A tüdőalveolusok mikromechanikája: a surfactant és a szöveti komponensek szerkezete és működése

A légzési ciklus során a tüdőparenchima distalis légterei folyamatos térfogatváltozásoknak vannak kitéve. Ezek a térfogatváltozások deformációt kényszerítenek ki a ductalis és alveoláris légterekre, és ami a legfontosabb, az interalveoláris septákra. Az ilyen deformációkat legjobban a strain kifejezéssel lehet leírni, amely egy struktúra deformáció utáni méretét (pl. hosszát, felületét vagy térfogatát) jelenti a kiindulási helyzethez képest (Vlahakis és Hubmayr 2005). Szervi léptékben a tüdőre ható terhelést ennek megfelelően a tüdő deformációjának megfelelő légzési térfogat és a tüdő alaphelyzetének megfelelő funkcionális maradék térfogat felhasználásával számítják ki. A mechanikus lélegeztetés során a légzési térfogatot a lélegeztetőgép adja meg, míg a funkcionális maradék térfogat a tüdő térfogatának felel meg egy adott pozitív végkilégzési nyomás (PEEP) mellett. A feszültséget viszont az egy területre jutó erőként határozzuk meg, így a feszültség és a nyomás egyforma egységű (Vlahakis és Hubmayr 2005). Mikroszkopikus szinten a nyomásváltozással összefüggő mikroarchitektúra-változásokat és ezáltal deformációt írtak le a ductusokban és az alveoláris légterekben, valamint az interalveoláris septákban (Gil és mtsai. 1979; Bachofen és mtsai. 1987; Tschumperlin és Margulies 1999; Roan és Waters 2011). E megfigyelések alapján fiziológiai értelemben van értelme megkülönböztetni a ductalis és az alveoláris légtereket, mivel anatómiai szempontból másképp határolódnak, részben eltérő stabilizáló elemekkel, ami eltérő mechanikai tulajdonságokat eredményez (Wilson és Bachofen 1982; Haefeli-Bleuer és Weibel 1988).

A ductalis és alveoláris légterek extracelluláris mátrixa, sejtjei és mikromechanikája

Egy gazdaságosan kialakított rosthálózat a distalis légterek stabilizálását szolgálja, amely a tüdő rugalmas visszarugónyomásával (= transzalveoláris nyomás) kapcsolatos feszültségeket hordozza és továbbítja. Ez utóbbit az acinális légterek és a pleurális felszín közötti nyomáskülönbségként határozzuk meg (Loring et al. 2016). In vivo a pleurális felszínen a légköri nyomáshoz képest általában negatív, és elsősorban a tüdő rugalmas visszahatásán alapul, amelynek alapja a rugalmas rosthálózat és a felületi feszültség (Fredberg és Kamm 2006; Wilson és Bachofen 1982). A rugalmas és kollagénrostok axiális rendszere a vezető légutak falából ered, belép az acini központjaiba, és hozzájárul az alveoláris belépőgyűrűk kialakításához, ezáltal körülvéve az alveoláris csatornákat. Ezért az alveoláris járatnak mint olyannak nincs saját fala, hanem az alveolusok belépőgyűrűi határolják, amelyek magukban foglalják a kötőszöveti rostok axiális hálózatának elemeit. Más szóval, az axiális rostrendszer tekercseli a ductus légtereit (4. ábra). Ezért az alveoláris csatornák térfogatváltozása elsősorban az alveoláris belépőgyűrűk deformációját és az axiális rostrendszer megnyúlását eredményezi. Ezzel összefüggésben megfigyelték, hogy a tüdőtérfogat csökkenésével az alveoláris belépőgyűrűk átmérője kisebb lesz (Mercer és mtsai. 