Micromecanica alveolelor pulmonare: structura și funcția surfactantului și a componentelor tisulare

În timpul ciclului respirator, spațiile aeriene distale ale parenchimului pulmonar sunt supuse în mod continuu la modificări de volum. Aceste modificări de volum impun deformări asupra spațiilor aeriene ductale și alveolare și, cel mai important, asupra septurilor interalveolare. Astfel de deformări pot fi descrise cel mai bine cu termenul de deformare, care reprezintă dimensiunea (de exemplu, lungimea, suprafața sau volumul) unei structuri după deformare în raport cu situația de bază (Vlahakis și Hubmayr 2005). La scara organului, deformația impusă plămânului este calculată în consecință folosind volumul curent, corespunzător deformării plămânului, și volumul rezidual funcțional, corespunzător situației de bază a plămânului. În timpul ventilației mecanice, volumul curent este dat de ventilator, în timp ce volumul rezidual funcțional este egal cu volumul plămânului la o anumită presiune pozitivă de expirație finală (PEEP). Tensiunea, pe de altă parte, este definită ca forță pe suprafață, astfel încât tensiunea și presiunea au aceeași unitate (Vlahakis și Hubmayr 2005). La nivel microscopic, au fost descrise modificări ale microarhitecturii legate de schimbarea presiunii și, prin urmare, deformări în spațiile aeriene ductale și alveolare, precum și în septurile interalveolare (Gil et al. 1979; Bachofen et al. 1987; Tschumperlin și Margulies 1999; Roan și Waters 2011). Pe baza acestor observații, are sens din punct de vedere fiziologic să se facă distincția între spațiile aeriene ductale și cele alveolare, deoarece, din punct de vedere anatomic, acestea sunt delimitate în mod diferit, cu elemente de stabilizare parțial diferite, ceea ce duce la proprietăți mecanice diferite (Wilson și Bachofen 1982; Haefeli-Bleuer și Weibel 1988).

Matrice extracelulară, celule și micromecanica spațiilor aeriene ductale și alveolare

O rețea de fibre de concepție economică servește la stabilizarea spațiilor aeriene distale care suportă și transmit tensiunile legate de presiunea elastică de recul a plămânului (= presiunea trans-alveolară). Aceasta din urmă este definită ca diferența dintre presiunea din spațiile aeriene acinare și suprafața pleurală (Loring et al. 2016). In vivo, presiunea la suprafața pleurală, în comparație cu presiunea atmosferică, este de obicei negativă și se bazează în principal pe reculul elastic al plămânului, care își are fundamentul în rețeaua de fibre elastice și în tensiunea superficială (Fredberg și Kamm 2006; Wilson și Bachofen 1982). Sistemul axial de fibre elastice și de colagen provine din pereții căilor respiratorii de conducere, intră în centrele acinilor și contribuie la formarea inelelor alveolare de intrare, înconjurând astfel canalele alveolare. Prin urmare, canalul alveolar ca atare nu are un perete propriu, ci este delimitat de inelele de intrare ale alveolelor, care includ elementele rețelei axiale de fibre de țesut conjunctiv. Cu alte cuvinte, sistemul de fibre axiale înfășoară spațiile aeriene ductale (Fig. 4). Prin urmare, modificările de volum ale canalelor alveolare au ca rezultat principal o deformare a inelelor de intrare ale alveolelor și o întindere a sistemului de fibre axiale. În acest context, s-a observat că, odată cu scăderea volumului pulmonar, diametrul inelelor de intrare alveolare devine mai mic (Mercer et al. 1987). Cu toate acestea, pereții alveolari sunt formați de septuri interalveolare