyzickej námahe. Prítomné sú akútne zápalové zmeny s infiltráciou PMN leukocytov a eróziou epitelu. Jeho dlhodobejšie pôsobenie zvyšuje permeabilituepitelu DC. Významne sa podieľa na rozvoji bronchiálnej hyperreaktivity

22. Oxid dusičitý Dôležitý polutant nielen znečiteného ovzdušia, ale aj v domácnostiach, kde sa používajú plynové sporáky. Ľahko penetruje do distálnych častí dýchacích ciest. Znižuje rezistenciu voči vdýchnutým baktériama poškodzuje aleveolárnemakrofágy. V kombinácii s O3 a SO2 zosilňuje bronchokonstrikčnú odpoveď u astmatikov.

23. Mechanizmy toxického pôsobenia oxidantov Tvorba voľných kyslíkových radikálov spôsobuje oxidačný stres v tkanive respiračného systému. Oxidanty reagujú s látkami prítomnými v tekutine pokrývajúcej povrch sliznice (polynesaturovanémastné kyseliny, cholesterol, tryptofán a iné) a vytvárajú voľné kyslíkové radikály, aldehydy a peroxidy. Dochádza k uvoľňovaniu chemotaktických faktorov, ktoré vedú k infiltrácii sliznice leukocytmi. Oxidačný stres spôsobuje peroxidáciulipidov, čím sa zvyšuje permeabilitabunkovej membrány.

24. Dieselové motory Najdôležitejšie zdroje PM10 Ich účinkom sa predlžuje kontakt sliznice s alergénmi. Pri interakcii tekutých PM10 a peľových zŕn môže dôjsť k uvoľneniu proteínov, čím sa zvyšuje tvorba submikroskopickýchalergénov.

25. Úloha znečisteného ovzdušia pri vzniku ochorení respiračného systému Morbidita a mortalita na kardiopulmonálneochorenia sú zvýšené počas enormnej akumulácie polutantovpri nepriaznivých poveternostných podmienkach. Nárast koreluje so vzostupom koncentrácií O3 a SO2 v ovzduší. Polutanty sa považujú za rizikový faktor vzniku chronických respiračných ochorení .

26. London in the winter 1962

27. RADS – reactive airway dysfunction syndrom Brooks charakterizoval dôsledky jednorazovej expozície vzdušným polutantom so vznikom symptómov podobných astme u predisponovaných jedincov kašeľ, hvízdanie, pocit iritácie DC, tlak na hrudi a dýchavice do 24 hodín po expozícii iritantom funkčné vyšetrenie pľúc - limitovanie exspiračného prietoku vzduchu pozitívny metacholínovým bronchoprovokačným test pri súčasnom vylúčení iného závažného ochorenia dýchacích ciest a pľúc Najčastejšie príčiny – plyny rozpustné vo vode s násl. poklesom pH, ako sú oxidy síry a dusíka, ktoré majú súčasne aj vysoký oxidačný potenciál, ďalej formaldehyd, paraformaldehyd, izokynanáty, organické prchavé látky (rozpúšťadlá), dezinfekčné a čistiace prostriedky (najmä s obsahom chlóru) a mnohé iné

28. Vzťah ochorení DC a polutantov. Astma a alergie Rizikový faktor pri vzniku respiračnej alergie a) dráždením sliznice dýchacích ciest sa môžu podieľať na rozvoji hyperreaktivity dýchacích ciest (neurogénny zápal) b) toxickým vplyvom na epitel môžu zvýšiť jeho permabilitupre inhalované alergény a poškodením mukociliárnehoclearance spôsobiť dlhšiu prítomnosť alergénovv dýchacích cestách. excerbácia astmy, CHOCHP

29. TRPA1 relevant molecules induce neurogenic inflammation

30. Anexampleforcigarettesmokeinducedlungdamageviaactivatedmacrophages & neutrophils, withreeaseofproteases, matrixmetaloproteasesMMPs – leading to COPD

