De micromechanica van longblaasjes: structuur en functie van surfactant en weefselcomponenten

Tijdens de ademhalingscyclus zijn de distale luchtruimten van het longparenchym voortdurend onderhevig aan volumeveranderingen. Deze volumeveranderingen leiden tot vervorming van de ductale en alveolaire luchtruimten en vooral van de inter-alveolaire septa. Dergelijke vervormingen kunnen het best worden beschreven met de term rek, die de grootte (bv. lengte, oppervlakte of volume) van een structuur na vervorming ten opzichte van de uitgangssituatie weergeeft (Vlahakis en Hubmayr 2005). Op de schaal van het orgaan wordt de aan de long opgelegde rek dienovereenkomstig berekend aan de hand van het ademvolume, dat overeenkomt met de vervorming van de long, en het functionele restvolume, dat overeenkomt met de uitgangssituatie van de long. Tijdens mechanische beademing wordt het getijdevolume door de ventilator gegeven, terwijl het functioneel restvolume gelijk is aan het volume van de long bij een gegeven positieve eind-expiratoire druk (PEEP). Stress daarentegen wordt gedefinieerd als de kracht per oppervlakte, zodat stress en druk dezelfde eenheid hebben (Vlahakis en Hubmayr 2005). Op microscopisch niveau zijn aan drukverandering gerelateerde veranderingen van de microarchitectuur en dus vervorming beschreven in ductale en alveolaire luchtruimten en in inter-alveolaire septa (Gil et al. 1979; Bachofen et al. 1987; Tschumperlin en Margulies 1999; Roan en Waters 2011). Op grond van deze waarnemingen is het fysiologisch zinvol onderscheid te maken tussen ductale en alveolaire luchtruimten, aangezien zij vanuit anatomisch oogpunt verschillend begrensd zijn met deels verschillende stabiliserende elementen die resulteren in verschillende mechanische eigenschappen (Wilson en Bachofen 1982; Haefeli-Bleuer en Weibel 1988).

Extracellulaire matrix, cellen en micromechanica van ductale en alveolaire luchtruimten

Een economisch ontworpen vezelnetwerk dient voor de stabilisatie van distale luchtruimten die de spanningen opvangen en doorgeven die samenhangen met de elastische terugslagdruk van de long (= trans-alveolaire druk). Deze laatste wordt gedefinieerd als het verschil tussen de druk in de acinaire luchtruimten en het pleuraoppervlak (Loring et al. 2016). In vivo is de druk aan het pleuraoppervlak in vergelijking met de atmosferische druk meestal negatief en berust hoofdzakelijk op de elastische terugslag van de long die zijn basis heeft in het elastische vezelnetwerk en de oppervlaktespanning (Fredberg en Kamm 2006; Wilson en Bachofen 1982). Het axiale systeem van elastische en collageenvezels is afkomstig van de wanden van de luchtwegen, komt binnen in de centra van de acini en draagt bij tot de vorming van alveolaire ingangsringen, waardoor de alveolaire ducten worden omgeven. De alveolaire ducten als zodanig hebben dus geen eigen wand, maar worden in plaats daarvan begrensd door de ingangsringen van de alveoli die de elementen van het axiale netwerk van bindweefselvezels omvatten. Met andere woorden, het axiale vezelstelsel omspant de ductale luchtruimten (Fig. 4). Volumeveranderingen van de alveolaire kanalen resulteren dan ook voornamelijk in een vervorming van de alveolaire ingangsringen en rek van het axiale vezelstelsel. In dit verband is waargenomen dat met afnemend longvolume, de diameter van de alveolaire ingangsringen kleiner wordt (Mercer et al. 