Keuhkorakkuloiden mikromekaniikka: surfaktantin ja kudoskomponenttien rakenne ja toiminta

Hengityssyklin aikana keuhkoparenkyymin distaaliset ilmatilat altistuvat jatkuvasti tilavuuden muutoksille. Nämä tilavuuden muutokset aiheuttavat muodonmuutoksia ductus- ja alveolaarisiin ilmatiloihin ja ennen kaikkea inter-alveolaarisiin septoihin. Tällaisia muodonmuutoksia voidaan parhaiten kuvata termillä strain, joka on rakenteen koko (esim. pituus, pinta-ala tai tilavuus) muodonmuutoksen jälkeen suhteessa lähtötilanteeseen (Vlahakis ja Hubmayr 2005). Elimen mittakaavassa keuhkoon kohdistuva rasitus lasketaan vastaavasti käyttämällä keuhkon muodonmuutosta vastaavaa hengitystilavuutta ja keuhkon lähtötilannetta vastaavaa toiminnallista jäännöstilavuutta. Mekaanisen ventilaation aikana ventilaattori antaa vuorokausitilavuuden, kun taas toiminnallinen jäännöstilavuus vastaa keuhkojen tilavuutta tietyllä positiivisella uloshengityksen loppupaineella (PEEP). Stressi taas määritellään voimana pinta-alaa kohti, joten stressillä ja paineella on sama yksikkö (Vlahakis ja Hubmayr 2005). Mikroskooppisella tasolla paineen muutokseen liittyviä mikroarkkitehtuurin muutoksia ja siten muodonmuutoksia on kuvattu kanavien ja alveolien ilmatiloissa sekä alveolien välisissä septoissa (Gil ym. 1979; Bachofen ym. 1987; Tschumperlin ja Margulies 1999; Roan ja Waters 2011). Näiden havaintojen perusteella on fysiologisesti järkevää erottaa duktaaliset ja alveolaariset ilmatilat toisistaan, sillä anatomisesta näkökulmasta katsottuna ne rajautuvat eri tavoin ja niissä on osittain erilaisia stabiloivia elementtejä, jotka johtavat erilaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin (Wilson ja Bachofen 1982; Haefeli-Bleuer ja Weibel 1988).

Duktaalisten ja alveolaaristen ilmatilojen ekstrasellulaarinen matriisi, solut ja mikromekaniikka

Taloudellisesti muotoiltu kuituverkko palvelee distaalisten ilmatilojen stabilointia kantaen ja välittäen keuhkojen kimmoiseen rekyylipaineeseen (= trans-alveolaariseen paineeseen) liittyviä rasituksia. Jälkimmäinen määritellään akinaaristen ilmatilojen ja pleuran pinnan paineen erotuksena (Loring ym. 2016). In vivo keuhkopinnan paine verrattuna ilmakehän paineeseen on yleensä negatiivinen ja perustuu pääasiassa keuhkojen elastiseen rekyyliin, jonka perustana on elastinen kuituverkko ja pintajännitys (Fredberg ja Kamm 2006; Wilson ja Bachofen 1982). Elastisten ja kollageenisten kuitujen aksiaalinen järjestelmä saa alkunsa johtavien hengitysteiden seinämistä, tulee acinien keskuksiin ja edistää alveolien sisääntulorenkaiden muodostumista ympäröimällä siten alveolikanavia. Näin ollen alveolikanavalla ei sinänsä ole omaa seinämää, vaan se rajoittuu alveolien sisääntulorenkaisiin, jotka sisältävät sidekudoskuitujen aksiaalisen verkoston osia. Toisin sanoen aksiaalinen kuituverkko kietoo kanavien ilmatilat (kuva 4). Tämän vuoksi alveolikanavien tilavuuden muutokset johtavat ensisijaisesti alveolien sisääntulorenkaiden muodonmuutokseen ja aksiaalisen kuitujärjestelmän venymiseen. Tässä yhteydessä on havaittu, että keuhkojen tilavuuden pienentyessä alveolien sisääntulorenkaiden halkaisija pienenee (Mercer ym. 1987). Alveolien seinämät muodostuvat kuitenkin alveolien välisistä septoista, joihin kuuluu ennen kaikkea