Учёные раскрыли новый механизм защиты лёгких от инфекций с помощью ресничек

(A) Скорость ресничек измеряется путём отслеживания движения выбранной реснички (красным цветом) в месте её пересечения с линиями, параллельными направлению рабочих движений и удалёнными на 1, 2 и 3 мкм от основания реснички (красная точка). (B) Координаты X реснички на разных расстояниях фиксируются для измерения среднего смещения во время рабочего и возвратного движения. (C) Измеряется средняя скорость для двух типов движений, а чистая скорость реснички рассчитывается как разница между этими скоростями. Автор: Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2419032122

Учёные обнаружили ранее неизвестный механизм, с помощью которого дыхательные пути человека защищают лёгкие от инфекций — через действие ресничек, крошечных волосовидных структур, выстилающих дыхательные пути.

Известно, что эти структуры ритмично двигаются согласованно, чтобы выводить слизь и захваченные частицы в сторону рта вдоль эпителиальной поверхности дыхательных путей.

Однако новое исследование показывает, что они также создают движение жидкости в направлении от эпителиальной поверхности, потенциально усиливая защитный барьер дыхательных путей.

Динамический барьер

Новые эксперименты, проведённые доктором Эрикой Каузой и коллегами из группы профессора Пьетро Чикуты в Кембриджском университете, с математическим моделированием доктора Дебасиша Даса из Университета Стратклайда, показывают, что это движение ресничек создаёт не только боковой, но и вертикальный поток, выталкивая жидкость вверх от поверхности дыхательных путей.

Этот «динамический барьер», вероятно, помогает предотвратить проникновение бактерий, вирусов и других вредных частиц к клеткам, выстилающим дыхательные пути, и возникновение инфекции.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, может помочь объяснить повышенную восприимчивость к инфекциям у людей с нарушениями функции ресничек, такими как муковисцидоз или первичная цилиарная дискинезия.

В таких состояниях нарушенное движение ресничек связано с ухудшением очистки слизи. Исследования ex vivo также показали, что когда реснички становятся неподвижными (состояние, называемое цилиостазом), репликация вирусов, таких как H3N2 гриппа, значительно увеличивается.

Аналогично, SARS-CoV-2, вирус, вызывающий COVID-19, поражает реснитчатые клетки дыхательных путей, часто оставляя их реснички укороченными, деформированными или неспособными правильно двигаться. Эта дисфункция ресничек может ослабить защиту дыхательных путей и позволить вирусным частицам проникать в более глубокие области лёгких.

Новое понимание

Доктор Дас из Департамента математики и статистики сказал: «Наши результаты показывают, что реснички не просто перемещают слизь по дыхательным путям; они также выталкивают жидкость вверх, от лёгочной выстилки.

«Согласованное движение ресничек не только поддерживает здоровье дыхательных путей, очищая слизь, но и создаёт динамический барьер против проникновения патогенов. Это новое понимание может привести к лучшим методам лечения лёгочных заболеваний, при которых реснички работают неправильно».

Команда из Кембриджа отслеживала движение жидкости в реальном времени, используя передовой метод «освобождения» крошечных флуоресцентных маркеров в культивируемом человеческом эпителии дыхательных путей. Они обнаружили, что согласованное движение ресничек создаёт как быстрые горизонтальные потоки, так и более медленные вертикальные потоки — комбинированный эффект, который ранее не наблюдался напрямую.

Для поддержки экспериментальной работы доктор Дас создал детальные компьютерные модели, используя теорию тонких тел. Эти модели показали, что вертикальные потоки возникают только тогда, когда реснички двигаются синхронно или в метахронных волнах, и отсутствуют, когда они двигаются хаотично, подчёркивая важность координации для этого дополнительного уровня защиты.

Больше информации: Erika Causa et al, Cilia dynamics create a dynamic barrier to penetration of the periciliary layer in human airway epithelia, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2419032122

Источник: University of Strathclyde, Glasgow