La micromeccanica degli alveoli polmonari: struttura e funzione del surfattante e dei componenti del tessuto

Durante il ciclo respiratorio, gli spazi aerei distali del parenchima polmonare sono continuamente sottoposti a variazioni di volume. Questi cambiamenti di volume impongono la deformazione degli spazi aerei duttali e alveolari e soprattutto dei setti inter-alveolari. Tali deformazioni possono essere meglio descritte con il termine deformazione che è la dimensione (ad esempio lunghezza, superficie o volume) di una struttura dopo la deformazione rispetto alla situazione di partenza (Vlahakis e Hubmayr 2005). Su scala d’organo, lo sforzo imposto al polmone è di conseguenza calcolato utilizzando il volume corrente, corrispondente alla deformazione del polmone, e il volume residuo funzionale, corrispondente alla situazione di base del polmone. Durante la ventilazione meccanica, il volume corrente è dato dal ventilatore, mentre il volume funzionale residuo è uguale al volume del polmone ad una data pressione positiva di fine espirazione (PEEP). Lo stress, d’altra parte, è definito come la forza per area in modo che lo stress e la pressione abbiano la stessa unità (Vlahakis e Hubmayr 2005). A livello microscopico, sono state descritte alterazioni della microarchitettura legate al cambiamento di pressione e, quindi, deformazioni negli spazi aerei duttali e alveolari e nei setti interalveolari (Gil et al. 1979; Bachofen et al. 1987; Tschumperlin e Margulies 1999; Roan e Waters 2011). Sulla base di queste osservazioni, ha senso fisiologico distinguere gli spazi aerei duttali da quelli alveolari, poiché da un punto di vista anatomico sono delimitati in modo diverso con elementi stabilizzanti in parte diversi che si traducono in diverse proprietà meccaniche (Wilson e Bachofen 1982; Haefeli-Bleuer e Weibel 1988).

Matrice extracellulare, cellule e micromeccanica degli spazi aerei duttali e alveolari

Una rete di fibre economicamente progettata serve alla stabilizzazione degli spazi aerei distali che sopportano e trasmettono le sollecitazioni legate alla pressione di rinculo elastico del polmone (= pressione trans-alveolare). Quest’ultima è definita come la differenza tra la pressione negli spazi aerei acinari e la superficie pleurica (Loring et al. 2016). In vivo, la pressione alla superficie pleurica rispetto alla pressione atmosferica, è solitamente negativa e si basa principalmente sul rinculo elastico del polmone che ha il suo fondamento nella rete di fibre elastiche e nella tensione superficiale (Fredberg e Kamm 2006; Wilson e Bachofen 1982). Il sistema assiale di fibre elastiche e collagene ha origine dalle pareti delle vie aeree di conduzione, entra nei centri degli acini e contribuisce alla formazione degli anelli d’ingresso alveolari circondando così i dotti alveolari. Quindi, il condotto alveolare in quanto tale non ha una parete propria, ma è invece delimitato dagli anelli di ingresso degli alveoli che comprendono gli elementi della rete assiale di fibre del tessuto connettivo. In altre parole, il sistema di fibre assiali avvolge gli spazi aerei duttali (Fig. 4). Pertanto, le variazioni di volume dei dotti alveolari si traducono principalmente in una deformazione degli anelli d’ingresso alveolari e in un allungamento del sistema di fibre assiali. In questo contesto, è stato osservato che con la diminuzione del volume polmonare, il diametro degli anelli d’ingresso alveolari diventa più piccolo (Mercer et al. 1987). Le pareti alveolari, tuttavia, sono formate da setti inter-alveolari che comprendono soprattutto una rete capillare alveolare, diversi tipi di cellule e un minimo di elementi di tessuto connettivo stabilizzante. Il sistema assiale di fibre connettivali, concentrato negli anelli d’ingresso alveolari, è collegato con il sistema periferico proveniente dalla pleura da fibre della parete del setto alveolare che si trovano tra le lamine basali dell’epitelio alveolare e l’endotelio, corrispondenti al lato spesso della barriera aria-sangue. Queste fibre nel lato spesso rappresentano la spina dorsale dei setti interalveolari e trasmettono le forze distensive che in caso di distribuzione omogenea dello stress all’interno del polmone sono generate dai gradienti di pressione tra spazio aereo acinare e cavità pleurica (Mead et al. 1970) (Fig. 4). A questo proposito è stato dimostrato che le densità di volume delle fibre collagene ed elastiche all’interno dei setti aumentano verso il bordo libero dei setti formando la “parete” del dotto alveolare (Mercer e Crapo 1990; Toshima et al. 2004). Le fibre elastiche hanno una relazione lineare di sforzo-deformazione su un’ampia gamma di deformazioni che permette un raddoppio della sua lunghezza di base (= 200% di deformazione), così che queste fibre contribuiscono al rinculo elastico e alla stabilizzazione del parenchima polmonare a volumi polmonari più bassi, compreso anche il range della respirazione normale, solitamente definito come lo spettro di volume tra il 40 e l’80% della capacità polmonare totale (TLC) (Suki et al. 2011; Yuan et al. 2000). Le fibre di collagene, d’altra parte, hanno un andamento più o meno curvo a bassi volumi polmonari. Di conseguenza, le fibre di collagene diventano dritte a volumi polmonari maggiori e sono quindi caratterizzate da una relazione sforzo-deformazione altamente non lineare e da un’elevata rigidità (Suki et al. 2005).

