Асимметричное легкое увеличивает фильтрацию частиц путем осаждения

Том 13 научных докладов, номер статьи: 9040 (2023) Цитировать эту статью

113 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Легкие человека, как известно, представляют собой асимметричную дихотомически разветвленную сеть бронхиол. В существующей литературе о связи между анатомией и физикой воздушного потока в трахеобронхиальных деревьях обсуждаются результаты асимметрии. Мы обсуждаем вторичную (но важную) функцию легких, направленную на поиск асимметрии: защиту ацинуса от высокой патогенной нагрузки. Мы строим математические модели реалистичных бронхиальных деревьев на основе морфометрических параметров для изучения взаимосвязи структура-функция. Мы наблюдаем, что максимальная площадь поверхности для газообмена, минимальное сопротивление и минимальный объем достигаются вблизи условия симметрии. Напротив, мы показываем, что отложение вдыхаемых инородных частиц в нетерминальных дыхательных путях усиливается асимметрией. На основе нашей модели мы показываем, что оптимальное значение асимметрии для максимальной фильтрации частиц находится в пределах 10% от экспериментально измеренного значения в легких человека. Эта структурная особенность легких способствует самозащите хозяина от аэрозолей, содержащих патогены. Мы объясняем, как естественная асимметричная конструкция типичных человеческих легких приносит в жертву оптимальность газообмена, чтобы получить эту защиту. В типичном человеческом легком по сравнению с наиболее оптимальным состоянием (которое связано с симметричным ветвлением) сопротивление жидкости на 14 % больше, площадь поверхности газообмена примерно на 11 % ниже, объем легких примерно на 13 % больше для увеличения увеличение защиты от посторонних частиц на 4,4%. Эта обеспечиваемая защита также устойчива к незначительным изменениям в коэффициенте ветвления или изменениям вентиляции, которые имеют решающее значение для выживания.

Основная функция легких — облегчение газообмена между атмосферным воздухом и кровью в ацинусах. Здесь газообмен происходит через чрезвычайно тонкую мембрану (\(0,6 \,\upmu \textrm{m}\)) на большой площади поверхности (\(70 \,\textrm{m}^2\))1. Механизмы потока воздуха через дыхательные пути и диффузии газа через альвеолярную мембрану широко изучаются как медицинскими сообществами, так и специалистами в области гидромеханики. Вторичная (не менее важная, но менее изученная) цель легких состоит в обеспечении того, чтобы воздух, достигающий ацинуса, был относительно свободным от патогенов. Вдыхаемый воздух может содержать несколько примесей — дым, пыль, капли, несущие болезнетворные микроорганизмы, а также вредные токсины в форме аэрозолей, которые могут привести к многочисленным опасностям для здоровья, если они достигнут глубоких легких. Когда этот насыщенный частицами воздух проходит через дыхательные пути, частицы в основном оседают вдоль слизистой оболочки дыхательных путей. Разветвленная структура дыхательных путей также служит механическим фильтром для этих частиц.

Среди различных систем органов организма пищеварительная и легочная системы наиболее подвержены высокой нагрузке инородного материала при приеме пищи и вдыхании воздуха соответственно. В то время как желудочно-кишечный тракт имеет собственный биохимический защитный механизм, защитный механизм легочной системы имеет преимущественно физическое происхождение. Это связано с тем, что в организме нет механизма очистки взвешенных в воздухе болезнетворных микроорганизмов без их предварительного отложения на стенках. Легкие действительно оснащены иммунологическим защитным механизмом, но его можно активировать только после того, как частицы осядут на стенках трахеобронхов.

В этой рукописи мы будем утверждать, что асимметрия морфологии легких станет одним из таких защитных механизмов организма. Асимметрия ветвей легких широко признана, но ее эволюционные мотивы плохо изучены. На первый взгляд кажется, что асимметрия легких приводит к уменьшению площади альвеолярной поверхности, увеличению дыхательной работы и увеличению общего объема, занимаемого деревом дыхательных путей, — все это приводит к ухудшению функции легких. Поэтому может показаться, что асимметрия препятствует оптимальной конструкции легких. Тем не менее, мы продемонстрировали, что асимметричное разветвление дыхательных путей оптимизирует менее обсуждаемую вторичную функцию легких — фильтрацию аэрозолей — при этом жертвуя частью первичной функциональной эффективности.

D_c > \left( \frac{1}{\root 3 \of {2}}\right) ^{N+1} D_0\) (for \(r=0.5\), \(\kappa _{maj}=\kappa _{min}=\frac{1}{\root 3 \of {2}}\))./p>

1\)) or causing no significant change (\(\bar{\beta } < 1\)). The number of bronchioles attached to large sub-trees in the range of \(0< r < 0.1\) (which are anyway unphysical) was statistically less, which explained the sharp drops in \(\bar{\beta }\). More nuances can be added by including medically viable assumptions on which pathways are more likely to be constricted, instead of treating all pathways as being equally susceptible. To adapt our deposition model, we could modify the model parameters to account for changes in ventilation heterogeneities. For example, the deposition efficiency could be adjusted based on the regional distribution of ventilation or the presence of airflow constrictions in certain regions of the lungs. On the topic of inter-subject variability, Islam et al.42 remark in their review of pulmonary drug delivery procedures about the huge inter-patient variability of drug dosage delivered to the deep lungs being a major concern. Modeling efforts like the present study will be a key factor in developing efficient and personalised drug delivery systems in the future39,40./p>