Легкие в эмбриональном и раннем постнатальном периодах - системы организма (гистология)
РАННИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЛЕГКИХ
Ранние этапы развития легких очень напоминают развитие экзокринных желез. Закладка легких образуется из эпителия передней стенки головной кишки и принимает сначала вид продольно расположенного выпячивания. Оно отшнуровывается от головной кишки во всех участках, за исключением краниального конца. Образующаяся при этом трубочка является предшественником гортани и трахеи. Ее каудальный конец замкнут, однако клеточная пролиферация в этом участке вскоре приводит к образованию двух расходящихся в виде вилки полых эпителиальных выпячиваний, одно из которых направлено вправо, а другое - влево. Эти выпячивания называются закладками бронхов первого порядка, так как они являются предшественниками этих бронхов.
Две почки бронхов растут, направляясь к тем участкам, где в дальнейшем будут развиваться легкие. На этих растущих трубочках появляются выпячивания, которые потом разрастаются и удлиняются, давая начало бронхам второго порядка. Последние в свою очередь также ветвятся, образуя еще более мелкие бронхи, что происходит обычно за счет формирования парных выпячиваний, которые появляются на их слепых концах (рис. 23 - 23). Позднее ветвление становится менее упорядоченным, но продолжает давать начало предшественникам бронхиол.
Рис. 23 - 23. Микрофотография легкого эмбриона свиньи на ранних стадиях развития (малое увеличение) (Ham A. W., Baldwin К. W., 1941).
Эпителиальные трубочки (будущие бронхи) врастают в мезенхиму, где они ветвятся.
Если сказать, что рост и ветвление полого бронхиального дерева, исходно развивающегося из эпителия головной кишки, дают начало бронхам и бронхиолам, которые можно сравнить с междольковыми и внутридольковыми протоками экзокринных желез, то это значит упростить понимание, но не отразить всего процесса, так как из эпителиального выроста развиваются только эпителиальная выстилка и железы бронхов и бронхиол. Соединительная ткань и гладкомышечные клетки в стенках бронхов и бронхиол, а также хрящевая ткань в бронхах развиваются из мезенхимы, в которую врастает полое ветвящееся эпителиальное дерево. По мере того как эпителиальный зачаток врастает в мезенхиму, последняя уплотняется вокруг эпителиальных трубочек (рис. 23 - 23), дифференцируясь в соединительную ткань и гладкомышечные клетки, образующие стенки бронхов и бронхиол.
Считается, что у человека к концу 15-й недели внутриутробного развития уже имеются все порядки бронхиол, характерные для легкого. Число порядков бронхов и бронхиол различается у отдельных видов- у человека же оно выше в нижних долях легких, чем в верхних. С того момента, как образуются все бронхиолы и до 24 - й недели внутриутробного развития эпителий бронхиол врастает в мезенхиму, образуя структуры, которые, если продолжать аналогию легкого с железой, соответствуют секреторным отделам.
ПОЗДНИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЛЕГКИХ И ИХ РОСТ
До сих пор увеличение размеров легких и грудной клетки объясняли продолжающимся ростом эпителиального и мезенхимного компонентов легкого и тканей, образующих грудную клетку. Однако, начиная с этого периода и далее, при рассмотрении как микроскопического строения легких, так и их роста, следует принимать во внимание динамические характеристики. Сначала мы кратко опишем то, что происходит сразу после рождения, а потом, каким образом осуществляется подготовка к этому в течение последних трех месяцев внутриутробного развития.
Когда ребенок появляется на свет, он почти немедленно втягивает воздух в легкие за счет движений, обеспечивающих вдох. Эти движения зависят от механического расширения грудной клетки, при котором засасывается воздух (или все, что угодно, что не зафиксировано и может попасть в грудную клетку). В норме единственными компонентами, имеющими доступ в грудную клетку, являются воздух и кровь. Воздух засасывается через нос или рот, трахею, бронхи и бронхиолы в респираторный отдел легкого. При этом легкие расширяются и увеличивается объем грудной клетки. Представляет интерес то обстоятельство, что при движениях, связанных с вдохом, в легкие не только засасывается воздух, но и поступает увеличенное количество крови. Этим объясняется тот факт, что вес новорожденного ребенка может увеличиться на несколько десятков граммов, если сразу же после появления на свет не перевязать пуповины. Врач, принимающий ребенка, выполняет необходимые действия, чтобы удалить всю жидкость, имеющуюся в верхних дыхательных путях, тем самым облегчая ее вытеснение воздухом. Однако сразу же после рождения через верхние дыхательные пути удаляется лишь около одной трети жидкости, содержащейся в воздушных пространствах легких (Avery М. Е. et al., 1973)- большая же ее часть подвергается всасыванию.
Значение сурфактанта при рождении. Очень важно, чтобы секреторные клетки в легком были хорошо развиты до рождения ребенка, потому что выделяемый ими сурфактант необходим для уменьшения поверхностного натяжения, которое в противном случае могло бы привести к слипанию межальвеолярных стенок в конце выдоха или не дать им разделиться при вдохе.