1987). De alveolaire wanden worden echter gevormd door inter-alveolaire septa die vooral bestaan uit een alveolair capillair netwerk, diverse celtypes en een minimum aan stabiliserende bindweefselelementen. Het axiale systeem van bindweefselvezels, geconcentreerd bij de alveolaire ingangsringen, is verbonden met het perifere systeem dat afkomstig is van het borstvlies door alveolaire wandseptale vezels die zich bevinden tussen de basale laminae van het alveolaire epitheel en het endotheel, overeenkomend met de dikke zijde van de lucht-bloedbarrière. Deze vezels aan de dikke zijde vormen de ruggengraat van de inter-alveolaire septa en brengen de uitzettende krachten over die in geval van homogene spanningsverdeling in de long worden opgewekt door de drukgradiënten tussen acinair luchtruim en pleuraholte (Mead et al. 1970) (Fig. 4). In dit verband is aangetoond dat de volumedichtheid van collageen en elastische vezels binnen de septa toeneemt naar de vrije rand van de septa toe, die de “wand” van het alveolaire kanaal vormt (Mercer en Crapo 1990; Toshima et al. 2004). Elastische vezels hebben een lineaire spanning-rek relatie over een breed bereik van vervorming waardoor een verdubbeling van hun basislengte (= 200% rek) mogelijk is, zodat deze vezels bijdragen tot elastische terugslag en stabilisatie van het longparenchym bij lagere longvolumes, waaronder ook het bereik van normale ademhaling, gewoonlijk gedefinieerd als het volumespectrum tussen 40 en 80% van de totale longcapaciteit (TLC) (Suki et al. 2011; Yuan et al. 2000). Collageenvezels daarentegen hebben een min of meer gekruld verloop bij lage longvolumes. Collageenvezels worden bijgevolg recht bij grotere longvolumes en worden dan gekenmerkt door een sterk niet-lineaire spanning-rekrelatie en een hoge stijfheid (Suki et al. 2005).

Tot de stabiliserende componenten van de inter-alveolaire septa en, bijgevolg, van de alveolaire luchtruimten behoort ook de alveolaire epitheliale basale lamina die verondersteld wordt ook stressdragend te worden bij grotere longvolumes (Maina en West 2006). Een toename van het volume van de alveoli kan resulteren in een rek van de alveolaire epitheelcellen die via cel-matrix adhesies aan de basale lamina zijn vastgehecht (Tschumperlin en Margulies 1999). Dit is een belangrijk verschil met de alveolaire ductus die geen grens heeft met een cohesieve epitheliale bekleding. Elektronenmicroscopische evaluaties van de basale lamina aan de dunne zijde van de lucht-bloed barrière van inter-alveolaire septa toonden echter vouwen aan, zelfs bij grotere longvolumes (b.v. boven 80% van de TLC), hetgeen erop wijst dat tenminste in sommige gebieden de basale lamina (en de bekledingscellen) niet geheel uitgerekt zijn (Bachofen et al. 1987). In de gezonde long maken deze zeer economisch georganiseerde stabiliserende systemen van bindweefselelementen het mogelijk de volumes tijdens de ademhaling met minimale inspanning te veranderen zonder de cruciale gasuitwisselingsfunctie van het parenchym te hinderen (Weibel et al. 1991; Weibel et al. 1992). Bovendien is het waarschijnlijk dat vervorming van weefselcomponenten optreedt zonder veel rek van het alveolaire epitheel in een intacte long tijdens normale ademhalingscyclus, aangezien de steiger spanningsdragend is terwijl de oppervlaktespanning in aanwezigheid van een intact surfactant systeem bij lage longvolumes wordt verlaagd.