alveolikapillaariverkosto, erilaisia solutyyppejä ja vähimmäismäärä stabiloivia sidekudoselementtejä. Alveolien sisääntulorenkaisiin keskittynyt aksiaalinen sidekudoskuitujen järjestelmä on yhteydessä keuhkopussista peräisin olevaan perifeeriseen järjestelmään alveoliväliseinän seinämäkuiduilla, jotka sijaitsevat alveoliepiteelin ja endoteelin tyvilamellien välissä, mikä vastaa ilma-veri-esteen paksua puolta. Nämä paksun puolen kuidut muodostavat inter-alveolaaristen septojen selkärangan, ja ne välittävät distenssivoimia, jotka keuhkojen sisäisen jännitysjakauman ollessa homogeeninen syntyvät akinaarisen ilmatilan ja pleuraontelon välisistä painegradienteista (Mead ym. 1970) (kuva 4). Tältä osin on osoitettu, että kollageenin ja elastisten kuitujen tilavuustiheydet septojen sisällä kasvavat kohti septojen vapaata reunaa muodostaen alveolikanavan ”seinämän” (Mercer ja Crapo 1990; Toshima ym. 2004). Kimmoisilla kuiduilla on lineaarinen jännitys-venymäsuhde laajalla muodonmuutosalueella, joka sallii sen peruspituuden kaksinkertaistumisen (= 200 %:n venymä), joten nämä kuidut vaikuttavat osaltaan keuhkoparenkyymin kimmoisaan takaisinvetoon ja vakauttamiseen pienemmillä keuhkotilavuuksilla, mukaan luettuna myös normaalin hengityksen alue, joka on tavallisesti määritelty tilavuuden vaihteluvälille, joka sijoittuu välille 40-80 % keuhkojen kokonaiskapasiteetista (Total Lung Capacity, TLC) (Suki et al. 2011; Yuan et al. 2000). Kollageenikuidut sen sijaan kulkevat enemmän tai vähemmän kaarevasti pienillä keuhkotilavuuksilla. Tämän seurauksena kollageenikuidut muuttuvat suoriksi suuremmilla keuhkotilavuuksilla, jolloin niille on ominaista erittäin epälineaarinen jännitys-venymäsuhde ja suuri jäykkyys (Suki ym. 2005) (Suki ym. 2005).

Alveolien välisten septojen ja siten alveolaaristen ilmatilojen stabiloiviin komponentteihin kuuluu myös alveoliepiteelin tyvilaminaatti, jonka oletetaan tulevan myös rasitusta kantavaksi suuremmilla keuhkotilavuuksilla (Maina ja West 2006). Alveolien tilavuuden lisääntyminen voi johtaa alveoliepiteelisolujen venymiseen, sillä ne ovat kiinnittyneet tyvilaminaattiin solu-matriksin välityksellä (Tschumperlin ja Margulies 1999). Tämä on merkittävä ero verrattuna alveolikanavaan, jolla ei ole rajapintaa, jossa on yhtenäinen epiteelivuori. Elektronimikroskooppiset arvioinnit tyvilaminaatista ilman ja veren välisen esteen ohuella puolella inter-alveolaarisissa septoissa osoittivat kuitenkin taittumista jopa suuremmissa keuhkotilavuuksissa (esim. yli 80 % TLC:stä), mikä osoittaa, että ainakin joillakin alueilla tyvilaminaatti (ja sitä peittävät solut) eivät ole täysin venyneet (Bachofen ym. 1987). Terveissä keuhkoissa nämä edellä kuvatut hyvin taloudellisesti järjestetyt sidekudoselementtien stabiloivat järjestelmät mahdollistavat tilavuuksien muuttumisen hengityksen aikana minimaalisella vaivalla ja häiritsemättä parenkyymin ratkaisevaa kaasunvaihtotoimintaa (Weibel ym. 1991; Weibel ym. 1992). Lisäksi on todennäköistä, että kudoskomponenttien muodonmuutokset tapahtuvat ilman, että alveoliepiteeliin kohdistuu suurta rasitusta ehjässä keuhkossa normaalin vuorokausihengityksen aikana, koska teline on jännityskantava, kun taas pintajännitys ehjän surfaktanttijärjestelmän läsnä ollessa vähenee pienillä keuhkotilavuuksilla.