Эйвери и Флетчер (Avery М. Е., Fletcher В. D., 1974) получили очень ценные данные, касающиеся этого вопроса. Синтез и секреция сурфактанта начинается на 24 - й неделе внутриутробного развития плода человека и соответствует по времени началу образования ферментов, необходимых для синтеза фосфолипидов в клетке. Выработка сурфактанта указывает на завершение дифференцировки (созревание) альвеолярных клеток типа II. Это созревание можно проверить у беременных женщин специальными тестами, которые позволяют с помощью физико-химических методов до рождения ребенка определить количество сурфактанта в амниотической жидкости.
Созревание пневмоцитов типа II ускоряется стероидами, такими, как кортизол (Avery М. Е. et al., 1973). Определенная роль принадлежит и гормону щитовидной железы. Помимо этого, для нормального созревания клеток, вырабатывающих сурфактант, необходима нормальная функция гипофиза и надпочечников.
При рождении требуется значительное усилие для совершения первого вдоха, в основном оно должно преодолеть силы поверхностного натяжения. Поверхностно-активные фосфолипиды (сурфактант) способствуют проникновению воздуха в дыхательную систему. Когда в момент рождения сурфактанта меньше, чем его должно быть в норме (при нарушении созревания пневмоцитов типа II), создаются условия для возникновения синдрома дыхательной недостаточности, для которого характерен цианоз и одышка. Такой синдром наблюдается часто у недоношенных новорожденных, а иногда и у доношенных. Это состояние связано с общей неспособностью альвеол раскрываться или оставаться в раскрытом состоянии из-за недостаточной выработки в легких сурфактанта. Когда новорожденный ребенок делает свой первый глубокий вдох, то альвеолы расширяются, заполняясь воздухом, и благодаря сурфактанту больше не спадаются. Если же ребенок родился прежде, чем появилось достаточное количество сурфактанта, альвеолы могут спасться снова при выдохе, причем дыхание будет настолько затрудненным и неэффективным, что ребенок погибает в первые два дня после рождения.
Воздухонепроницаемый барьер в легком. Теперь, когда мы уяснили, что грудная клетка может увеличиваться в объеме только тогда, когда в нее что-то засасывается, а у новорожденного ребенка засасываться может только воздух и кровь, причем легкие увеличиваются при вдохе, что происходит только вследствие увеличения полости, в которой они помещаются, мы можем перейти к рассмотрению другого вопроса.
Когда легкие расширяются, их эластические компоненты растягиваются в еще большей степени. Поэтому легкие должны быть окружены воздухонепроницаемым барьером (оболочкой) ведь в противном случае расширение грудной клетки может вызвать поступление воздуха через сравнительно слабые стенки поверхностных альвеол в плевральную полость. Таким барьером служит висцеральная плевра. Если в этой оболочке образуется дефект, то при разрыве тонкой стенки любой альвеолы, расположенной позади него, воздух начнет поступать в плевральную полость, которая будет при этом расширяться, отчего растянутая эластическая ткань легкого, сокращаясь, вызовет спадение легкого к области его корня. Такое иногда случается, но, к счастью, довольно редко.
Подобная же воздухонепроницаемая оболочка требуется для лимфатических сосудов легкого (распределение которых будет вскоре описано). Эти сосуды также нуждаются в оболочке, которая препятствовала бы засасыванию в них воздуха, потому что если такое засасывание произойдет, то движения грудной клетки при выдохе погонят воздух по лимфатическим сосудам в другие области тела. Такое также иногда случается, но опять-таки редко.
Барьер, препятствующий поступлению воздуха в плевральную полость и лимфатические сосуды легкого, хотя и незначителен по толщине, состоит из обычной плотной волокнистой ткани, которая, конечно же, содержит мало клеток и образована преимущественно мощными переплетающимися пучками волокон. Эта соединительная ткань, развивающаяся также из мезенхимы, имеет другой источник, нежели ткань, непосредственно окружающая эпителиальные компоненты развивающегося легкого (Ham A. W., Baldwin К. W.). Мезенхима, окружающая развивающиеся эпителиальные структуры, очень рыхлая и содержит много клеток (рис. 23), тогда как мезенхима, которая будет дифференцироваться в ткань, ответственную за защиту легкого от утечки воздуха, образуя висцеральную плевру и междольковые перегородки, содержит относительно мало клеток и состоит преимущественно из межклеточного вещества.
В связи с этой ситуацией, возникают два вопроса: 1) будет ли рыхлая и богатая клетками ткань (с большим количеством капилляров), развивающаяся совместно с эпителиальными компонентами легкого, достаточно прочной, чтобы предотвратить попадание воздуха в ее вещество при растяжении, и 2) таким ли образом развиваются новые альвеолярные пространства в последние месяцы внутриутробного развития и позднее. Это мы и обсудим ниже. Однако сначала необходимо описать и обсудить состояние, называемое интерстициальной эмфиземой.
