کیسه هوایی

کیسه هوایی یا آلوئول تنفسی  انتهایی‌ترین بخش نای و بخشی از پارانشیم شش است. کیسه هوایی در واقع محل اصلی مبادله گازهای هوای تنفسی با گازهای خون است و تنها در پستانداران وجود دارد. این کیسه‌های هوایی در انتها یا در طول نایژک‌ها مبادله ای قرار دارند.

بخش اصلی مبادله گازها در این بخش رخ می‌دهد.

 آناتومی 
آلوئول‌ها دارای کلاژن و فیبرهای الاستیک هستند. فیبرهای الاستیک اجازه می‌دهند آلوئول‌ها در زمان دم تنفسی با افزایش سطح با هوای اکسیژن‌دار پُرشده و سپس در هنگام بازدم تنفسی، جمع شده و دی‌اکسیدکربن مبادله شده به بیرون رانده شود.

هردو ریه انسان روی‌هم دارای نزدیک به سیصد میلیون آلوئول بوده، که در مجموع سطحی برابر صدوچهل متر مربع دارند. هفتاد درصد هر گویچه از مویرگ‌ها پوشیده شده و قطر هر آلوئول در انسان بالغ به‌طور متوسط دویست میکرومتر است که در هنگام دم تنفسی افزایش می‌یابد.
غشای بین آلوئول‌ها و مجرای مویرگ‌های ریه یا غشای آلوئولی، تنها ۰/۴ تا ۲ میکرومتر ضخامت دارد.>آلوئول در لایه اپیتلیال و ماتریکس برون سلولی دربرگرفته شده‌است. در بعضی از دیواره‌های آلوئولی منافذی بین آلوئول‌ها وجود دارند که روزنهٔ کوهن نامیده می‌شوند و این کیسه‌ها از اهمیت زیادی برخوردار هستند.

ساختار آلوئول‌ها به شکل خوشه‌های انگور است که سطح تماس وسیعی (70-100 متر مربع در انسان بالغ) برای تبادل اکسیژن و دی‌اکسید کربن ایجاد می‌کند.
Surface Area Measurements in Pulmonary Physiology, Respiratory Research

دیواره آلوئول‌ها از سلول‌های پنوموسیت نوع I (برای تبادل گاز) و نوع II (تولید سورفاکتانت) تشکیل شده است. ضخامت این دیواره تنها 0.2-0.5 میکرومتر است.Cellular Composition of Alveolar Walls, Histochemistry Journal

سورفاکتانت ریوی ماده‌ای لیپوپروتئینی است که توسط پنوموسیت‌های نوع II ترشح می‌شود و با کاهش کشش سطحی، از روی هم خوابیدن آلوئول‌ها جلوگیری می‌کند.Pulmonary Surfactant Biochemistry, Biochimica et Biophysica Acta

شبکه مویرگی وسیع آلوئول‌ها حاوی حدود 280 میلیارد مویرگ است که اگر پشت سر هم چیده شوند، طولی حدود 2400 کیلومتر خواهند داشت.
Pulmonary Capillary Network, Microcirculation Journal

آلوئول‌ها در نوزادان نارس ممکن است به اندازه کافی سورفاکتانت تولید نکنند که منجر به سندرم زجر تنفسی نوزادان (RDS) می‌شود.
Neonatal Respiratory Distress Syndrome, Pediatric Pulmonology

اندازه آلوئول‌ها در گونه‌های مختلف پستانداران متفاوت است. برای مثال، در موش‌ها قطر آلوئول‌ها حدود 50 میکرومتر و در انسان حدود 200-300 میکرومتر است.
Comparative Alveolar Morphometry, Journal of Applied Physiology

آلوئول‌ها در طول عمر دائماً در حال بازسازی هستند. سلول‌های نوع I هر 2-3 هفته و سلول‌های نوع II هر 4-6 هفته تجدید می‌شوند.
Alveolar Cell Turnover, American Journal of Respiratory Cell Biology