Basaalilaminaatti ja muut solunulkoisen matriksin komponentit muodostavat telineen, johon solukomponentit, mukaan lukien alveoliepiteelisolut, interstitiaaliset solut ja endoteelisolut, kiinnittyvät solumatriksikontaktien, kuten fokaalisten adheesioiden, välityksellä. Vaikka solut voivat käyttää ympäröivään solunulkoiseen matriisiin deformoivia voimia, on osoitettu, että keuhkojen mekaaniset ominaisuudet muuttuvat vain vähän keuhkotelineen dekellularisaation aikana (Nonaka et al. 2014). Tässä yhteydessä on arvioitu, että inter-alveolaarisen septan solukomponentit vaikuttavat vain vähän keuhkojen yleisiin mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten kimmoiseen rekyyliin ja jäykkyyteen (Oeckler ja Hubmayr 2008). Lisäksi solunulkoiseen matriisiin vaikuttavat rasitukset ja jännitykset voivat siirtyä solujen jännityksiä kantaviin osiin solumatriisin ja solusolujen välisten kontaktien, kuten plasmamembraanin ja sytoskeletonin, kautta, ja tämä mekanismi näyttää olevan merkityksellisin suuremmissa keuhkotilavuuksissa. Nämä voimat aiheuttavat solujen muodonmuutoksia, ja niiden on arvioitu olevan 5000 Pa:n suuruisia polttopisteen kiinnityskohdassa. Tschumperlin ja Margulies raportoivat epiteelin basaalilaminan pinta-alan kasvaneen 35 % verrattaessa keuhkotilavuuksia, jotka vastasivat 42 % ja 100 % TLC:tä (Tschumperlin ja Margulies 1999). Näin ollen suuremmilla keuhkotilavuuksilla myös alveoliepiteeli- ja endoteelisolujen sytoskeletistä ja plasmakalvosta saattaa tulla rasitusta kantavia, koska ne ovat yhteydessä basaalilaminaattiin (Cong ym. 2017). Näin ollen näistä solukerroksista tulee alttiita rasitushäiriöille esimerkiksi vammaperäisessä ventilaatiossa, jossa vuorokausivolyymit kasvavat, minkä on osoitettu johtavan endoteeli- ja epiteelisolujen ultrastruktuurisiin vammamerkkeihin, kuten solujen plasmakalvon rikkoutumiseen, blebbingiin ja tyvilaminan denudoitumiseen (Costello ym. 1992; Fu ym. 1992; Dreyfuss ja Saumon 1998). Huomionarvoista on, että näiden tutkimusten mukaan tyypin II alveoliepiteelisolut näyttivät olevan vähemmän vahingoittuvia lisääntyneessä rasituksessa (Dreyfuss ja Saumon 1998). On kuitenkin havaittu erilaisia mekanismeja, joiden avulla solut voivat vastustaa lisääntynyttä rasitusta ilman vaurioita. Lisääntynyttä rasitusta solutasolla saattaa esiintyä myös fysiologisissa olosuhteissa, esimerkiksi syvän hengityksen, liikunnan tai huokausten aikana. Plasmakalvon laskokset avautuvat sivuttaisten jännitysvoimien vaikutuksesta. Mutta vaikka plasmakalvoon syntyisikin repeämiä, solut pystyvät korjaamaan nämä viat ilman solukuolemaa. Halkaisijaltaan alle 1 µm:n plasmakalvomurtumat voidaan korjata plasmakalvon muodostavien lipidikaksoiskalvojen termodynaamisella sivuttaisvirtauksella Ca2+-riippumattomasti (Vlahakis ym. 2002; Cong ym. 2017). Lisäksi solujen venyttämisen on osoitettu aktivoivan niin sanottua deformaatioindusoitua lipidikauppaa, joka sisältää endogeenisten lipidivesikkelien siirtymisen vastaavaan katkokseen, mutta myös rikkoutuneen plasmakalvon endosytoosin ja kalvotäplän muodostumisen (Cong et al. 2017).

