A micromecânica dos alvéolos pulmonares: estrutura e função do surfactante e componentes dos tecidos

Durante o ciclo respiratório, os espaços aéreos distais do parênquima pulmonar são continuamente sujeitos a alterações de volume. Estas alterações de volume impõem deformações nos espaços aéreos ductais e alveolares e, mais importante, nos septos interalveolares. Tais deformações podem ser melhor descritas com o termo deformação que é o tamanho (por exemplo, comprimento, superfície ou volume) de uma estrutura após a deformação em relação à situação de base (Vlahakis e Hubmayr 2005). Na escala do órgão, a deformação imposta ao pulmão é calculada de acordo com o volume corrente, correspondente à deformação pulmonar, e o volume residual funcional, correspondente à situação basal do pulmão. Durante a ventilação mecânica, o volume corrente é dado pelo ventilador enquanto o volume residual funcional é igual ao volume do pulmão a uma determinada pressão positiva expiratória final (PEEP). O stress, por outro lado, é definido como a força por área para que o stress e a pressão tenham a mesma unidade (Vlahakis e Hubmayr 2005). A nível microscópico, as alterações da microarquitectura relacionadas com a mudança de pressão e, portanto, a deformação têm sido descritas nos espaços aéreos ductais e alveolares, bem como nos septos interalveolares (Gil et al. 1979; Bachofen et al. 1987; Tschumperlin e Margulies 1999; Roan e Waters 2011). Com base nestas observações, faz sentido fisiologicamente distinguir os espaços aéreos ductais dos alveolares, uma vez que, do ponto de vista anatómico, eles são diferentemente delimitados por elementos estabilizadores parcialmente diferentes que resultam em diferentes propriedades mecânicas (Wilson e Bachofen 1982; Haefeli-Bleuer e Weibel 1988).

Matriz extracelular, células e micromecânica dos espaços aéreos ductais e alveolares

Uma rede de fibras economicamente concebida serve para a estabilização dos espaços aéreos distais suportando e transmitindo as tensões relacionadas com a pressão de recuo elástico do pulmão (= pressão trans-alveolar). Esta última é definida como a diferença entre a pressão nos espaços aéreos acinares e a superfície pleural (Loring et al. 2016). In vivo, a pressão na superfície pleural comparada à pressão atmosférica, é geralmente negativa e se baseia principalmente no recuo elástico do pulmão que tem sua base na rede de fibras elásticas e na tensão superficial (Fredberg e Kamm 2006; Wilson e Bachofen 1982). O sistema axial de fibras elásticas e colágenas tem origem nas paredes das vias aéreas condutoras, entra nos centros dos acini e contribui para a formação de anéis de entrada alveolares, circundando assim os ductos alveolares. Assim, o ducto alveolar enquanto tal não tem uma parede própria, mas é limitado pelos anéis de entrada dos alvéolos que incluem os elementos da rede axial de fibras de tecido conjuntivo. Em outras palavras, o sistema de fibras axiais enrola os espaços aéreos ductais (Fig. 4). Portanto, as mudanças de volume dos dutos alveolares resultam principalmente numa deformação dos anéis de entrada alveolares e no estiramento do sistema de fibras axiais. Neste contexto, tem sido observado que com a diminuição do volume pulmonar, o diâmetro dos anéis de entrada alveolares torna-se menor (Mercer et al. 1987). As paredes alveolares, entretanto, são formadas por septos interalveolares que incluem acima de tudo uma rede capilar alveolar, diversos tipos de células e um mínimo de elementos estabilizadores do tecido conjuntivo. O sistema axial das fibras do tecido conjuntivo, concentrado nos anéis de entrada alveolar, está ligado ao sistema periférico originário da pleura pelas fibras da parede septal alveolar que se encontram entre as laminas basais do epitélio alveolar e endotélio, correspondendo ao lado grosso da barreira ar-sangue. Essas fibras no lado grosso representam a espinha dorsal do septo interalveolar e transmitem as forças distendentes que, em caso de distribuição homogênea das tensões dentro do pulmão, são geradas pelos gradientes de pressão entre o espaço aéreo acinar e a cavidade pleural (Mead et al. 1970) (Fig. 4). A este respeito, foi demonstrado que as densidades de volume das fibras colágenas e elásticas dentro dos septos aumentam em direção à borda livre dos septos que formam a “parede” do ducto alveolar (Mercer e Crapo 1990; Toshima et al. 2004). As fibras elásticas têm uma relação linear tensão-deformação em uma ampla faixa de deformação, permitindo uma duplicação de seu comprimento de base (= 200% de deformação) de modo que essas fibras contribuam para o recuo elástico e estabilização do parênquima pulmonar em volumes pulmonares inferiores, incluindo também a faixa de respiração normal, geralmente definida como o espectro de volume entre 40 e 80% da capacidade pulmonar total (TLC) (Suki et al. 2011; Yuan et al. 2000). As fibras de colágeno, por outro lado, têm uma corrida mais ou menos encaracolada em baixos volumes pulmonares. Como consequência, as fibras de colágeno tornam-se retas em volumes pulmonares maiores e são então caracterizadas por uma relação tensão-deformação altamente não-linear e alta rigidez (Suki et al. 2005).