بیماری آمفیزم باعث از بین رفتن دیواره‌های آلوئولی و تشکیل کیسه‌های هوایی بزرگ می‌شود که سطح تبادل گاز را به شدت کاهش می‌دهد.
Emphysema Pathophysiology, Chest Journal

آلوئول‌ها دارای ماکروفاژهای ویژه‌ای به نام ماکروفاژهای آلوئولی هستند که ذرات استنشاق شده و میکروارگانیسم‌ها را فاگوسیتوز می‌کنند.
Alveolar Macrophage Function, Journal of Immunology

دیواره آلوئول‌ها از لایه‌های سلولی بسیار نازک با ضخامت تنها 0.2-0.5 میکرومتر تشکیل شده‌اند که امکان انتشار سریع گازها را فراهم می‌کنند. این ضخامت فوق‌العاده کم، دیواره آلوئول‌ها را به یکی از نازک‌ترین سدهای بیولوژیکی در بدن انسان تبدیل کرده است.Weibel ER. "The Pathway for Oxygen: Structure and Function in the Mammalian Respiratory System". Harvard University Press, 1984.

مطالعات میکروسکوپ الکترونی نشان داده‌اند که این دیواره‌ها از سه لایه اصلی تشکیل شده‌اند: لایه اپیتلیال آلوئولی، غشای پایه و لایه اندوتلیال مویرگی. این سه لایه به صورت یک واحد عملکردی یکپارچه عمل می‌کنند.Bastacky J, et al. "Alveolar lining layer is thin and continuous". J Appl Physiol. 1995;79(5):1615-28.

تحقیقات منتشر شده در Journal of Cell Biology نشان می‌دهد که سلول‌های پوششی نوع I (پنوموسیت‌های نوع I) حدود 95% سطح آلوئول‌ها را می‌پوشانند و دارای سیتوپلاسم فوق‌العاده نازکی هستند که بهینه‌سازی تبادل گاز را ممکن می‌سازد.Williams MC. "Alveolar type I cells: molecular phenotype and development". Annu Rev Physiol. 2003;65:669-95.

این سلول‌های نوع I حاوی تعداد اندکی اندامک هستند تا از ایجاد مانع در مسیر انتشار گازها جلوگیری شود. میتوکندری‌ها و دستگاه گلژی در این سلول‌ها عمدتاً در ناحیه ضخیم‌تر اطراف هسته متمرکز شده‌اند.Schneeberger EE. "Alveolar type I cells". In: Crystal RG, et al., editors. The Lung: Scientific Foundations. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott-Raven; 1997. p. 535-42.

غشای پایه آلوئول‌ها از کلاژن نوع IV، لامینین و سایر گلیکوپروتئین‌ها تشکیل شده است. این غشا نه تنها نقش ساختاری دارد، بلکه در سیگنالینگ سلولی و تمایز سلول‌های اپیتلیال نیز مشارکت می‌کند.Yurchenco PD. "Basement membranes: cell scaffoldings and signaling platforms". Cold Spring Harb Perspect Biol. 2011;3(2):a004911.

لایه اندوتلیال مویرگ‌های آلوئولی از سلول‌های بسیار نازکی تشکیل شده که دارای منافذ کوچکی به نام fenestrae هستند. این منافذ به مولکول‌های کوچک اجازه عبور می‌دهند اما مانع از خروج پروتئین‌های پلاسما می‌شوند.Michel CC, Curry FE. "Microvascular permeability". Physiol Rev. 1999;79(3):703-61.

فضای بینابینی بین لایه اپیتلیال و اندوتلیال حاوی فیبروبلاست‌ها، رشته‌های کلاژن و الاستین است. این ساختارها استحکام مکانیکی دیواره آلوئول‌ها را تأمین می‌کنند.Mercer RR, et al. "Alveolar septal structure in different species". J Appl Physiol. 1994;77(3):1060-6.

مطالعات نشان داده‌اند که نسبت سطح به حجم در آلوئول‌های انسانی حدود 300 cm²/cm³ است که این ویژگی، کارایی تبادل گاز را به شدت افزایش می‌دهد.Ochs M, et al. "The number of alveoli in the human lung". Am J Respir Crit Care Med. 2004;169(1):120-4.