De basale lamina en de andere componenten van de extracellulaire matrix vormen de steiger waaraan de cellulaire componenten waaronder alveolaire epitheelcellen, interstitiële cellen en endotheelcellen worden gefixeerd via cel-matrix contacten zoals focale adhesies. Hoewel cellen vervormende krachten kunnen uitoefenen op de omliggende extracellulaire matrix, is aangetoond dat de mechanische eigenschappen van de long slechts geringe veranderingen ondergaan tijdens de decellularisatie van de longsteiger (Nonaka et al. 2014). In deze context is geschat dat de cellulaire componenten van de inter-alveolaire septa weinig bijdragen aan de totale mechanische eigenschappen van de long, zoals elastische terugslag en stijfheid (Oeckler en Hubmayr 2008). Bovendien kunnen rek en spanning op de extracellulaire matrix worden overgedragen op de spanningdragende elementen van de cellen via cel-matrix en cel-cel contacten, zoals de plasmamembraan en het cytoskelet, een mechanisme dat het meest relevant lijkt te zijn bij grotere longvolumes. Deze krachten resulteren in celvervorming en worden geschat op 5000 Pa bij een focale adhesie. In dit verband rapporteerden Tschumperlin en Margulies een toename van het oppervlak van de epitheliale basale lamina met 35% bij vergelijking van longvolumes die overeenkomen met 42% en 100% van de TLC (Tschumperlin en Margulies 1999). Daarom zouden bij grotere longvolumes het cytoskelet en de plasmamembraan van alveolaire epitheel- en endotheelcellen ook stressdragend kunnen worden door hun verbinding met de basale lamina (Cong et al. 2017). Vandaar dat deze cellagen gevoelig worden voor stressfalen, bijvoorbeeld bij schadelijke beademing met verhoogde ademhalingsvolumes, waarvan is aangetoond dat ze leiden tot ultrastructurele tekenen van letsel van endotheel- en epitheelcellen, zoals verstoring van de cellulaire plasmamembraan, blebbing en denudatie van de basale lamina (Costello et al. 1992; Fu et al. 1992; Dreyfuss en Saumon 1998). Volgens deze studies bleken de alveolaire epitheelcellen van type II minder kwetsbaar te zijn bij verhoogde belasting (Dreyfuss en Saumon 1998). Toch zijn er verschillende mechanismen waargenomen die cellen in staat stellen een verhoogde belasting te weerstaan zonder te falen. Verhoogde rek op cellulair niveau kan ook optreden onder fysiologische omstandigheden, bv. bij diepe inademing, tijdens lichaamsbeweging of zuchten. Plooien van het plasmamembraan ontvouwen zich om zich aan te passen aan zijwaartse spanningskrachten. Maar zelfs als er breuken in het plasmamembraan ontstaan, kunnen de cellen deze defecten herstellen zonder celdood te ondergaan. Plasmamembraanbreuken met een diameter van minder dan 1 µm kunnen worden gerepareerd door thermodynamische laterale stroming van plasmamembraanvormende lipide bilayers op een Ca2+ onafhankelijke manier (Vlahakis et al. 2002; Cong et al. 2017). Bovendien is aangetoond dat het uitrekken van cellen de zogenaamde deformatie-geïnduceerde lipidentrafficking activeert, die de overdracht van endogene lipideblaasjes naar de overeenkomstige breuk omvat, maar ook endocytose van een verstoord plasmamembraan en de vorming van een membraanflard (Cong et al. 2017).

Surface tension and alveolar micromechanics

Het pulmonale surfactantsysteem draagt ook bij aan de pulmonale mechanica en stabiliseert alveoli, met name bij lagere longvolumes (Bachofen en Schürch 2001). Hoge oppervlaktespanning op het grensvlak tussen lucht en vloeistof heeft belangrijke gevolgen voor de alveolaire microarchitectuur en leidt tot een vermindering van het alveolaire oppervlak doordat de luchtkamers instorten. Dit wordt tegengegaan door de intra-alveolaire oppervlakte-actieve stof door vermindering van de oppervlaktespanning bij eindexpiratie. De oppervlakte-actieve surfactantlaag op het grensvlak tussen lucht en vloeistof voorkomt niet alleen end-expiratoire alveolaire ineenstorting en oedeemvorming (Possmayer et al. 2001) maar ook interfaciale stress. Interfaciale stress in de context van hoge oppervlaktespanning is gebaseerd op vloeistoffen die tijdens de ademhaling op het oppervlak van het epitheel schommelen en bijvoorbeeld type II alveolaire epitheelcellen vervormen via schuifkrachten. Vandaar dat interfaciale stress alleen al kan leiden tot grote disfunctie van type II alveolaire epitheelcellen, zoals geïllustreerd in in vitro testsystemen (Hobi et al. 2012; Ravasio et al. 2011).

