Pulmão assimétrico aumenta a filtração de partículas por deposição

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9040 (2023) Citar este artigo

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O pulmão humano é conhecido por ser uma rede assimétrica ramificada de bronquíolos. A literatura existente sobre a relação entre anatomia e física do fluxo de ar nas árvores traqueobrônquicas discute os resultados da assimetria. Discutimos uma função pulmonar secundária (mas importante) para buscar a assimetria: proteger o ácino de uma alta carga de patógenos. Construímos modelos matemáticos baseados em parâmetros morfométricos de árvores brônquicas realistas para explorar a relação estrutura-função. Observamos que a área superficial máxima para troca gasosa, a resistência mínima e o volume mínimo são obtidos próximos à condição de simetria. Em contraste, mostramos que a deposição de partículas estranhas inaladas nas vias aéreas não terminais é aumentada pela assimetria. Mostramos a partir de nosso modelo que o valor ideal de assimetria para filtração máxima de partículas está dentro de 10% do valor medido experimentalmente em pulmões humanos. Esta característica estrutural do pulmão auxilia na autodefesa do hospedeiro contra aerossóis carregados de patógenos. Explicamos como o design assimétrico natural dos pulmões humanos típicos sacrifica a otimização da troca gasosa para obter essa proteção. Em um pulmão humano típico, quando comparado à condição ideal (que está associada à ramificação simétrica), a resistência fluídica é 14% maior, a área de superfície de troca gasosa é cerca de 11% menor, o volume pulmonar é cerca de 13% maior para ganhar um aumento de 4,4% de proteção contra partículas estranhas. Essa proteção oferecida também é robusta para pequenas variações na taxa de ramificação ou variação na ventilação, que são cruciais para a sobrevivência.

A função primária do pulmão é facilitar a troca gasosa entre o ar atmosférico e o sangue no ácino. Aqui, a troca gasosa ocorre através de uma membrana extremamente fina (\(0.6 \,\upmu \textrm{m}\)) sobre uma grande área de superfície (\(70 \,\textrm{m}^2\))1. Os mecanismos de fluxo de ar através das vias aéreas e difusão de gás através da membrana alveolar têm sido extensivamente estudados tanto pela comunidade médica quanto pela mecânica dos fluidos. Um propósito secundário (igualmente importante, mas menos estudado) servido pelo pulmão é garantir que o ar que chega ao ácino seja relativamente livre de patógenos. O ar inalado pode conter várias impurezas - fumaça, poeira, gotículas portadoras de patógenos, bem como toxinas nocivas na forma de aerossóis, que podem levar a vários riscos à saúde se atingirem o pulmão profundo. À medida que esse ar carregado de partículas passa pelas vias aéreas, as partículas se depositam em grande parte ao longo do revestimento mucoso das vias aéreas. A estrutura ramificada das vias aéreas também serve como um filtro mecânico para essas partículas.

Entre os vários sistemas de órgãos do corpo, os sistemas digestivo e pulmonar são os mais expostos a uma alta carga de material estranho através da ingestão de alimentos e inalação de ar, respectivamente. Enquanto o trato gastrointestinal tem um mecanismo de defesa bioquímico próprio, o mecanismo de defesa do sistema pulmonar é principalmente de origem física. Isso ocorre porque o corpo não possui nenhum mecanismo de limpeza de patógenos suspensos no ar sem que eles primeiro se depositem nas paredes. Os pulmões são, de fato, equipados com um mecanismo de defesa imunológica, mas só podem ser ativados após a deposição de partículas nas paredes traqueobrônquicas.

Neste manuscrito, argumentaremos que a assimetria na morfologia pulmonar proporcionará um desses mecanismos de proteção para o corpo. A assimetria da ramificação pulmonar é amplamente reconhecida, mas seus motivos evolutivos são pouco compreendidos. À primeira vista, parece que a assimetria pulmonar resulta em redução da área de superfície alveolar, aumento do trabalho respiratório e maior volume total ocupado pela árvore das vias aéreas – tudo levando à degradação da função pulmonar. Portanto, pode parecer que a assimetria dificulta o desenho ideal dos pulmões. No entanto, demonstramos que a ramificação assimétrica das vias aéreas otimiza uma função secundária menos discutida do pulmão - a filtração de aerossóis - enquanto sacrifica parte da eficiência funcional primária.