1987). Az alveoláris falakat azonban interalveoláris septák alkotják, amelyek mindenekelőtt alveoláris kapillárishálózatot, különböző sejttípusokat és minimális stabilizáló kötőszöveti elemeket tartalmaznak. A kötőszöveti rostok axiális rendszerét, amely az alveoláris belépőgyűrűknél koncentrálódik, a mellhártyából kiinduló perifériás rendszerrel az alveoláris szeptumfal rostjai kötik össze, amelyek az alveoláris hám és az endothel bazális lamellái között helyezkednek el, ami megfelel a levegő-vér gát vastag oldalának. Ezek a rostok a vastag oldalon az interalveoláris septák gerincét alkotják, és továbbítják azokat a tágító erőket, amelyeket a tüdőn belüli homogén feszültségeloszlás esetén az acinális légtér és a pleuraüreg közötti nyomásgradiensek generálnak (Mead és mtsai. 1970) (4. ábra). Ezzel kapcsolatban kimutatták, hogy a szeptákon belül a kollagén és a rugalmas rostok térfogatsűrűsége a szepták szabad széle felé haladva növekszik, kialakítva az alveoláris járat “falát” (Mercer és Crapo 1990; Toshima és mtsai. 2004). A rugalmas rostok lineáris feszültség-alakváltozás kapcsolata széles deformációs tartományban lehetővé teszi az alaphossz megduplázását (= 200%-os alakváltozás), így ezek a rostok hozzájárulnak a tüdőparenchima rugalmas visszahúzódásához és stabilizálásához alacsonyabb tüdőtérfogatoknál, beleértve a normál légzés tartományát is, amelyet általában a teljes tüdőkapacitás (TLC) 40 és 80%-a közötti térfogatspektrumként határoznak meg (Suki et al. 2011; Yuan et al. 2000). A kollagénrostok ezzel szemben alacsony tüdőtérfogatoknál többé-kevésbé göndör lefutásúak. Ennek következtében a kollagénrostok nagyobb tüdőtérfogatoknál egyenes vonalúvá válnak, és ekkor erősen nemlineáris feszültség-nyúlás kapcsolat és nagy merevség jellemzi őket (Suki et al. 2005).

Az interalveoláris septák és így az alveoláris légterek stabilizáló összetevői közé tartozik az alveoláris epithel bazális lamina is, amely nagyobb tüdőtérfogatoknál feltételezhetően szintén feszültségviselővé válik (Maina és West 2006). Az alveolusok térfogatának növekedése az alveoláris hámsejtek megnyúlását eredményezheti, amelyek sejt-mátrix adhéziókon keresztül rögzülnek a bazális lamellához (Tschumperlin és Margulies 1999). Ez fontos különbséget jelent az alveoláris ductushoz képest, amely nem rendelkezik összetartó hámbéléssel rendelkező határral. A bazális lamina elektronmikroszkópos kiértékelései azonban az interalveoláris septa levegő-vér gátjának vékony oldalán még nagyobb tüdőtérfogatoknál (pl. a TLC 80%-a felett) is hajtogatást mutattak, ami arra utal, hogy legalábbis bizonyos területeken a bazális lamina (és a fedősejtek) nem teljesen megnyúltak (Bachofen és mtsai. 1987). Az egészséges tüdőben a kötőszöveti elemek fent leírt, igen gazdaságosan szervezett stabilizáló rendszerei lehetővé teszik, hogy a légzés során a térfogat minimális erőfeszítéssel és a parenchima létfontosságú gázcserélő funkciójának zavarása nélkül változzon (Weibel et al. 1991; Weibel et al. 1992). Ezenkívül valószínű, hogy a szöveti elemek deformációja az alveoláris epithelium nagymértékű megterhelése nélkül történik az intakt tüdőben a normál légzés során, mivel az állványzat feszültségtartó, míg a felületi feszültség az intakt surfactant rendszer jelenlétében alacsony tüdőtérfogatoknál csökken.