I componenti stabilizzanti dei setti interalveolari e, quindi, degli spazi aerei alveolari includono anche la lamina basale epiteliale alveolare che si suppone diventi anche portatrice di stress a volumi polmonari maggiori (Maina e West 2006). Un aumento di volume degli alveoli può provocare uno stiramento delle cellule epiteliali alveolari che sono fissate alla lamina basale tramite aderenze cellula-matrice (Tschumperlin e Margulies 1999). Questo rappresenta una differenza importante rispetto al dotto alveolare che manca di un confine con un rivestimento epiteliale coeso. Tuttavia, valutazioni al microscopio elettronico della lamina basale sul lato sottile della barriera aria-sangue dei setti inter-alveolari hanno dimostrato il ripiegamento anche a volumi polmonari più grandi (per esempio sopra l’80% del TLC), indicando che almeno in alcune aree la lamina basale (e le cellule di rivestimento) non sono completamente distese (Bachofen et al. 1987). Nel polmone sano, questi sistemi stabilizzanti molto organizzati economicamente di elementi di tessuto connettivo descritti sopra, permettono di cambiare i volumi durante la respirazione con uno sforzo minimo e senza interferire con la funzione cruciale di scambio di gas del parenchima (Weibel et al. 1991; Weibel et al. 1992). Inoltre, è probabile che la deformazione dei componenti del tessuto si verifichi senza molta tensione dell’epitelio alveolare in un polmone intatto durante la normale respirazione corrente, poiché l’impalcatura è portante mentre la tensione superficiale in presenza di un sistema tensioattivo intatto è ridotta a bassi volumi polmonari.