>
Fig. 4
figure4

Os elementos que suportam tensão dos espaços aéreos de acinar. Em um estudo anterior (Knudsen et al. 2018), pulmões saudáveis de ratos foram fixados in vivo à pressão de abertura das vias aéreas (Pao) de 1 (a) e 10 cm H2O (b). A baixa pressão, os canais alveolares são estreitos e as paredes do septo interalveolar são caracterizadas por dobras e pregas. As paredes septal sobressaem no ducto alveolar e são ligadas ao ducto através da entrada alveolar. Ao traçar uma linha reta entre as bordas das paredes septal, os espaços aéreos alveolares e ductais foram separados um do outro (linhas finas tracejadas). A rede axial de fibras elásticas e colágenas é concentrada nas bordas dos septos alveolares e enrola o ducto alveolar. Aqui, este sistema é ilustrado como molas que atravessam o ducto alveolar (molas vermelhas). No Pao baixo (ou volume pulmonar), as fibras elásticas são apenas ligeiramente esticadas (a, b). As fibras exercem forças de tração sobre as bordas alveolares/anéis de entrada na direção do lúmen ductal (setas vermelhas em a, c) e neutralizam as forças de tensão superficial (setas verdes em a, c) que puxariam a parede septal para longe da conduta e resultariam num empilhamento e finalmente num colapso dos espaços aéreos. Em Pao = 10 cm H2O a conduta alveolar é alargada, o sistema de fibra axial é esticado (molas vermelhas em c e d). As forças responsáveis pela insuflação do pulmão estão relacionadas com o gradiente de pressão entre o espaço pleural (PPl) e o espaço alveolar (Palv). As forças externas (FO) são transmitidas ao sistema de fibras nas paredes septal e correspondem aqui às forças internas (Fi). A representação é baseada em modelos de Wilson e Bachofen (1982) e Mead et al. (1970). Barra de escala 100 µm

Os componentes estabilizadores dos septos interalveolares e, portanto, dos espaços aéreos alveolares também incluem a lâmina basal epitelial alveolar que supostamente se tornará também portadora de tensões em volumes pulmonares maiores (Maina e West 2006). Um aumento no volume dos alvéolos pode resultar num estiramento das células epiteliais alveolares que são fixadas à lâmina basal através de adesões de matriz celular (Tschumperlin e Margulies 1999). Isto representa uma diferença importante em relação ao ducto alveolar que carece de um limite com um revestimento epitelial coeso. Contudo, as avaliações microscópicas electrónicas da lâmina basal no lado fino da barreira ar-sangue dos septos interalveolares demonstraram dobramento mesmo em volumes pulmonares maiores (por exemplo, acima de 80% da TLC), indicando que pelo menos em algumas áreas a lâmina basal (e as células de cobertura) não estão totalmente esticadas (Bachofen et al. 1987). No pulmão saudável, estes sistemas de estabilização dos elementos do tecido conjuntivo, muito organizados economicamente, acima descritos, permitem que os volumes se alterem durante a respiração com um esforço mínimo e sem interferir na função crucial de troca de gases do parênquima (Weibel et al. 1991; Weibel et al. 1992). Além disso, é provável que a deformação dos componentes teciduais ocorra sem muita tensão do epitélio alveolar em um pulmão intacto durante a respiração normal, uma vez que o andaime suporta tensão enquanto a tensão superficial na presença de um sistema surfactante intacto é reduzida em baixos volumes pulmonares.