Pintajännitys ja alveolaarinen mikromekaniikka

Kehän surfaktanttijärjestelmä vaikuttaa myös osaltaan keuhkojen mekaniikkaan ja vakauttaa alveoleja erityisesti pienillä keuhkotilavuuksilla (Bachofen ja Schürch 2001). Korkealla pintajännityksellä ilman ja nesteen rajapinnassa on merkittäviä vaikutuksia alveolien mikroarkkitehtuuriin, ja se johtaa alveolien pinta-alan pienenemiseen aiheuttamalla ilmatilojen kokoonpuristumista. Alveolien sisäinen pinta-aktiivinen aine vaikuttaa tähän vähentämällä pintajännitystä uloshengityksen loppuvaiheessa. Pinta-aktiivinen pinta-aktiivinen pinta-aktiivinen kerros ilman ja nesteen rajapinnalla ei ainoastaan estä uloshengityksen lopun alveolien romahtamista ja turvotuksen muodostumista (Possmayer ym. 2001) vaan myös rajapintajännitystä. Korkean pintajännityksen yhteydessä esiintyvä rajapintajännitys perustuu nesteisiin, jotka värähtelevät epiteelin pinnalla hengityksen aikana ja deformoivat esimerkiksi tyypin II alveoliepiteelisoluja leikkausvoimien avulla. Näin ollen pelkkä rajapintajännitys voi johtaa tyypin II alveoliepiteelisolujen merkittävään toimintahäiriöön, kuten in vitro -koejärjestelmissä on osoitettu (Hobi ym. 2012; Ravasio ym. 2011).

Terveessä keuhkossa makro- ja mikromekaanisia ominaisuuksia hallitsee pintajännitys alveolaarisen ilman ja nesteen rajapinnassa pienillä keuhkotilavuuksilla, kun taas suuremmilla keuhkotilavuuksilla solunulkoisen matriksin komponentit muuttuvat jännitystä kantaviksi ja määrittelevät keuhkojen rakenteen ja mekaniikan (Bachofen ym. 1987; Wilson ja Bachofen 1982; Bachofen ja Schürch 2001). Alveolien sisääntulorenkaita ympäröivä aksiaalinen kuitujärjestelmä muodostaa pyöreän ristikon, joka ympäröi alveolikanavaa ja tasapainottaa pintajännitystä alveolien ilman ja nesteen rajapinnassa (kuva 4). Pintajännityksestä johtuvat jännitykset alveoleissa vaikuttavat siten, että alveolien väliset septat kasaantuvat alveolien kulmaan, jolloin alveolien pinta-ala pienenee. Tällöin kimmo- ja kollageenikuidut, jotka ympäröivät alveolikanavia ja keskittyvät septan seinämien reunoille, venyvät. Näin ollen nämä kuidut tasapainottavat alveolien ilman ja nesteen rajapinnassa syntyvän pintajännityksen aiheuttamia voimia. Alveolinsisäinen surfaktanttijärjestelmä vakauttaa yhdessä kuituverkoston kanssa kaasunvaihtoon käytettävissä olevan alveolaarisen pinta-alan, joka muuten pienenisi pintajännityksen kasvaessa (Wilson ja Bachofen 1982). Keuhkojen täyttäminen suolaliuoksella poistaa ilma-neste-rajapinnan ja siten myös pintajännityksen. Tällä on useita vaikutuksia mikroarkkitehtuuriin, kuten alveolikanavien suhteellisen kapea halkaisija, epäsäännöllinen alveolirakenne, jossa on pullistuneita kapillaareja