In een gezonde long worden macro- en micromechanische eigenschappen gedomineerd door oppervlaktespanning op het grensvlak tussen alveolaire lucht en vloeistof bij lage longvolumes, terwijl bij grotere longvolumes extracellulaire matrixcomponenten spanningsdragend worden en de longstructuur en -mechanica bepalen (Bachofen et al. 1987; Wilson en Bachofen 1982; Bachofen en Schürch 2001). Het axiale systeem van vezels rond de alveolaire ingangsringen vormt een cirkelvormig rooster dat het alveolaire kanaal omgeeft en de oppervlaktespanning op het grensvlak tussen alveolaire lucht en vloeistof in evenwicht houdt (Fig. 4). De spanningen als gevolg van de oppervlaktespanning in de alveoli werken zodanig dat de inter-alveolaire septa zich in de hoek van de alveolus zouden opstapelen zodat de alveolaire oppervlakte afneemt. Daarbij worden de elastische en collageenvezels die de alveolaire ducten omgeven en zich concentreren aan de randen van de septawanden, uitgerekt. Deze vezels balanceren dus de krachten die ontstaan door oppervlaktespanning op het grensvlak tussen alveolaire lucht en vloeistof. Het intra-alveolaire surfactant systeem, in overleg met het vezelnetwerk stabiliseert het alveolaire oppervlak beschikbaar voor gasuitwisseling, dat anders zou afnemen met toenemende oppervlaktespanning (Wilson en Bachofen 1982). Het vullen van de long met zoutoplossing heft het grensvlak tussen lucht en vloeistof op, en daarmee ook de oppervlaktespanning. Dit heeft verschillende effecten op de microarchitectuur zoals een relatief smalle diameter van de alveolaire kanalen, onregelmatige alveolaire textuur met uitpuilende capillairen en ontbrekende plooien van septa in de alveolaire hoeken (Gil et al. 1979). In de met lucht gevulde long met behouden oppervlaktespanning zijn de alveolaire wanden vlak en puilen de capillairen niet uit in het luchtruim, terwijl de alveolaire kanalen breder blijken te zijn. Vergeleken met met zout gevulde longen hebben met lucht gevulde longen dus een kleiner alveolair oppervlak, zoals gemeten met de stereologie op basis van het ontwerp, ten gevolge van het vervormingseffect van de oppervlaktespanning (Gil et al. 1979). Verhoogde oppervlaktespanning als gevolg van bijvoorbeeld beschadiging van surfactant-producerende type II alveolaire epitheelcellen gaat gepaard met een verdere toename van de alveolaire kanaaldiameter en verlies van alveolaire oppervlakte, structurele veranderingen die gemakkelijk verkeerd kunnen worden geïnterpreteerd als longemfyseem (Mouded et al. 2009). Deze waarnemingen wijzen erop dat de alveolaire oppervlakte een directe functie is van de oppervlaktespanning: hoe hoger de oppervlaktespanning hoe kleiner de alveolaire oppervlakte bij lage tot intermediaire longvolumes tot 80% van de TLC (Bachofen et al. 1979; Bachofen en Schürch 2001). De oppervlaktespanning op het grensvlak tussen lucht en vloeistof wordt door surfactant verlaagd tot bijna nul mN/m aan het einde van de uitademing, zodat de alveoli gestabiliseerd zijn en het axiale systeem van elastische vezels slechts in geringe mate wordt uitgerekt bij lagere longvolumes (Wilson en Bachofen 1982; Bachofen et al. 1987). Dit samenspel van oppervlakte krachten en het vezel systeem is van groot belang omdat het impliceert dat tijdens normale ademhaling, b.v. tussen 40 en 80% van TLC, de cellulaire componenten van de inter-alveolaire septa zoals het alveolaire epitheel beschermd