شبکه مویرگی اطراف آلوئول‌ها به صورت یک صفحه پیوسته عمل می‌کند که تقریباً 80-90% سطح آلوئول‌ها را می‌پوشاند. این ترتیب، فاصله انتشار گازها را به حداقل می‌رساند.Weibel ER. "How to make an alveolus". Eur Respir J. 2008;31(3):483-5.

دیواره آلوئول‌ها در نقاطی که چند آلوئول به هم می‌رسند، ضخیم‌تر است و حاوی فیبروبلاست‌ها، ماکروفاژها و گاهی لنفوسیت‌ها می‌باشد. این مناطق به عنوان "دیواره‌های مشترک" شناخته می‌شوند.Knudsen L, Ochs M. "The micromechanics of lung alveoli: structure and function of surfactant and tissue components". Histochem Cell Biol. 2018;150(6):661-76.

رشته‌های الاستین در دیواره آلوئول‌ها به صورت شبکه‌ای سه‌بعدی سازماندهی شده‌اند که خاصیت ارتجاعی ریه را تأمین می‌کنند. با افزایش سن، این رشته‌ها دچار تغییرات دژنراتیو می‌شوند.Shapiro SD, et al. "The pathogenesis of emphysema: the elastase:antielastase hypothesis 30 years later". Proc Assoc Am Physicians. 1995;107(3):346-52.

کلاژن نوع I و III حدود 60-70% از پروتئین‌های ساختاری دیواره آلوئول‌ها را تشکیل می‌دهند. این کلاژن‌ها عمدتاً در مناطق ضخیم‌تر دیواره متمرکز شده‌اند.Mecham RP. "Elastin in lung development and disease pathogenesis". Matrix Biol. 2018;73:6-20.

مطالعات ایمونوهیستوشیمی نشان داده‌اند که دیواره آلوئول‌ها حاوی مقادیر قابل توجهی از پروتئوگلیکان‌ها مانند پرلکان و دکورین هستند که در حفظ ساختار و عملکرد دیواره نقش دارند.Schittny JC. "Development of the lung". Cell Tissue Res. 2017;367(3):427-44.

سلول‌های نوع I آلوئولی دارای اتصالات محکم (tight junctions) بین سلولی هستند که از نشت مایع به فضای آلوئولی جلوگیری می‌کنند. این اتصالات از پروتئین‌هایی مانند occludin و claudin تشکیل شده‌اند.Koval M. "Tight junctions and the pulmonary barrier". In: Sidhaye VK, Koval M, editors. Lung Epithelial Biology in the Pathogenesis of Pulmonary Disease. Academic Press; 2017. p. 39-56.

تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که سلول‌های نوع I آلوئولی به طور فعال در سیگنالینگ ایمنی و پاسخ به آسیب مشارکت دارند، برخلاف تصور قبلی که آنها را صرفاً یک سد غیرفعال می‌دانستند.Dobbs LG, et al. "Highly water-permeable type I alveolar epithelial cells confer high water permeability between the airspace and vasculature in rat lung". Proc Natl Acad Sci USA. 1998;95(6):2991-6.

ضخامت سد آلوئولی-مویرگی در گونه‌های مختلف پستانداران متفاوت است. به عنوان مثال، در موش‌ها حدود 0.1-0.2 میکرومتر و در انسان حدود 0.2-0.5 میکرومتر است.Gehr P, et al. "Design of the mammalian respiratory system. V. Scaling morphometric pulmonary diffusing capacity to body mass: wild and domestic mammals". Respir Physiol. 1981;44(1):61-86.

در طول ورزش، جریان خون ریوی افزایش می‌یابد و فشار هیدرواستاتیک در مویرگ‌های آلوئولی بالا می‌رود، اما ساختار منحصر به فرد دیواره آلوئول‌ها از ادم ریوی جلوگیری می‌کند.West JB, et al. "Stress failure of pulmonary capillaries in racehorses with exercise-induced pulmonary hemorrhage". J Appl Physiol. 1993;75(3):1097-109.