A bazális lamina és az extracelluláris mátrix egyéb komponensei alkotják azt az állványzatot, amelyhez a sejtkomponensek, beleértve az alveoláris epithelsejteket, az intersticiális sejteket és az endothelsejteket, sejt-mátrix kapcsolatokon, például fókuszos adhéziókon keresztül rögzülnek. Bár a sejtek deformáló erőket tudnak kifejteni a környező extracelluláris mátrixra, kimutatták, hogy a tüdő mechanikai tulajdonságai csak kisebb változásokat tartanak a tüdő állványzat decellularizációja során (Nonaka és mtsai. 2014). Ebben az összefüggésben úgy becsülték, hogy az interalveoláris septa sejtes komponensei kevéssé járulnak hozzá a tüdő általános mechanikai tulajdonságaihoz, például a rugalmas visszahatáshoz és a merevséghez (Oeckler és Hubmayr 2008). Ezen túlmenően az extracelluláris mátrixra ható nyúlás és feszültség a sejtmátrix és a sejt-sejt kapcsolatokon, például a plazmamembránon és a citoszkeletonon keresztül továbbítható a sejtek feszültségviselő elemeire, és ez a mechanizmus nagyobb tüdőtérfogat esetén tűnik a legjelentősebbnek. Ezek az erők sejtdeformációt eredményeznek, és a becslések szerint 5000 Pa-t tesznek ki egy fókuszos adhézióban. Ebben a tekintetben Tschumperlin és Margulies a hám bazális lamina felületének 35%-os növekedéséről számolt be, összehasonlítva a TLC 42%-ának és 100%-ának megfelelő tüdőtérfogatokat (Tschumperlin és Margulies 1999). Ezért nagyobb tüdőtérfogatoknál az alveoláris epithel- és endothelsejtek citoszkeletonja és plazmamembránja is feszültségviselővé válhat a bazális lamínához való kapcsolódásuk miatt (Cong és mtsai. 2017). Ennélfogva ezek a sejtrétegek érzékennyé válnak a stressz okozta meghibásodásra, pl. a megnövekedett légzési térfogattal járó sérüléses lélegeztetéskor, ami az endotél- és epitélsejtek sérülésének ultrastrukturális jeleit eredményezi, mint például a sejtplazmamembrán felbomlása, blebbing és a bazális lamina denudációja (Costello et al. 1992; Fu et al. 1992; Dreyfuss és Saumon 1998). Megjegyzendő, hogy e vizsgálatok szerint a II. típusú alveoláris hámsejtek a fokozott terhelés hatására kevésbé tűntek sérülékenynek (Dreyfuss és Saumon 1998). Mindazonáltal különböző mechanizmusokat figyeltek meg, amelyek lehetővé teszik, hogy a sejtek meghibásodás nélkül ellenálljanak a megnövekedett terhelésnek. Fiziológiai körülmények között, pl. mély belégzéskor, testmozgás vagy sóhajok során is előfordulhat fokozott terhelés a sejtek szintjén. A plazmamembrán redői kibontakoznak, hogy alkalmazkodjanak az oldalirányú feszítő erőkhöz. De még ha törések keletkeznek is a plazmamembránban, a sejtek képesek ezeket a hibákat sejthalál nélkül kijavítani. Az 1 µm-nél kisebb átmérőjű plazmamembrán-törések a plazmamembránt alkotó lipid kettősrétegek termodinamikai oldalirányú áramlásával Ca2+ -független módon javíthatók (Vlahakis és mtsai. 2002; Cong és mtsai. 2017). Továbbá kimutatták, hogy a sejtek nyújtása aktiválja az úgynevezett deformáció-indukált lipid-transzportot, amely magában foglalja az endogén lipidvezikulák megfelelő törésbe történő áthelyezését, de a megszakadt plazmamembrán endocitózisát és a membránfolt kialakulását is (Cong et al. 2017).

Felületi feszültség és alveoláris mikromechanika

A pulmonális surfactant rendszer szintén hozzájárul a pulmonális mechanikához és stabilizálja az alveolusokat, különösen kisebb tüdőtérfogatoknál (Bachofen és Schürch 2001). A levegő-folyadék határfelület magas felületi feszültsége fontos hatással van az alveoláris mikroarchitektúrára, és az alveoláris felület csökkenéséhez vezet azáltal, hogy a légterek összeomlását okozza. Ezt az intraalveoláris felületaktív anyag ellensúlyozza a felületi feszültség csökkentésével a kilégzés végén. A levegő-folyadék határfelületen lévő felületaktív felületaktív réteg nemcsak a kilégzés végi alveoláris kollapszust és ödémaképződést akadályozza meg (Possmayer és mtsai. 2001), hanem a határfelületi feszültséget is. A nagy felületi feszültséggel összefüggésben fellépő interfázisos stressz alapja a légzés során a hám felszínén oszcilláló folyadék, amely a nyíróerők révén deformálja pl. a II. típusú alveoláris hámsejteket. Ezért a határfelületi feszültség önmagában a II. típusú alveoláris hámsejtek jelentős diszfunkcióját eredményezheti, amint azt in vitro tesztrendszerekben bemutatták (Hobi és mtsai. 2012; Ravasio és mtsai. 2011).

