The micromechanics of lung alveoli: structure and function of surfactant and tissue components

Podczas cyklu oddechowego, dystalne przestrzenie powietrzne miąższu płuca podlegają ciągłym zmianom objętości. Te zmiany objętości narzucają deformację przestrzeni powietrznych kanalików i pęcherzyków płucnych, a przede wszystkim przegród międzypęcherzykowych. Takie deformacje można najlepiej opisać za pomocą pojęcia odkształcenia, które jest wielkością (np. długością, powierzchnią lub objętością) struktury po odkształceniu w stosunku do sytuacji wyjściowej (Vlahakis i Hubmayr 2005). W skali narządowej, odkształcenie nałożone na płuco jest odpowiednio obliczane przy użyciu objętości oddechowej, odpowiadającej deformacji płuca i funkcjonalnej objętości resztkowej, odpowiadającej sytuacji wyjściowej płuca. Podczas wentylacji mechanicznej objętość oddechowa jest podawana przez respirator, podczas gdy czynnościowa objętość resztkowa jest równa objętości płuca przy danym dodatnim ciśnieniu końcowo-wydechowym (PEEP). Naprężenie, z drugiej strony, jest definiowane jako siła na powierzchnię, tak więc naprężenie i ciśnienie mają tę samą jednostkę (Vlahakis i Hubmayr 2005). Na poziomie mikroskopowym, zmiany mikroarchitektury związane ze zmianą ciśnienia, a tym samym deformacje, zostały opisane w przestrzeniach powietrznych kanalików i pęcherzyków płucnych, jak również w przegrodach międzypęcherzykowych (Gil i wsp. 1979; Bachofen i wsp. 1987; Tschumperlin i Margulies 1999; Roan i Waters 2011). Na podstawie tych obserwacji fizjologicznie uzasadnione jest rozróżnienie przestrzeni powietrznych kanałowych od pęcherzykowych, ponieważ z anatomicznego punktu widzenia są one różnie obramowane, z częściowo odmiennymi elementami stabilizującymi, co skutkuje odmiennymi właściwościami mechanicznymi (Wilson i Bachofen 1982; Haefeli-Bleuer i Weibel 1988).

Macierz zewnątrzkomórkowa, komórki i mikromechanika przestrzeni powietrznych kanalików i pęcherzyków płucnych

Oszczędnie zaprojektowana sieć włóknista służy stabilizacji dystalnych przestrzeni powietrznych przenoszących i przekazujących naprężenia związane z ciśnieniem sprężystym odrzutu płuca (= ciśnienie trans-pęcherzykowe). To ostatnie definiowane jest jako różnica pomiędzy ciśnieniem w przestrzeniach powietrznych akwareli a powierzchnią opłucnej (Loring i wsp. 2016). In vivo ciśnienie na powierzchni opłucnej w porównaniu z ciśnieniem atmosferycznym, jest zazwyczaj ujemne i wynika głównie ze sprężystego odrzutu płuca, który ma swoje podłoże w sieci włókien sprężystych i napięciu powierzchniowym (Fredberg i Kamm 2006; Wilson i Bachofen 1982). System osiowy włókien elastycznych i kolagenowych pochodzi ze ścian przewodzących dróg oddechowych, wchodzi do centrów acini i przyczynia się do tworzenia pierścieni wejściowych do pęcherzyków płucnych, otaczając w ten sposób przewody pęcherzykowe. W związku z tym przewód pęcherzykowy jako taki nie posiada własnej ściany, lecz jest ograniczony przez pierścienie wejściowe pęcherzyków płucnych, które zawierają elementy osiowej sieci włókien tkanki łącznej. Innymi słowy, system włókien osiowych zwija przestrzenie powietrzne kanalików (ryc. 4). Dlatego zmiany objętości przewodów pęcherzykowych powodują przede wszystkim deformację pierścieni wlotowych pęcherzyków płucnych i rozciągnięcie osiowego układu włókien. W tym kontekście zaobserwowano, że wraz ze zmniejszaniem się objętości płuc zmniejsza się średnica pierścieni wejściowych pęcherzyków płucnych (Mercer i wsp. 1987). Ściany pęcherzyków płucnych