Un respiro profondo, per favore!
I polmoni ospitano un fluido complesso: il surfattante. Chi siamo può fare la differenza tra la vita e la morte dei neonati prematuri o dei pazienti Covid in terapia intensiva. Uno scienziato dei materiali dell'ETH vuole fare luce su questa sostanza oscura.
Maria Novaes Silva è una giovane donna vivace. Cammina alacremente per i corridoi dei laboratori dell'ETH di Jan Vermant. Ha appena chiuso la porta del laboratorio al piano superiore quando è già nel seminterrato senza finestre. Una volta arrivata al suo apparato sperimentale, Chi siamo indossa il camice e diventa calma e concentrata. Versa con cura un liquido torbido in una piccola camera di plexiglas. "Questo liquido complesso si chiama tensioattivo ed è stato estratto dai polmoni degli animali". Come parte della sua tesi di dottorato, Maria vuole capire meglio le proprietà di questo liquido speciale.
Il tensioattivo è prodotto da speciali cellule polmonari. Esso facilita l'inspirazione e impedisce agli alveoli di collassare alla fine dell'espirazione. Il surfattante ha una grande importanza medica. Se i bambini prematuri nascono prima che i loro polmoni siano completamente sviluppati, le loro possibilità di sopravvivenza si riducono notevolmente. La medicina cerca di salvare l'organo iniettando il surfattante nei polmoni. Nei pazienti Covid che devono essere ventilati, le cellule polmonari che producono il surfattante sono compromesse.
Jan Vermant, l'ETH professore di materiali morbidi e membro del Centro di competenza per materiali e processi (MaP), è in contatto frequente con i medici. Sa che la respirazione profonda deve avvenire di tanto in tanto durante la ventilazione dei pazienti. Se la ventilazione fosse costantemente regolare, la funzione polmonare si deteriorerebbe. La medicina non comprende ancora nel dettaglio perché sia importante che i polmoni si riempiano completamente di tanto in tanto. Tuttavia, può essere confortante per i giovani genitori rendersi conto che i polmoni del loro bambino che piange si stanno riempiendo correttamente. "Un sospiro profondo di tanto in tanto è importante per la nostra respirazione", dice Maria.
Maria sospetta che la tensione superficiale del tensioattivo abbia qualcosa a che fare con questo fenomeno. Le forze molecolari assicurano che l'area superficiale dei liquidi sia mantenuta il più piccola possibile. La tensione superficiale è anche il motivo per cui le gocce d'acqua sono rotonde. Per verificare questa ipotesi, Maria simula dei respiri medi nella camera di plexiglas riempita e misura la tensione superficiale del tensioattivo. Nel primo esperimento, Maria immette e toglie l'aria in modo uniforme. Simula una respirazione a riposo. La scienziata dei materiali misura una tensione superficiale di 25 millinewton per metro. Maria aiuta a classificare questo dato: "Si tratta di una tensione superficiale elevata quando si tratta di respirare. Se dovessimo sempre respirare contro di essa, sarebbe molto faticoso".
La scienziata dei materiali Maria Novaes Silva esamina il surfattante polmonare in laboratorio.
Maria riempie di tensioattivo l'esclusivo impianto di prova. (Immagine: Daniel Winkler)
In un secondo esperimento, Maria interrompe la respirazione regolare a riposo dopo circa quattro cicli introducendo un singolo flusso d'aria più grande. Se l'aria entra ed esce di nuovo in modo uniforme, la tensione scende da 25 a 15. "Sospettiamo che respiri profondi di tanto in tanto siano importanti per abbassare la tensione superficiale e quindi facilitare la respirazione".
Maria ha preparato una presentazione per illustrare questo aspetto. Nell'aula del seminario, spiega che il nostro sistema respiratorio si biforca più di venti volte, dalla trachea, passando per i bronchi e i bronchioli fino agli alveoli. Gli alveoli, all'estremità di questo albero, formano una rete di diverse centinaia di milioni di sacche d'aria collegate da pori. Questi alveoli si riempiono quando inspiriamo e si svuotano quando espiriamo. Per evitare che collassino quando sono vuoti, sono rivestiti di surfattante.