A lâmina basal e os outros componentes da matriz extracelular formam o andaime ao qual os componentes celulares, incluindo as células epiteliais alveolares, células intersticiais e células endoteliais, são fixados através de contactos células-matriz, tais como adesões focais. Embora as células possam executar forças deformadoras na matriz extracelular circundante, foi demonstrado que as propriedades mecânicas dos pulmões possuem apenas pequenas alterações durante o curso da descelularização do andaime pulmonar (Nonaka et al. 2014). Neste contexto, foi estimado que os componentes celulares dos septos interalveolares contribuem pouco para as propriedades mecânicas gerais dos pulmões, tais como recuo elástico e rigidez (Oeckler e Hubmayr 2008). Além disso, a tensão e a tensão que actuam na matriz extracelular podem ser transmitidas aos elementos que suportam a tensão das células através da matriz celular e dos contactos celulares, tais como a membrana plasmática e o citoesqueleto, um mecanismo que parece ser mais relevante em volumes pulmonares maiores. Estas forças resultam em deformação celular e foram estimadas em 5000 Pa a uma adesão focal. A este respeito, Tschumperlin e Margulies reportaram um aumento na área de superfície da lâmina basal epitelial em 35% comparando volumes pulmonares que corresponderam a 42% e 100% de TLC (Tschumperlin e Margulies 1999). Portanto, em volumes pulmonares maiores, o citoesqueleto e a membrana plasmática das células epiteliais alveolares e endoteliais também podem tornar-se portadores de estresse devido à sua ligação com a lâmina basal (Cong et al. 2017). Assim, essas camadas celulares tornam-se suscetíveis a falhas de estresse, por exemplo, em caso de ventilação injuriosa com aumento dos volumes correntes, o que tem mostrado resultar em sinais ultraestruturais de lesão das células endoteliais e epiteliais, como ruptura da membrana plasmática celular, bolhas e denudação da lâmina basal (Costello et al. 1992; Fu et al. 1992; Dreyfuss e Saumon 1998). De acordo com estes estudos, as células epiteliais alveolares do tipo II parecem ser menos danificadas com o aumento da tensão (Dreyfuss e Saumon 1998). No entanto, foram observados diferentes mecanismos que permitem às células resistir ao aumento da estirpe sem falhas. O aumento da estirpe a nível celular também pode ocorrer sob condições fisiológicas, por exemplo, em inspirações profundas, durante exercícios físicos ou suspiros. Placas da membrana plasmática se desdobram para se acomodar às forças de tensão lateral. Mas mesmo que surjam rupturas na membrana plasmática, as células podem reparar estes defeitos sem sofrer a morte celular. Quebras na membrana plasmática com diâmetro inferior a 1 µm podem ser reparadas por fluxo lateral termodinâmico da membrana plasmática formando camadas lipídicas de forma independente de Ca2+ (Vlahakis et al. 2002; Cong et al. 2017). Além disso, foi demonstrado que o alongamento das células activa o chamado tráfico lipídico induzido pela deformação, que inclui a transferência de vesículas lipídicas endógenas para a quebra correspondente, mas também a endocitose de uma membrana plasmática perturbada e a formação de uma mancha de membrana (Cong et al. 2017).