zijn tegen potentieel schadelijke mechanische spanningen. Bij grotere longvolumes, b.v. boven 80% van de TLC, neemt de oppervlaktespanning toe, maar worden zowel elastische als collageenvezels en de epitheliale basale lamina uitgerekt, zodat zij nu de luchtruimten stabiliseren en vormen en mogelijk spanning en rek op de cellen kunnen overbrengen. Aangezien deze weefselcomponenten spanningsdragend worden en hun eigenschappen de mechanische eigenschappen bij grotere longvolumes bepalen, kan de oppervlaktespanning worden verwaarloosd (Wilson en Bachofen 1982; Maina en West 2006). In dit verband is aangetoond dat veroudering leidt tot vergroting van het luchtruim en vermindering van de elastische terugslag van de long. Deze waarnemingen zijn onlangs gesuggereerd verklaarbaar te zijn door een zuiver leeftijdsgerelateerde herverdeling van elastische en collageenvezels binnen de inter-alveolaire septa “weg van het alveolaire kanaal”, waarbij de relevantie van de ruimtelijke verdeling en oriëntatie van de vezelnetwerken wordt benadrukt (Subramaniam et al. 2017).

Mechanismen van alveolaire micromechanica

Zoals hierboven geschetst, suggereert het structurele ontwerp van de long dat inter-alveolaire septa beschermd zijn tegen overweldigende mechanische spanning en rek, althans tijdens getijdeventilatie onder gezonde omstandigheden (Bachofen en Schürch 2001). Dit aspect is van groot belang aangezien in vitro celkweekstudies hebben aangetoond dat alveolaire epitheelcellen gevoelig zijn voor door rek geïnduceerde celschade (Tschumperlin et al. 2000; Dolinay et al. 2017), een kwestie die ongetwijfeld van belang is in vivo in de context van ventilatie-geïnduceerde longschade (VILI) (Cong et al. 2017). Onze huidige kennis met betrekking tot alveolaire micromechanica en de mechanica van vervorming van alveoli inclusief hun wanden tijdens ventilatie is echter nog steeds zeer beperkt (Roan en Waters 2011). Dit is te wijten aan beperkingen in ruimtelijke en temporele resolutie van de beschikbare beeldvormingstechnieken die geen directe visualisatie van acinar micromechanica, gedefinieerd als architecturale en functionele veranderingen tijdens de ademhalingscyclus, mogelijk maken. Een zinvol onderzoek waarbij ook rekening wordt gehouden met de cellulaire rek in de inter-alveolaire septa zou een elektronenmicroscopische resolutie vereisen. Op basis van kwantitatieve beoordelingen van het alveolaire oppervlak of de alveolaire grootte in verschillende stadia van de druk-volume curve is geschat dat de vervorming en derhalve de rek van de alveolus in lineaire dimensies tijdens de ademhalingscyclus (gewoonlijk gedefinieerd tussen 40 en 80% van de TLC), in het bereik ligt van 4% (Tschumperlin en Margulies 1999; Mercer et al. 1987) tot 10% (Gil et al. 1979) en kan in principe zelfs oplopen tot 20% en meer (Gil et al. 1979; Mercer et al. 1987) wanneer de inspiratoire reserve uitgeput is, bijvoorbeeld tijdens diepe zuchten of lichamelijke inspanning (Fredberg en Kamm 2006). Fredberg en Kamm benadrukten de relevantie van deze schattingen van de alveolaire rek. Zij berekenden dat de alveolaire structuren tijdens hun leven tot 109 rekcycli moeten doorstaan in verband met de ademhaling en concludeerden verder: “Naar de maatstaven van gewone technische materialen zijn deze spanningen extreem en lijken ze te vragen om weefselstructuren die tamelijk substantieel zijn” (Fredberg en Kamm 2006).