tworzą natomiast przegrody międzypęcherzykowe, w skład których wchodzi przede wszystkim sieć kapilar pęcherzykowych, różnorodne typy komórek oraz minimalna ilość stabilizujących elementów łącznotkankowych. Osiowy układ włókien łącznotkankowych, skoncentrowany w pierścieniach wejściowych pęcherzyków płucnych, jest połączony z układem obwodowym pochodzącym z opłucnej włóknami ściany przegrody międzypęcherzykowej, które znajdują się pomiędzy podstawnymi blaszkami nabłonka pęcherzyków płucnych a śródbłonkiem, co odpowiada grubej stronie bariery powietrzno-krwionośnej. Włókna te po grubej stronie stanowią szkielet przegród międzypęcherzykowych i przenoszą siły rozciągające, które w przypadku jednorodnego rozkładu naprężeń w płucu są generowane przez gradienty ciśnień pomiędzy przestrzenią powietrzną wnęki a jamą opłucnej (Mead i wsp. 1970) (ryc. 4). W związku z tym wykazano, że gęstość objętościowa włókien kolagenowych i elastycznych w obrębie przegród wzrasta w kierunku wolnego brzegu przegrody, tworząc „ścianę” przewodu pęcherzykowego (Mercer i Crapo 1990; Toshima i wsp. 2004). Włókna elastyczne wykazują liniową zależność naprężenie-odkształcenie w szerokim zakresie odkształceń, co pozwala na podwojenie ich długości wyjściowej (= 200% odkształcenia), tak więc włókna te przyczyniają się do sprężystego odrzutu i stabilizacji miąższu płuc przy niższych objętościach płuc, w tym również w zakresie normalnego oddychania, zwykle definiowanego jako spektrum objętości pomiędzy 40 a 80% całkowitej pojemności płuc (TLC) (Suki i wsp. 2011; Yuan i wsp. 2000). Włókna kolagenowe, z drugiej strony, mają mniej lub bardziej kręty przebieg przy niskich objętościach płuc. W konsekwencji włókna kolagenowe stają się proste przy większych objętościach płuc i charakteryzują się wtedy wysoce nieliniową relacją naprężenie-odkształcenie oraz dużą sztywnością (Suki i wsp. 2005).

Składnikami stabilizującymi przegrody międzypęcherzykowe, a tym samym przestrzenie powietrzne pęcherzyków płucnych, są także blaszki podstawne nabłonka pęcherzyków płucnych, które przy większych objętościach płuc mają stawać się również nośnikami naprężeń (Maina i West 2006). Wzrost objętości pęcherzyków płucnych może prowadzić do rozciągnięcia komórek nabłonka pęcherzyków płucnych, które są przytwierdzone do blaszki podstawnej poprzez adhezje typu komórka-matryca (Tschumperlin i Margulies 1999). Stanowi to istotną różnicę w porównaniu z przewodem pęcherzykowym, który nie ma granicy ze spoistym nabłonkiem. Jednakże mikroskopowa ocena elektronowa blaszki podstawnej po cienkiej stronie bariery powietrze-krew w przegrodach międzypęcherzykowych wykazała pofałdowanie nawet przy większych objętościach płuc (np. powyżej 80% TLC), wskazując, że przynajmniej w niektórych obszarach blaszka podstawna (i komórki okrywające) nie są całkowicie rozciągnięte (Bachofen i wsp. 1987). W zdrowym płucu, te bardzo ekonomicznie zorganizowane systemy stabilizujące elementów tkanki łącznej opisane powyżej, pozwalają na zmianę objętości podczas oddychania przy minimalnym wysiłku i bez zakłócania kluczowej funkcji wymiany gazowej miąższu (Weibel i wsp. 1991; Weibel i wsp. 1992). Ponadto, jest prawdopodobne, że deformacja składników tkanki zachodzi bez dużego naprężenia nabłonka pęcherzyków płucnych w nienaruszonym płucu podczas normalnego oddychania oddechowego, ponieważ rusztowanie jest nośnikiem naprężeń, podczas gdy napięcie powierzchniowe w obecności nienaruszonego systemu surfaktantu jest zmniejszone przy małych objętościach płuc.