Egy egészséges tüdőben a makro- és mikromechanikai tulajdonságokat kis tüdőtérfogatoknál az alveoláris levegő-folyadék határfelületen a felületi feszültség uralja, míg nagyobb tüdőtérfogatoknál az extracelluláris mátrix összetevői feszültségviselővé válnak, és meghatározzák a tüdő szerkezetét és mechanikáját (Bachofen et al. 1987; Wilson és Bachofen 1982; Bachofen és Schürch 2001). Az alveoláris belépőgyűrűket körülvevő rostok axiális rendszere körkörös rácsot alkot, amely körülveszi az alveoláris csatornát és kiegyensúlyozza a felületi feszültséget az alveoláris levegő-folyadék határfelületen (4. ábra). Az alveolusokban a felületi feszültségből eredő feszültségek úgy hatnak, hogy az interalveoláris septa az alveolus sarkában felhalmozódna, így az alveoláris felület csökken. Ezáltal az alveoláris csatornákat körülvevő és a szeptumfalak szélein koncentrálódó elasztikus és kollagénrostok megnyúlnak. Ezért ezek a rostok kiegyenlítik a felületi feszültség által az alveoláris levegő-folyadék határfelületen létrehozott erőket. Az intraalveoláris felületaktív anyagrendszer a rosthálózattal együtt stabilizálja a gázcserére rendelkezésre álló alveoláris felületet, amely egyébként a felületi feszültség növekedésével csökkenne (Wilson és Bachofen 1982). A tüdő sóoldattal való feltöltése megszünteti a levegő-folyadék határfelületet és ezáltal a felületi feszültséget. Ennek számos hatása van a mikroarchitektúrára, mint például az alveoláris csatornák viszonylag szűk átmérője, szabálytalan alveoláris textúra kidudorodó kapillárisokkal és az alveoláris sarkokban lévő szepták hiányzó redőkkel (Gil et al. 1979). A levegővel telt tüdőben, ahol a felületi feszültség megmaradt, az alveoláris falak laposak és a kapillárisok nem domborodnak ki a légtérbe, míg az alveoláris csatornák szélesebbnek tűnnek. Ezért a sóoldattal töltött tüdővel összehasonlítva a levegővel töltött tüdőben a felületi feszültség formázó hatása miatt a tervezési alapú sztereológiával mért alveoláris felület csökken (Gil et al. 1979). A megnövekedett felületi feszültség, amely például a szurfaktánst termelő II. típusú alveoláris hámsejtek sérüléséből ered, az alveoláris csatornák átmérőjének további növekedésével és az alveoláris felület csökkenésével jár, olyan szerkezeti változásokkal, amelyeket könnyen tüdőtágulásként lehet félreértelmezni (Mouded és mtsai. 2009). Ezek a megfigyelések arra utalnak, hogy az alveoláris felület a felületi feszültség közvetlen függvénye: minél nagyobb a felületi feszültség, annál kisebb az alveoláris felület alacsony és közepes tüdőtérfogatoknál, a TLC 80%-áig (Bachofen et al. 1979; Bachofen és Schürch 2001). A felületi feszültséget a levegő-folyadék határfelületen a szurfaktáns a kilégzés végére közel nulla mN/m-re csökkenti, így az alveolusok stabilizálódnak, és a rugalmas rostok axiális rendszere csak kis mértékben nyúlik meg kisebb tüdőtérfogatoknál (Wilson és Bachofen 1982; Bachofen et al. 1987). A felszíni erőknek és a rostrendszernek ez a kölcsönhatása nagy jelentőségű, mivel ez azt jelenti, hogy normál légzés során, pl. a TLC 40-80%-a között, az interalveoláris septa sejtes összetevői, mint az alveoláris epithel, védve vannak a potenciálisan káros mechanikai feszültségektől. Nagyobb tüdőtérfogatoknál, pl. a TLC 80%-a felett a felületi feszültség megnő, de a rugalmas, valamint a kollagénrostok és a hám bazális lamellája megnyúlik, így most már stabilizálják és alakítják a légtereket, és potenciálisan továbbíthatják a stresszt és a feszültséget a sejtekre. Mivel ezek a szöveti komponensek feszültséghordozóvá válnak, és tulajdonságaik határozzák meg a mechanikai jellemzőket nagyobb tüdőtérfogatban, a felületi feszültség elhanyagolható (Wilson és Bachofen 1982; Maina és West 2006). Ebben az összefüggésben az öregedés bizonyítottan a légterek megnagyobbodását és a tüdő rugalmas visszahatásának csökkenését eredményezi. Ezek a megfigyelések a közelmúltban azt sugallták, hogy magyarázhatóak a rugalmas és kollagénrostoknak az interalveoláris septákon belüli, “az alveoláris csatornától távolodó”, tisztán az életkorral összefüggő újraeloszlásával, hangsúlyozva a rosthálózatok térbeli eloszlásának és orientációjának jelentőségét (Subramaniam et al. 2017).