care includ în primul rând o rețea capilară alveolară, diverse tipuri de celule și un minim de elemente de stabilizare a țesutului conjunctiv. Sistemul axial de fibre de țesut conjunctiv, concentrat la nivelul inelelor de intrare în alveole, este conectat cu sistemul periferic provenit din pleură prin fibrele peretelui septal alveolar, care sunt situate între lamelele bazale ale epiteliului și endoteliului alveolar, corespunzând laturii groase a barierei aer-sânge. Aceste fibre din partea groasă reprezintă coloana vertebrală a septurilor interalveolare și transmit forțele de distensie care, în cazul unei distribuții omogene a tensiunilor în interiorul plămânului, sunt generate de gradienții de presiune dintre spațiul aerian acinar și cavitatea pleurală (Mead et al. 1970) (fig. 4) (Fig. 4). În acest sens, s-a demonstrat că densitățile volumice ale fibrelor colagenice și elastice din interiorul septurilor cresc spre marginea liberă a septurilor, formând „peretele” canalului alveolar (Mercer și Crapo 1990; Toshima et al. 2004). Fibrele elastice au o relație liniară de tensiune-deformare pe o gamă largă de deformare care permite o dublare a lungimii sale de bază (= 200% de deformare), astfel încât aceste fibre contribuie la reculul elastic și la stabilizarea parenchimului pulmonar la volume pulmonare mai mici, incluzând, de asemenea, intervalul de respirație normală, definit de obicei ca fiind spectrul de volum între 40 și 80% din capacitatea pulmonară totală (TLC) (Suki et al. 2011; Yuan et al. 2000). Fibrele de colagen, pe de altă parte, au un traseu mai mult sau mai puțin încolăcit la volume pulmonare mici. În consecință, fibrele de colagen devin drepte la volume pulmonare mai mari și sunt atunci caracterizate de o relație foarte neliniară tensiune-deformație și de o rigiditate ridicată (Suki et al. 2005).

Componentele stabilizatoare ale septurilor interalveolare și, prin urmare, ale spațiilor aeriene alveolare includ, de asemenea, lamina bazală a epiteliului alveolar, care se presupune că devine, de asemenea, supusă la eforturi la volume pulmonare mai mari (Maina și West 2006). O creștere a volumului alveolelor poate duce la o întindere a celulelor epiteliale alveolare care sunt fixate pe lamina bazală prin intermediul aderențelor celule-matrice (Tschumperlin și Margulies 1999). Aceasta reprezintă o diferență importantă în comparație cu canalul alveolar, care nu are o limită cu o mucoasă epitelială coerentă. Cu toate acestea, evaluările la microscopul electronic ale laminei bazale de pe partea subțire a barierei aer-sânge a septurilor interalveolare au demonstrat o pliere chiar și la volume pulmonare mai mari (de exemplu, peste 80% din TLC), ceea ce indică faptul că, cel puțin în unele zone, lamina bazală (și celulele de acoperire) nu sunt întinse în întregime (Bachofen et al. 1987). În plămânul sănătos, aceste sisteme de stabilizare foarte economic organizate de elementele țesutului conjunctiv descrise mai sus, permit modificarea volumelor în timpul respirației cu un efort minim și fără a interfera cu funcția crucială de schimb de gaze a parenchimului (Weibel et al. 1991; Weibel et al. 1992). În plus, este probabil ca deformarea componentelor tisulare să aibă loc fără a solicita prea mult epiteliul alveolar într-un plămân intact în timpul respirației curente normale, deoarece eșafodajul suportă tensiuni, în timp ce tensiunea superficială în prezența unui sistem surfactant intact este redusă la volume pulmonare mici.

