Η επιφάνεια των πνευμόνων καλύπτεται από ένα υγρό που αυξάνει την ευκαμψία τους. Αυτό το υγρό έχει τη μεγαλύτερη επίδραση όταν αναστενάζετε βαθιά από καιρό σε καιρό, όπως ανακάλυψαν ερευνητές του ETH Ζυρίχης χρησιμοποιώντας εξελιγμένες τεχνικές μέτρησης στο εργαστήριο.

Περισσότερα από τα μισά πρόωρα μωρά που γεννιούνται πριν από την 28η εβδομάδα της εγκυμοσύνης αναπτύσσουν σύνδρομο αναπνευστικής δυσχέρειας λίγο μετά τη γέννησή τους. Καθώς οι πνεύμονές τους δεν έχουν ακόμη αναπτυχθεί πλήρως, παράγουν πολύ λίγη από την φαινομενικά "μαγική ουσία" που μειώνει την επιφανειακή τάση στους πνεύμονες. Ως αποτέλεσμα, ορισμένοι κυψελίδες καταρρέουν και οι πνεύμονες δεν μπορούν να πάρουν αρκετό οξυγόνο.

Οι πνεύμονες γίνονται πιο εύκαμπτοι

Μέχρι πριν από 40 χρόνια, αυτό συνήθως σήμαινε θάνατο. Όμως, στα τέλη της δεκαετίας του 1980, οι παιδίατροι ανέπτυξαν μια διαδικασία που σώζει ζωές: εξάγουν το υγρό από πνεύμονες ζώων και το εγχύουν στους πνεύμονες των πρόωρων μωρών.

«Αυτό λειτουργεί πολύ καλά στα νεογέννητα», εξηγεί ο Jan Vermant, καθηγητής Μαλακών Υλικών στο ETH Ζυρίχης. «Το υγρό καλύπτει ολόκληρη την επιφάνεια, καθιστώντας τους πνεύμονες πιο εύκαμπτους».

Αλλά ακόμη και στους ενήλικες, οι πνεύμονες μπορεί να παρουσιάσουν δυσλειτουργία. Κατά τη διάρκεια της πανδημίας του κορονοϊού, περίπου 3.000 άτομα στην Ελβετία ανέπτυξαν σύνδρομο οξείας αναπνευστικής δυσχέρειας. Ωστόσο, η έγχυση επιφανειοδραστικού υγρού από πνεύμονες ζώων στους πνεύμονες ενηλίκων δεν βοηθά.

«Αυτό δείχνει ότι δεν πρόκειται απλώς για μείωση της επιφανειακής τάσης», όπως δηλώνει ο Vermant. «Πιστεύουμε ότι οι μηχανικές πιέσεις εντός του υγρού παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο».

Σε συνεργασία με επιστήμονες από την Ισπανία, το Βέλγιο και τις ΗΠΑ, η ερευνητική του ομάδα χρησιμοποίησε εξελιγμένες τεχνικές μέτρησης για να διερευνήσει με ακρίβεια πώς συμπεριφέρεται το υγρό των πνευμόνων όταν τεντώνεται και συμπιέζεται εκ νέου στο εργαστήριο. Το υγρό στο σώμα μας υποβάλλεται επίσης σε παρόμοιες κινήσεις όταν οι πνεύμονες διαστέλλονται κατά την εισπνοή και συστέλλονται ξανά κατά την εκπνοή.

Οι ερευνητές έχουν δημοσιεύσει τα ευρήματά τους στο περιοδικό Science Advances.

Τι προκαλεί το αίσθημα ανακούφισης στο στήθος

Στα πειράματά τους, οι ερευνητές προσομοίωσαν τις κινήσεις της κανονικής και της ιδιαίτερα βαθιάς αναπνοής, μετρώντας την επιφανειακή τάση του υγρού σε κάθε περίπτωση.

«Αυτή η επιφανειακή τάση επηρεάζει την ελαστικότητα των πνευμόνων», εξηγεί ο Vermant. Όσο πιο ελαστικοί είναι οι πνεύμονες, τόσο μικρότερη είναι η αντίσταση στην διαστολή και τη συστολή και τόσο πιο εύκολη είναι η αναπνοή.

Διαπίστωσαν λοιπόν ότι η επιφανειακή τάση μειώνεται σημαντικά μετά από βαθιές αναπνοές. Προφανώς, υπάρχει μια φυσική εξήγηση για την αίσθηση ανακούφισης που νιώθουμε στο στήθος και που συχνά εμφανίζεται μετά από ένα βαθύ αναστεναγμό. Η εξήγηση ξεκινά από την συνειδητοποίηση ότι η λεπτή μεμβράνη που σχηματίζεται από το υγρό των πνευμόνων στην επιφάνεια των πνευμόνων αποτελείται στην πραγματικότητα από πολλά στρώματα.

«Ακριβώς στο όριο με τον αέρα, υπάρχει ένα ελαφρώς πιο σκληρό επιφανειακό στρώμα. Κάτω από αυτό, υπάρχουν διάφορα στρώματα που πρέπει να είναι πιο μαλακά από το επιφανειακό στρώμα», εξηγεί η Maria Novaes-Silva, διδακτορική φοιτήτρια στην ερευνητική ομάδα του Vermant και πρώτη συγγραφέας της μελέτης.

Όπως έχει αποδείξει σε πειράματα, αυτή η διαστρωμάτωση επιστρέφει στην ισορροπία με την πάροδο του χρόνου, όταν το υγρό δεν κινείται καθόλου ή κινείται ελαφρώς κατά τη διάρκεια της ρηχής αναπνοής.

Αποκατάσταση της διαστρωμάτωσης των πνευμόνων

Απαιτείται μια βαθιά αναπνοή από καιρό σε καιρό για να αποκατασταθεί αυτή η ιδανική διαστρωμάτωση. Με βάση τις αναλύσεις τους, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η έντονη συμπίεση του πνευμονικού υγρού προκαλεί αλλαγή στη σύνθεση του εξωτερικού στρώματος.

Είναι επίσης γνωστό από την κλινική πρακτική ότι η ελαστικότητα των πνευμόνων αλλάζει σταδιακά με την πάροδο του χρόνου και ότι η αναπνοή γίνεται όλο και πιο δύσκολη σε σχέση με τη συνεχή ρηχή αναπνοή. Οι μετρήσεις στο εργαστήριο φαίνεται λοιπόν να αντικατοπτρίζουν τις παρατηρήσεις από την κλινική.

Μπορούν οι νέες γνώσεις που απέκτησαν οι επιστήμονες των υλικών να χρησιμοποιηθούν επίσης για την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων και γνώσεων για την πνευμονική ανεπάρκεια σε ενήλικες; «Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση είναι η αναγνώριση συστατικών που μπορούν να ανακατασκευάσουν τεχνητά πολυεπίπεδες δομές», σημειώνουν οι ερευνητές.