A mecânica das gotículas de muco explica a rápida disseminação de infecções nos pulmões

Uma das maiores preocupações com as infecções do trato respiratório superior, como o resfriado comum ou uma infecção nasal, é o potencial para infecções secundárias pulmonares profundas mais graves, como a pneumonia. Se estas infecções secundárias ocorrerem, muitas vezes elas se desenvolvem rapidamente. Isto é altamente preocupante para as populações vulneráveis, como as crianças e os idosos, que correm maior risco de contrair pneumonia e outras infecções pulmonares profundas graves.

Mas a forma como estas infecções pulmonares profundas secundárias ocorrem tão rapidamente após o aparecimento dos primeiros sintomas no tracto nasal superior permanece sem solução, tanto por cientistas como por especialistas médicos. Um novo estudo da Faculdade de Engenharia Jerome J. Lohr da Universidade Estadual de Dakota do Sul pode ter a resposta. As descobertas são publicadas na revista PLOS Um.

Saikat Basu é professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica da SDState. Ele dirige o Laboratório de Dinâmica de Fluidos Biomédica e Bioinspirada lá. Como pesquisador de doutorado e pós-doutorado, Basu treinou em mecânica clássica de fluidos e modelagem biomatemática – alguns dos níveis mais complexos e abstratos de matemática e biofísica matemática possíveis.

Ele começou a aplicar sua experiência e habilidade em pesquisa a um assunto igualmente complexo: a transmissão de infecções nas vias aéreas humanas durante a pandemia de COVID-19. Notavelmente, em 2021, ele produziu um estudo de fluidos computacionais de autoria única que utilizou simulações de transporte respiratório inalado e integrou as descobertas com dados virológicos para explicar o número de vírions necessários para causar uma infecção por COVID. O trabalho foi posteriormente verificado através de estudos biológicos de acompanhamento realizados por outros grupos e representou um avanço significativo.

Desde então, Basu desenvolveu esta direção de investigação – baseada na sincronização de abordagens da mecânica dos fluidos com domínios transversais como virologia, bacteriologia e imunologia – e produziu agora um segundo estudo de autor único (uma raridade na investigação académica atual) que explica a mecânica por detrás das infeções pulmonares secundárias. Isso também marca o primeiro trabalho de Basu envolvendo a mecânica do nível pulmonar nas vias aéreas inferiores, com todos os seus estudos anteriores relacionados sendo para o trato respiratório superior.

“Elaborar artigos de um único autor é uma tarefa exigente, especialmente ao gerenciar as inúmeras responsabilidades da vida docente. Mas o processo criativo pode ser extremamente gratificante”, disse Basu. “Embora a colaboração interdisciplinar seja essencial à medida que os campos continuam a convergir, a realização de projetos de forma independente pode aprofundar o nosso pensamento.”

Como se desenvolvem as infecções pulmonares secundárias

Microgotículas maiores – normalmente maiores que 10 micrômetros (µm) – do ar externo raramente alcançam os brônquios, pois ficam presas em zonas de filtração no espaço nasal anterior antes de chegarem aos pulmões. Essas gotículas geralmente carregam grandes cargas virais que causam infecções graves. Eles pousam ao longo das vias aéreas superiores, em locais como a faringe, desencadeando ali a infecção inicial e os sintomas.

A pesquisa de Basu descobriu que fragmentos de muco na forma de microgotículas provenientes desses locais iniciais de infecção podem ser inalados facilmente para os pulmões. A forma estrutural relativamente reta da cavidade laringotraqueal auxilia no movimento, permitindo que até mesmo microgotículas maiores penetrem nos espaços brônquicos.

Essas partículas – algumas tão grandes quanto 15 a 20 µm – formam-se dentro das vias aéreas superiores, separando-se do substrato mucoso durante a inalação. Estas gotículas – com origem nos locais iniciais da infecção – estão carregadas de vírus e actuam como transportadores eficientes de agentes patogénicos para os pulmões.

“Isso fornece uma explicação plausível para o início rápido de infecções pulmonares profundas secundárias após infecções iniciais do trato respiratório superior”, disse Basu.

O tamanho das partículas que atingem os pulmões pode potencialmente transportar cargas virais acima do limiar infeccioso. Como observa Basu, isso pode ajudar a explicar a rápida progressão das doenças da garganta para os pulmões.

Basu foi capaz de analisar essa mecânica simulando computacionalmente a física dos fluidos respiratórios em modelos tridimensionais de vias aéreas humanas gerados por computador, construídos a partir de tomografias computadorizadas. Os resultados desta modelagem foram verificados em relação a estimativas biomatemáticas de ordem reduzida e dados experimentais existentes.

Esta pesquisa ajuda a explicar por que algumas infecções respiratórias podem progredir de doenças leves para pneumonia em muito pouco tempo.

“Isso não pode ser racionalizado de outra forma, por exemplo, através da replicação de patógenos em nível de tecido”, disse Basu.

Como observa Basu, essas descobertas podem ajudar os médicos a prever o aparecimento de infecções secundárias, o que ajudará a proteger as populações vulneráveis.

Basu também espera que este trabalho estabeleça as bases para uma nova via de pesquisa em biofísica brônquica para sua equipe.