La lamina basale e gli altri componenti della matrice extracellulare formano l’impalcatura a cui sono fissati i componenti cellulari tra cui le cellule epiteliali alveolari, le cellule interstiziali e le cellule endoteliali attraverso contatti cellula-matrice come le adesioni focali. Anche se le cellule possono eseguire forze deformanti sulla matrice extracellulare circostante, è stato dimostrato che le proprietà meccaniche del polmone mantengono solo piccole modifiche durante il corso della decellularizzazione dell’impalcatura polmonare (Nonaka et al. 2014). In questo contesto, è stato stimato che i componenti cellulari dei setti inter-alveolari contribuiscono poco alle proprietà meccaniche polmonari complessive come il rinculo elastico e la rigidità (Oeckler e Hubmayr 2008). Inoltre, la deformazione e lo stress che agiscono sulla matrice extracellulare possono essere trasmessi agli elementi portanti delle cellule attraverso i contatti cellula-matrice e cellula-cellula, come la membrana plasmatica e il citoscheletro, un meccanismo che sembra essere più rilevante a grandi volumi polmonari. Queste forze provocano una deformazione cellulare e sono state stimate a 5000 Pa in corrispondenza di un’adesione focale. A questo proposito, Tschumperlin e Margulies hanno riportato un aumento della superficie della lamina basale epiteliale del 35% confrontando volumi polmonari che corrispondevano al 42% e al 100% del TLC (Tschumperlin e Margulies 1999). Pertanto, a volumi polmonari maggiori, il citoscheletro e la membrana plasmatica delle cellule epiteliali alveolari ed endoteliali potrebbero anche diventare portatori di stress a causa del loro legame con la lamina basale (Cong et al. 2017). Quindi, questi strati cellulari diventano suscettibili di cedimenti da stress, ad esempio in caso di ventilazione nociva con aumento dei volumi di marea, che ha dimostrato di provocare segni ultrastrutturali di lesioni delle cellule endoteliali ed epiteliali, come la rottura della membrana plasmatica cellulare, il blebbing e la denudazione della lamina basale (Costello et al. 1992; Fu et al. 1992; Dreyfuss e Saumon 1998). Da notare che, secondo questi studi, le cellule epiteliali alveolari di tipo II sembrano essere meno danneggiabili con l’aumento dello sforzo (Dreyfuss e Saumon 1998). Ciononostante, sono stati osservati diversi meccanismi che permettono alle cellule di resistere ad un aumento della deformazione senza cedimenti. L’aumento della tensione a livello cellulare potrebbe verificarsi anche in condizioni fisiologiche, ad esempio durante le inspirazioni profonde, durante l’esercizio fisico o i sospiri. Le pieghe della membrana plasmatica si dispiegano per adattarsi alle forze di tensione laterale. Ma anche se emergono rotture nella membrana plasmatica, le cellule possono riparare questi difetti senza subire la morte cellulare. Le rotture della membrana plasmatica con un diametro inferiore a 1 µm possono essere riparate dal flusso laterale termodinamico della membrana plasmatica che forma i bilayer lipidici in modo indipendente dal Ca2+ (Vlahakis et al. 2002; Cong et al. 2017). Inoltre, è stato dimostrato che lo stiramento delle cellule attiva il cosiddetto traffico lipidico indotto dalla deformazione, che comprende il trasferimento di vescicole lipidiche endogene alla rottura corrispondente, ma anche l’endocitosi di una membrana plasmatica interrotta e la formazione di una patch di membrana (Cong et al. 2017).

Tensione superficiale e micromeccanica alveolare

Il sistema surfattante polmonare contribuisce anche alla meccanica polmonare e stabilizza gli alveoli, in particolare a volumi polmonari inferiori (Bachofen e Schürch 2001). L’alta tensione superficiale all’interfaccia aria-liquido ha effetti importanti sulla microarchitettura alveolare e porta ad una riduzione della superficie alveolare causando il collasso degli spazi aerei. Questo viene contrastato dal tensioattivo intra-alveolare attraverso la riduzione della tensione superficiale a fine espirazione. Lo strato di tensioattivo attivo in superficie all’interfaccia aria-liquido non solo impedisce il collasso alveolare di fine espirazione e la formazione di edema (Possmayer et al. 2001) ma anche lo stress interfacciale. Lo stress interfacciale nel contesto dell’alta tensione superficiale si basa sui fluidi che oscillano sulla superficie dell’epitelio durante la respirazione e deformano, ad esempio, le cellule epiteliali alveolari di tipo II attraverso le forze di taglio. Quindi, lo stress interfacciale da solo può provocare una grave disfunzione delle cellule epiteliali alveolari di tipo II, come illustrato nei sistemi di test in vitro (Hobi et al. 2012; Ravasio et al. 2011).

