Νέες ανακαλύψεις αποκαλύπτουν τη μηχανική πίσω από τις βαθιές αναπνοές και την ανακούφιση των πνευμόνων

Περισσότεροι από τους μισούς πρόωρους βρέφη που γεννιούνται πριν από την 28η εβδομάδα της εγκυμοσύνης αναπτύσσουν σύνδρομο αναπνευστικής δυσχέρειας αμέσως μετά τη γέννηση. Δεδομένου ότι οι πνεύμονές τους δεν είναι ακόμα πλήρως ανεπτυγμένοι, παράγουν πολύ λίγο από το φαινομενικά μαγικό υγρό που μειώνει την επιφανειακή τάση στους πνεύμονες. Ως αποτέλεσμα, ορισμένοι αεροίοι σάκοι καταρρέουν – και οι πνεύμονες δεν είναι σε θέση να πάρουν αρκετό οξυγόνο.

Μέχρι πριν από 40 χρόνια, αυτό συνήθως σήμαινε θάνατο. Ωστόσο, στα τέλη της δεκαετίας του 1980, οι παιδίατροι ανέπτυξαν μια σωτήρια διαδικασία: εξήγαγαν το υγρό από τους πνεύμονες ζώων και το ένεσαν στους πνεύμονες πρόωρων βρεφών. Αυτή η μέθοδος αποδεικνύεται πολύ αποτελεσματική για τα νεογνά. Το υγρό καλύπτει ολόκληρη την επιφάνεια, καθιστώντας τους πνεύμονες πιο παραμορφώσιμους ή, με έναν πιο τεχνικό όρο, συμμορφωτικούς.

Η αποτυχία των πνευμόνων και η σημασία της μηχανικής

Αλλά ακόμη και στους ενήλικες, οι πνεύμονες μπορεί να αποτύχουν. Κατά τη διάρκεια της πανδημίας του κορονοϊού, περίπου 3.000 άτομα στην Ελβετία ανέπτυξαν οξεία αναπνευστική δυσχέρεια. Ωστόσο, η ένεση επιφανειακά δραστικού υγρού από τους πνεύμονες ζώων στους πνεύμονες των ενηλίκων δεν βοηθά. «Αυτό δείχνει ότι δεν πρόκειται μόνο για τη μείωση της επιφανειακής τάσης», όπως δηλώνει ο Vermant. «Πιστεύουμε ότι οι μηχανικές πιέσεις μέσα στο υγρό παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο.

Σε συνεργασία με επιστήμονες από την Ισπανία, το Βέλγιο και τις ΗΠΑ, η ερευνητική ομάδα του χρησιμοποίησε εξελιγμένες μεθόδους μέτρησης για να εξετάσει ακριβώς πώς συμπεριφέρεται το υγρό των πνευμόνων όταν τεντώνεται και επανασυμπιέζεται στο εργαστήριο. Το υγρό στο σώμα μας υφίσταται επίσης παρόμοιες κινήσεις όταν οι πνεύμονες διαστέλλονται κατά την εισπνοή και συστέλλονται ξανά κατά την εκπνοή. Οι ερευνητές δημοσίευσαν πρόσφατα τα ευρήματά τους στο περιοδικό Science Advances.

Η σημασία των βαθιών αναπνοών

Στα πειράματά τους, οι ερευνητές προσομοίωσαν τις κινήσεις κανονικών και ιδιαίτερα βαθιών αναπνοών – μετρώντας την επιφανειακή πίεση του υγρού σε κάθε περίπτωση. «Αυτή η επιφανειακή πίεση επηρεάζει πόσο συμμορφωτικοί είναι οι πνεύμονες», εξηγεί ο Vermant. Όσο πιο συμμορφωτικοί είναι οι πνεύμονες, τόσο λιγότερη αντίσταση υπάρχει στην επέκταση και τη συστολή – και τόσο πιο εύκολο είναι να αναπνέει κανείς.

Με τη βοήθεια των μετρητικών τους οργάνων, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η επιφανειακή πίεση μειώνεται σημαντικά μετά από βαθιές αναπνοές. Φαίνεται ότι υπάρχει μια φυσική εξήγηση για την αίσθηση ανακούφισης που συχνά βιώνεται στο στήθος μετά από μια βαθιά αναπνοή. Η εξήγηση ξεκινά από την κατανόηση ότι η λεπτή μεμβράνη που σχηματίζεται από το υγρό των πνευμόνων στην επιφάνεια των πνευμόνων αποτελείται στην πραγματικότητα από πολλές στρώσεις.

«Ακριβώς στη διαχωριστική γραμμή με τον αέρα, υπάρχει μια ελαφρώς πιο σκληρή επιφανειακή στρώση. Κάτω από αυτήν, υπάρχουν πολλές στρώσεις που θα πρέπει να είναι πιο μαλακές από την επιφανειακή στρώση», εξηγεί η Maria Novaes-Silva, υποψήφια διδάκτωρ στην ερευνητική ομάδα του Vermant και πρώτη συγγραφέας της μελέτης. Όπως έχει αποδείξει σε πειράματα, αυτή η στρωμάτωση επιστρέφει στην ισορροπημένη διάταξη με την πάροδο του χρόνου όταν το υγρό δεν κινείται καθόλου ή κινείται μόνο ελαφρώς κατά τη διάρκεια ρηχών αναπνοών.

Απαιτείται μια βαθιά αναπνοή από καιρό σε καιρό για να αποκατασταθεί αυτή η ιδανική στρωμάτωση. Βασισμένοι στις αναλύσεις τους, οι ερευνητές έχουν ανακαλύψει ότι η έντονη τάνυση και συμπίεση του πνευμονικού υγρού προκαλεί την αλλαγή της σύνθεσης της εξωτερικής στρώσης. «Υπάρχει εμπλουτισμός σε κορεσμένα λιπίδια, αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια πιο πυκνά συσκευασμένη επιφάνεια», λέει η Novaes-Silva. Ο Vermant προσθέτει: «Αυτή είναι μια κατάσταση εκτός των ορίων της θερμοδυναμικής ισορροπίας που μπορεί να διατηρηθεί μόνο μέσω μηχανικής εργασίας.

Είναι επίσης γνωστό από την κλινική πρακτική ότι η συμμόρφωση των πνευμόνων αλλάζει σταδιακά με την πάροδο του χρόνου – και ότι η αναπνοή γίνεται όλο και πιο δύσκολη σε σχέση με τη συνεχή ρηχή αναπνοή. Οι μετρήσεις στο εργαστήριο φαίνεται να αντικατοπτρίζουν τις παρατηρήσεις από την κλινική. Η Novaes-Silva καταλήγει: «Αυτές οι ομοιότητες είναι ενδείξεις ότι έχουμε καταγράψει πραγματικές ιδιότητες με τη πειραματική μας διάταξη.

Μπορούν οι νέες γνώσεις που αποκτήθηκαν από τους επιστήμονες των υλικών να χρησιμοποιηθούν επίσης για να προκύψουν χρήσιμες συμπερασματικές προτάσεις και γνώσεις για την αποτυχία των πνευμόνων στους ενήλικες;