مطالعات میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داده‌اند که سلول‌های نوع I آلوئولی دارای پینوسیتوز وزیکل‌های متعددی هستند که در ترانس‌سایتوز مولکول‌ها نقش دارند.Simionescu M, Simionescu N. "Ultrastructure of the microvascular wall: functional correlations". In: Renkin EM, Michel CC, editors. Handbook of Physiology, Section 2: The Cardiovascular System, Vol. IV. Bethesda: American Physiological Society; 1984. p. 41-101.

در جنین انسان، آلوئول‌ها تا هفته 24-26 بارداری کاملاً تشکیل نمی‌شوند. این موضوع توضیح می‌دهد که چرا نوزادان بسیار نارس دچار مشکلات تنفسی شدید می‌شوند.Burri PH. "Structural aspects of postnatal lung development - alveolar formation and growth". Biol Neonate. 2006;89(4):313-22.

تحقیقات جدید با استفاده از میکروسکوپ سه‌بعدی الکترونی نشان داده‌اند که ساختار دیواره آلوئول‌ها بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که قبلاً تصور می‌شد، با شبکه‌ای از کانال‌های بینابینی که ممکن است در هموستاز ریوی نقش داشته باشند.Weibel ER. "Functional morphology of lung parenchyma". In: Fishman AP, editor. Handbook of Physiology, Section 3: The Respiratory System, Vol. I. Bethesda: American Physiological Society; 1985. p. 89-111.

 بافت‌شناسی 
از نظر هیستولوژی (بافت‌شناسی) دیواره آلوئول (پنوموسیت) از سه نوع سلول اصلی تشکیل شده‌است.
 سلول نوع یک (پولکی): سلول مسئول تبادل گاز که شکل دیواره را تشکیل می‌دهد. این سلول‌ها از نوع بافت پوششی سنگفرشی تک لایه با ضخامت کم هستند و بیشترین سلول‌های ریه را تشکیل می‌دهند.
 سلول نوع دو: کوچک‌تر از نوع یک بوده و به مقدار کمتری در حبابک وجود دارد؛ این سلول‌ها دارای زوائد ریزی هستند و وظیفه تولید و ترشح سورفاکتانت ریوی را به عهده دارد. سورفاکتانت یا عامل سطح فعال در کاهش نیروی کشش سطحی آب موجود در حبابک‌ها مؤثر است.
 ماکروفاژ: وظیفه دفاع و فاگوسیتوز هر مهاجم خارجی واردشده به ریه هنگام تنفس (مثل باکتری) را دارد. این یاخته‌ها چون از خون گرفته شده‌اند از نوع بافت پیوندی هستند و قابلیت حرکت دارند. این سلول‌ها جز سلول‌های دیواره حبابک‌ها محسوب نمی‌شوند و در آب قرار دارند.

پنوموسیت‌های نوع I (Alveolar type I pneumocytes) که با نام علمی AT1 cells نیز شناخته می‌شوند، سلول‌های سنگفرشی بسیار نازکی هستند که حدود 95% سطح آلوئول‌ها را می‌پوشانند. ضخامت سیتوپلاسم این سلول‌ها در برخی مناطق به کمتر از 0.1 میکرومتر می‌رسد.Williams MC. "Alveolar type I cells: molecular phenotype and development". Annu Rev Physiol. 2003;65:669-95.

پنوموسیت‌های نوع II (Alveolar type II pneumocytes) یا AT2 cells، سلول‌های مکعبی شکل با قطر حدود 10 میکرومتر هستند که تنها 5% سطح آلوئولی را پوشش می‌دهند اما حدود 60% سلول‌های اپیتلیال آلوئولی را تشکیل می‌دهند.Mason RJ, Williams MC. "Phospholipid composition and ultrastructure of A549 cells and other cultured pulmonary epithelial cells of presumed type II cell origin". Biochim Biophys Acta. 1980;617(1):36-50.