In un polmone sano le proprietà macro e micromeccaniche sono dominate dalla tensione superficiale all’interfaccia aria-liquido alveolare a bassi volumi polmonari, mentre a volumi polmonari maggiori i componenti della matrice extracellulare diventano portatori di stress e definiscono la struttura e la meccanica del polmone (Bachofen et al. 1987; Wilson e Bachofen 1982; Bachofen e Schürch 2001). Il sistema assiale di fibre che circonda gli anelli d’ingresso alveolari forma un reticolo circolare che circonda il condotto alveolare e bilancia la tensione superficiale all’interfaccia aria-liquido alveolare (Fig. 4). Le sollecitazioni risultanti dalla tensione superficiale negli alveoli agiscono in modo che i setti interalveolari si ammassino nell’angolo dell’alveolo in modo che la superficie alveolare diminuisca. In questo modo le fibre elastiche e di collagene che circondano i dotti alveolari e si concentrano ai bordi delle pareti settali vengono stirate. Quindi, queste fibre bilanciano le forze generate dalla tensione superficiale all’interfaccia aria-liquido alveolare. Il sistema surfattante intra-alveolare, di concerto con la rete di fibre, stabilizza la superficie alveolare disponibile per lo scambio di gas, che altrimenti diminuirebbe con l’aumentare della tensione superficiale (Wilson e Bachofen 1982). Riempiendo il polmone con soluzione salina, si annulla l’interfaccia aria-liquido e, quindi, la tensione superficiale. Questo ha diversi effetti sulla microarchitettura come un diametro relativamente stretto dei condotti alveolari, una struttura alveolare irregolare con capillari rigonfi e pieghe mancanti di setti negli angoli alveolari (Gil et al. 1979). Nel polmone riempito d’aria con tensione superficiale conservata, le pareti alveolari sono piatte e i capillari non sporgono nello spazio aereo, mentre i dotti alveolari sembrano essere più larghi. Quindi, rispetto ai polmoni pieni di soluzione salina, i polmoni pieni d’aria hanno aree di superficie alveolare ridotte, come misurato dalla stereologia basata sul disegno, a causa dell’effetto di ammuffimento della tensione superficiale (Gil et al. 1979). L’aumento della tensione superficiale risultante, ad esempio, dalla lesione delle cellule epiteliali alveolari di tipo II produttrici di surfattante è legato a un ulteriore aumento del diametro del condotto alveolare e alla perdita di superficie alveolare, alterazioni strutturali che potrebbero essere facilmente interpretate come enfisema polmonare (Mouded et al. 2009). Queste osservazioni indicano che l’area superficiale alveolare è una funzione diretta della tensione superficiale: maggiore è la tensione superficiale, minore è l’area superficiale alveolare a volumi polmonari bassi o intermedi fino all’80% del TLC (Bachofen et al. 1979; Bachofen e Schürch 2001). La tensione superficiale all’interfaccia aria-liquido è ridotta dal surfattante a quasi zero mN/m alla fine dell’espirazione, così che gli alveoli sono stabilizzati e il sistema assiale di fibre elastiche è solo leggermente stirato a volumi polmonari più bassi (Wilson e Bachofen 1982; Bachofen et al. 1987). Questa interazione tra le forze di superficie e il sistema di fibre è di grande importanza in quanto implica che durante la respirazione normale, ad esempio tra il 40 e l’80% del TLC, i componenti cellulari dei setti interalveolari come l’epitelio alveolare sono protetti dalle sollecitazioni meccaniche potenzialmente dannose. A volumi polmonari maggiori, ad esempio oltre l’80% del TLC, la tensione superficiale aumenta, ma le fibre elastiche e collagene e la lamina basale dell’epitelio sono allungate in modo che ora stabilizzano e modellano gli spazi aerei e possono potenzialmente trasmettere stress e tensioni alle cellule. Poiché questi componenti del tessuto diventano portatori di stress e le loro proprietà definiscono le caratteristiche meccaniche a volumi polmonari maggiori, la tensione superficiale può essere trascurata (Wilson e Bachofen 1982; Maina e West 2006). In questo contesto, è stato dimostrato che l’invecchiamento comporta un allargamento dello spazio aereo e una riduzione del rinculo elastico del polmone. Queste osservazioni sono state recentemente suggerite per essere spiegate da una pura ridistribuzione legata all’età delle fibre elastiche e collagene all’interno dei setti interalveolari “lontano dal dotto alveolare” sottolineando la rilevanza della distribuzione spaziale e l’orientamento delle reti di fibre (Subramaniam et al. 2017).