Płytka podstawna i inne składniki macierzy pozakomórkowej tworzą rusztowanie, do którego składniki komórkowe, w tym komórki nabłonka pęcherzyków płucnych, komórki śródmiąższowe i komórki śródbłonka są przymocowane przez kontakty komórka-matryca, takie jak zrosty ogniskowe. Chociaż komórki mogą wywierać siły deformujące na otaczającą je macierz zewnątrzkomórkową, wykazano, że właściwości mechaniczne płuc ulegają jedynie niewielkim zmianom w trakcie procesu decelularyzacji rusztowania płucnego (Nonaka i wsp. 2014). W tym kontekście oszacowano, że składniki komórkowe przegród międzypęcherzykowych w niewielkim stopniu przyczyniają się do ogólnych właściwości mechanicznych płuc, takich jak odrzut sprężysty i sztywność (Oeckler i Hubmayr 2008). Co więcej, odkształcenia i naprężenia działające na macierz zewnątrzkomórkową mogą być przenoszone na elementy przenoszące naprężenia w komórkach poprzez kontakty komórka-matryca i komórka-komórka, takie jak błona plazmatyczna i cytoszkielet, a mechanizm ten wydaje się być najbardziej istotny przy większych objętościach płuc. Siły te powodują deformację komórek i zostały oszacowane na 5000 Pa w miejscu zrostu ogniskowego. W związku z tym Tschumperlin i Margulies stwierdzili wzrost powierzchni blaszki podstawowej nabłonka o 35% porównując objętości płuc, które odpowiadały 42% i 100% TLC (Tschumperlin i Margulies 1999). Dlatego przy większych objętościach płuc cytoszkielet i błona plazmatyczna komórek nabłonka pęcherzyków płucnych i śródbłonka mogą również stać się nośnikami naprężeń ze względu na ich połączenie z blaszką podstawną (Cong i wsp. 2017). Stąd te warstwy komórkowe stają się podatne na niewydolność naprężeniową, np. podczas szkodliwej wentylacji ze zwiększoną objętością oddechową, która, jak wykazano, skutkuje ultrastrukturalnymi oznakami uszkodzenia komórek śródbłonka i nabłonka, takimi jak przerwanie ciągłości błony plazmatycznej komórek, pękanie i denudacja blaszki podstawnej (Costello i wsp. 1992; Fu i wsp. 1992; Dreyfuss i Saumon 1998). Warto zauważyć, że według tych badań komórki nabłonka pęcherzyków płucnych typu II wydają się być mniej podatne na uszkodzenia przy zwiększonym obciążeniu (Dreyfuss i Saumon 1998). Niemniej jednak, zaobserwowano różne mechanizmy pozwalające komórkom oprzeć się zwiększonym naprężeniom bez ich uszkodzenia. Zwiększone naprężenie na poziomie komórkowym może również występować w warunkach fizjologicznych, np. przy głębokich wdechach, podczas ćwiczeń fizycznych lub westchnień. Fałdy błony plazmatycznej rozwijają się, aby dostosować się do sił napięcia bocznego. Ale nawet jeśli w błonie plazmatycznej powstają pęknięcia, komórki mogą naprawić te defekty, nie ulegając przy tym śmierci. Pęknięcia błony plazmatycznej o średnicy mniejszej niż 1 µm mogą być naprawione przez termodynamiczny przepływ boczny błony plazmatycznej tworzącej dwuwarstwy lipidowe w sposób niezależny od Ca2+ (Vlahakis i wsp. 2002; Cong i wsp. 2017). Ponadto wykazano, że rozciąganie komórek aktywuje tzw. trafficking lipidów indukowany deformacją, który obejmuje przenoszenie endogennych pęcherzyków lipidowych do odpowiedniego przerwania, ale także endocytozę uszkodzonej błony plazmatycznej i tworzenie łaty błonowej (Cong i in. 2017).

Napięcie powierzchniowe i mikromechanika pęcherzyków płucnych

Płucny układ surfaktantu również przyczynia się do mechaniki płuc i stabilizuje pęcherzyki płucne, w szczególności przy niższych objętościach płuc (Bachofen i Schürch 2001). Wysokie napięcie powierzchniowe na granicy powietrze-ciecz ma istotny wpływ na mikroarchitekturę pęcherzyków płucnych i prowadzi do zmniejszenia powierzchni pęcherzyków płucnych, powodując zapadanie się przestrzeni powietrznych. Przeciwdziała temu wewnątrzpęcherzykowy środek powierzchniowo czynny poprzez zmniejszenie napięcia powierzchniowego pod koniec wydechu. Powierzchniowo czynna warstwa surfaktantu na granicy powietrze-ciecz nie tylko zapobiega końcowo-wydechowemu zapadaniu się pęcherzyków płucnych i tworzeniu się obrzęków (Possmayer et al. 2001), ale także naprężeniom międzyfazowym. Stres międzyfazowy w kontekście wysokiego napięcia powierzchniowego jest oparty na płynach, które oscylują na powierzchni nabłonka podczas oddychania i deformują np. komórki nabłonka pęcherzyków płucnych typu II poprzez siły ścinające. W związku z tym, sam stres międzyfazowy może powodować poważne dysfunkcje komórek nabłonka pęcherzyków płucnych typu II, jak pokazano w systemach testowych in vitro (Hobi et al. 2012; Ravasio et al. 2011).

