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Asthma pp 1-16 | Cite as

Electron-microscopic basis of bronchial hyperreactivity

  • K. Morgenroth

Summary

Ultrastructural changes are one of the bases of bronchial hyperreactivity. A number of experimental and clinical studies have shown that a nerval regulation is responsible for the adjustment of bronchial functions to changing environmental conditions. These nerval reactions function in a coordinated manner even in the denervated lung and in explanted bronchial mucosa, indicating that there is a special mechanism of regulation in the mucosa itself. If these autonomous and nerval regulatory mechanisms are disturbed, bronchial hyperreactivity may develop. The question arose as to whether a histomorphological substrate exists for this hyperreactivity and whether cellular changes are related to this dual system of regulation.

Systematic electronmicroscopic examinations were carried out in biopsies from children (aged 6 to 11 years) who were clinically asymptomatic at the time of biopsy. Based on our earlier clinical observation of an evident relationship between viral infection and the development of hyperreactivity, we induced viral infections in the explanted mucosa. Our intention was to observe early functional impairment following structural changes.

The biopsy specimens of these children with bronchial hyperreactivity consistently showed a sector-shaped intraepithelial edema.

The intercellular gaps had widened and the intercellular junctions were disconnected. These changes seem to be responsible for grave alterations in mucosal diffusion.

In these experiments with explanted mucosa, we observed the first contact of the virus with the cell membrane and its penetration into the cytoplasma. It was noted that the impact of the virus caused damage to the filaments and tubules of the cytoskeleton and simultaneous cessation of autonomous regulatory functions. The intercellular gaps became wider and the intercellular junctions were disrupted. Destruction of the cytoskeleton was accompanied by disorientation of the basal body of the cilia, which led to an uncoordinated ciliary beat.

The altered diffusion is manifested in changes in the transport of ions and increase of intraepithelial fluid, which in turn speed up the diffusion of inhaled allergens from the lumen into the subepithelial zones of connective tissue. Simultanously, there may also be direct irritation to the intraepithlial nerve endings. Disruption of intercellular junctions abolishes the horizontal spread of information within the mucosa and this, in turn, disturbs the coordination between the formation of secretion and ciliary transport.

These observations made from biopsies and experimental studies indicate that both components of the dual regulatory mechanism can be modified by viral infection so as to effect an increase in reactivity.

Keywords

Intercellular Space Basal Body Bronchial Epithelium Intercellular Junction Grave Change 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Zusammenfassung

Elektronenmikroskopische Grundlagen der bronchialen Hyperreagibilität. Die Reaktionsfähigkeit der Bronchialschleimhaut mit einer besonderen Anpassungsfähigkeit der Funktion an die sich ständig ändernden Umweltbedingungen unterliegt, wie dies eine Vielzahl von experimentellen und klinischen Befunden belegen, einer nervalen Regulation. Da die Funktionen jedoch auch an der denervierten Lunge und an der explantierten Bronchialschleimhaut koordiniert weiter ablaufen, muß ein eigenständiger, an die Schleimhaut gebundener Regulationsmechanismus bestehen. Diese autonomen und nervalen Regulationsmechanismen müssen gestört sein, wenn sich eine erhöhte Reaktionsbereitschaft im Sinne einer Hyperreagibilität entwickelt. Es stellt sich deshalb die Frage, ob ein histomorphologisches Substrat für die Hyperreagibilität existiert und in welcher Weise diesem dualen System der Regulation zelluläre Veränderungen zuzuordnen sind.

An Schleimhautbiopsien von Kindern mit hyperreagiblem Bronchialsystem ist im klinisch symptomfreien Intervall regelmäßig ein sektorförmig angeordnetes intraepitheliales Ödem zu ermitteln. Es besteht eine ausgeprägte Erweiterung der Interzellularspalten mit einer Lösung von Interzellularverbindungen. Die intraepithelial verlaufenden Nervenendigungen werden dabei freigelegt. Die Veränderungen sind wahrscheinlich die Grundlage für gravierende Änderungen der Diffusionsverhältnisse an der Schleimhaut.

Der mögliche Zusammenhang zwischen Virusinfektion und Hyperreagibilität wurde an explantierter Bronchialschleimhaut untersucht. Die Kontaktaufnahme der Viren mit der Zellmembran und ihr Eindringen in das Zytoplasma ist zu verfolgen. Als Folge des Virusbefalls der Zellen wird die filamentäre ünd tubuläre Struktur des Zytoskeletts zerstört, während gleichzeitig die autonom geregelten Schleimhautfunktionen eingestellt werden. Es entwickelt sich eine Erweiterung der Interzellularspalten mit Lösung der Interzellularverbindungen. Die Destruktion des Zytoskeletts geht mit einer Desorientierung der Basal- körper der Zilien einher. Die Koordination des Zilienschlages wird aufgehoben.

Die Änderung der Diffusionsverhältnisse mit einer Veränderung des lonentransportes und eine Zunahme der intraepithelialen Flüssigkeit ermöglicht eine rasche Diffusion von Allergenen aus der Atemluft in die subepitheliale Bindegewebszone. Gleichzeitig ist eine direkte Irritation der intraepithelialen Nervenendigungen möglich. Durch die Lösung der intraepithelialen Zellverbindungen wird die horizontale Informationsausbreitung aufgehoben, die zu einer Störung der Koordination zwischen der Sekretbildung und dem Sekrettransport durch die Zilien führt. Die Beobachtungen am Biopsiematerial und die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sprechen dafür, daß die beiden Komponenten des dualen Steuerungssystems an der Bronchialschleimhaut durch eine Virusinfektion so modifiziert werden können, daß eine übersteigerte Reaktionsbereitschaft im Sinne der Hyperreagibilität entstehen kann.

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Copyright information

© Springer-Verlag/Wien 1995

Authors and Affiliations

  • K. Morgenroth
    • 1
  1. 1.Medizinische Fakultät, Abteilung für allgemeine und spezielle PathologieRuhr-Universität BochumBochumDeutschland

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