Meccanismi della micromeccanica alveolare

Come indicato in precedenza, il design strutturale del polmone suggerisce che i setti interalveolari sono protetti da stress e sforzi meccanici eccessivi, almeno durante la ventilazione di marea in condizioni di salute (Bachofen e Schürch 2001). Questo aspetto è di grande importanza poiché studi in vitro su colture cellulari hanno illustrato che le cellule epiteliali alveolari sono suscettibili al danno cellulare indotto dallo sforzo (Tschumperlin et al. 2000; Dolinay et al. 2017), una questione che è senza dubbio rilevante in vivo nel contesto del danno polmonare indotto dalla ventilazione (VILI) (Cong et al. 2017). Tuttavia, le nostre attuali conoscenze sulla micromeccanica alveolare e sulla meccanica della deformazione degli alveoli, comprese le loro pareti, durante la ventilazione sono ancora molto limitate (Roan e Waters 2011). Ciò è dovuto alle limitazioni nella risoluzione spaziale e temporale delle tecniche di imaging disponibili che non consentono la visualizzazione diretta della micromeccanica acinare, definita come alterazioni architettoniche e funzionali durante il ciclo respiratorio. Infatti, un’indagine significativa che prende in considerazione lo sforzo cellulare nei setti inter-alveolari richiederebbe una risoluzione al microscopio elettronico. Sulla base di valutazioni quantitative della superficie alveolare o delle dimensioni alveolari in diversi stadi della curva pressione-volume è stato stimato che la deformazione e quindi lo strain dell’alveolo in dimensioni lineari durante la respirazione corrente (solitamente definita tra il 40 e l’80% della TLC), è nell’ordine del 4% (Tschumperlin e Margulies 1999; Mercer et al. 1987) al 10% (Gil et al. 1979) e può in linea di principio aumentare fino al 20% e oltre (Gil et al. 1979; Mercer et al. 1987) nel caso in cui la riserva inspiratoria sia esaurita, per esempio durante sospiri profondi o esercizio fisico (Fredberg e Kamm 2006). Fredberg e Kamm hanno sottolineato la rilevanza di queste stime dello sforzo alveolare. Hanno calcolato che durante la vita le strutture alveolari devono far fronte alla deformazione alveolare legata alla respirazione fino a 109 cicli di deformazione e hanno concluso che: “Per gli standard dei comuni materiali di ingegneria, queste sollecitazioni sono estreme e sembrano richiedere strutture tissutali piuttosto sostanziali” (Fredberg e Kamm 2006).

Da questo ragionamento, sorge la domanda come i setti inter-alveolari affrontano le sollecitazioni legate ai cambiamenti di volume. In altre parole, quali sono i meccanismi con cui gli alveoli, e soprattutto i setti inter-alveolari, si adattano agli sforzi alveolari e settali legati al ciclo respiratorio senza sottoporre le cellule epiteliali alveolari a uno stress meccanico eccessivo. Studi eleganti più di 30 anni fa, utilizzando condizioni quasi statiche e la fissazione di perfusione vascolare del tessuto polmonare a pressioni inspiratorie ed espiratorie definite durante i cicli pressione-volume (PV) hanno rivelato che diversi meccanismi di deformazione della parete settale sono coinvolti e possono risultare in variazioni individuali di volume alveolare durante l’inspirazione e l’espirazione. Gil e collaboratori hanno discusso 4 meccanismi: (1) Reclutamento/dereclutamento di unità alveolari; (2) Stretching e destretching isotropo con cambiamenti delle dimensioni alveolari simili a palloncini; (3) Cambiamenti nella forma alveolare (per esempio da dodecaedrica a sferica e viceversa) che a causa della diversa geometria è collegata ai cambiamenti delle dimensioni alveolari; e (4) Piegamento e spiegamento delle pareti alveolari e deformazione a fisarmonica che potrebbe assomigliare al piegamento e spiegamento di un sacchetto di carta (Gil et al. 1979). Questi potenziali meccanismi sono stati derivati da approcci ex vivo di polmoni isolati e perfusi e hanno valutato il comportamento del polmone in una gamma di pressioni all’apertura delle vie aeree da quasi zero (0,1 cm H2O) fino a 30 cm H2O (= 100% TLC) (Bachofen et al. 1987). Queste osservazioni sono, quindi, difficili da confrontare con la situazione in vivo in cui il volume polmonare di solito non scende sotto il volume residuo. Nei primi cicli respiratori di un polmone degassato, il reclutamento di alveoli completi durante l’inspirazione gioca un ruolo importante e spiega l’aumentata isteresi dei cicli PV quasi-statici iniziali (Bachofen et al. 1987; Bates e Irvin 2002; Carney et al. 1999). Approcci basati su modelli che utilizzano la risonanza magnetica hanno fornito prove che il reclutamento alveolare durante l’inspirazione potrebbe essere coinvolto in condizioni fisiologiche negli esseri umani sani (Hajari et al. 2012). Tuttavia, queste previsioni del modello sono in conflitto con una serie di altri studi che utilizzano la visualizzazione diretta degli alveoli o valutazioni quantitative della struttura polmonare per mezzo della stereologia basata sul design per indagare la micromeccanica alveolare nei polmoni sani. Questi studi non hanno trovato alcuna prova per il reclutamento intra-tidale e derecruitment di alveoli completi in un polmone sano in condizioni in vivo sopra il volume residuo funzionale (Oldmixon e 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). In una rete interconnessa di pareti alveolari gli alveoli sono stati previsti molto stabili con sollecitazioni equilibrate che agiscono sui setti inter-alveolari finché la tensione superficiale è ridotta e armonizzata tra alveoli di dimensioni diverse (Fung 1975; Mead et al. 1970).