W zdrowym płucu właściwości makro- i mikromechaniczne są zdominowane przez napięcie powierzchniowe na granicy powietrze-ciecz w pęcherzykach płucnych przy małych objętościach płuc, podczas gdy przy większych objętościach płuc składniki macierzy zewnątrzkomórkowej stają się nośnikami naprężeń i definiują strukturę i mechanikę płuc (Bachofen i wsp. 1987; Wilson i Bachofen 1982; Bachofen i Schürch 2001). Osiowy układ włókien otaczających pierścienie wejściowe do pęcherzyków płucnych tworzy kolistą sieć, która otacza przewód pęcherzykowy i równoważy napięcie powierzchniowe na granicy powietrze-płyn w pęcherzyku płucnym (ryc. 4). Naprężenia wynikające z napięcia powierzchniowego w pęcherzykach działają w ten sposób, że przegrody międzypęcherzykowe odkładają się w rogu pęcherzyka, przez co zmniejsza się powierzchnia pęcherzyka. Włókna elastyczne i kolagenowe, które otaczają kanaliki pęcherzyków płucnych i koncentrują się na brzegach przegród, ulegają rozciągnięciu. Włókna te równoważą więc siły generowane przez napięcie powierzchniowe na granicy powietrze-ciecz w pęcherzykach płucnych. Wewnątrzpęcherzykowy system surfaktantu, w połączeniu z siecią włókien, stabilizuje powierzchnię pęcherzyków płucnych dostępną dla wymiany gazowej, która w przeciwnym razie zmniejszałaby się wraz ze wzrostem napięcia powierzchniowego (Wilson i Bachofen 1982). Wypełnienie płuca solą fizjologiczną znosi interfejs powietrze-ciecz, a tym samym napięcie powierzchniowe. Ma to kilka efektów na mikroarchitekturę, takich jak stosunkowo wąska średnica przewodów pęcherzykowych, nieregularna struktura pęcherzyków płucnych z wybrzuszonymi kapilarami i brakującymi płatami przegród w rogach pęcherzyków (Gil et al. 1979). W płucach wypełnionych powietrzem z zachowanym napięciem powierzchniowym ściany pęcherzyków są płaskie, a naczynia włosowate nie wybrzuszają się w przestrzeń powietrzną, podczas gdy kanały pęcherzykowe wydają się być szersze. Stąd, w porównaniu z płucami wypełnionymi solą fizjologiczną, płuca wypełnione powietrzem mają zmniejszoną powierzchnię pęcherzyków płucnych, mierzoną za pomocą stereologii projektowej, z powodu formującego efektu napięcia powierzchniowego (Gil et al. 1979). Zwiększone napięcie powierzchniowe, wynikające np. z uszkodzenia komórek nabłonka pęcherzyków płucnych typu II wytwarzających surfaktant, wiąże się z dalszym zwiększeniem średnicy przewodu pęcherzykowego i utratą powierzchni pęcherzyków płucnych, zmianami strukturalnymi, które mogą być łatwo mylnie interpretowane jako rozedma płucna (Mouded i wsp. 2009). Obserwacje te wskazują, że powierzchnia pęcherzyków płucnych jest bezpośrednią funkcją napięcia powierzchniowego: im wyższe napięcie powierzchniowe, tym mniejsza powierzchnia pęcherzyków płucnych przy niskich i średnich objętościach płuc do 80% TLC (Bachofen i wsp. 1979; Bachofen i Schürch 2001). Napięcie powierzchniowe na granicy powietrze-ciecz jest zredukowane przez surfaktant do prawie zera mN/m pod koniec wydechu, tak że pęcherzyki płucne są ustabilizowane, a osiowy system włókien elastycznych jest tylko nieznacznie rozciągnięty przy niższych objętościach płuc (Wilson i Bachofen 1982; Bachofen et al. 1987). To wzajemne oddziaływanie sił powierzchniowych i systemu włókien ma duże znaczenie, ponieważ oznacza, że podczas normalnego oddychania, np. w zakresie od 40 do 80% TLC, elementy komórkowe przegród międzypęcherzykowych, takie jak nabłonek pęcherzykowy, są chronione