Lamina bazală și celelalte componente ale matricei extracelulare formează eșafodajul pe care sunt fixate componentele celulare, inclusiv celulele epiteliale alveolare, celulele interstițiale și celulele endoteliale, prin contacte celulă-matrice, cum ar fi aderențele focale. Deși celulele pot executa forțe de deformare asupra matricei extracelulare înconjurătoare, s-a demonstrat că proprietățile mecanice ale plămânilor dețin doar modificări minore pe parcursul decelularizării schelei pulmonare (Nonaka et al. 2014). În acest context, s-a estimat că componentele celulare ale septurilor interalveolare contribuie puțin la proprietățile mecanice pulmonare generale, cum ar fi reculul elastic și rigiditatea (Oeckler și Hubmayr 2008). Mai mult decât atât, tulpina și tensiunea care acționează asupra matricei extracelulare pot fi transmise la elementele celulelor care suportă tensiunea prin intermediul contactelor celulă-matrice și celulă-celulă, cum ar fi membrana plasmatică și citoscheletul, un mecanism care pare să fie cel mai relevant la volume pulmonare mai mari. Aceste forțe au ca rezultat deformarea celulară și au fost estimate la 5000 Pa la o adeziune focală. În acest sens, Tschumperlin și Margulies au raportat o creștere a suprafeței lamei bazale epiteliale cu 35% comparând volumele pulmonare care corespundeau la 42% și 100% din TLC (Tschumperlin și Margulies 1999). Prin urmare, la volume pulmonare mai mari, citoscheletul și membrana plasmatică a celulelor epiteliale și endoteliale alveolare ar putea deveni, de asemenea, purtătoare de stres datorită legăturii lor cu lamina bazală (Cong et al. 2017). Prin urmare, aceste straturi celulare devin susceptibile de a ceda la stres, de exemplu, în cazul ventilației vătămătoare cu volume tidale crescute, care s-a dovedit a avea ca rezultat semne ultrastructurale de leziune a celulelor endoteliale și epiteliale, cum ar fi întreruperea membranei plasmatice celulare, sângerarea și denudarea laminei bazale (Costello et al. 1992; Fu et al. 1992; Dreyfuss și Saumon 1998). De remarcat că, potrivit acestor studii, celulele epiteliale alveolare de tip II par să fie mai puțin deteriorate în cazul unei tensiuni crescute (Dreyfuss și Saumon 1998). Cu toate acestea, au fost observate diferite mecanisme care permit celulelor să reziste la o tensiune crescută fără a ceda. Tensiunea crescută la nivel celular ar putea apărea, de asemenea, în condiții fiziologice, de exemplu, în cazul inspirațiilor profunde, în timpul exercițiilor fizice sau al suspinetelor. Pliurile membranei plasmatice se desfășoară pentru a se adapta la forțele de tensiune laterală. Dar chiar dacă apar rupturi în membrana plasmatică, celulele pot repara aceste defecte fără a suferi moarte celulară. Rupturile membranei plasmatice cu un diametru mai mic de 1 µm pot fi reparate prin curgerea laterală termodinamică a membranei plasmatice care formează bistraturi lipidice într-un mod independent de Ca2+ (Vlahakis et al. 2002; Cong et al. 2017). Mai mult, s-a demonstrat că întinderea celulelor activează așa-numitul trafic de lipide indus de deformare, care include transferul veziculelor lipidice endogene către ruptura corespunzătoare, dar și endocitoza unei membrane plasmatice întrerupte și formarea unui petic de membrană (Cong et al. 2017).

Tensiunea superficială și micromecanica alveolară

Sistemul surfactant pulmonar contribuie, de asemenea, la mecanica pulmonară și stabilizează alveolele, în special la volume pulmonare mai mici (Bachofen și Schürch 2001). Tensiunea superficială ridicată la interfața aer-lichid are efecte importante asupra microarhitecturii alveolare și conduce la o reducere a suprafeței alveolare, determinând colapsabilitatea spațiilor aeriene. Acest lucru este contracarat de surfactantul intraalveolar prin reducerea tensiunii superficiale la sfârșitul expirației. Stratul de surfactant activ de suprafață de la interfața aer-lichid nu numai că previne colapsul alveolar la sfârșitul expirației și formarea edemului (Possmayer et al. 2001), ci și stresul interfacial. Stresul interfacial în contextul unei tensiuni superficiale ridicate se bazează pe fluidele care oscilează pe suprafața epiteliului în timpul respirației și care deformează, de exemplu, celulele epiteliale alveolare de tip II prin forțe de forfecare. Prin urmare, stresul interfacial singur poate duce la disfuncții majore ale celulelor epiteliale alveolare de tip II, așa cum este ilustrat în sistemele de testare in vitro (Hobi et al. 2012; Ravasio et al. 2011).