32. Doc. MUDr. Jana Plevková PhD, 2011 Ústav patologickej fyziológie JLF UK v Martine Patofyziológia starnutia, terminálnych stavov a vplyvu znečistenín ovzdušia

34. S T A R N U T I E Starnutie je plynulý proces postupného znižovania vitality a zvyšovania vulnerability tkanív, vedúci k smrti organizmu Je to proces, ktorý je vlastný každej eukaryotickej živej bytosti , od počiatku jej existencie V medicínskom zmysle ide o súhrn somatických zmien v období od ukončenia rastovej fázy až po smrť Keďže sa v súvislosti so „starnutím“ organizmu súčasne zvyšuje aj chorobnosť – je niekedy ťažké identifikovať, či ide o proces spôsobený „len“ starnutím, alebo proces vyvolaný a ovplyvňovaný chorobami, ktoré sú u daného jedinca prítomné

35. WHO – vymedzenie vekových kategórií - stredný vek: (45 - 59 rokov) - presénium: (60 - 74 rokov) - sénium (starecký vek): (75 - 89 rokov) - veľmi vysoký vek (nad 90 rokov)

36. Populácia starne vyššia kvalita života seniorov lepšia diagnostika a liečba chorôb – zvyšuje prežívanie v populácii seniorov

37. 100 50 0 1980 1930 1900 1840 % PREŽÍVAJÚCICH 0 20 40 60 80 100 VEK V ROKOCH

38. Mortalita osôb vo veku 80-89 rokov v období 1950-1995 Japonsko Francúzsko Švédsko U.K. U.S.A.

39. 1. zvyšujúca sa mortalita 2. zmeny biochemických procesov 3. progresívne zoslabovanie fyziologických procesov 4. znížená schopnosť adaptácie na zmeny prostredia Hlavné charakteristiky starnutia 5. zvýšená náchylnosť na veľký počet chorôb

40. Somatické zmeny v priebehu starnutia • Zmeny na bunkovej úrovni - počet postmitotických bb klesá a deliace sa bb vykazujú limitovanú mitotickú aktivitu • Zmeny na tkanivovej úrovni – narušenie štruktúry tkanív, zväčšenie objemu buniek pri znížení ich počtu, depozícia tuku v tkanivách, zníženie množstva elastínu, zvýšenie množstva a zmeny štruktúry kolegénu vedú k zhrubnutiu interstícia, čo limituje dodávku kyslíka a substrátov bb

41. Orgánové zmeny • Myokard – hypertrofia a fibróza, narušenie chlopní, postupné znižovanie CO • Cievy – zvýšenie rigidity artérií, pre narušenie pomeru elastínu a kolegénu + ukladanie vápenatých solí + ATS, periférna rezistenica sa zvyšuje čo je príčinou zvýšeného TK krvi • Krv – anémie so zníženej resorbcie železa, zvyšovanie sedimentácie, zníženie počtu a aktivity bieleho krvného radu, trombocyty vykazujú zvýšenú adhezivitu • Obličky – klesá GF a prietok krvi obličkami, kreatinín nemusí stúpať, lebo sa súčasne znižuje množstvo svalových buniek • Respiračný systém – znižuje sa compliance hrudníka, znižuje sa VC, zhoršuje sa difúzia na alveolokapilárnej membráne, zhoršuje sa kmitanie riasiniek a kašľový reflex

42. Orgánové zmeny Git –dysfágia, hiátové hernie, divertikulóza hrubého čreva, zníženie motility, pokles resorbcie živín, atrofia pečene a zníženie jej funkcií Endokrinný systém – pokles STH, zmeny FSH LS u menopauzálnych žien, klesá hladina T3, poruší sa tolerancia glukózy, fibróza a skleróza B buniek Kostra a svalstvo – atrofia svalstva a úbytok kostnej hmoty, znížená schopnosť regenerácie chrupaviek Koža – atrofia a znížená regenerácia buniek epidermis, tvorba vrások pre stratu elasticity a zníženie množstva podkožného tuku, šednutie vlasov pre zníženie tvorby melanínu Nervový systém – atrofia neurónov, nedostatočná výživa sp. poruchami mozgových tepien, PNS – neuropatia Zmysly – zníženie výkonnosti zmyslových orgánov Metabolizmus – zníženie metabolizmu a tvorby tepla