Интерстициальная эмфизема. Если легкое прокалывается (как иногда бывает при ножевом ранении или при внедрении сломанного ребра в плевру и ткань легкого), движения грудной клетки начнут нагнетать воздух через рану в рыхлую волокнистую соединительную ткань стенки грудной клетки, через которую воздух проникает весьма свободно. Известны случаи распространения воздуха по рыхлой волокнистой ткани, например в мошонку- при этом она увеличивалась до таких размеров, что приходилось делать разрезы, чтобы выпустить воздух. Такое состояние, когда воздух поступает в мягкие ткани и распространяется по ним, называется интерстициальной эмфиземой (от греч.- наполнение воздухом). Следует отметить, что слово эмфизема, когда оно используется само по себе, относится к состоянию, при котором происходит увеличение легочных альвеол, связанное с деструктивным процессом в межальвеолярных стенках.
Развитие легкого в последние месяцы внутриутробного периода. Все изложенное было необходимо как основа для создания представлений, позволяющих рассмотреть вопрос о том: 1) будет ли легкое в третьей фазе пренатального развития продолжать, как и ранее, развиваться подобно железе, так что альвеолы, имеющиеся в момент рождения, будут образованы заранее в форме эпителиальных выпячиваний, которые, расширяясь изнутри, станут тонкостенными пузырьками или 2) физические силы к этому времени станут ведущим фактором, определяющим характер изменений микроскопической структуры легкого на конечных этапах его эмбрионального развития, а также при продолжающемся росте в постнатальной жизни, как это и будет обсуждаться далее.
В последнем периоде внутриутробного развития бронхи, бронхиолы и альвеолы заполнены жидкостью. Она состоит из амниотической жидкости, смешанной с тканевой жидкостью, образованной капиллярными системами в легких. Аспирация какого-то количества амниотической жидкости в легкие, очевидно, вызвана их расширением за счет роста и увеличения грудной клетки. Более существенное поступление амниотической жидкости в будущие воздушные пространства легкого происходило бы, если бы плод на конечных этапах внутриутробного развития совершал дыхательные движения.
Путем использования недавно разработанной ультразвуковой аппаратуры теперь можно изучать органы и структуры, находящиеся внутри тела, наблюдая изменения их формы и расположения. Этими методами обнаружено, что плод действительно совершает отдельные дыхательные движения. Тот факт, что они происходят до рождения, может также объяснить сущность изменений, наступающих в микроскопическом строении легкого в этот период.
Преобразование структуры, имеющей вид железы, в которой альвеолы выглядят как округлые пузырьки, образованные кубическими или цилиндрическими эпителиальными клетками, в орган, в котором альвеолы часто имеют неправильную форму (рис. 24,А), начинается приблизительно в начале последней трети внутриутробной жизни. Альвеолы теперь приобретают ту форму, которую они будут иметь вследствие их расширения воздухом после рождения (рис. 23 - 24,А и В). При этом тот факт, что они приобретают эту форму до рождения, имеет судебномедицинское значение. Ранее существовала большая путаница относительно того, может ли микроскопическое исследование легких мертвого ребенка выявить, умер ли он до или после рождения.
Рис. 23 - 24. Развитие легкого свиньи (Ham A. W., Baldwin К. W., 1941).
А. Микрофотография легкого эмбриона свиньи по окончании второй трети внутриутробного периода (малое увеличение)- орган уже не похож на железу- развивающиеся альвеолы имеют многоугольную форму. Б. Легкое свиньи через 3 ч после рождения- здесь альвеолы крупнее. В. Другая часть легкого свиньи через 3 ч после рождения- альвеолы здесь значительно расширены.
Одно время считали, что если легкое не имеет вид железы, а альвеолы расширены, то ребенок вдыхал воздух. Но, как показывает рис. 23 - 24,А, альвеолы расправляются задолго до рождения, наполняясь не воздухом, а жидкостью, которая, как указывалось выше, будет преимущественно амниотического происхождения, по крайней мере на поздних стадиях развития. Как известно (Shapiro Н.А., 1947), значительно лучшим способом для того, чтобы определить, дышал ли погибший ребенок, будет проверка того, плавают ли легкие в воде.
Ещё одно явление, которое происходит в третьем периоде внутриутробной жизни, состоит в интенсивном развитии капиллярного русла межальвеолярных стенок. Дыхательные движения до рождения могут способствовать притоку крови в эти системы сосудов и тем самым облегчать их расширение. Многие исследователи, в том числе Хэм и Болдуин, сообщили, что в этот период можно увидеть капиллярные петли, которые как бы частично втянуты в воздушные пространства. Развитие достаточно обширных капиллярных петель в межальвеолярных стенках является главной предпосылкой того, что недоношенный ребёнок выживет.