Az alveoláris mikromechanika mechanizmusai

A fentiekben vázoltak szerint a tüdő szerkezeti felépítése azt sugallja, hogy az interalveoláris septák védve vannak a túl nagy mechanikai igénybevételtől és terheléstől, legalábbis egészséges körülmények között a tidális ventiláció során (Bachofen és Schürch 2001). Ez a szempont nagy jelentőséggel bír, mivel in vitro sejtkultúrás vizsgálatok azt mutatták, hogy az alveoláris epitélsejtek érzékenyek a terhelés okozta sejtkárosodásra (Tschumperlin et al. 2000; Dolinay et al. 2017), és ez a kérdés kétségtelenül releváns in vivo a ventilláció által kiváltott tüdőkárosodás (VILI) összefüggésében (Cong et al. 2017). Az alveoláris mikromechanikára és az alveolusok, beleértve a falaik deformációjának mechanikájára vonatkozó jelenlegi ismereteink azonban még mindig nagyon korlátozottak a ventiláció során (Roan és Waters 2011). Ennek oka a rendelkezésre álló képalkotó technikák térbeli és időbeli felbontásának korlátai, amelyek nem teszik lehetővé az acinális mikromechanika közvetlen vizualizálását, amelyet a légzési ciklus során bekövetkező építészeti és funkcionális változásokként definiálnak. Valójában az interalveoláris szepta sejtes terhelését is figyelembe vevő érdemi vizsgálathoz elektronmikroszkópos felbontásra lenne szükség. Az alveoláris felszín vagy az alveoláris méret kvantitatív értékelése alapján a nyomás-térfogat görbe különböző szakaszaiban úgy becsülték, hogy az alveolus deformációja és így az alveolus lineáris dimenziókban mért terhelése a légzés során (amelyet általában a TLC 40-80%-a között határoznak meg) 4% körüli (Tschumperlin és Margulies 1999; Mercer et al. 1987) és 10% között van (Gil et al. 1979), és elvileg akár 20%-ra vagy még többre is nőhet (Gil et al. 1979; Mercer et al. 1987) abban az esetben, ha az inspirációs tartalék kimerül, például mély sóhajok vagy fizikai terhelés során (Fredberg és Kamm 2006). Fredberg és Kamm hangsúlyozta az alveoláris terhelés ilyen becslésének jelentőségét. Kiszámították, hogy az élet során az alveoláris struktúráknak akár 109 terhelési cikluson keresztül is meg kell birkózniuk a légzéssel kapcsolatos alveoláris terheléssel, és tovább következtettek: “A szokásos mérnöki anyagok mércéjével mérve ezek az igénybevételek szélsőségesek, és úgy tűnik, hogy meglehetősen jelentős szöveti struktúrákat igényelnek.” (Fredberg és Kamm 2006)

Ezekből az érvelésből adódik a kérdés, hogy az interalveoláris septák hogyan birkóznak meg a térfogatváltozással kapcsolatos igénybevételekkel. Más szóval, melyek azok a mechanizmusok, amelyekkel az alveolusok, és mindenekelőtt az interalveoláris septák alkalmazkodnak a légzési ciklushoz kapcsolódó alveoláris és szeptális terheléshez anélkül, hogy az alveoláris epithelsejteket indokolatlan mechanikai stressznek tennék ki. Több mint 30 