Vanuit deze redenering rijst de vraag hoe inter-alveolaire septa omgaan met volumeverandering gerelateerde spanning. Met andere woorden, wat zijn de mechanismen waarmee alveoli, en vooral de inter-alveolaire septa zich aanpassen aan de ademhalingscyclus gerelateerde alveolaire en septale rek zonder de alveolaire epitheelcellen aan onnodige mechanische stress bloot te stellen. Elegante studies van meer dan 30 jaar geleden, waarbij gebruik werd gemaakt van quasi-statische condities en vasculaire perfusie fixatie van longweefsel bij gedefinieerde inspiratoire en expiratoire druk tijdens druk-volume (PV) loops, toonden aan dat verschillende mechanismen van septale wandvervorming een rol spelen en kunnen resulteren in individuele alveolaire volumeveranderingen tijdens inspiratie en expiratie. Gil en collega’s bespraken 4 mechanismen: (1) Rekrutering/ontrekrutering van alveolaire eenheden; (2) Isotrope uitrekking en destretching met ballonachtige veranderingen van alveolaire grootte; (3) Veranderingen in alveolaire vorm (b.v. van dodecaëdervormig naar sferisch en vice versa) die als gevolg van verschillende geometrie gekoppeld is aan veranderingen in alveolaire grootte; en (4) Vouwen en ontvouwen van alveolaire wanden en accordeonachtige vervorming die zou kunnen lijken op het vouwen en ontvouwen van een papieren zak (Gil et al. 1979). Deze potentiële mechanismen werden afgeleid uit ex vivo benaderingen van geïsoleerde en geperfundeerde longen en evalueerden het gedrag van de long in een reeks van drukken bij de luchtwegopening van bijna nul (0,1 cm H2O) tot maximaal 30 cm H2O (= 100% TLC) (Bachofen et al. 1987). Deze waarnemingen zijn daarom moeilijk te vergelijken met de in vivo situatie waarin het longvolume gewoonlijk niet onder het residuale volume daalt. In de eerste ademhalingscycli van een ontgaste long speelt rekrutering van volledige alveoli tijdens inspiratie een belangrijke rol en verklaart de verhoogde hysterese van de initiële quasi-statische PV-lussen (Bachofen et al. 1987; Bates en Irvin 2002; Carney et al. 1999). Modelmatige benaderingen met behulp van magnetische resonantie beeldvorming hebben bewijs geleverd dat alveolaire rekrutering tijdens inspiratie een rol zou kunnen spelen onder fysiologische omstandigheden bij gezonde mensen (Hajari et al. 2012). Deze modelvoorspellingen zijn echter in strijd met een aantal andere studies die gebruik maken van directe visualisatie van alveoli of kwantitatieve beoordelingen van de longstructuur door middel van design-based stereologie om de alveolaire micromechanica in gezonde longen te onderzoeken. Deze studies vonden geen bewijs voor intra-tidal rekrutering en derecrutering van complete alveoli in een gezonde long onder in vivo omstandigheden boven functioneel restvolume (Oldmixon en 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 een onderling verbonden netwerk van alveolaire wanden is voorspeld dat de alveoli zeer stabiel zijn met evenwichtige spanningen die inwerken op inter-alveolaire septa zolang de oppervlaktespanning wordt verminderd en geharmoniseerd tussen alveoli van verschillende grootte (Fung 1975; Mead et al. 1970).

