Когда глоток воды попадает не в то “горло” – направляясь к легким, а не к кишечнику здорового человека – он начинает бесконтрольно кашлять. Это связано с тем, что его верхние дыхательные пути чувствуют воду и быстро подают сигнал в головной мозг. Тот же кашлевой рефлекс возникает у людей с кислотным рефлюксом, когда кислота из желудка попадает в горло.
Теперь ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UC San Francisco) определили редкий тип клеток, ответственных за инициацию этих реакций. В исследовании, опубликованном в научном журнале Science, ученые подробно описали, как именно клетки, называемые нейроэндокринными клетками гортани и трахеи, могут обнаруживать воду или кислоту в верхних дыхательных путях и передавать информацию, высвобождая химические мессенджеры, которые активируют нервы, ведущие к мозгу.
Исследование поможет лучше понять то, как эти кашлевые рефлексы уменьшаются с возрастом и заболеваниями, или привести к стратегии по предотвращению пневмонии или лечению определенных типов хронического кашля.
«Это исследование дает нам глубокое представление не только о том, как наш организм таким удивительным образом защищает наши дыхательные пути, но и в более широком смысле о том, как внутренние органы могут выступать в качестве привратников во внешний мир», — комментирует Дэвид Джулиус (David Julius) из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 2021 года.
Нейроэндокринные (НЭ) клетки встречаются во всех дыхательных и пищеварительных системах и выполняют двойную функцию: вырабатывать и высвобождать гормоны, как эндокринные клетки, и отправлять и получать электрические сообщения, как нейроны.
Клетки реагируют на воду и кислоту
«Мы кое-что знали о том, что эти клетки делают в легких, но не в верхних дыхательных путях», — объясняет автор исследования Лаура Зихольцер (Laura Seeholzer). “Единственная причина, по которой мы вообще знали, что они существуют в гортани, заключается в том, что у некоторых людей возникают очень редкие нейроэндокринные опухоли гортани».
Учёные разработали методы выделения крошечных и очень редких НЭ-клеток из легких, гортани, верхней и нижней части трахеи и охарактеризовали молекулярные детали различных групп клеток. Исследователи изучали, какие гены были активны в каждой клетке, а также какие стимулы заставляли клетки испускать химические сигналы. Зихольцер обнаружила, что в отличие от НЭ-клеток из легких, клетки, обнаруженные в трахее и гортани, не реагировали на изменения давления. Но НЭ-клетки дыхательных путей действительно высвобождали сигналы в ответ на воду и кислоту.
На изолированных тканях мышей Зихольцер также продемонстрировала, как НЭ-клетки могут передавать эти сообщения непосредственно сенсорным нейронам, ведущим к мозгу. Затем она показала, что активация НЭ-клеток у живых мышей заставляет животных глотать и кашлять, что является важными рефлексами для защиты наших легких. С другой стороны, когда у мышей полностью отсутствовали НЭ-клетки, животные не реагировали на воду в дыхательных путях.
«Мы действительно хотели узнать подробности того, что заставляет эти клетки работать», — добавляет Джулиус. «Раньше никто никогда не демонстрировал, что эти клетки общаются с сенсорными нейронами, и мы хотели проследить весь путь сообщения».
Возможное лечение хронического кашля
Результаты нового исследования позволяют предположить, что НЭ-клетки гортани и трахеи аналогичны вкусовым рецепторам или волоскам в ушах; сами по себе они не являются нервными клетками, но связаны с нейронами, которые посылают сенсорную информацию в мозг.
«Если у вас когда-либо был опыт аспирации воды или кислотного рефлюкса, вы знаете, что оба этих состояния невероятно болезненны; вы сразу же кашляете, давитесь и пытаетесь очистить дыхательные пути», — комментирует Зихольцер. «Теперь мы лучше понимаем, как организм вызывает это».
С возрастом так называемый кашлевой рефлекс зачастую становится менее чувствительным, что делает пожилых людей, а также людей с определенными заболеваниями более склонными к аспирации жидкости в легкие и развитию пневмонии. Новое понимание того, как НЭ-клетки связаны с кашлевым рефлексом, может в конечном итоге привести к способам повышения чувствительности и предотвращения данного состояния. Воздействие на клетки также может помочь в лечении хронического кашля, связанного с кислотным рефлюксом у некоторых людей.
«Необходима дополнительная работа, чтобы лучше понять, как НЭ-клетки потенциально изменяются в результате болезней, курения или старения», — заключает Зихольцер.
Литература:
Laura F. Seeholzer et al, Neuroendocrine cells initiate protective upper airway reflexes, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adh5483. www.science.org/doi/10.1126/science.adh5483