ja alveolien kulmista puuttuvat septa-poimut (Gil ym. 1979). Ilmatäytteisessä keuhkossa, jossa pintajännitys on säilynyt, alveolien seinämät ovat litteät eivätkä kapillaarit pullistu ilmatilaan, kun taas alveolikanavat näyttävät olevan leveämmät. Näin ollen suolaliuoksella täytettyihin keuhkoihin verrattuna ilmalla täytetyissä keuhkoissa on pienemmät alveolien pinta-alat suunnitteluperusteisella stereologialla mitattuna, mikä johtuu pintajännityksen muokkaavasta vaikutuksesta (Gil ym. 1979). Lisääntynyt pintajännitys, joka johtuu esimerkiksi surfaktanttia tuottavien tyypin II alveoliepiteelisolujen vahingoittumisesta, on yhteydessä alveolikanavien halkaisijan kasvuun ja alveolien pinta-alan pienenemiseen, eli rakenteellisiin muutoksiin, jotka voidaan helposti tulkita virheellisesti keuhkoemfyseemaksi (Mouded ym. 2009). Nämä havainnot osoittavat, että alveolien pinta-ala on suora funktio pintajännitteestä: mitä suurempi pintajännite on, sitä pienempi on alveolien pinta-ala keuhkojen pienillä ja keskisuurilla tilavuuksilla aina 80 prosenttiin TLC:stä asti (Bachofen ym. 1979; Bachofen ja Schürch 2001). Pintajännitys ilman ja nesteen rajapinnassa vähenee surfaktantin vaikutuksesta lähes nollaan mN/m:iin uloshengityksen lopussa, jolloin keuhkorakkulat stabiloituvat ja elastisten kuitujen aksiaalinen järjestelmä venyy vain vähän pienemmillä keuhkotilavuuksilla (Wilson ja Bachofen 1982; Bachofen ym. 1987). Tämä pintavoimien ja kuitujärjestelmän vuorovaikutus on erittäin tärkeää, koska se merkitsee sitä, että normaalin hengityksen aikana, esim. 40-80 %:n TLC:n välillä, alveolien välisten septojen solukomponentit, kuten alveoliepiteeli, ovat suojassa mahdollisesti haitallisilta mekaanisilta rasituksilta. Suuremmilla keuhkotilavuuksilla, esim. yli 80 % TLC:stä, pintajännitys kasvaa, mutta elastiset sekä kollageenikuidut ja epiteelin tyvilaminaatio venyvät niin, että ne nyt stabiloivat ja muokkaavat ilmatiloja ja voivat mahdollisesti välittää stressiä ja rasitusta soluille. Koska nämä kudoskomponentit muuttuvat jännitystä kantaviksi ja niiden ominaisuudet määrittävät mekaaniset ominaisuudet suuremmissa keuhkotilavuuksissa, pintajännitys voidaan jättää huomiotta (Wilson ja Bachofen 1982; Maina ja West 2006). Tässä yhteydessä on osoitettu, että ikääntyminen johtaa ilmatilojen laajentumiseen ja keuhkojen kimmoisen takaisinkierron vähenemiseen. Nämä havainnot on hiljattain ehdotettu selitettäväksi puhtaasti ikään liittyvällä elastisten ja kollageenikuitujen uudelleen jakautumisella inter-alveolaaristen septojen sisällä ”poispäin alveolikanavasta”, mikä korostaa kuituverkostojen spatiaalisen jakautumisen ja orientaation merkitystä (Subramaniam et al. 2017).