Tensão superficial e micromecânica alveolar

O sistema surfactante pulmonar também contribui para a mecânica pulmonar e estabiliza os alvéolos, em particular nos volumes pulmonares inferiores (Bachofen e Schürch 2001). A alta tensão superficial na interface ar-líquido tem efeitos importantes na micro-arquitetura alveolar e leva a uma redução na área da superfície alveolar, causando a colapsabilidade dos espaços aéreos. Isto é neutralizado pelo surfactante intra-alveolar através da redução da tensão superficial na expiração final. A camada surfactante de superfície ativa na interface ar-líquido não só previne o colapso e a formação de edema alveolar expiratório final (Possmayer et al. 2001), mas também o estresse interfacial. A tensão interfacial no contexto de alta tensão superficial é baseada em fluidos que oscilam na superfície do epitélio durante a respiração e deformam, por exemplo, células epiteliais alveolares tipo II através de forças de cisalhamento. Assim, o estresse interfacial sozinho pode resultar em grandes disfunções das células epiteliais alveolares tipo II, como ilustrado em sistemas de teste in vitro (Hobi et al. 2012; Ravasio et al. 2011).

Em um pulmão saudável as propriedades macro e micromecânicas são dominadas pela tensão superficial na interface ar-líquido alveolar em baixos volumes pulmonares, enquanto em volumes pulmonares maiores os componentes da matriz extracelular tornam-se portadores de tensão e definem a estrutura e mecânica pulmonar (Bachofen et al. 1987; Wilson e Bachofen 1982; Bachofen e Schürch 2001). O sistema axial de fibras que envolve os anéis de entrada alveolares forma uma malha circular que envolve o ducto alveolar e equilibra a tensão superficial na interface ar-líquido alveolar (Fig. 4). As tensões resultantes da tensão superficial nos alvéolos agem de forma que os septos interalveolares se amontoem no canto do alvéolo de modo que a área da superfície alveolar diminua. Assim, as fibras elásticas e colágenas que envolvem os canais alveolares e se concentram nas bordas das paredes septal são estiradas. Assim, estas fibras equilibram as forças geradas pela tensão superficial na interface ar-líquido alveolar. O sistema surfactante intra-alveolar, em conjunto com a rede de fibras, estabiliza a área de superfície alveolar disponível para a troca gasosa, que de outra forma diminuiria com o aumento da tensão superficial (Wilson e Bachofen 1982). O enchimento do pulmão com soro abafa a interface ar-líquido e, portanto, a tensão superficial. Isto tem vários efeitos sobre a microarquitectura, tais como um diâmetro relativamente estreito dos ductos alveolares, textura alveolar irregular com capilares salientes e ausência de pregas de septos nos cantos alveolares (Gil et al. 1979). No pulmão cheio de ar com tensão superficial preservada, as paredes alveolares são planas e os capilares não se enroscam no espaço aéreo, enquanto as condutas alveolares parecem ser mais largas. Assim, em comparação com os pulmões cheios de sal, os pulmões cheios de ar reduziram as áreas de superfície alveolar, medidas pela estereologia baseada no desenho, devido ao efeito de moldagem da tensão superficial (Gil et al. 1979). O aumento da tensão superficial resultante, por exemplo, da lesão de células epiteliais alveolares tipo II produtoras de surfactantes está ligado a um aumento adicional do diâmetro do ducto alveolar e à perda de área de superfície alveolar, alterações estruturais que podem ser facilmente mal interpretadas como enfisema pulmonar (Mouded et al. 2009). Estas observações indicam que a área da superfície alveolar é uma função direta da tensão superficial: quanto maior a tensão superficial, menor a área da superfície alveolar em volumes pulmonares baixos a intermediários até 80% da TLC (Bachofen et al. 1979; Bachofen e Schürch 2001). A tensão superficial na interface ar-líquido é reduzida pelo surfactante a quase zero mN/m no final da expiração para que os alvéolos sejam estabilizados e o sistema axial de fibras elásticas seja apenas ligeiramente esticado em volumes pulmonares mais baixos (Wilson e Bachofen 1982; Bachofen et al. 1987). Esta interação das forças superficiais e do sistema de fibras é de grande importância, pois implica que durante a respiração normal, por exemplo, variando de 40 a 80% da TLC, os componentes celulares do septo interalveolar como o epitélio alveolar são protegidos de tensões mecânicas potencialmente prejudiciais. Em volumes pulmonares maiores, por exemplo, acima de 80% da TLC, a tensão superficial aumenta, mas as fibras elásticas, bem como as fibras de colágeno e a lâmina basal epitelial são esticadas de modo que agora estabilizam e moldam os espaços aéreos e podem potencialmente transmitir tensão e tensão às células. Uma vez que esses componentes teciduais se tornam portadores de tensão e suas propriedades definem características mecânicas em volumes pulmonares maiores, a tensão superficial pode ser negligenciada (Wilson e Bachofen 1982; Maina e West 2006). Neste contexto, o envelhecimento tem mostrado resultar em aumento do espaço aéreo e redução do recuo elástico do pulmão. Estas observações têm sido recentemente sugeridas para serem explicadas por uma redistribuição pura das fibras elásticas e colágenas dentro dos septos interalveolares “longe do ducto alveolar”, enfatizando a relevância da distribuição espacial e orientação das redes de fibras (Subramaniam et al. 2017).