Figuur 5 vat waarschijnlijke concepten samen van alveolaire micromechanica tijdens deflatie in gezonde longen op basis van morfometrische studies met gefixeerd longweefsel in verschillende stadia van quasi-statische PV-lussen (Gil et al. 1979; Bachofen et al. 1987; Oldmixon en Hoppin 1991; Tschumperlin en Margulies 1999; Knudsen et al. 2018). Benadrukt moet echter worden dat zowel de volumegeschiedenis van de long als de omstandigheden waaronder de longen werden bestudeerd, bv. in vivo vs. ex vivo, van groot belang zijn, zodat er tegenstrijdige resultaten zijn gepubliceerd. Bij tamelijk lage longvolumes (= afnemende luchtwegopeningsdrukken) is de vorming van plooien van inter-alveolaire septale wanden vrij frequent waargenomen, zodat ontvouwen en vouwen van alveolaire septale wanden (maar niet van volledige alveolaire eenheden) van belang lijkt te zijn voor de alveolaire micromechanica, vooral bij lage longvolumes. Dit is aangetoond door structurele evaluaties die zowel onder ex vivo (Tschumperlin en Margulies 1999) als in vivo omstandigheden zijn uitgevoerd (Knudsen et al. 2018). Er is inderdaad aangetoond dat de weefselelasticiteit tijdens mechanische beademing met een PEEP van 1 cm H2O significant verhoogd was in vergelijking met mechanische beademing met een PEEP van 5 cm H2O in gezonde rattenlongen. Met andere woorden, de long wordt stijver als de druk bij de luchtwegopening wordt verlaagd van 5 naar 1 cm H2O. Op basis van de vaststelling van structuur-functie relatie, deze toename van de stijfheid van de longen toonde een hoge correlatie met de afname van de gemiddelde alveolaire grootte die het meest waarschijnlijk kan worden toegeschreven aan het optreden van plooien van inter-alveolaire septa tijdens deflatie van 5 tot 1 cm H2O zoals waargenomen op het elektronenmicroscopisch niveau (Knudsen et al. 2018; Tschumperlin en Margulies 1999). Van de nota, het aantal open alveoli verschilde niet tussen longen gefixeerd in vivo (gesloten borstkas) bij luchtweg opening druk van 1 en 5 cm H2O op expiratie, zodat er geen bewijs was voor derecruitment van alveolaire eenheden. In plaats daarvan zou een afname van de oppervlakte en het alveolaire volume in verband kunnen worden gebracht met de vorming van plooien/plooiingen van inter-alveolaire septa. Andere onderzoekers, die een soortgelijke experimentele opstelling gebruikten (in vivo, gesloten borstkas), hebben echter de relevantie van dit mechanisme in een gezonde long in twijfel getrokken omdat plooien of verfrommeling van inter-alveolaire septa nauwelijks werden waargenomen tussen bereiken van luchtwegopeningsdruk van 3-16 cm H2O. De vorming van plooien beneden dit drukbereik kon echter niet worden uitgesloten (Oldmixon en Hoppin 1991). Bij intermediaire tot hogere longvolumes tot 100% van de TLC (gewoonlijk gedefinieerd als longvolume bij 30 cm H2O transpulmonaire druk), zijn vormveranderingen van alveolaire luchtruimten en uitrekking/destrekking van alveolaire wanden door verschillende onderzoekers gesignaleerd (Roan en Waters 2011). Gil en zijn medewerkers beschreven veranderingen in vorm van een polyhedrale naar een meer sferische configuratie onder ex vivo omstandigheden (Gil et al. 1979). Tschumperlin en Margulies hebben in een ex vivo experimentele opstelling de oppervlakte van de epitheliale basale lamina gemeten tijdens het deflatie-gedeelte van een PV-lus die afkomstig was van 25 cm H2O en hebben vrij stabiele waarden waargenomen in het bereik van ongeveer 80-40% van de TLC, terwijl er een aanzienlijke afname was in het bereik tussen 100 en 80% TLC. Uit deze gegevens suggereerden de auteurs dat rek van alveolaire epitheelcellen van groot belang is boven 80% van TLC terwijl onder 80% TLC vervormingen zonder veel verandering in het oppervlak van de basale lamina (en dus rek van alveolaire epitheelcellen) de micromechanica domineren, b.v. ontvouwen/plooien van septale wanden of veranderingen in vorm (Tschumperlin and Margulies 1999). De totale rek in twee dimensies van de basale lamina en dus van de aanhechtende epitheel- en endotheelcellen is geschat op 35% tussen 40 en 100% TLC, terwijl het bereik tussen 80 en 100% TLC 80% van deze totale rek bijdraagt (Tschumperlin en Margulies 1999). In deze context resulteerde 25% rek in twee dimensies van een monolaag van primaire alveolaire epitheelcellen, wat zou kunnen overeenkomen met een permanente ventilatie van de long tot longvolumes die tussen 80% en 100% TLC liggen, in cellulair letsel zoals endoplasmatisch reticulum stress en apoptose (Dolinay et al. 2017). Deze bevindingen illustreren dat het longvolume tijdens de beademing de TLC niet hoeft te overschrijden om het alveolaire epitheel onnodige, potentieel schadelijke belasting op te leggen.