przed potencjalnie szkodliwymi obciążeniami mechanicznymi. Przy większych objętościach płuc, np. powyżej 80% TLC, napięcie powierzchniowe wzrasta, ale włókna elastyczne i kolagenowe oraz blaszka podstawna nabłonka ulegają rozciągnięciu, tak że teraz stabilizują i kształtują przestrzenie powietrzne i mogą potencjalnie przenosić naprężenia i odkształcenia na komórki. Ponieważ te elementy tkanki stają się nośnikami naprężeń, a ich właściwości określają charakterystykę mechaniczną w większych objętościach płuc, napięcie powierzchniowe może być zaniedbane (Wilson i Bachofen 1982; Maina i West 2006). W tym kontekście wykazano, że starzenie się powoduje powiększenie przestrzeni powietrznej i zmniejszenie sprężystego odrzutu płuca. Obserwacje te zostały ostatnio zasugerowane jako możliwe do wyjaśnienia przez czystą, związaną z wiekiem redystrybucję włókien elastycznych i kolagenowych w obrębie przegród międzypęcherzykowych „z dala od przewodu pęcherzykowego”, podkreślając znaczenie przestrzennego rozmieszczenia i orientacji sieci włókien (Subramaniam i in. 2017).

Mechanizmy mikromechaniki pęcherzyków płucnych

Jak przedstawiono powyżej, budowa strukturalna płuca sugeruje, że przegrody międzypęcherzykowe są chronione przed przytłaczającym naprężeniem mechanicznym i odkształceniem, przynajmniej podczas wentylacji oddechowej w zdrowych warunkach (Bachofen i Schürch 2001). Ten aspekt ma duże znaczenie, ponieważ badania hodowli komórkowych in vitro zilustrowały, że komórki nabłonka pęcherzyków płucnych są podatne na uszkodzenia komórek indukowane odkształceniem (Tschumperlin i wsp. 2000; Dolinay i wsp. 2017), co niewątpliwie ma znaczenie in vivo w kontekście wentylacyjnego uszkodzenia płuc (VILI) (Cong i wsp. 2017). Jednak nasza obecna wiedza dotycząca mikromechaniki pęcherzyków płucnych oraz mechaniki deformacji pęcherzyków wraz z ich ścianami podczas wentylacji jest wciąż bardzo ograniczona (Roan i Waters 2011). Wynika to z ograniczeń w rozdzielczości przestrzennej i czasowej dostępnych technik obrazowania, które nie pozwalają na bezpośrednią wizualizację mikromechaniki pęcherzyków płucnych, definiowanej jako zmiany architektoniczne i funkcjonalne podczas cyklu oddechowego. Istotne badania uwzględniające naprężenia komórkowe w przegrodach międzypęcherzykowych wymagałyby mikroskopu elektronowego. Na podstawie ilościowej oceny powierzchni pęcherzyków płucnych lub wielkości pęcherzyków płucnych na różnych etapach krzywej ciśnienie-objętość oszacowano, że odkształcenie, a tym samym naprężenie pęcherzyka płucnego w wymiarze liniowym podczas oddychania oddechowego (zwykle definiowanego między 40 a 80% TLC), mieści się w zakresie od 4% (Tschumperlin i Margulies 1999; Mercer i in. 1987) do 10% (Gil et al. 1979) i w zasadzie może wzrosnąć nawet do 20% i więcej (Gil et al. 1979; Mercer et al. 1987) w przypadku wyczerpania rezerwy wdechowej, np. podczas głębokich westchnień lub wysiłku fizycznego (Fredberg i Kamm 2006). Fredberg i Kamm podkreślają istotność tych szacunków obciążenia pęcherzyków płucnych. Obliczyli, że w ciągu całego życia struktury pęcherzyków płucnych muszą radzić sobie z odkształceniem pęcherzyków płucnych związanym z oddychaniem nawet przez 109 cykli odkształcenia i dalej stwierdzili: „Według standardów powszechnie stosowanych materiałów inżynierskich, te naprężenia są ekstremalne i wydawałoby się, że wymagają struktur tkankowych, które są raczej znaczne” (Fredberg i Kamm 2006).