Mecanismos da micromecânica alveolar

Como descrito acima, o desenho estrutural do septo interalveolar sugere que os septos interalveolares são protegidos de esmagadora tensão mecânica e tensão, pelo menos durante a ventilação das marés em condições saudáveis (Bachofen e Schürch 2001). Este aspecto é de grande importância uma vez que estudos in vitro de cultura celular têm ilustrado que as células epiteliais alveolares são susceptíveis a lesões celulares induzidas por esforço (Tschumperlin et al. 2000; Dolinay et al. 2017), uma questão que é sem dúvida relevante in vivo no contexto da lesão pulmonar induzida pela ventilação (VILI) (Cong et al. 2017). No entanto, o nosso conhecimento actual sobre a micromecânica alveolar e a mecânica de deformação dos alvéolos, incluindo as suas paredes durante a ventilação, é ainda muito limitado (Roan e Waters 2011). Isto deve-se a limitações na resolução espacial e temporal das técnicas de imagem disponíveis que não permitem a visualização directa da micromecânica acinar, definida como alterações arquitectónicas e funcionais durante o ciclo respiratório. De fato, uma investigação significativa levando em conta a tensão celular nos septos interalveolares também exigiria resolução microscópica eletrônica. Com base em avaliações quantitativas da área de superfície alveolar ou do tamanho alveolar em diferentes estágios da curva pressão-volume, foi estimado que a deformação e, portanto, a deformação do alvéolo em dimensões lineares durante a respiração tidal (geralmente definida entre 40 a 80% da TLC), está na faixa de 4% (Tschumperlin e Margulies 1999; Mercer et al. 1987) a 10% (Gil et al. 1979) e pode em princípio aumentar até 20% e mais (Gil et al. 1979; Mercer et al. 1987) caso a reserva inspiratória se esgote, por exemplo, durante suspiros profundos ou exercício físico (Fredberg e Kamm 2006). Fredberg e Kamm enfatizaram a relevância destas estimativas da estirpe alveolar. Eles calcularam que durante a vida útil as estruturas alveolares devem lidar com a deformação alveolar relacionada à respiração por até 109 ciclos de deformação e concluíram mais adiante: “Pelos padrões de materiais de engenharia comuns, estas deformações são extremas e parecem exigir estruturas teciduais bastante substanciais” (Fredberg e Kamm 2006).