Alveolien mikromekaniikan mekanismit

Kuten edellä on esitetty, keuhkojen rakenteellinen rakenne viittaa siihen, että inter-alveolaariset septat ovat suojassa ylivoimaiselta mekaaniselta rasitukselta ja rasitukselta ainakin vuorokausiventilaation aikana terveissä olosuhteissa (Bachofen ja Schürch 2001). Tämä näkökohta on erittäin tärkeä, koska in vitro -soluviljelytutkimukset ovat osoittaneet, että alveoliepiteelisolut ovat alttiita rasituksen aiheuttamille soluvaurioille (Tschumperlin ym. 2000; Dolinay ym. 2017), ja tällä kysymyksellä on epäilemättä merkitystä in vivo ventilaation aiheuttaman keuhkovaurion (Ventilation-induced lung injury, VILI) yhteydessä (Cong ym. 2017). Nykyinen tietämyksemme alveolien mikromekaniikasta ja alveolien muodonmuutosten mekaniikasta, mukaan lukien niiden seinämät ventilaation aikana, on kuitenkin edelleen hyvin rajallista (Roan ja Waters 2011). Tämä johtuu käytettävissä olevien kuvantamistekniikoiden alueellisen ja ajallisen resoluution rajoituksista, jotka eivät mahdollista suoraa visualisointia keuhkorakkuloiden mikromekaniikasta, joka määritellään arkkitehtonisina ja toiminnallisina muutoksina hengityssyklin aikana. Merkityksellinen tutkimus, jossa otettaisiin huomioon myös solujen väliset rasitukset alveolivälisissä septoissa, edellyttäisi elektronimikroskooppista resoluutiota. Alveolien pinta-alan tai alveolien koon kvantitatiivisten arvioiden perusteella paine-tilavuuskäyrän eri vaiheissa on arvioitu, että alveolien muodonmuutos ja siten alveolien venymä lineaarisissa ulottuvuuksissa vuorokausihengityksen aikana (joka yleensä määritellään 40-80 %:n välille TLC:stä) on noin 4 %:n suuruusluokkaa (Tschumperlin ja Margulies 1999; Mercer ym. 1987) ja 10 %:n välillä (Gil ym. 1979), ja se voi periaatteessa kasvaa jopa 20 %:iin ja enemmänkin (Gil ym. 1979; Mercer ym. 1987), jos sisäänhengitysreservi on käytetty loppuun, esimerkiksi syvien huokausten tai fyysisen rasituksen aikana (Fredberg ja Kamm 2006). Fredberg ja Kamm korostivat näiden alveolijännityksen arvioiden merkitystä. He laskivat, että elinaikana alveolirakenteiden on selviydyttävä hengitykseen liittyvästä alveolirasituksesta jopa 109 rasitussyklin ajan, ja päättelivät lisäksi seuraavaa: ”Tavallisten teknisten materiaalien standardien mukaan nämä rasitukset ovat äärimmäisiä ja näyttäisivät vaativan kudosrakenteita, jotka ovat melko huomattavia.” (Fredberg ja Kamm 2006.)

Tästä päättelystä nousee esiin kysymys, miten alveolien väliset septit selviytyvät tilavuuden muutokseen liittyvästä rasituksesta. Toisin sanoen, mitkä ovat ne mekanismit, joiden avulla alveolit ja ennen kaikkea inter-alveolaariset septit sopeutuvat hengityssykliin liittyvään alveoli- ja septikireyteen altistamatta alveoliepiteelisoluja kohtuuttomalle mekaaniselle rasitukselle. Yli 30 vuotta sitten tehdyt tyylikkäät tutkimukset, joissa käytettiin kvasistaattisia olosuhteita ja keuhkokudoksen kiinnittämistä verisuoniperfuusiolla keuhkokudokseen määritellyissä sisään- ja uloshengityspaineissa paine-tilavuus-silmukoiden (PV-silmukoiden) aikana, osoittivat, että septaaliseinän muodonmuutoksiin liittyy erilaisia mekanismeja ja että ne voivat johtaa yksilöllisiin alveolien tilavuuden muutoksiin sisäänhengityksen ja uloshengityksen aikana. Gil ja työtoverit käsittelivät neljää mekanismia: (1) Alveoliyksiköiden rekrytointi/derekrytointi; (2) Isotrooppinen venytys ja venytyksen poisto, johon liittyy ilmapallon