évvel ezelőtti elegáns vizsgálatok, amelyek során kvázi-statikus körülményeket és a tüdőszövet érrendszeri perfúziós rögzítését alkalmazták meghatározott inspirációs és exspirációs nyomáson, nyomás-térfogat (PV) hurkok során, kimutatták, hogy a szeptumfal deformációjában különböző mechanizmusok játszanak szerepet, amelyek inspiráció és exspiráció során egyedi alveoláris térfogatváltozásokat eredményezhetnek. Gil és munkatársai 4 mechanizmust tárgyaltak: (1) Az alveoláris egységek rekrutációja/derekrutációja; (2) Izotróp nyújtás és destretching az alveoláris méret ballonszerű változásával; (3) Az alveoláris forma változása (pl. dodekaéderről gömb alakúra és fordítva), ami az eltérő geometria miatt az alveoláris méret változásával függ össze; és (4) Az alveoláris falak össze- és kihajtása és harmonika-szerű deformációja, ami egy papírzacskó összehajtásához és kibontásához hasonlítható (Gil et al. 1979). Ezeket a lehetséges mechanizmusokat izolált és perfundált tüdő ex vivo megközelítéseiből vezették le, és értékelték a tüdő viselkedését a légúti nyílásnál a közel nullától (0,1 cm H2O) 30 cm H2O-ig (= 100% TLC) terjedő nyomástartományban (Bachofen et al. 1987). Ezeket a megfigyeléseket ezért nehéz összehasonlítani az in vivo helyzettel, amelyben a tüdő térfogata általában nem csökken a maradék térfogat alá. A gázmentesített tüdő első légzési ciklusaiban a teljes alveolusok rekrutációja a belégzés során fontos szerepet játszik, és ez magyarázza a kezdeti kvázi-statikus PV-hurkok megnövekedett hiszterézisét (Bachofen és mtsai. 1987; Bates és Irvin 2002; Carney és mtsai. 1999). A mágneses rezonancia képalkotást alkalmazó modellalapú megközelítések bizonyítékot szolgáltattak arra, hogy az alveoláris rekrutáció a belégzés során fiziológiás körülmények között, egészséges embereknél is szerepet játszhat (Hajari és mtsai. 2012). Ezek a modelljóslatok azonban ellentmondásban állnak számos más olyan vizsgálattal, amelyek az alveolusok közvetlen vizualizációját vagy a tüdő szerkezetének kvantitatív értékelését tervezési alapú sztereológia segítségével alkalmazzák az alveoláris mikromechanika vizsgálatára egészséges tüdőben. Ezek a vizsgálatok nem találtak bizonyítékot a teljes alveolusok intra-tidális rekrutációjára és derekrutációjára egészséges tüdőben in vivo körülmények között a funkcionális reziduális térfogat felett (Oldmixon és Hoppin 1991; Schiller és mtsai. 2001; Pavone és mtsai. 2007; Perlman és mtsai. 2011; Sera és mtsai. 2013; Knudsen és mtsai. 2018; Lovric és mtsai. 2017). Az alveoláris falak összekapcsolt hálózatában az alveolárisok az előrejelzések szerint nagyon stabilak, az interalveoláris septákra ható kiegyensúlyozott feszültségekkel, amíg a felületi feszültség csökken és harmonizálódik a különböző méretű alveolárisok között (Fung 1975; Mead et al. 1970).