Deste raciocínio, surge a questão de como os septos inter-alveolares lidam com a deformação relacionada à mudança de volume. Em outras palavras, quais são os mecanismos pelos quais os alvéolos, e sobretudo os septos interalveolares, se adaptam à tensão alveolar e septal relacionada ao ciclo respiratório sem submeter as células epiteliais alveolares a tensões mecânicas indevidas. Estudos elegantes realizados há mais de 30 anos, utilizando condições quase-estáticas e fixação da perfusão vascular do tecido pulmonar a pressões inspiratórias e expiratórias definidas durante os ciclos pressão-volume (VP), revelaram que diferentes mecanismos de deformação da parede septal estão envolvidos e podem resultar em alterações individuais do volume alveolar durante a inspiração e expiração. Gil e colegas de trabalho discutiram 4 mecanismos: (1) Recrutamento/descrutamento de unidades alveolares; (2) Alongamento e desprendimento isotrópico com alterações no tamanho alveolar em forma de balão; (3) Alterações na forma alveolar (por exemplo, de dodecaédrico para esférico e vice-versa) que devido a diferentes geometrias estão ligadas a alterações no tamanho alveolar; e (4) Dobramento e desdobramento de paredes alveolares e deformação em forma de acordeão que podem assemelhar-se ao dobramento e desdobramento de uma bolsa de papel (Gil et al. 1979). Esses mecanismos potenciais foram derivados de abordagens ex vivo de pulmões isolados e perfurados e avaliaram o comportamento do pulmão em uma faixa de pressões na abertura da via aérea de quase zero (0,1 cm H2O) a até 30 cm H2O (= 100% TLC) (Bachofen et al. 1987). Estas observações são, portanto, difíceis de comparar com a situação in vivo em que o volume pulmonar geralmente não cai abaixo do volume residual. Nos primeiros ciclos respiratórios de um pulmão desgaseificado, o recrutamento de alvéolos completos durante a inspiração tem um papel importante e explica o aumento da histerese das alças fotovoltaicas quase-estáticas iniciais (Bachofen et al. 1987; Bates e Irvin 2002; Carney et al. 1999). Abordagens baseadas em modelos usando ressonância magnética têm fornecido evidências de que o recrutamento alveolar durante a inspiração pode estar envolvido sob condições fisiológicas em humanos saudáveis (Hajari et al. 2012). Entretanto, essas previsões de modelos estão em conflito com vários outros estudos que utilizam a visualização direta de alvéolos ou avaliações quantitativas da estrutura pulmonar por meio de estereologia baseada em desenho para investigar a micromecânica alveolar em pulmões saudáveis. Esses estudos não encontraram nenhuma evidência de recrutamento intra-marítimo e desrecrutamento de alvéolos completos em um pulmão saudável sob condições in vivo acima do volume residual funcional (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). Numa rede interligada de paredes alveolares, prevê-se que os alvéolos sejam muito estáveis, com tensões equilibradas actuando sobre septos interalveolares, desde que a tensão superficial seja reduzida e harmonizada entre alvéolos de diferentes tamanhos (Fung 1975; Mead et al. 1970).