Într-un plămân sănătos, proprietățile macromecanice și micromecanice sunt dominate de tensiunea superficială la interfața alveolară aer-lichid la volume pulmonare mici, în timp ce la volume pulmonare mai mari, componentele matricei extracelulare devin purtătoare de stres și definesc structura și mecanica pulmonară (Bachofen et al. 1987; Wilson și Bachofen 1982; Bachofen și Schürch 2001). Sistemul axial de fibre care înconjoară inelele de intrare în alveole formează o rețea circulară care înconjoară canalul alveolar și echilibrează tensiunea superficială la interfața alveolară aer-lichid (Fig. 4). Tensiunile care rezultă din tensiunea superficială din alveole acționează în așa fel încât septurile interalveolare s-ar îngrămădi în colțul alveolei, astfel încât suprafața alveolară scade. Astfel, fibrele elastice și de colagen care înconjoară canalele alveolare și se concentrează la marginile pereților septali sunt întinse. Prin urmare, aceste fibre echilibrează forțele generate de tensiunea superficială la interfața alveolară aer-lichid. Sistemul de surfactant intra-alveolar, împreună cu rețeaua de fibre, stabilizează suprafața alveolară disponibilă pentru schimbul de gaze, care altfel ar scădea odată cu creșterea tensiunii superficiale (Wilson și Bachofen 1982). Umplerea plămânului cu soluție salină abrogă interfața aer-lichid și, prin urmare, tensiunea superficială. Acest lucru are mai multe efecte asupra microarhitecturii, cum ar fi un diametru relativ îngust al canalelor alveolare, o textură alveolară neregulată, cu capilare bombate și pliuri lipsă de septuri în colțurile alveolare (Gil et al. 1979). În plămânul plin de aer cu tensiune superficială păstrată, pereții alveolari sunt plane și capilarele nu se umflă în spațiul aerian, în timp ce canalele alveolare par a fi mai late. Prin urmare, în comparație cu plămânii umpluți cu soluție salină, plămânii umpluți cu aer au suprafețe alveolare reduse, măsurate prin stereologie bazată pe design, din cauza efectului de modelare al tensiunii superficiale (Gil et al. 1979). Tensiunea superficială crescută care rezultă, de exemplu, din lezarea celulelor epiteliale alveolare de tip II producătoare de surfactant este legată de o creștere suplimentară a diametrului canalului alveolar și de o pierdere a suprafeței alveolare, modificări structurale care ar putea fi ușor interpretate greșit ca emfizem pulmonar (Mouded et al. 2009). Aceste observații indică faptul că suprafața alveolară este o funcție directă a tensiunii superficiale: cu cât tensiunea superficială este mai mare, cu atât suprafața alveolară este mai mică la volume pulmonare mici și intermediare de până la 80 % din TLC (Bachofen et al. 1979; Bachofen și Schürch 2001). Tensiunea superficială la interfața aer-lichid este redusă de surfactant la aproape zero mN/m la sfârșitul expirației, astfel încât alveolele sunt stabilizate, iar sistemul axial de fibre elastice este doar ușor întins la volume pulmonare mai mici (Wilson și Bachofen 1982; Bachofen și colab. 1987). Această interacțiune a forțelor de suprafață și a sistemului de fibre este de mare importanță, deoarece implică faptul că, în timpul respirației normale, de exemplu, variind între 40 și 80% din TLC, componentele celulare ale septurilor interalveolare, cum ar fi epiteliul alveolar, sunt protejate de tensiuni mecanice potențial dăunătoare. La volume pulmonare mai mari, de exemplu, peste 80% din TLC, tensiunea superficială crește, dar fibrele elastice, precum și fibrele de colagen și lamina bazală epitelială sunt întinse, astfel încât acestea stabilizează și modelează acum spațiile aeriene și pot transmite potențial stresul și tensiunea către celule. Deoarece aceste componente tisulare devin purtătoare de stres și proprietățile lor definesc caracteristicile mecanice la volume pulmonare mai mari, tensiunea superficială poate fi neglijată (Wilson și Bachofen 1982; Maina și West 2006). În acest context, s-a demonstrat că îmbătrânirea duce la mărirea spațiului aerian și la reducerea reculului elastic al plămânului. Recent, s-a sugerat că aceste observații pot fi explicate printr-o redistribuire pur legată de vârstă a fibrelor elastice și de colagen în interiorul septurilor interalveolare „departe de canalul alveolar”, subliniind relevanța distribuției și orientării spațiale a rețelelor de fibre (Subramaniam et al. 2017).