Az 5. ábra összefoglalja az alveoláris mikromechanikára vonatkozó valószínűsíthető elképzeléseket a defláció során egészséges tüdőben a kvázi-statikus PV-hurok különböző szakaszaiban rögzített tüdőszöveten végzett morfometriai vizsgálatok alapján (Gil et al. 1979; Bachofen et al. 1987; Oldmixon és Hoppin 1991; Tschumperlin és Margulies 1999; Knudsen et al. 2018). Hangsúlyozni kell azonban, hogy a tüdő térfogattörténete, valamint a körülmények, amelyek között a tüdőt vizsgálták, pl. in vivo vs. ex vivo, nagy jelentőséggel bírnak, ezért egymásnak ellentmondó eredményeket publikáltak. Meglehetősen alacsony tüdőtérfogatoknál (= csökkenő légúti nyitási nyomás) az interalveoláris szeptumfalak redők kialakulását meglehetősen gyakran figyelték meg, így az alveoláris szeptumfalak (de nem a teljes alveoláris egységek) kibontása és összehajtása fontosnak tűnik az alveoláris mikromechanika szempontjából, mindenekelőtt alacsony tüdőtérfogatoknál. Ezt mind ex vivo (Tschumperlin és Margulies 1999), mind in vivo körülmények között végzett szerkezeti értékelések (Knudsen és mtsai. 2018) kimutatták. Bizonyították ugyanis, hogy a szöveti elasztancia az 1 cm H2O PEEP értékű mechanikus lélegeztetés során jelentősen megnövekedett az 5 cm H2O PEEP értékű mechanikus lélegeztetéshez képest egészséges patkánytüdőben. Más szóval a tüdő merevebbé válik, ha a légúti nyílásnál a nyomás 5 cm H2O-ról 1 cm H2O-ra csökken. A szerkezet-funkció összefüggés megállapítása alapján a tüdő merevségének ez a növekedése magas korrelációt mutatott az átlagos alveoláris méret csökkenésével, ami valószínűleg az interalveoláris szepta redők kialakulásának tulajdonítható az 5 cm H2O-ról 1 cm H2O-ra történő defláció során, amint azt elektronmikroszkópos szinten megfigyelték (Knudsen és mtsai. 2018; Tschumperlin és Margulies 1999). Megjegyzendő, hogy a nyitott alveolusok száma nem különbözött az 1 és 5 cm H2O légúti nyitási nyomáson in vivo (zárt mellkas) rögzített tüdők között kilégzéskor, így nem volt bizonyíték az alveoláris egységek derekrutációjára. Ehelyett a felület és az alveoláris térfogat csökkenése az interalveoláris septa redők/redők kialakulásával hozható összefüggésbe. Más, hasonló kísérleti elrendezést (in vivo, zárt mellkas) alkalmazó kutatók azonban megkérdőjelezték e mechanizmus relevanciáját az egészséges tüdőben, mivel az interalveoláris szepták ráncosodása vagy gyűrődése alig volt megfigyelhető a légúti nyitási nyomás 3-16 cm H2O közötti tartományaiban. E nyomástartomány alatt azonban nem lehetett kizárni a redők kialakulását (Oldmixon és Hoppin 1991). Közepes és nagyobb tüdőtérfogatoknál, amelyek elérik a TLC 100%-át (általában 30 cm H2O transzpulmonális nyomáson meghatározott tüdőtérfogat), az alveoláris légterek alakváltozásait és az alveoláris falak nyúlását/nyúlását több kutató is jelezte (Roan és Waters 2011). Gil és munkatársai ex vivo körülmények között leírták az alakváltozást poliéderesről gömbölyűbb konfigurációra (Gil et al. 1979). Tschumperlin és Margulies ex vivo kísérleti elrendezésben mérték a hám bazális lamina felületét egy 25 cm H2O-ból érkező PV-hurok deflációs végtagja során, és meglehetősen stabil értékeket figyeltek meg a TLC körülbelül 80-40%-a közötti tartományban, míg a TLC 100-80%-a közötti tartományban jelentős csökkenést tapasztaltak. Ezekből az adatokból a szerzők arra következtettek, hogy az alveoláris hámsejtek nyújtása a TLC 80%-a felett nagy jelentőséggel bír, míg a TLC 80%-a alatt a bazális lamina felületének nagymértékű változása nélküli deformációk (és így az alveoláris hámsejtek nyújtása) dominálnak a mikromechanikában, pl. a szeptumfalak kibomlása/hajtogatása vagy alakváltozások (Tschumperlin és Margulies 1999). A bazális lamina és így a tapadó epithel- és endothelsejtek két dimenzióban mért teljes nyúlását 40 és 100%-os TLC között 35%-ra becsülték, míg a 80 és 100%-os TLC közötti tartomány ennek a teljes nyúlásnak a 80%-át adta (Tschumperlin és Margulies 1999). Ebben az összefüggésben a primer alveoláris hámsejtek monorétegének két dimenzióban 25%-os terhelése, amely megfelelhet a tüdő állandó szellőzésének a 80% és 100% TLC közötti tüdőtérfogatra, olyan sejtsérüléseket eredményezett, mint az endoplazmatikus retikulum stressz és apoptózis (Dolinay és mtsai. 2017). Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a tüdőtérfogatnak a szellőztetés során nem kell meghaladnia a TLC-t ahhoz, hogy indokolatlan, potenciálisan káros terhelést jelentsen az alveoláris epitéliumra.