Z tego rozumowania wynika pytanie, jak przegrody międzypęcherzykowe radzą sobie z naprężeniami związanymi ze zmianą objętości. Innymi słowy, jakie są mechanizmy, dzięki którym pęcherzyki płucne, a przede wszystkim przegrody międzypęcherzykowe, przystosowują się do związanego z cyklem oddechowym obciążenia pęcherzyków płucnych i przegrody, nie narażając komórek nabłonka pęcherzyków płucnych na nadmierny stres mechaniczny. Eleganckie badania sprzed ponad 30 lat, wykorzystujące warunki quasi-statyczne i perfuzję naczyniową tkanki płucnej przy określonych ciśnieniach wdechowych i wydechowych podczas pętli ciśnieniowo-objętościowych (PV) wykazały, że zaangażowane są różne mechanizmy deformacji ściany przegrody, które mogą powodować indywidualne zmiany objętości pęcherzyków płucnych podczas wdechu i wydechu. Gil i współpracownicy omówili 4 mechanizmy: (1) Rekrutację/deekrutację jednostek pęcherzykowych; (2) Izotropowe rozciąganie i rozciągnięcie z balonowatymi zmianami wielkości pęcherzyków; (3) Zmiany kształtu pęcherzyków (np. z dodekaedrycznego na kulisty i odwrotnie), co ze względu na inną geometrię wiąże się ze zmianami wielkości pęcherzyków; oraz (4) Składanie i rozkładanie ścian pęcherzyków i akordeonowe odkształcenie, które może przypominać składanie i rozkładanie papierowej torby (Gil i wsp. 1979). Te potencjalne mechanizmy pochodziły z badań ex vivo izolowanych i perfundowanych płuc i oceniały zachowanie płuc w zakresie ciśnień w otworze dróg oddechowych od prawie zera (0,1 cm H2O) do 30 cm H2O (= 100% TLC) (Bachofen i wsp. 1987). Obserwacje te są więc trudne do porównania z sytuacją in vivo, w której objętość płuc zwykle nie spada poniżej objętości rezydualnej. W pierwszych cyklach oddechowych odgazowanego płuca, rekrutacja kompletnych pęcherzyków płucnych podczas wdechu odgrywa ważną rolę i wyjaśnia zwiększoną histerezę początkowych quasi-statycznych pętli PV (Bachofen i wsp. 1987; Bates i Irvin 2002; Carney i wsp. 1999). Modelowe podejście wykorzystujące obrazowanie rezonansu magnetycznego dostarczyło dowodów, że rekrutacja pęcherzyków płucnych podczas wdechu może być zaangażowana w warunkach fizjologicznych u zdrowych ludzi (Hajari i wsp. 2012). Jednak te modelowe przewidywania są sprzeczne z wieloma innymi badaniami wykorzystującymi bezpośrednią wizualizację pęcherzyków płucnych lub ilościową ocenę struktury płuc za pomocą stereologii projektowej do badania mikromechaniki pęcherzyków płucnych w zdrowych płucach. Badania te nie znalazły żadnych dowodów na śródpłucną rekrutację i derekrutację kompletnych pęcherzyków płucnych w zdrowym płucu w warunkach in vivo powyżej funkcjonalnej objętości resztkowej (Oldmixon i 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). Przewidywano, że w połączonej sieci ścian pęcherzyków płucnych pęcherzyki są bardzo stabilne ze zrównoważonymi naprężeniami działającymi na przegrody międzypęcherzykowe tak długo, jak napięcie powierzchniowe jest zmniejszone i zharmonizowane między pęcherzykami o różnych rozmiarach (Fung 1975; Mead i wsp. 1970).

