Nové poznatky vysvětlují mechaniku hlubokého nádechu a úlevy plic

U více než poloviny všech nedonošených dětí narozených před 28. týdnem těhotenství se krátce po narození rozvine syndrom respirační tísně. Jelikož jejich plíce ještě nejsou plně vyvinuty, produkují příliš málo zdánlivě magické tekutiny, která snižuje povrchové napětí v plicích. V důsledku toho některé alveoly kolabují – a plíce nejsou schopny získat dostatek kyslíku.

Plíce se stávají více deformovatelné

Ještě před 40 lety to obvykle znamenalo smrt. Ale pak, na konci 80. let, pediatři vyvinuli život zachraňující postup: extrahovali tekutinu z plic zvířat a vstříkli ji do plic předčasně narozených dětí.

To funguje velmi dobře u novorozenců. Tekutina pokryje celý povrch, díky čemuž jsou plíce více deformovatelné nebo – odborněji řečeno – poddajné.“

Jan Vermant, profesor měkkých materiálů na ETH Zurich

Ale i u dospělých mohou plíce selhat. Během pandemie koronaviru se u zhruba 3 000 lidí ve Švýcarsku rozvinul syndrom akutní respirační tísně. Vstřikování povrchově aktivní tekutiny z plic zvířat do plic dospělých však nepomáhá. „To ukazuje, že nejde jen o snížení povrchového napětí,“ jak uvádí Vermant. „Věříme, že mechanická napětí uvnitř tekutiny také hrají důležitou roli.“

Ve spolupráci s vědci ze Španělska, Belgie a USA jeho výzkumná skupina využila sofistikované měřicí techniky, aby přesně prozkoumala, jak se plicní tekutina chová, když je v laboratoři natahována a znovu stlačována. Tekutina v našem těle je také vystavena podobným pohybům, když se plíce roztahují během nádechu a znovu se stahují během výdechu. Vědci právě zveřejnili své poznatky v časopise Vědecké pokroky.  

Vysvětlení pro pocit úlevy na hrudi

Ve svých experimentech vědci simulovali pohyby normálního a zvláště hlubokého nádechu – v každém případě měřili povrchové napětí tekutiny. „Toto povrchové napětí ovlivňuje, jak jsou plíce poddajné,“ vysvětluje Vermant. Čím jsou plíce poddajnější, tím menší je odpor vůči expanzi a kontrakci – a tím snadněji se jim dýchá.

S pomocí svých měřicích přístrojů vědci zjistili, že povrchový stres po hlubokých nádechech výrazně klesá. Zdá se, že existuje fyzické vysvětlení pro pocit úlevy na hrudi, který se často objevuje po hlubokém vzdechu. Vysvětlení začíná zjištěním, že tenký film tvořený plicní tekutinou na povrchu plic se ve skutečnosti skládá z několika vrstev.

„Přímo na hranici se vzduchem je trochu tužší povrchová vrstva. Pod ní je několik vrstev, které by měly být měkčí než povrchová vrstva,“ vysvětluje Maria Novaes-Silva, doktorandka ve Vermantově výzkumné skupině a první autorka studie. Jak prokázala v experimentech, toto vrstvení se časem vrací do rovnovážné konfigurace, kdy se tekutina při mělkém dýchání nepohybuje vůbec nebo se pohybuje jen nepatrně.

Rekonstrukce vícevrstvých struktur

K obnovení tohoto ideálního vrstvení je čas od času potřeba se zhluboka nadechnout. Na základě svých analýz vědci zjistili, že výrazné natažení a stlačení plicní tekutiny způsobuje změnu složení vnější vrstvy. „Dochází k obohacení nasycených lipidů, což má za následek hustěji zabalené rozhraní,“ říká Novaes-Silva. Vermant dodává: „Toto je stav mimo hranice termodynamické rovnováhy, kterou lze udržet pouze mechanickou prací.“

Z klinické praxe je také známo, že poddajnost plic se v čase postupně mění – a že dýchání je v souvislosti s neustálým mělkým dýcháním stále obtížnější. Zdá se tedy, že měření v laboratoři odráží pozorování z kliniky. Novaes-Silva uzavírá: „Tyto podobnosti naznačují, že jsme pomocí našeho experimentálního nastavení zachytili skutečné vlastnosti.“

Mohou být nové poznatky získané vědci v oblasti materiálů také použity k odvození vhodných závěrů a poznatků o selhání plic u dospělých? „Slibným přístupem je identifikace komponent, které mohou uměle rekonstruovat vícevrstvé struktury,“ poznamenávají vědci ve svém technickém článku. V rozhovoru Vermant poukazuje na terapie zahrnující pěnu, které jsou v současné době vyvíjeny a hlouběji zkoumány jinými skupinami.