Met behulp van ex vivo benaderingen vonden andere onderzoekers bewijs voor rekrutering en derecrutering in een bereik van luchtwegopeningsdrukken tussen 0 en 30 cm H2O (Gil en Weibel 1972; Bachofen et al. 1987) overeenkomend met de druk-volume relatie over het volledige bereik van TLC van een geïsoleerde long. Daarom verschilde de volumegeschiedenis tussen de ex vivo studies die alveolaire derecruitment waarnamen en die welke dat niet deden. Bij normale ademhaling en onder in vivo omstandigheden daalt het longvolume gewoonlijk niet beneden de functionele restcapaciteit en derhalve het inferieure infiltratiepunt van de PV-lus (Salazar en Knowles 1964; Venegas et al. 1998), een aspect dat sterk afwijkt van bovengenoemde ex vivo experimenten, zodat het optreden van alveolaire derecruitment aan het einde van de uitademing meer dan twijfelachtig is in het bereik van fysiologische ademhaling. Gebruik makend van in vivo microscopie en de niet-fysiologische situatie van ontgaste maar gezonde hondenlongen, observeerden Carney en medewerkers alveolaire rekrutering tot een longvolume dat overeenkomt met ongeveer 80% van de TLC terwijl de alveoli die open waren werden gekenmerkt door min of meer stabiele individuele volumes (Carney et al. 1999). Synchrotron refractie-verrijkte computertomografie voor directe visualisatie van longacini in situ leverde geen bewijs voor alveolaire rekrutering bij muizen tijdens inflatie onder quasi-statische omstandigheden en ondersteunde het concept van vormveranderingen en accordeon-achtige ontvouwing tijdens inspiratie (Sera et al. 2013).

Verschillende ex vivo en in vivo studies toonden ook aan dat in het bereik van fysiologische ademhaling (bijv. transpulmonaire drukgradiënten lager dan 10 cm H2O) volumeveranderingen voornamelijk plaatsvinden in alveolaire kanalen, terwijl een kleiner deel van de volumeverandering plaatsvindt in de alveoli (Sera et al. 2013; Mercer et al. 1987; Knudsen et al. 2010, 2018). Tijdens de spontane ademhaling is op basis van synchrotron röntgenbeeldvorming geschat dat 34% van het getijdevolume resulteert in een toename van het alveolaire volume, terwijl de resterende 66% tijdens de inspiratie terechtkomt in de ductale of geleidende luchtruimten (Chang et al. 2015). Deze bevindingen worden ruwweg bevestigd door in vivo microscopie waaruit blijkt dat de alveolaire afmetingen slechts weinig toenemen tijdens de ademhalingscyclus (Schiller et al. 2001). Volumeveranderingen in het alveolaire compartiment die verband houden met getijdeventilatie lijken dan ook betrekkelijk gering te zijn, zodat de variaties in lineaire afmetingen van alveoli zijn geschat op 3-4%. Bij grotere volumes echter, b.v. transpulmonale drukgradiënten > 10 cm H2O, suggereren morfometrische gegevens dat 50% van volumeveranderingen tijdens een PV-lus optreedt in alveolaire kanalen en alveoli elk (Mercer et al. 1987).