Mecanismele micromecanicii alveolare

După cum s-a subliniat mai sus, designul structural al plămânului sugerează că septurile inter-alveolare sunt protejate de solicitări și tensiuni mecanice copleșitoare, cel puțin în timpul ventilației tidale în condiții de sănătate (Bachofen și Schürch 2001). Acest aspect este de mare importanță, deoarece studiile de cultură celulară in vitro au ilustrat faptul că celulele epiteliale alveolare sunt susceptibile la deteriorarea celulară indusă de tulpină (Tschumperlin et al. 2000; Dolinay et al. 2017), un aspect care este, fără îndoială, relevant in vivo în contextul leziunilor pulmonare induse de ventilație (VILI) (Cong et al. 2017). Cu toate acestea, cunoștințele noastre actuale în ceea ce privește micromecanica alveolară și mecanica deformării alveolelor, inclusiv a pereților acestora în timpul ventilației, sunt încă foarte limitate (Roan și Waters 2011). Acest lucru se datorează limitărilor în ceea ce privește rezoluția spațială și temporală a tehnicilor imagistice disponibile, care nu permit vizualizarea directă a micromecanicii acinare, definită ca modificări arhitecturale și funcționale în timpul ciclului respirator. Într-adevăr, o investigație semnificativă care să ia în considerare și tensiunea celulară din septurile interalveolare ar necesita o rezoluție microscopică electronică. Pe baza evaluărilor cantitative ale suprafeței alveolare sau ale dimensiunii alveolei în diferite etape ale curbei presiune-volum, s-a estimat că deformarea și, prin urmare, tulpina alveolei în dimensiuni liniare în timpul respirației tidale (definită de obicei între 40 și 80% din TLC), este de ordinul a 4% (Tschumperlin și Margulies 1999; Mercer et al. 1987) până la 10% (Gil et al. 1979) și, în principiu, poate crește chiar până la 20% și mai mult (Gil et al. 1979; Mercer et al. 1987) în cazul în care rezerva inspiratorie este epuizată, de exemplu, în timpul unor suspine profunde sau al exercițiilor fizice (Fredberg și Kamm 2006). Fredberg și Kamm au subliniat relevanța acestor estimări ale tensiunii alveolare. Aceștia au calculat că, în timpul vieții, structurile alveolare trebuie să facă față tensiunii alveolare legate de respirație timp de până la 109 cicluri de tensiune și au concluzionat în continuare: „După standardele materialelor inginerești obișnuite, aceste tensiuni sunt extreme și s-ar părea că necesită structuri tisulare destul de substanțiale” (Fredberg și Kamm 2006).

