Quello che sappiamo su come il fumo irrigidisce i polmoni

Per la prima volta, gli scienziati hanno misurato direttamente come il fumo modifichi il comportamento meccanico del tessuto polmonare umano. pubblicato sul Journal of the Royal Society Interface Lo studio, e diretto da Mona Eskandari, ingegnere meccanico presso l’UC Riverside, esamina il parenchima polmonare umano, ovvero il tessuto molle e spugnoso che costituisce la maggior parte del polmone.

I ricercatori hanno scoperto che il fumo irrigidisce notevolmente questo tessuto in modi simili alla fibrosi, una malattia che provoca cicatrici e indurisce i polmoni.

Utilizzando polmoni umani provenienti da donatori idonei al trapianto o destinati alla ricerca, i ricercatori hanno prelevato piccoli campioni quadrati di parenchima, quindi hanno allungato meccanicamente il tessuto misurando la forza a cui opponeva resistenza.

Le differenze tra fumatori e non fumatori erano sorprendenti. Il tessuto dei fumatori diventava significativamente più rigido quando veniva disteso, opponendo maggiore resistenza all’espansione rispetto al tessuto sano. Questo è simile al modo in cui il tessuto cicatriziale rende la respirazione progressivamente più difficile nelle persone affette da fibrosi.

Sebbene i polmoni si espandano simultaneamente in molte direzioni a ogni respiro, gli studi precedenti avevano allungato il tessuto in una sola direzione o si erano basati interamente su modelli animali. Il laboratorio di Eskandari ha invece condotto test di trazione estendendo il tessuto su più assi contemporaneamente per simulare meglio la meccanica della respirazione reale.

Lo studio ha inoltre rivelato che i polmoni presentano una disomogeneità meccanica. Il tessuto prelevato dalle regioni superiori dei polmoni risultava generalmente più rigido rispetto al tessuto prelevato dalle regioni inferiori, anche all’interno dello stesso lobo.

I ricercatori ritengono che la gravità possa potenzialmente spiegare la differenza. Poiché gli esseri umani stanno in posizione eretta, la parte superiore dei polmoni è soggetta a forze a lungo termine diverse rispetto alla parte inferiore.

Queste irregolarità meccaniche potrebbero avere importanti conseguenze mediche. I risultati potrebbero contribuire a spiegare perché alcune forme di danno polmonare, tra cui la lesione polmonare indotta dalla ventilazione meccanica, non si diffondono uniformemente in tutto l’organo. Alcune regioni potrebbero essere più vulnerabili all’iperestensione rispetto ad altre.

Perdita di energia e limiti del modello animale

I ricercatori hanno anche misurato quanta energia perde il tessuto polmonare durante cicli ripetuti di stiramento. Il tessuto polmonare umano ha dissipato più energia di quanto i ricercatori osservino solitamente nei topi, una scoperta che potrebbe contribuire a spiegare perché gli studi sugli animali non sempre rappresentano accuratamente il comportamento polmonare umano.

Questa distinzione è sempre più importante perché gli scienziati stanno costruendo sofisticati modelli computazionali di polmoni, dei veri e propri ” gemelli digitali “, progettati per simulare la respirazione, la progressione delle malattie e gli interventi medici. Se questi modelli si basano solo su dati provenienti da animali, ha affermato Eskandari, potrebbero non riuscire a cogliere aspetti cruciali della meccanica polmonare umana e rendere più difficile l’utilizzo dei risultati in ambito clinico.

Applicazioni future e ricerca in corso

I ricercatori hanno anche osservato tendenze preliminari che suggeriscono un irrigidimento dei polmoni con l’età, sebbene Eskandari abbia avvertito che sono necessari ulteriori campioni di donatori prima di poter trarre conclusioni definitive. I polmoni di donatori umani adatti a questo tipo di test sono rari, il che limita le dimensioni dello studio.

Ciononostante, questo lavoro fornisce uno dei set di dati meccanici più dettagliati mai raccolti per il parenchima polmonare umano. I risultati potrebbero in futuro migliorare i modelli computazionali dei polmoni, le strategie di ventilazione e gli strumenti di pianificazione chirurgica progettati per prevedere come i polmoni malati rispondono allo stress fisico.

Eskandari è il fondatore del laboratorio di biomeccanica sperimentale e computazionale per la salute (bMECH) presso l’UCR, nato per esplorare questioni relative alla meccanica dei tessuti biologici.

La sua ricerca all’avanguardia è stata presentata nel nuovo libro di Mary Roach, autrice bestseller del New York Times, “Replaceable You: Adventures in Human Anatomy”, che esplora l’evoluzione del supporto respiratorio meccanico.

“Stiamo cercando di comprendere i materiali biologici con cui lavoriamo”, ha affermato Eskandari. “Se vogliamo ventilatori e strumenti predittivi che riflettano fedelmente il modo in cui le persone respirano, questi progressi tecnologici devono essere basati su dati polmonari umani.”

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