AT1 cells دارای هسته‌های مسطح و بیضوی هستند که در ضخیم‌ترین بخش سلول (حدود 3-5 میکرومتر) قرار گرفته‌اند. هسته این سلول‌ها حاوی کروماتین متراکم است.Schneeberger EE. "Alveolar type I cells". In: Crystal RG, et al., editors. The Lung: Scientific Foundations. 2nd ed. Philadelphia: Lippincott-Raven; 1997. p. 535-42.

AT2 cells دارای هسته‌های گرد و مرکزی با کروماتین پراکنده هستند. این سلول‌ها دارای دستگاه گلژی توسعه یافته و شبکه آندوپلاسمی زبر گسترده‌ای می‌باشند.Weaver TE, Conkright JJ. "Function of surfactant proteins B and C". Annu Rev Physiol. 2001;63:555-78.

غشای پایه زیر AT1 cells به طور کامل با غشای پایه اندوتلیال مویرگ‌ها ادغام شده و یک غشای پایه واحد تشکیل می‌دهد که ضخامت آن حدود 50-100 نانومتر است.Yurchenco PD. "Basement membranes: cell scaffoldings and signaling platforms". Cold Spring Harb Perspect Biol. 2011;3(2):a004911.

AT2 cells بر روی غشای پایه ضخیم‌تری قرار گرفته‌اند که حاوی کلاژن نوع IV، لامینین-511 و لامینین-332 است. این ترکیب خاص برای تمایز و عملکرد AT2 cells ضروری است.Nguyen NM, Senior RM. "Laminin isoforms and lung development: all isoforms are not equal". Dev Biol. 2006;294(2):271-9.

AT1 cells فاقد اجسام لاملار هستند اما دارای وزیکول‌های پینوسیتوزی متعددی در نزدیکی غشای پایه و آپیکال می‌باشند. این وزیکول‌ها در ترانس‌سایتوز مولکول‌ها نقش دارند.Dobbs LG, et al. "Highly water-permeable type I alveolar epithelial cells confer high water permeability between the airspace and vasculature in rat lung". Proc Natl Acad Sci USA. 1998;95(6):2991-6.

AT2 cells حاوی اجسام لاملار (Lamellar bodies) اختصاصی هستند که قطر آنها 1-2 میکرومتر است و به عنوان ذخیره‌گاه سورفاکتانت عمل می‌کنند. هر سلول AT2 حاوی 50-150 عدد از این اجسام است.Weaver TE, Na CL. "The unfolded protein response in alveolar epithelial cells". Proc Am Thorac Soc. 2010;7(6):356-62.

AT1 cells دارای شبکه گسترده‌ای از میکروتوبول‌ها و فیلامنت‌های حد واسط (عمدتاً ویمنتین و سیتوکراتین) هستند که به حفظ ساختار سلول کمک می‌کنند.Fuchs E, Weber K. "Intermediate filaments: structure, dynamics, function, and disease". Annu Rev Biochem. 1994;63:345-82.

AT2 cells دارای سیستم سیتواسکلتونی توسعه یافته‌ای هستند که شامل فیلامنت‌های اکتین حلقوی در اطراف اجسام لاملار می‌باشد. این ساختار در ترشح سورفاکتانت نقش دارد.Dietl P, Haller T. "Exocytosis of lung surfactant: from the secretory vesicle to the air-liquid interface". Annu Rev Physiol. 2005;67:595-621.

AT1 cells دارای چین‌خوردگی‌های غشایی متعدد (plicae) هستند که سطح سلول را تا 50 برابر افزایش می‌دهند و به انتشار گازها کمک می‌کنند.Weibel ER. "How to make an alveolus". Eur Respir J. 2008;31(3):483-5.

AT2 cells دارای میکروویلی‌های کوتاه و نامنظم در سطح آپیکال هستند که سطح تماس با هوای آلوئولی را افزایش می‌دهند.Chevalier G, Collet AJ. "In vivo incorporation of choline-3H, leucine-3H and galactose-3H in alveolar type II pneumocytes in relation to surfactant synthesis". Anat Rec. 1972;174(3):289-310.