Din acest raționament, se pune întrebarea cum fac față septurile interalveolare la tensiunea legată de schimbarea de volum. Cu alte cuvinte, care sunt mecanismele prin care alveolele și, mai ales, septurile interalveolare se adaptează la tulpina alveolară și septală legată de ciclul respirator, fără a supune celulele epiteliale alveolare la un stres mecanic nejustificat. Studii elegante efectuate în urmă cu peste 30 de ani, utilizând condiții cvasi-statice și fixarea prin perfuzie vasculară a țesutului pulmonar la presiuni inspiratorii și expiratorii definite în timpul buclelor de presiune-volum (PV), au arătat că sunt implicate diferite mecanisme de deformare a peretelui septal, care pot duce la modificări individuale ale volumului alveolar în timpul inspirației și expirației. Gil și colaboratorii au discutat 4 mecanisme: (1) Recrutarea/dezvoltarea unităților alveolare; (2) Întinderea și retractarea izotropă cu modificări ale dimensiunii alveolare asemănătoare unui balon; (3) Modificări ale formei alveolare (de exemplu, de la dodecaedru la sferic și invers) care, datorită geometriei diferite, este legată de modificările dimensiunii alveolare; și (4) Plierea și desfășurarea pereților alveolari și deformarea în formă de acordeon care ar putea semăna cu plierea și desfășurarea unei pungi de hârtie (Gil et al. 1979). Aceste mecanisme potențiale au fost derivate din abordări ex vivo ale plămânilor izolați și perfuzați și au evaluat comportamentul plămânului într-o gamă de presiuni la deschiderea căilor respiratorii, de la aproape zero (0,1 cm H2O) până la până la 30 cm H2O (= 100% TLC) (Bachofen et al. 1987). Aceste observații sunt, prin urmare, dificil de comparat cu situația in vivo, în care volumul pulmonar nu scade, de obicei, sub volumul rezidual. În primele cicluri respiratorii ale unui plămân degazat, recrutarea alveolelor complete în timpul inspirației joacă un rol important și explică histerezisul crescut al buclelor PV cvasi-statice inițiale (Bachofen și colab. 1987; Bates și Irvin 2002; Carney și colab. 1999). Abordările bazate pe modele care utilizează imagistica prin rezonanță magnetică au furnizat dovezi că recrutarea alveolelor în timpul inspirației ar putea fi implicată în condiții fiziologice la oamenii sănătoși (Hajari et al. 2012). Cu toate acestea, aceste predicții ale modelului sunt în conflict cu o serie de alte studii care utilizează vizualizarea directă a alveolelor sau evaluări cantitative ale structurii pulmonare prin intermediul stereologiei bazate pe design pentru a investiga micromecanica alveolară în plămânii sănătoși. Aceste studii nu au găsit nicio dovadă pentru recrutarea și derecrutarea intratimpurie a alveolelor complete într-un plămân sănătos în condiții in vivo peste volumul rezidual funcțional (Oldmixon și Hoppin 1991; Schiller și colab. 2001; Pavone și colab. 2007; Perlman și colab. 2011; Sera și colab. 2013; Knudsen și colab. 2018; Lovric și colab. 2017). Într-o rețea interconectată de pereți alveolari, s-a prezis că alveolele sunt foarte stabile, cu tensiuni echilibrate care acționează asupra septurilor interalveolare, atâta timp cât tensiunea superficială este redusă și armonizată între alveolele de dimensiuni diferite (Fung 1975; Mead et al. 1970).