Rycina 5 podsumowuje prawdopodobne koncepcje mikromechaniki pęcherzyków płucnych podczas deflacji w zdrowych płucach oparte na badaniach morfometrycznych z wykorzystaniem utrwalonej tkanki płucnej na różnych etapach quasi-statycznych pętli PV (Gil i wsp. 1979; Bachofen i wsp. 1987; Oldmixon i Hoppin 1991; Tschumperlin i Margulies 1999; Knudsen i wsp. 2018). Należy jednak podkreślić, że duże znaczenie ma historia objętości płuc, jak również warunki, w jakich badano płuca, np. in vivo vs. ex vivo, przez co publikowane są sprzeczne wyniki. Przy raczej niskich objętościach płuc (= zmniejszające się ciśnienie otwarcia dróg oddechowych) zaobserwowano dość częste tworzenie się fałdów w ścianach przegród międzypęcherzykowych, tak więc rozkładanie i składanie ścian przegród międzypęcherzykowych (ale nie całych pęcherzyków płucnych) wydaje się mieć znaczenie dla mikromechaniki pęcherzyków płucnych, przede wszystkim przy niskich objętościach płuc. Zostało to wykazane przez oceny strukturalne wykonane zarówno w warunkach ex vivo (Tschumperlin i Margulies 1999), jak i in vivo (Knudsen i wsp. 2018). Istotnie, wykazano, że elastancja tkankowa podczas wentylacji mechanicznej z PEEP wynoszącym 1 cm H2O była istotnie zwiększona w porównaniu z wentylacją mechaniczną z PEEP wynoszącym 5 cm H2O w zdrowych płucach szczurów. Innymi słowy, płuco staje się sztywniejsze, gdy ciśnienie w otworze dróg oddechowych jest zmniejszone z 5 do 1 cm H2O. W oparciu o ustalenie zależności struktura-funkcja, ten wzrost sztywności płuc wykazał wysoką korelację ze zmniejszeniem średniego rozmiaru pęcherzyków płucnych, co można najprawdopodobniej przypisać występowaniu pofałdowania przegród międzypęcherzykowych podczas deflacji z 5 do 1 cm H2O, jak zaobserwowano na poziomie mikroskopu elektronowego (Knudsen i wsp. 2018; Tschumperlin i Margulies 1999). Co ważne, liczba otwartych pęcherzyków płucnych nie różniła się między płucami utrwalonymi in vivo (zamknięta klatka piersiowa) przy ciśnieniach otwarcia dróg oddechowych 1 i 5 cm H2O na wydechu, tak że nie było dowodów na derekrutację jednostek pęcherzykowych. Zmniejszenie powierzchni i objętości pęcherzyków płucnych może być natomiast związane z tworzeniem się fałdów i zagięć w przegrodach międzypęcherzykowych. Jednak inni badacze, stosujący podobny układ doświadczalny (in vivo, zamknięta klatka piersiowa), zakwestionowali znaczenie tego mechanizmu w zdrowym płucu, ponieważ fałdowanie lub zgniatanie przegród międzypęcherzykowych prawie nie było widoczne w zakresie ciśnienia otwarcia dróg oddechowych 3-16 cm H2O. Nie można jednak wykluczyć tworzenia się fałdów poniżej tego zakresu ciśnienia (Oldmixon i Hoppin 1991). W pośrednich i wyższych objętościach płuc, sięgających nawet 100% TLC (zwykle definiowanej jako objętość płuc przy ciśnieniu transpulmonarnym 30 cm H2O), zmiany kształtu przestrzeni powietrznych pęcherzyków płucnych oraz rozciąganie/rozciąganie ścian pęcherzyków płucnych są wskazywane przez wielu badaczy (Roan i Waters 2011). Gil i współpracownicy opisali zmiany kształtu z konfiguracji wielościanowej do bardziej kulistej w warunkach ex vivo (Gil i wsp. 1979). Tschumperlin i Margulies, w warunkach doświadczalnych ex vivo, zmierzyli powierzchnię blaszki podstawowej nabłonka podczas deflacji pętli PV pochodzącej z 25 cm H2O i zaobserwowali dość stabilne wartości w zakresie około 80-40% TLC, podczas gdy w zakresie od 100 do 80% TLC nastąpił znaczny spadek. Na podstawie tych danych autorzy zasugerowali, że rozciąganie komórek nabłonka pęcherzyków płucnych ma duże znaczenie powyżej 80% TLC, podczas gdy poniżej 80% TLC, deformacje bez większych zmian w powierzchni blaszki podstawowej (a zatem rozciąganie komórek nabłonka pęcherzyków płucnych) dominują w mikromechanice, np. rozkładanie/składanie ścian przegrody lub zmiany kształtu (Tschumperlin i Margulies 1999). Całkowite odkształcenie w dwóch wymiarach blaszki podstawowej, a tym samym przylegających komórek nabłonka i śródbłonka, zostało oszacowane na 35% pomiędzy 40 a 100% TLC, podczas gdy zakres pomiędzy 80 a 100% TLC przyczynił się do 80% tego całkowitego odkształcenia (Tschumperlin i Margulies 1999). W tym kontekście, 25% odkształcenie w dwóch wymiarach monowarstwy pierwotnych komórek nabłonka pęcherzyków płucnych, które może odpowiadać stałej wentylacji płuca do objętości płuc, które są pomiędzy 80% a 100% TLC, spowodowało uszkodzenie komórek, takie jak stres retikulum endoplazmatycznego i apoptoza (Dolinay et al. 2017). Odkrycia te ilustrują, że objętość płuc podczas wentylacji nie musi przekraczać TLC, aby nałożyć nadmierne, potencjalnie szkodliwe obciążenie na nabłonek pęcherzyków płucnych.