Fino al sospiro profondo
Tornata in laboratorio, sta ora riempiendo il tensioattivo animale in un'altra struttura sperimentale. Assomiglia a un ragno gigante con eleganti zampe d'argento. Al centro, un ago sottile pende dall'alto e sembra galleggiare sopra il surfattante. Esiste solo una manciata di questi dispositivi unici al mondo, sviluppati nel laboratorio dell'ETH. Nel seminterrato, Maria ha simulato la respirazione naturale: alcuni respiri più leggeri, occasionalmente uno più profondo. Qui, al piano superiore, simula alcuni respiri più leggeri a riposo, poi respiri gradualmente sempre più profondi e infine i sospiri profondi. La superficie del surfattante cambia quando si espande e si contrae. L'ago misura la tensione superficiale. Questo permette a Maria di scoprire quale influenza ha la profondità della respirazione. Al momento, sembra che l'espansione sia il fattore che abbassa la tensione superficiale e facilita la respirazione.
"La situazione nei polmoni è ovviamente molto più complessa", dice la dottoranda quasi scusandosi. "Ma noi siamo scienziati dei materiali e vogliamo caratterizzare le singole proprietà di un materiale nel modo più preciso possibile, quindi abbiamo deliberatamente disaccoppiato la complessa interazione delle varie forze".
Questa mattina Maria sta lavorando a una terza unità sperimentale. Sotto il microscopio c'è un piccolo anello con un foro al centro. ? circondato da minuscoli pori. ? anche pieno di tensioattivo. Se ora Maria applica una pressione al liquido tramite un apparecchio, la pellicola diventa più sottile, fino a strapparsi. "? una cosa voluta", dice Maria con un sorriso. Ricorda la sua presentazione nell'aula del seminario. Gli alveoli, le piccole sacche d'aria dei polmoni, sono collegati tra loro da pori. ? possibile che la sottile pellicola di tensioattivo si laceri durante la respirazione per uniformare la pressione all'interno degli alveoli attraverso i pori.
Inalare invece di iniettare
Il tensioattivo è un liquido misterioso che affascina visibilmente Maria. Nei suoi esperimenti di Scienze ed ingegneria dei materiali, è sempre guidata da domande mediche. Le iniezioni per i neonati prematuri, per esempio. Esistono approcci per somministrare il surfattante ai polmoni in modo non invasivo, attraverso una maschera di respirazione sotto forma di aerosol, piuttosto che con un'iniezione. "Con la nostra ricerca vogliamo scoprire quali sono i parametri migliori per migliorare questa tecnica", riassume Maria. "Se comprendiamo i meccanismi, possiamo aiutare i medici a migliorare i loro strumenti".
Maria, giovane e vivace scienziata dei materiali, sembra lavorare per questo obiettivo con molta energia, motivazione e perseveranza.
Scuola di dottorato
Il Scuola di dottorato MaP è stato fondato nel 2021 per promuovere il networking all'interno della struttura dipartimentale. Offre ai dottorandi una formazione di prima classe in cinque specializzazioni tematiche che riflettono le principali aree di ricerca dell'ETH di Zurigo nel campo dei materiali e dei processi. L'offerta comprende attività su misura come serie di seminari, visite di laboratorio ed escursioni, nonché un programma vario per lo sviluppo delle competenze personali. La Scuola è nata dal MaP, il Centro di competenza per materiali e processi (MaP) dell'ETH di Zurigo, che riunisce 80 gruppi di ricerca di 11 dipartimenti con Chi siamo e oltre 600 dottorandi.
"L'acqua del "globo
Questo testo è stato pubblicato nel numero 23/02 della rivista dell'ETH Globo pubblicato.