La figura 5 riassume probabili concetti di micromeccanica alveolare durante la deflazione in polmoni sani basati su studi morfometrici che utilizzano tessuto polmonare fisso a diversi stadi di cicli di PV quasi-statici (Gil et al. 1979; Bachofen et al. 1987; Oldmixon e Hoppin 1991; Tschumperlin e Margulies 1999; Knudsen et al. 2018). Tuttavia, deve essere sottolineato che la storia del volume del polmone così come le condizioni in cui i polmoni sono stati studiati, ad esempio in vivo vs. ex vivo, sono di grande rilevanza in modo che i risultati contrastanti sono stati pubblicati. A volumi polmonari piuttosto bassi (= pressioni di apertura delle vie aeree decrescenti) la formazione di pieghe delle pareti del setto interalveolare è stata osservata verificarsi abbastanza frequentemente, così che lo spiegamento e il ripiegamento delle pareti del setto alveolare (ma non le unità alveolari complete) sembra essere rilevante per la micromeccanica alveolare, soprattutto a bassi volumi polmonari. Questo è stato dimostrato da valutazioni strutturali effettuate sia in condizioni ex vivo (Tschumperlin e Margulies 1999) che in vivo (Knudsen et al. 2018). Infatti, è stato dimostrato che l’elastanza tissutale durante la ventilazione meccanica con PEEP di 1 cm H2O era significativamente aumentata rispetto alla ventilazione meccanica con una PEEP di 5 cm H2O in polmoni sani di ratto. In altre parole, il polmone diventa più rigido se la pressione all’apertura delle vie aeree è ridotta da 5 a 1 cm H2O. In base all’istituzione di una relazione struttura-funzione, questo aumento della rigidità polmonare ha dimostrato un’alta correlazione con la diminuzione della dimensione alveolare media che potrebbe essere molto probabilmente attribuita alla comparsa di pieghe dei setti interalveolari durante la deflazione da 5 a 1 cm H2O come osservato a livello microscopico elettronico (Knudsen et al. 2018; Tschumperlin e Margulies 1999). Da notare che il numero di alveoli aperti non differiva tra i polmoni fissati in vivo (torace chiuso) a pressioni di apertura delle vie aeree di 1 e 5 cm H2O durante l’espirazione, in modo che non vi fosse alcuna prova di dereclutamento delle unità alveolari. Invece, una diminuzione della superficie e del volume alveolare potrebbe essere collegata alla formazione di pieghe/pieghe dei setti interalveolari. Tuttavia, altri ricercatori che utilizzano una configurazione sperimentale simile (in vivo, torace chiuso) hanno messo in dubbio la rilevanza di questo meccanismo in un polmone sano, poiché il ripiegamento o l’accartocciamento dei setti inter-alveolari sono stati difficilmente visti tra le gamme di pressione di apertura delle vie aeree di 3-16 cm H2O. Tuttavia, la formazione di pieghe al di sotto di questo intervallo di pressione non poteva essere esclusa (Oldmixon e Hoppin 1991). A volumi polmonari intermedi e superiori che raggiungono fino al 100% del TLC (solitamente definito come volume polmonare a 30 cm H2O di pressione transpolmonare), diversi ricercatori hanno sottolineato che si verificano cambiamenti di forma degli spazi aerei alveolari e stiramenti/distensioni delle pareti alveolari (Roan e Waters 2011). Gil e collaboratori hanno descritto cambiamenti di forma da una configurazione poliedrica a una più sferica in condizioni ex vivo (Gil et al. 1979). Tschumperlin e Margulies, in un setup sperimentale ex vivo, hanno misurato la superficie della lamina basale epiteliale durante l’arto di deflazione di un’ansa PV proveniente da 25 cm H2O e hanno osservato valori abbastanza stabili nell’intervallo di circa l’80-40% del TLC mentre c’era una notevole diminuzione nell’intervallo tra il 100 e l’80% del TLC. Da questi dati, gli autori hanno suggerito che lo stiramento delle cellule epiteliali alveolari è di grande rilevanza sopra l’80% del TLC mentre sotto l’80% TLC, le deformazioni senza molti cambiamenti nell’area superficiale della lamina basale (e, quindi, lo stiramento delle cellule epiteliali alveolari) dominano la micromeccanica, per esempio lo spiegamento/piegamento delle pareti del setto o i cambiamenti di forma (Tschumperlin e Margulies 1999). La deformazione complessiva in due dimensioni della lamina basale e, quindi, delle cellule epiteliali ed endoteliali aderenti è stata stimata al 35% tra il 40 e il 100% di TLC mentre l’intervallo tra l’80 e il 100% di TLC ha contribuito all’80% di questa deformazione complessiva (Tschumperlin e Margulies 1999). In questo contesto, una deformazione del 25% in due dimensioni di un monostrato di cellule epiteliali alveolari primarie che potrebbe corrispondere a una ventilazione permanente del polmone a volumi polmonari che sono tra l’80% e il 100% TLC, ha portato a lesioni cellulari come lo stress del reticolo endoplasmatico e l’apoptosi (Dolinay et al. 2017). Questi risultati illustrano che il volume polmonare durante la ventilazione non ha bisogno di superare il TLC per imporre uno sforzo indebito e potenzialmente dannoso sull’epitelio alveolare.