Używając podejścia ex vivo, inni badacze znaleźli dowody na rekrutację i derekrutację w zakresie ciśnień otwarcia dróg oddechowych pomiędzy 0 a 30 cm H2O (Gil i Weibel 1972; Bachofen et al. 1987) odpowiadające relacji ciśnienie-objętość w pełnym zakresie TLC izolowanego płuca. Dlatego też historia objętości różniła się między tymi badaniami ex vivo, w których obserwowano derekrutację pęcherzyków płucnych, a tymi, które tego nie robiły. Podczas normalnego oddychania i w warunkach in vivo, objętość płuc zwykle nie spada poniżej funkcjonalnej pojemności resztkowej, a zatem poniżej dolnego punktu napełniania pętli PV (Salazar i Knowles 1964; Venegas et al. 1998), aspekt, który znacznie różni się od eksperymentów ex vivo wspomnianych powyżej, tak że występowanie derekrutacji pęcherzyków płucnych na końcu wydechu jest więcej niż wątpliwe w zakresie fizjologicznego oddychania. Używając mikroskopii in vivo i niefizjologicznej sytuacji odgazowanych, ale zdrowych płuc psa, Carney i współpracownicy zaobserwowali rekrutację pęcherzyków płucnych aż do objętości płuc odpowiadającej około 80% TLC, podczas gdy te pęcherzyki, które były otwarte, charakteryzowały się mniej lub bardziej stabilną objętością indywidualną (Carney et al. 1999). Synchrotronowa tomografia komputerowa ze wzmocnioną refrakcją do bezpośredniej wizualizacji akinii płucnych in situ nie dostarczyła żadnych dowodów na rekrutację pęcherzyków płucnych u myszy podczas inflacji w warunkach quasi-statycznych i poparła koncepcję zmian kształtu i akordeonowego rozwijania się podczas wdechu (Sera i wsp. 2013).

Kilka badań ex vivo i in vivo wykazało również, że w zakresie fizjologicznego oddychania (np. gradienty ciśnienia transpulmonarnego poniżej 10 cm H2O) zmiany objętości zachodzą głównie w przewodach pęcherzykowych, podczas gdy mniejsza część zmian objętości zachodzi w pęcherzykach płucnych (Sera i wsp. 2013; Mercer i wsp. 1987; Knudsen i wsp. 2010, 2018). Podczas spontanicznego oddychania oszacowano na podstawie synchrotronowego obrazowania rentgenowskiego, że 34% objętości oddechowej skutkuje zwiększeniem objętości pęcherzyków płucnych, podczas gdy pozostałe 66% kończy się w kanałowych lub przewodzących przestrzeniach powietrznych podczas wdechu (Chang i wsp. 2015). Wyniki te są z grubsza potwierdzone przez mikroskopię in vivo pokazującą, że wielkość pęcherzyków płucnych zwiększa się tylko nieznacznie podczas wentylacji oddechowej (Schiller et al. 2001). Dlatego też zmiany objętości pęcherzyków płucnych związane z wentylacją oddechową wydają się być stosunkowo niewielkie, tak że zmiany wymiarów liniowych pęcherzyków płucnych szacuje się na 3-4%. Jednak przy większych objętościach, np. gradientach ciśnienia transpulmonarnego > 10 cm H2O, dane morfometryczne sugerują, że 50% zmian objętości podczas pętli PV zachodzi w przewodach pęcherzykowych i pęcherzykach płucnych każdy (Mercer i wsp. 1987).