Studiu asupra modificărilor mecanice ale plămânilor umani cauzate de fumat
Pentru prima dată, cercetătorii au măsurat direct cum fumatul afectează comportamentul mecanic al țesutului pulmonar uman.
Publicat în Journal of the Royal Society Interface, studiul coordonat de inginerul mecanic Mona Eskandari de la UC Riverside, analizează parenchimul pulmonar uman, țesutul moale și spongios care constituie majoritatea organului pulmonar. Cercetătorii au descoperit că fumatul rigidizează semnificativ acest țesut în moduri asemănătoare fibrozării, o boală care lasă cicatrici și întărește plămânii.
Folosind plămâni umani de la donatori care erau fie eligibili pentru transplant, fie destinați pentru cercetare, cercetătorii au îndepărtat mici mostre pătrate din parenchim, apoi au întins mecanic țesutul, măsurând cât de multă forță a rezistat.
Diferențele între fumători și nefumători au fost remarcabile. Țesutul provenit de la fumători a devenit semnificativ mai rigid pe măsură ce era întins, opusându-se expansiunii mai puternic decât țesutul sănătos. Aceasta este similară cu modul în care țesutul cicatrizat face respirația din ce în ce mai dificilă la persoanele afectate de fibroză.
Deși plămânii se extind în multe direcții simultan cu fiecare respirație, studiile anterioare au întins țesutul într-o singură direcție sau s-au bazat exclusiv pe modele animale. Laboratorul lui Eskandari a efectuat teste de tracțiune prin întinderea țesutului pe mai multe axe simultan, pentru a imita mai bine mecanica respirației reale.
Studiul a relevat, de asemenea, că plămânii sunt mecanic neuniformi. Țesutul prelevat din regiunile superioare ale plămânilor a fost în general mai rigid decât țesutul din regiunile inferioare, chiar și în cadrul acelorași lobi.
Cercetătorii cred că gravitația ar putea explica această diferență. Deoarece oamenii stau în poziție verticală, plămânii superiori experimentează forțe diferite pe termen lung comparativ cu cei inferiori.
Aceste mecanici inegale ar putea avea consecințe medicale importante. Descoperirile ar putea ajuta la explicarea motivului pentru care anumite forme de leziuni pulmonare, inclusiv leziunea pulmonară indusă de ventilatoare, nu se răspândesc uniform în întregul organ. Unele regiuni ar putea fi mai vulnerabile la întindere excesivă decât altele.
Cercetătorii au măsurat, de asemenea, cât de multă energie pierde țesutul pulmonar în timpul ciclurilor repetate de întindere. Țesutul pulmonar uman a disipat mai multă energie decât se observă în mod obișnuit la șoareci, o constatare care ar putea explica de ce studiile pe animale nu reprezintă întotdeauna cu acuratețe comportamentul pulmonar uman.
Această distincție devine din ce în ce mai importantă deoarece oamenii de știință dezvoltă plămâni computaționali „digital twin” concepuți pentru a simula respirația, progresia bolilor și intervențiile medicale. Dacă aceste modele se bazează doar pe datele animale, a spus Eskandari, este posibil să nu capteze aspectele critice ale mecanicii pulmonare umane și să îngreuneze utilizarea rezultatelor în mediile clinice.
Cercetătorii au observat, de asemenea, tendințe preliminare care sugerează că plămânii devin mai rigizi odată cu vârsta, deși Eskandari a avertizat că sunt necesare suplimentar mostre de donatori înainte de a trasa concluzii definitive. Plămânii umani donatori care sunt potriviți pentru acest tip de testare sunt rari, ceea ce limitează dimensiunea studiului.
Cu toate acestea, lucrările oferă unul dintre cele mai detaliate seturi de date mecanice colectate până acum pentru parenchimul pulmonar uman. Descoperirile ar putea îmbunătăți în cele din urmă modelele computaționale ale plămânilor, strategiile de ventilație și instrumentele de planificare chirurgicală concepute pentru a prezice modul în care plămânii bolnavi răspund la stresul fizic.
„Încercăm să înțelegem materialele biologice cu care lucrăm. Dacă dorim ventilatoare și instrumente predictive care să reflecte cu adevărat cum respiră oamenii, aceste progrese tehnologice trebuie să fie informate de datele despre plămânii umani”, a spus Eskandari.