Figura 5 rezumă conceptele probabile ale micromecanicii alveolare în timpul deflației în plămânii sănătoși pe baza studiilor morfometrice care utilizează țesut pulmonar fixat în diferite stadii ale buclelor PV cvasi-statice (Gil et al. 1979; Bachofen et al. 1987; Oldmixon și Hoppin 1991; Tschumperlin și Margulies 1999; Knudsen et al. 2018). Cu toate acestea, trebuie subliniat faptul că istoricul de volum al plămânului, precum și condițiile în care au fost studiați plămânii, de exemplu, in vivo vs. ex vivo, sunt de mare relevanță, astfel încât au fost publicate rezultate contradictorii. La volume pulmonare destul de mici (= presiuni de deschidere a căilor respiratorii din ce în ce mai mici) s-a observat că formarea de pliuri ale pereților septali interalveolari are loc destul de frecvent, astfel încât desfășurarea și plierea pereților septali alveolari (dar nu a unităților alveolare complete) pare a fi relevantă pentru micromecanica alveolară, mai ales la volume pulmonare mici. Acest lucru a fost demonstrat de evaluările structurale efectuate atât în condiții ex vivo (Tschumperlin și Margulies 1999), cât și in vivo (Knudsen et al. 2018). Într-adevăr, s-a demonstrat că elastanța tisulară în timpul ventilației mecanice cu PEEP de 1 cm H2O a fost semnificativ crescută în comparație cu ventilația mecanică cu o PEEP de 5 cm H2O în plămânii sănătoși de șobolan. Cu alte cuvinte, plămânul devine mai rigid dacă presiunea la deschiderea căilor respiratorii este redusă de la 5 la 1 cm H2O. Pe baza stabilirii relației structură-funcție, această creștere a rigidității plămânilor a demonstrat o corelație ridicată cu scăderea dimensiunii medii alveolare, care ar putea fi cel mai probabil atribuită apariției pliurilor de septuri interalveolare în timpul deflației de la 5 la 1 cm H2O, așa cum s-a observat la nivelul microscopului electronic (Knudsen et al. 2018; Tschumperlin și Margulies 1999). De remarcat, numărul de alveole deschise nu a fost diferit între plămânii fixați in vivo (piept închis) la presiuni de deschidere a căilor respiratorii de 1 și 5 cm H2O la expirație, astfel încât nu a existat nicio dovadă de derecrutare a unităților alveolare. În schimb, o scădere a suprafeței și a volumului alveolar ar putea fi legată de formarea de pliuri/pliuri ale septurilor interalveolare. Cu toate acestea, alți cercetători care au folosit o configurație experimentală similară (in vivo, cu pieptul închis) au pus la îndoială relevanța acestui mecanism într-un plămân sănătos, deoarece pliurile sau încrețirea septurilor interalveolare au fost greu de observat între intervalele de presiune de deschidere a căilor respiratorii de 3-16 cm H2O. Cu toate acestea, formarea de pliuri sub acest interval de presiune nu a putut fi exclusă (Oldmixon și Hoppin 1991). La volume pulmonare intermediare și mai mari, care ajung până la 100% din TLC (definit de obicei ca volum pulmonar la o presiune transpulmonară de 30 cm H2O), mai mulți cercetători au subliniat că apar modificări de formă ale spațiilor aeriene alveolare și întinderea/distensiunea pereților alveolari (Roan și Waters 2011). Gil și colaboratorii au descris modificări ale formei de la o configurație poliedrică la o configurație mai sferică în condiții ex vivo (Gil et al. 1979). Tschumperlin și Margulies, într-o configurație experimentală ex vivo, au măsurat suprafața lamei bazale epiteliale în timpul membrului de dezumflare a unei bucle PV provenind de la 25 cm H2O și au observat valori destul de stabile în intervalul de aproximativ 80-40% din TLC, în timp ce a existat o scădere considerabilă în intervalul cuprins între 100 și 80% TLC. Pornind de la aceste date, autorii au sugerat că întinderea celulelor epiteliale alveolare are o relevanță ridicată peste 80% din TLC, în timp ce sub 80% TLC, deformările fără prea multe modificări ale suprafeței laminei bazale (și, prin urmare, întinderea celulelor epiteliale alveolare) domină micromecanica, de exemplu, desfășurarea/plierea pereților septali sau modificările de formă (Tschumperlin și Margulies 1999). Întinderea globală în două dimensiuni a laminei bazale și, prin urmare, a celulelor epiteliale și endoteliale aderente a fost estimată la 35% între 40 și 100% TLC, în timp ce intervalul dintre 80 și 100% TLC a contribuit cu 80% din această întindere globală (Tschumperlin și Margulies 1999). În acest context, o tulpină de 25% în două dimensiuni a unui monostrat de celule epiteliale alveolare primare, care ar putea corespunde unei ventilații permanente a plămânului la volume pulmonare care se situează între 80% și 100% TLC, a dus la leziuni celulare, cum ar fi stresul reticulului endoplasmatic și apoptoza (Dolinay et al. 2017). Aceste constatări ilustrează faptul că volumul pulmonar în timpul ventilației nu trebuie să depășească TLC pentru a impune o presiune nejustificată, potențial dăunătoare, asupra epiteliului alveolar.