kaltaisia muutoksia alveolien koossa; (3) Alveolien muodon muutokset (esim. dodekaedrisestä pallomaiseksi ja päinvastoin), jotka erilaisen geometrian vuoksi liittyvät alveolien koon muutoksiin; ja (4) Alveolien seinämien taittuminen ja avautuminen ja harmonikankipeen kaltainen muodonmuutos, joka saattaa muistuttaa paperipussin taittumista ja avautumista (Gil ym. 1979). Nämä mahdolliset mekanismit johdettiin ex vivo -menetelmistä eristetyistä ja perfusoiduista keuhkoista, ja niissä arvioitiin keuhkojen käyttäytymistä erilaisissa paineissa hengitysteiden aukon kohdalla, jotka vaihtelevat lähes nollasta (0,1 cm H2O) jopa 30 cm H2O:iin (= 100 % TLC) (Bachofen ym. 1987). Näitä havaintoja on siksi vaikea verrata in vivo -tilanteeseen, jossa keuhkojen tilavuus ei yleensä laske alle jäännöstilavuuden. Kaasuttoman keuhkon ensimmäisissä hengityssykleissä täydellisten keuhkorakkuloiden rekrytoinnilla sisäänhengityksen aikana on tärkeä merkitys, ja se selittää alkuvaiheen kvasistaattisten PV-silmukoiden lisääntyneen hystereesin (Bachofen ym. 1987; Bates ja Irvin 2002; Carney ym. 1999). Mallipohjaiset lähestymistavat, joissa käytetään magneettikuvausta, ovat antaneet näyttöä siitä, että alveolien rekrytointi inspiraation aikana saattaa olla mukana fysiologisissa olosuhteissa terveillä ihmisillä (Hajari ym. 2012). Nämä malliennusteet ovat kuitenkin ristiriidassa useiden muiden tutkimusten kanssa, joissa käytetään alveolien suoraa visualisointia tai keuhkojen rakenteen kvantitatiivista arviointia suunnittelupohjaisen stereologian avulla alveolien mikromekaniikan tutkimiseksi terveissä keuhkoissa. Näissä tutkimuksissa ei löydetty todisteita kokonaisten alveolien intra-tidaalisesta rekrytoinnista ja derekrytoinnista terveissä keuhkoissa in vivo -olosuhteissa funktionaalisen jäännöstilavuuden yläpuolella (Oldmixon ja Hoppin 1991; Schiller et al. 2001; Pavone et al. 2007; Perlman et al. 2011; Sera et al. 2013; Knudsen et al. 2018; Lovric et al. 2017). Alveolien seinämien toisiinsa kytkeytyneessä verkostossa alveolien on ennustettu olevan hyvin stabiileja, kun alveolien välisiin septoihin kohdistuvat jännitykset ovat tasapainossa, kunhan pintajännitys on pienentynyt ja eri kokoisten alveolien välillä on harmonisoitu (Fung 1975; Mead ym. 1970).

Kuvassa 5 esitetään yhteenveto todennäköisistä käsityksistä alveolien mikromekaniikasta deflaation aikana terveissä keuhkoissa, jotka perustuvat morfometrisiin tutkimuksiin, joissa on käytetty kiinnitettyä keuhkokudosta kvasistaattisten PV-silmukoiden eri vaiheissa (Gil et al. 1979; Bachofen et al. 1987; Oldmixon ja Hoppin 1991; Tschumperlin ja Margulies 1999; Knudsen et al. 2018). On kuitenkin korostettava, että keuhkojen tilavuushistorialla sekä olosuhteilla, joissa keuhkoja tutkittiin, esim. in vivo vs. ex vivo, on suuri merkitys, joten ristiriitaisia tuloksia on julkaistu. Melko pienillä keuhkotilavuuksilla (= laskevat hengitysteiden avautumispaineet) on havaittu, että alveolien väliseinämiin muodostuu melko usein poimuja, joten alveolien väliseinämien (mutta ei kokonaisten alveoliyksiköiden) taittuminen ja taittuminen näyttää olevan merkityksellistä alveolien mikromekaniikan kannalta ennen kaikkea pienillä keuhkotilavuuksilla. Tämä on osoitettu sekä ex vivo (Tschumperlin ja Margulies 1999) että in vivo -olosuhteissa tehdyissä rakennearvioinneissa (Knudsen ym. 2018). Onkin osoitettu, että kudoksen elastanssi mekaanisen ventilaation