43. Teórie starnutia opotrebovania tkanív od úrovne molekulárnej cez subcelulárnu, celulárnu až po orgánovú 1. Výživa bezprostredne po pôrode ovplyvňuje dobu prežitia 2. Nahromadenie somatických mutácii - korelácia medzi schopnosťou reparácie poškodenej DNK a dobou prežitia 3. Zvýšená expozícia stresovým činiteľom vedie k predčasnému stárnutiu 4. S pokračujúcim vekom sa v bunke hromadia toxické produkty metabolizmu - peroxidy a kyslíkové radikály, neenzymatická glykácia makromolekúl - znížená schopnosť antioxidačných a reparačných pochodov, čím sa hromadia „chybné molekuly“

44. Genetické faktory Každý živočíšny druh má geneticky determinovanú dĺžku života, je viac menej konštantná Počet mitóz v rámci určitých bunkových línií je limitovaný Defektná syntéza proteínov – génových produktov v dôsledku zvýšeného množstva somatických mutácií Súčasne sú limitované možnosti reparácie DNA Gény starnutia – nepriame dôkazy

45. Poznatky získané od pacientov s Wislonovým syndrómom, alebo detí s progériou poukazujú na silné genetické pozadie procesu starnutia – hoci mnohé štúdie uvádzajú, že starnutie je proces multifaktoriálny

46. Imunitné faktory Zvýšené množstvo mutácií somatických buniek vyvoláva zmenu expresie ich povrchových antigénov, ktorými sa prezentujú IS Hoci imunita všeobecne s vekom klesá, neproporcionálne sa zvyšuje množstvo autoimunitných procesov Zvyšuje sa tvorba celej škály cytokínov – hlavne Il1, Il6, TNF Zvyšuje sa množstvo rastových faktorov – TGF , IGF, bFGF – a tieto vedú k neregulovanému zmnoženiu medzibunkovej hmoty, ukladaniu amyloidu do cievnej steny, progresii fibrotických zmien

48. genetická predispozícia vznik chorôb & poškodenie tkanív zdravá výživa zápal akumulácia bunkových defektov zdravý živ. štýl náhodné zmeny na úrovni makromolekúl znečistenie prostredia, fajčenie potrava – toxické látky, liečivá... stres, oxidačný stres

49. TERMINÁLNE STAVY (TS) Tanatológia: mechanizmy zomierania vedúce k irreverzibilnej dezintegrácii organizmu ako celku 1. Preagonálne: interakcia 2 antagonistických tendencií a) procesy poškodenia až dezintegrácie organizmu vplyvom patologických situácií (hypoxia, acidóza, atď.) b) obranné a kompenzačné reakcie organizmu (tachypnoe, tachykardia, vazokonstricia, hypertenzná reakcia) - pri vyčerpaní kompenzačných rezerv  preterminálne apnoe, vymiznutie EEG aktivity, AV blokáda s preautomatickou pauzou, hypotenzia a tkanivová hypoperfúzia

50. 2. Agonálne chaotická funkcia rôznych systémov, ktorá sa vymyká kortikálnej kontrole, prevažujú subkortikálne regulačné centrá a reflexné mechanizmy; typické príznaky: a) gasping b) Adamsov - Stokesov syndróm c) poruchy vedomia 3. Klinická smrť: bezvedomie, apnoe, zastavenie srdca - promptná resuscitácia môže viesť k plnému obnoveniu funkcií - fyzikálno - chemické zmeny v ďalších orgánoch (pečeň, obličky, GIT, zrážanie krvi  polysystémové zlyhanie