Utilizând abordări ex vivo, alți cercetători au găsit dovezi de recrutare și retragere într-o gamă de presiuni de deschidere a căilor respiratorii între 0 și 30 cm H2O (Gil și Weibel 1972; Bachofen et al. 1987), care corespund relației presiune-volum pe toată gama de TLC a unui plămân izolat. Prin urmare, istoricul volumului a fost diferit între acele studii ex vivo care au observat derecentrarea alveolară și cele care nu au observat acest lucru. În timpul respirației normale și în condiții in vivo, volumul pulmonar nu scade, de obicei, sub capacitatea reziduală funcțională și, prin urmare, sub punctul de inflexiune inferior al buclei PV (Salazar și Knowles 1964; Venegas et al. 1998), un aspect care este mult diferit de experimentele ex vivo menționate mai sus, astfel încât apariția derecrutarea alveolară la sfârșitul expirației este mai mult decât discutabilă în intervalul respirației fiziologice. Utilizând microscopia in vivo și situația nefiziologică a unor plămâni de câine degazați, dar sănătoși, Carney și colaboratorii au observat o recrutare alveolară până la un volum pulmonar corespunzător la aproximativ 80% din TLC, în timp ce alveolele care erau deschise erau caracterizate de volume individuale mai mult sau mai puțin stabile (Carney et al. 1999). Tomografia computerizată cu refracție de sincrotron pentru vizualizarea directă a acinilor pulmonari in situ nu a furnizat nicio dovadă de recrutare alveolară la șoareci în timpul umflării în condiții cvasi-statice și a susținut conceptul de modificări de formă și desfășurare în formă de acordeon în timpul inspirației (Sera et al. 2013).

Diverse studii ex vivo și in vivo au demonstrat, de asemenea, că în intervalul de respirație fiziologică (de exemplu, gradienți de presiune transpulmonară sub 10 cm H2O) modificările de volum au loc predominant în canalele alveolare, în timp ce o proporție mai mică de modificare a volumului are loc în alveole (Sera et al. 2013; Mercer et al. 1987; Knudsen et al. 2010, 2018). În timpul respirației spontane, s-a estimat, pe baza imaginilor cu raze X de sincrotron, că 34% din volumul curent are ca rezultat o creștere a volumului alveolar, în timp ce restul de 66% ajung în spațiile aeriene ductale sau de conducere în timpul inspirației (Chang et al. 2015). Aceste constatări sunt aproximativ confirmate de microscopia in vivo care arată că dimensiunea alveolelor crește foarte puțin în timpul ventilației tidale (Schiller et al. 2001). Prin urmare, modificările de volum legate de ventilația tidală în compartimentul alveolar par a fi comparabil de scăzute, astfel încât variațiile dimensiunilor liniare ale alveolelor au fost estimate la 3-4%. Cu toate acestea, la volume mai mari, de exemplu, la gradienți de presiune transpulmonară > 10 cm H2O, datele morfometrice sugerează că 50% din modificările de volum în timpul unei bucle PV au loc în canalele alveolare și în alveolele fiecăruia (Mercer et al. 1987).