Novo fluxo modelado no corpo pode ajudar no tratamento de pacientes com infecção pulmonar e edema pulmonar

Anatomia pulmonar: (a) mostra a localização dos pulmões e vias aéreas no corpo; (b) é uma visão detalhada das estruturas pulmonares, como bronquíolos, células neuroendócrinas, alvéolos, rede capilar, líquido alveolar com surfactante e espaço intersticial. Veja https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lung_structure_normal.jpg para “Wikimedia Commons. Arquivo: Estrutura pulmonar normal.jpg.” (c) Anatomia lobular pulmonar mostrando os alvéolos, septos interalveolares, artérias, veias, brônquios, septos interlobulares, vasos linfáticos e pleura. A distribuição dos vasos linfáticos (verde) no lóbulo pulmonar. A maioria dos vasos está localizada na pleura, nos septos interlobulares e associada a feixes broncovasculares. Os vasos linfáticos também estão presentes nos septos interalveolares em associação com as arteríolas e apenas ocasionalmente independentes dos vasos sanguíneos. As setas indicam vasos linfáticos independentes dos vasos sanguíneos nos septos interalveolares. Reimpresso com permissão de Weber et al., Ann. Anat.-Anat. Anz. 218, 110–117 (2018). Direitos autorais 2018 Elsevier. Crédito: APL Bioengenharia (2022). DOI: 10.1063/5.0109107

O edema pulmonar, um acúmulo de líquido nos pulmões que pode ser fatal, representa um quebra-cabeça médico de 125 anos – que agora foi resolvido por pesquisadores da Universidade de Michigan (UM) e da Arts et Métiers ParisTech. Seus trabalhos são publicados em APL Bioengenharia.

A descoberta pode lançar luz sobre o funcionamento do pulmão em um momento em que infecções respiratórias como COVID-19 e RSV estão enchendo os hospitais.

À medida que os pulmões realizam sua tarefa de absorver oxigênio e expelir dióxido de carbono, o líquido pode se acumular sacos de ar de certos pacientes. O fluido pode dificultar a realização dessa troca gasosa pelos pulmões e, na pior das hipóteses, pode reduzir os níveis de oxigenação o suficiente para causar a morte.

Mas para pacientes que se recuperam de edema pulmonar, não sabemos realmente como o fluido sai dos pulmões. Foi estabelecido que o fluido drena para partes distantes do sistema linfático. O que não se sabe é como ele chega lá.

Em 1896, o médico e anatomista pulmonar Dr. William Snow Miller descobriu que os alvéolos pulmonares não possuem vasos linfáticos próximos. Os vasos linfáticos mais próximos estavam a mais de um décimo de milímetro de distância – uma jornada épica em comparação com o acesso ao sistema linfático em grande parte do resto do corpo. E por mais de um século, nem Miller nem ninguém foi capaz de determinar como ou por que o fluido dos alvéolos pode viajar tão longe.

Entre James Grotberg, professor de engenharia biomédica da UM, e Francesco Romano, professor associado de mecânica dos fluidos na Arts et Métiers ParisTech e ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Grotberg.

O que o atraiu para dar uma olhada neste mistério de longa data?

Grotberg: Como a pandemia estava colocando as doenças respiratórias em foco global, pensei que poderíamos encontrar informações importantes sobre o edema pulmonar que continua a causar mortes por COVID-19. Minha experiência abrange a interseção de dinâmica de fluidos e engenharia, bem como biologia humana e medicina de emergência e cuidados intensivos, por isso estou bem posicionado para explorar esse problema. Enquanto isso, Francesco se destaca em modelos dinâmicos de fluidos computacionais, então nos unimos para desenvolver um modelo para edema pulmonar com o apoio do National Institutes of Health.

Como você fez para resolver isso?

Grotberg: Como ninguém havia feito isso antes, começamos com a física e a fisiologia do fluxo fundamental. O fluido é soro vazando do veias de sangue nos alvéolos – isso é edema pulmonar. Enquanto isso, o sistema linfático age como um vácuo, retirando o excesso de líquido dos tecidos. Mas os vasos linfáticos estavam longe, longe demais para que sua sucção fosse eficaz. Dada a configuração do problema, usamos modelagem matemática para simular como o edema pulmonar se desenvolve e como o corpo o elimina.

O que você achou?

Grotberg: Nosso modelo revelou um mecanismo que pode conduzir o excesso de fluido dos alvéolos para esses vasos linfáticos distantes. É um novo fluxo fisiológico. Descobrimos que as pressões do fluido na pequena região entre os sacos de ar e os capilares são bem diferentes das suposições dos livros de fisiologia médica, e essas diferenças de pressão podem levar o fluido em direção ao sistema linfático.

Como você acha que essas informações podem ser úteis no futuro para o tratamento do edema pulmonar?

Grotberg: Qualquer conjunto de conceitos subjacentes ao diagnóstico e à terapia deve incluir todos os fenômenos relevantes. O novo fluxo que descobrimos é um ingrediente chave. Acreditamos que seja relevante para as duas principais causas de edema pulmonar: pressão arterial pulmonar elevada, um sintoma de insuficiência cardíaca congestiva, e a quebra da barreira ar-sangue, como pode ocorrer com infecções como COVID-19 e RSV. Em ambos os cenários, o excesso de líquido nos alvéolos bloqueia o normal oxigenação e pode ser letal.

Esperamos que nosso modelo possa fornecer informações sobre como tratar o edema pulmonar. Ele recebe como entrada os valores dos parâmetros anatômicos e fisiológicos do pulmão, bem como as intervenções clínicas, e então simula o funcionamento de todo o sistema.

Por exemplo, um componente essencial da terapia pode ser tratar a infecção com agentes antimicrobianos, mas também manter o equilíbrio hídrico bem ajustado para remover o excesso de líquido e restaurar o fornecimento normal de oxigênio. Nosso modelo pode prever como os níveis de fluido nos pulmões responderão às mudanças nas condições.

No relatório do estudo, apresentamos vários outros cenários aos quais o nosso modelo pode ser aplicado, pelo que o campo tem novas portas disponíveis para investigação. Será interessante ver como isso se propaga.