Figure 5 resume conceitos prováveis de micromecânica alveolar durante a deflação em pulmões saudáveis com base em estudos morfométricos usando tecido pulmonar fixo em diferentes estágios de laços fotovoltaicos quase-estáticos (Gil et al. 1979; Bachofen et al. 1987; Oldmixon e Hoppin 1991; Tschumperlin e Margulies 1999; Knudsen et al. 2018). No entanto, deve ser enfatizado que a história do volume do pulmão, bem como as condições sob as quais os pulmões foram estudados, por exemplo, in vivo vs. ex vivo, são de alta relevância para que resultados conflitantes tenham sido publicados. Em volumes pulmonares bastante baixos (= pressões decrescentes de abertura das vias aéreas) a formação de pregas das paredes septal interalveolares tem sido observada com bastante frequência, de modo que o desdobramento e dobramento das paredes septal alveolares (mas não unidades alveolares completas) parece ser relevante para a micromecânica alveolar, sobretudo em baixos volumes pulmonares. Isto foi demonstrado por avaliações estruturais realizadas tanto sob condições ex vivo (Tschumperlin e Margulies 1999) como in vivo (Knudsen et al. 2018). De fato, foi demonstrado que a elastância tecidual durante a ventilação mecânica com PEEP de 1 cm H2O foi significativamente aumentada em comparação à ventilação mecânica com PEEP de 5 cm H2O em pulmões saudáveis de ratos. Em outras palavras, o pulmão fica mais rígido se a pressão na abertura da via aérea for reduzida de 5 para 1 cm H2O. Com base no estabelecimento da relação estrutura-função, este aumento da rigidez pulmonar demonstrou uma alta correlação com a diminuição do tamanho alveolar médio que provavelmente poderia ser atribuída à ocorrência de pregas de septos interalveolares durante a deflação de 5 a 1 cm H2O como observado ao nível microscópico eletrônico (Knudsen et al. 2018; Tschumperlin e Margulies 1999). De notar que o número de alvéolos abertos não diferiu entre os pulmões fixados in vivo (tórax fechado) a pressões de abertura das vias aéreas de 1 e 5 cm H2O na expiração, pelo que não houve evidência de desrecrutamento das unidades alveolares. Ao invés disso, um declínio na área de superfície e volume alveolar poderia estar ligado à formação de pregas/dobras de septos interalveolares. No entanto, outros investigadores que utilizam uma configuração experimental semelhante (in vivo, tórax fechado) questionaram a relevância deste mecanismo num pulmão saudável, uma vez que a dobra ou amassamento dos septos interalveolares dificilmente eram vistos entre as faixas de pressão de abertura das vias aéreas de 3-16 cm H2O. Entretanto, a formação de pregas abaixo dessa faixa de pressão não poderia ser descartada (Oldmixon e Hoppin 1991). Em volumes pulmonares intermediários a superiores, atingindo até 100% da TLC (geralmente definida como volume pulmonar a 30 cm H2O de pressão transpulmonar), mudanças de forma dos espaços aéreos alveolares e alongamento/desprendimento das paredes alveolares foram apontadas por vários investigadores (Roan e Waters 2011). Gil e colaboradores descreveram mudanças na forma de um poliédrico para uma configuração mais esférica em condições ex vivo (Gil et al. 1979). Tschumperlin e Margulies, em uma configuração experimental ex vivo, mediram a área da superfície da lâmina basal epitelial durante o membro de deflação de um laço PV vindo de 25 cm H2O e observaram valores bastante estáveis na faixa de aproximadamente 80-40% de TLC enquanto houve uma diminuição considerável na faixa de 100 a 80% de TLC. A partir desses dados, os autores sugeriram que o estiramento das células epiteliais alveolares é de alta relevância acima de 80% da TLC, enquanto abaixo de 80% da TLC, deformações sem grande alteração na área da superfície da lâmina basal (e, portanto, o estiramento das células epiteliais alveolares) dominam a micromecânica, por exemplo, desdobramento/dobra das paredes setoriais ou alterações na forma (Tschumperlin e Margulies 1999). A estirpe global em duas dimensões da lâmina basal e, portanto, das células epiteliais e endoteliais aderentes foi estimada em 35% entre 40 e 100% TLC, enquanto a faixa entre 80 e 100% TLC contribuiu com 80% desta estirpe global (Tschumperlin e Margulies 1999). Neste contexto, 25% da estirpe em duas dimensões de uma monocamada de células epiteliais alveolares primárias que podem corresponder a uma ventilação permanente do pulmão para volumes pulmonares que estão entre 80% e 100% de TLC, resultou em lesão celular como estresse reticulum endoplasmático e apoptose (Dolinay et al. 2017). Estes achados ilustram que o volume pulmonar durante a ventilação não precisa exceder a CPT para impor uma tensão indevida e potencialmente prejudicial ao epitélio alveolar.

