Il polmone asimmetrico aumenta la filtrazione delle particelle mediante deposizione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9040 (2023) Citare questo articolo

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È noto che il polmone umano è una rete di bronchioli asimmetrica ramificata dicotomicamente. La letteratura esistente sulla relazione tra anatomia e fisica del flusso d'aria negli alberi tracheobronchiali ha discusso i risultati dell'asimmetria. Discutiamo di una funzione polmonare secondaria (ma importante) per ricercare l'asimmetria: proteggere l'acino da un elevato carico patogeno. Costruiamo modelli matematici basati su parametri morfometrici di alberi bronchiali realistici per esplorare la relazione struttura-funzione. Osserviamo che la massima area superficiale per lo scambio di gas, la minima resistenza e il minimo volume si ottengono vicino alla condizione di simmetria. Al contrario, abbiamo dimostrato che la deposizione di particelle estranee inalate nelle vie aeree non terminali è aumentata dall’asimmetria. Mostriamo dal nostro modello che il valore ottimale di asimmetria per la massima filtrazione delle particelle è entro il 10% del valore misurato sperimentalmente nei polmoni umani. Questa caratteristica strutturale del polmone aiuta l'autodifesa dell'ospite contro gli aerosol carichi di agenti patogeni. Spieghiamo come il design asimmetrico naturale dei tipici polmoni umani sacrifica l'ottimalità dello scambio di gas per ottenere questa protezione. In un tipico polmone umano, rispetto alla condizione ottimale (che è associata a ramificazione simmetrica), la resistenza fluidica è maggiore del 14%, la superficie di scambio gassoso è inferiore di circa l'11%, il volume polmonare è maggiore di circa il 13% da guadagnare un aumento del 4,4% della protezione contro le particelle estranee. Questa protezione offerta è resistente anche a variazioni minori nel rapporto di ramificazione o variazione nella ventilazione, entrambe cruciali per la sopravvivenza.

La funzione primaria del polmone è facilitare lo scambio di gas tra l'aria atmosferica e il sangue nell'acino. Qui, lo scambio di gas avviene attraverso una membrana estremamente sottile (\(0,6 \,\upmu \textrm{m}\)) su un'ampia superficie (\(70 \,\textrm{m}^2\))1. I meccanismi del flusso d'aria attraverso le vie aeree e della diffusione del gas attraverso la membrana alveolare sono stati ampiamente studiati sia dalla comunità medica che da quella della meccanica dei fluidi. Uno scopo secondario (altrettanto importante ma meno studiato) svolto dal polmone è quello di garantire che l'aria che raggiunge l'acino sia relativamente priva di agenti patogeni. L’aria inalata potrebbe contenere diverse impurità: fumo, polvere, goccioline che trasportano agenti patogeni e tossine dannose sotto forma di aerosol, che possono portare a molteplici rischi per la salute se raggiungono le profondità dei polmoni. Mentre l’aria carica di particelle passa attraverso le vie aeree, le particelle si depositano in gran parte lungo il rivestimento mucoso delle vie aeree. La struttura ramificata delle vie aeree funge anche da filtro meccanico per queste particelle.

Tra i vari sistemi di organi del corpo, il sistema digestivo e quello polmonare sono i più esposti ad un elevato carico di materiale estraneo rispettivamente attraverso l'ingestione di cibo e l'inalazione di aria. Mentre il tratto gastrointestinale ha un proprio meccanismo di difesa biochimico, il meccanismo di difesa del sistema polmonare è per lo più di origine fisica. Questo perché il corpo non dispone di un meccanismo per pulire gli agenti patogeni sospesi nell'aria senza che questi si depositino prima sulle pareti. I polmoni sono infatti dotati di un meccanismo di difesa immunologica, ma possono attivarsi solo dopo che le particelle si sono depositate sulle pareti tracheobronchiali.

In questo manoscritto sosterremo che l’asimmetria nella morfologia polmonare consentirà uno di questi meccanismi di protezione per il corpo. L’asimmetria della ramificazione polmonare è ampiamente riconosciuta, ma le sue motivazioni evolutive sono poco conosciute. A prima vista, sembra che l’asimmetria polmonare si traduca in una riduzione della superficie alveolare, in un aumento del lavoro respiratorio e in un maggiore volume complessivo occupato dall’albero delle vie aeree, il che porta al degrado della funzione polmonare. Pertanto, può sembrare che l’asimmetria ostacoli la progettazione ottimale dei polmoni. Tuttavia, dimostriamo che la ramificazione asimmetrica delle vie aeree ottimizza una funzione secondaria meno discussa del polmone, la filtrazione dell'aerosol, sacrificando parte dell'efficienza funzionale primaria.