aikana, kun PEEP on 1 cm H2O, kasvoi merkittävästi verrattuna mekaaniseen ventilaatioon, kun PEEP on 5 cm H2O, terveissä rottien keuhkoissa. Toisin sanoen keuhkot jäykistyvät, jos paine hengitystieaukossa pienenee 5 cm H2O:sta 1 cm H2O:iin. Rakenne-toiminta-suhteen määrittämisen perusteella tämä keuhkojen jäykkyyden lisääntyminen osoitti korkeaa korrelaatiota alveolien keskikoon pienenemisen kanssa, mikä johtui mitä todennäköisimmin alveolien välisten septa-aukkojen poimuuntumisesta deflaation aikana 5 cm:stä 1 cm:iin H2O:sta, kuten elektronimikroskooppisella tasolla havaittiin (Knudsen ym. 2018; Tschumperlin ja Margulies 1999). Huomionarvoista on, että avointen alveolien määrä ei eronnut in vivo (suljettu rintakehä) kiinnitettyjen keuhkojen välillä hengitysteiden avautumispaineilla 1 ja 5 cm H2O uloshengityksen aikana, joten alveoliyksiköiden rekrytoinnin purkamisesta ei ollut näyttöä. Sen sijaan pinta-alan ja alveolitilavuuden pieneneminen voisi liittyä alveolien välisten septojen laskosten muodostumiseen. Muut tutkijat, jotka käyttivät samanlaista koejärjestelyä (in vivo, suljettu rintakehä), ovat kuitenkin kyseenalaistaneet tämän mekanismin merkityksen terveissä keuhkoissa, koska alveolien välisten septojen taittumista tai rypistymistä ei juurikaan havaittu hengitysteiden avautumispaineen vaihteluvälillä 3-16 cm H2O. Laskosten muodostumista tämän painealueen alapuolella ei kuitenkaan voitu sulkea pois (Oldmixon ja Hoppin 1991). Useat tutkijat ovat todenneet alveolien ilmatilojen muodonmuutosten ja alveolien seinämien venymisen/venymisen esiintyvän, kun keuhkotilavuudet ovat keskisuuria tai suurempia, jopa 100 % TLC:stä (yleensä keuhkotilavuudeksi määritellään keuhkotilavuus 30 cm H2O:n transpulmonaalisessa paineessa) (Roan ja Waters 2011). Gil ja työtoverit kuvasivat ex vivo -olosuhteissa tapahtuvia muodonmuutoksia polyedrisestä pallomaisempaan kokoonpanoon (Gil ym. 1979). Tschumperlin ja Margulies mittasivat ex vivo -koejärjestelyssä epiteelin tyvilaminan pinta-alaa 25 cm:n H2O:sta tulevan PV-silmukan deflaatiohaaran aikana ja havaitsivat melko vakaita arvoja välillä noin 80-40 % TLC:stä, kun taas TLC:n välillä 100-80 % TLC:stä tapahtui huomattavaa laskua. Näiden tietojen perusteella kirjoittajat ehdottivat, että alveoliepiteelisolujen venymisellä on suuri merkitys yli 80 %:n TLC:n yläpuolella, kun taas alle 80 %:n TLC:n alapuolella mikromekaniikkaa hallitsevat muodonmuutokset, joissa tyvilaminan pinta-ala ei juurikaan muutu (ja näin ollen alveoliepiteelisolujen venyminen), esim. väliseinän seinämien taittuminen/taittuminen tai muodonmuutokset (Tschumperlin ja Margulies 1999). Tyvilaminan ja siten kiinni olevien epiteeli- ja endoteelisolujen kaksiulotteisen kokonaisvenymän on arvioitu olevan 35 prosenttia 40-100 prosentin TLC:n välillä, kun taas 80-100 prosentin TLC:n välillä on 80 prosenttia tästä kokonaisvenymästä (Tschumperlin ja Margulies 1999). Tässä yhteydessä 25 prosentin rasitus primaaristen alveoliepiteelisolujen monokerroksessa kahdessa ulottuvuudessa, mikä saattaa vastata keuhkojen pysyvää tuuletusta keuhkotilavuuksiin, jotka ovat 80 ja 100 % TLC:n välillä, johti soluvaurioihin, kuten endoplasmisen retikulumin stressiin ja apoptoosiin (Dolinay ym. 2017). Nämä havainnot havainnollistavat, että keuhkotilavuuden ei tarvitse ventilaation aikana ylittää TLC:tä aiheuttaakseen kohtuutonta, mahdollisesti haitallista rasitusta alveoliepiteelille.