Utilizzando approcci ex vivo, altri ricercatori hanno trovato prove di reclutamento e dereclutamento in una gamma di pressioni di apertura delle vie aeree tra 0 e 30 cm H2O (Gil e Weibel 1972; Bachofen et al. 1987) corrispondenti alla relazione pressione-volume sull’intera gamma di TLC di un polmone isolato. Quindi, la storia del volume differisce tra gli studi ex vivo che hanno osservato il dereclutamento alveolare e quelli che non l’hanno fatto. Durante la respirazione normale e in condizioni in vivo, il volume polmonare di solito non scende al di sotto della capacità funzionale residua e, quindi, il punto di inflessione inferiore del ciclo PV (Salazar e Knowles 1964; Venegas et al. 1998), un aspetto che è molto diverso dagli esperimenti ex vivo di cui sopra in modo che il verificarsi di dereclutamento alveolare a fine espirazione è più che discutibile nella gamma della respirazione fisiologica. Usando la microscopia in vivo e la situazione non fisiologica di polmoni di cane degassati ma sani, Carney e collaboratori hanno osservato il reclutamento alveolare fino a un volume polmonare corrispondente a circa l’80% del TLC mentre gli alveoli che erano aperti erano caratterizzati da volumi individuali più o meno stabili (Carney et al. 1999). La tomografia computerizzata con rifrazione di sincrotrone per la visualizzazione diretta degli acini polmonari in situ non ha fornito alcuna prova di reclutamento alveolare nei topi durante l’inflazione in condizioni quasi statiche e ha sostenuto il concetto di cambiamenti di forma e di spiegamento a fisarmonica durante l’ispirazione (Sera et al. 2013).

Diversi studi ex vivo e in vivo hanno anche dimostrato che nell’intervallo della respirazione fisiologica (ad esempio gradienti di pressione transpolmonare inferiori a 10 cm H2O) i cambiamenti di volume avvengono prevalentemente nei dotti alveolari mentre una percentuale minore di cambiamenti di volume avviene negli alveoli (Sera et al. 2013; Mercer et al. 1987; Knudsen et al. 2010, 2018). Durante la respirazione spontanea è stato stimato dall’imaging a raggi X di sincrotrone che il 34% del volume corrente si traduce in un aumento del volume alveolare mentre il restante 66% finisce negli spazi aerei duttali o di conduzione durante l’ispirazione (Chang et al. 2015). Questi risultati sono approssimativamente confermati dalla microscopia in vivo che mostra che le dimensioni alveolari aumentano poco durante la ventilazione corrente (Schiller et al. 2001). Quindi, i cambiamenti di volume legati alla ventilazione mareale nel compartimento alveolare sembrano essere relativamente bassi, così che le variazioni delle dimensioni lineari degli alveoli sono state stimate al 3-4%. A volumi maggiori, tuttavia, ad esempio gradienti di pressione transpolmonare > 10 cm H2O, i dati morfometrici suggeriscono che il 50% delle variazioni di volume durante un ciclo FV si verifica nei condotti alveolari e negli alveoli ciascuno (Mercer et al. 1987).