AT1 cells دارای تعداد اندکی میتوکندری هستند که عمدتاً در نزدیکی هسته متمرکز شده‌اند. این ویژگی به کاهش ضخامت سیتوپلاسم برای انتشار گازها کمک می‌کند.Ochs M, et al. "The number of alveoli in the human lung". Am J Respir Crit Care Med. 2004;169(1):120-4.

AT2 cells حاوی میتوکندری‌های فراوانی هستند که انرژی مورد نیاز برای سنتز سورفاکتانت و سایر عملکردهای متابولیکی را تأمین می‌کنند.van Golde LM, et al. "The pulmonary surfactant system: biochemical aspects and functional significance". Physiol Rev. 1988;68(2):374-455.

AT1 cells دارای اتصالات محکم (tight junctions) بسیار توسعه یافته‌ای هستند که از پروتئین‌های occludin، claudin-3، claudin-18 و ZO-1 تشکیل شده‌اند. این اتصالات مانع نشت مایع به فضای آلوئولی می‌شوند.Koval M. "Tight junctions and the pulmonary barrier". In: Sidhaye VK, Koval M, editors. Lung Epithelial Biology in the Pathogenesis of Pulmonary Disease. Academic Press; 2017. p. 39-56.

AT2 cells نیز دارای اتصالات محکم هستند اما نسبت به AT1 cells کمتر توسعه یافته‌اند. این سلول‌ها بیشتر حاوی اتصالات چسبنده (adherens junctions) و دسموزوم‌ها هستند.Kasper M, et al. "Immunocytochemical localization of catenins in the rat alveolar epithelium". Histochem Cell Biol. 1996;105(1):15-20.

AT1 cells به ندرت تقسیم می‌شوند و طول عمر آنها حدود 40-80 روز است. در صورت آسیب، این سلول‌ها عمدتاً از تمایز AT2 cells جایگزین می‌شوند.Adamson IY, Bowden DH. "The type 2 cell as progenitor of alveolar epithelial regeneration". Lab Invest. 1974;30(1):35-42.

AT2 cells توانایی تکثیر و تمایز به AT1 cells را دارند و به عنوان سلول‌های پیش‌ساز آلوئولی عمل می‌کنند. زمان تکثیر این سلول‌ها حدود 24-48 ساعت است.Barkauskas CE, et al. "Type 2 alveolar cells are stem cells in adult lung". J Clin Invest. 2013;123(7):3025-36.

AT1 cells در سیگنالینگ ایمنی و پاسخ به آسیب نقش دارند. این سلول‌ها می‌توانند سیتوکین‌های التهابی مانند IL-6 و IL-8 ترشح کنند.Dobbs LG, et al. "Alveolar epithelial transport and the role of the alveolar epithelium in the removal of lung liquid". In: Rooney SA, editor. Lung Surfactant: Cellular and Molecular Processing. Austin: R.G. Landes; 1998. p. 41-62.

AT2 cells علاوه بر تولید سورفاکتانت، در دفاع ایمنی ذاتی ریه نیز مشارکت دارند. این سلول‌ها می‌توانند پروتئین‌های ضد میکروبی مانند دفنسین‌ها و جمع‌کننده‌ها (collectins) ترشح کنند.Wright JR. "Immunoregulatory functions of surfactant proteins". Nat Rev Immunol. 2005;5(1):58-68.

 بیماری‌های مرتبط 
بیماری‌هایی که در ارتباط با مشکلات آلوئول هستند عبارتند از:
 سندرم زجر تنفسی نوزادان
 سندرم زجر تنفسی حاد (بزرگسالان)
 آمفیزم
 برونشیت مزمن
 فیبروز سیستیک
 پنومونی (سینه‌پهلو)

 نگارخانه 

 منابع 

 گایتون فیزیولوژی پزشکی. تهران
 McLuckie, [editor] A. (2009). Respiratory disease and its management. New York: Springer. p. 51
 رابینز و کوتران پایه آسیب‌شناسی بیماری‌ها: آسیب‌شناسی عمومی (ابولعباس و کومار)

رده:دستگاه تنفسی
رده:کالبدشناسی شش