Ex vivo módszereket alkalmazva más kutatók bizonyítékot találtak a rekrutációra és derekrutációra a légúti nyitási nyomások 0 és 30 cm H2O közötti tartományában (Gil és Weibel 1972; Bachofen et al. 1987), ami megfelel az izolált tüdő teljes TLC-tartományában a nyomás-térfogat kapcsolatnak. Ezért a térfogattörténet különbözött azokban az ex vivo vizsgálatokban, amelyekben alveoláris derekrutációt figyeltek meg, és azokban, amelyekben nem. Normál légzés során és in vivo körülmények között a tüdő térfogata általában nem esik a funkcionális maradékkapacitás és így a PV-hurok inferior infúziós pontja alá (Salazar és Knowles 1964; Venegas et al. 1998), ami a fent említett ex vivo kísérletektől jelentősen eltér, így az alveoláris derekrutáció előfordulása a kilégzés végén több mint kérdéses a fiziológiás légzés tartományában. Carney és munkatársai in vivo mikroszkópiát alkalmazva, gázmentesített, de egészséges kutyatüdő nem fiziológiás helyzetében alveoláris rekrutációt figyeltek meg a TLC kb. 80%-ának megfelelő tüdőtérfogatig, míg a nyitott alveolusokat többé-kevésbé stabil egyedi térfogat jellemezte (Carney és mtsai. 1999). A tüdő acinusok in situ közvetlen vizualizálására szolgáló szinkrotron fénytörés-megerősített komputertomográfia nem szolgáltatott bizonyítékot alveoláris rekrutációra egerekben a kvázi-statikus körülmények közötti felfúvódás során, és alátámasztotta az alakváltozás és a harmonikaszerű kibontakozás koncepcióját a belégzés során (Sera és mtsai. 2013).

Más ex vivo és in vivo vizsgálatok is bizonyították, hogy a fiziológiás légzés tartományában (pl. 10 cm H2O alatti transzpulmonális nyomásgradiensek) a térfogatváltozások túlnyomórészt az alveoláris csatornákban, míg a térfogatváltozás kisebb hányada az alveolusokban zajlik (Sera et al. 2013; Mercer et al. 1987; Knudsen et al. 2010, 2018). A spontán légzés során a szinkrotron röntgenképalkotás alapján becslések szerint a légzési térfogat 34%-a alveoláris térfogatnövekedést eredményez, míg a fennmaradó 66% a légzés során a ductusokban vagy a vezető légterekben köt ki (Chang et al. 2015). Ezeket az eredményeket nagyjából megerősíti az in vivo mikroszkópia, amely azt mutatja, hogy az alveolárisok mérete csak kis mértékben növekszik a tidális szellőztetés során (Schiller és mtsai. 2001). Ezért úgy tűnik, hogy az alveoláris rekeszben a tidális ventilációval összefüggő térfogatváltozások viszonylag alacsonyak, így az alveolusok lineáris méreteinek változása a becslések szerint 3-4%-ot tesz ki. Nagyobb térfogatoknál azonban, pl. > 10 cm H2O transzpulmonális nyomásgradiens esetén a morfometriai adatok arra utalnak, hogy a PV-hurok alatti térfogatváltozások 50%-a az alveoláris csatornákban és az alveolusokban történik egyenként (Mercer et al. 1987).