Fig. 5
figure5

Mecanismos da micromecânica alveolar durante o membro de deflação de uma curva pressão-volume. Quatro mecanismos foram sugeridos (Gil et al. 1979): (1) Desrecrutamento alveolar, (2) Desretching isotrópico (tipo balão), (3) Mudanças de forma e (4) Dobramento de paredes alveolares. In vivo, o volume pulmonar geralmente não cai abaixo do volume residual funcional que está acima do ponto de influxo inferior. A ocorrência de desrecrutamento alveolar é improvável nesta faixa de pressões, mas pode ser observada em volumes pulmonares muito baixos, por exemplo, com pressões negativas de abertura das vias aéreas. Os outros 3 mecanismos são prováveis de ocorrer ao longo da relação PV parcial acima do FRC, embora haja boa evidência de que a dobra domina em volumes mais baixos, enquanto que a destreção é mais proeminente em volumes maiores. As mudanças de forma têm sido descritas como sendo muito dominantes em volumes intermediários. Esta descrição é baseada nas observações de Gil et al. (1979), Bachofen et al. (1987), Tschumperlin e Margulies (1999) e Knudsen et al. (2018). As imagens microscópicas de luz foram retiradas de cortes histológicos de um estudo anterior (Knudsen et al. 2018). A descrição fornecida nesta imagem baseia-se em avaliações dos pulmões fixados a diferentes pressões durante o loop PV. Fenômenos isolados que ocorrem nas paredes septal como dobra, mudança de forma ou alongamento nunca foram observados exatamente no mesmo alvéolo diretamente. Usando abordagens ex vivo, outros investigadores encontraram evidências de recrutamento e desrecrutamento numa gama de pressões de abertura de vias aéreas entre 0 e 30 cm H2O (Gil e Weibel 1972; Bachofen et al. 1987) correspondendo à relação pressão-volume em toda a gama de TLC de um pulmão isolado. Assim, a história do volume diferiu entre os estudos ex vivo que observaram o desrecrutamento alveolar e os que não o fizeram. Durante a respiração normal e sob condições in vivo, o volume pulmonar geralmente não cai abaixo da capacidade residual funcional e, portanto, do ponto inferior de influxo da alça PV (Salazar e Knowles 1964; Venegas et al. 1998), um aspecto muito diferente dos experimentos ex vivo mencionados acima, de modo que a ocorrência de desrecrutamento alveolar no final da expiração é mais do que questionável na gama da respiração fisiológica. Usando a microscopia in vivo e a situação não fisiológica dos pulmões de cães desgaseificados mas saudáveis, Carney e colaboradores observaram o recrutamento alveolar até um volume pulmonar correspondente a aproximadamente 80% da CPT, enquanto aqueles alvéolos que estavam abertos eram caracterizados por volumes individuais mais ou menos estáveis (Carney et al. 1999). A tomografia computadorizada com refração sincronizada para visualização direta dos acinídeos pulmonares in situ não forneceu nenhuma evidência de recrutamento alveolar em camundongos durante a inflação sob condições quase estáticas e suportou o conceito de mudanças de forma e desdobramento tipo acordeão durante a inspiração (Sera et al. 2013).

Estudos EVERAIS ex vivo e in vivo também demonstraram que na faixa de respiração fisiológica (por exemplo, gradientes de pressão transpulmonar abaixo de 10 cm H2O) as mudanças de volume ocorrem predominantemente em ductos alveolares enquanto uma proporção menor de mudança de volume ocorre nos alvéolos (Sera et al. 2013; Mercer et al. 1987; Knudsen et al. 2010, 2018). Durante a respiração espontânea foi estimado a partir de imagens de raios X sincrotrônicos que 34% do volume corrente resulta em um aumento do volume alveolar enquanto os 66% restantes acabam no ductal ou nos espaços aéreos condutores durante a inspiração (Chang et al. 2015). Estes achados são mais ou menos confirmados pela microscopia in vivo mostrando que o tamanho alveolar aumenta pouco durante a ventilação por maré (Schiller et al. 2001). Assim, as alterações de volume relacionadas com a ventilação corrente no compartimento alveolar parecem ser comparativamente baixas, de modo que as variações nas dimensões lineares dos alvéolos foram estimadas em 3-4%. Em volumes maiores, contudo, por exemplo, gradientes de pressão transpulmonar > 10 cm H2O, os dados morfométricos sugerem que 50% das alterações de volume durante um laço PV ocorrem em ductos alveolares e alvéolos cada um (Mercer et al. 1987).