Wyjaśnienie: częstość oddechów i ryzyko infekcji wirusowej

Naukowcy odkryli, że mniejsza częstotliwość oddychania – i wstrzymywanie oddechu – zwiększa ryzyko dostania się zakażonych wirusem kropelek do głębokich płuc.

Lekarz ogląda tomografię komputerową płuc pacjenta. (The New York Times: Yue Wu, Plik)

Powolne oddychanie może przynieść różne korzyści zdrowotne – ale nie w przypadku przenoszenia chorób drogą powietrzną. W nowym badaniu opublikowanym w Physics of Fluids, czasopiśmie American Institute of Physics, naukowcy z IIT Madras odkryli, że mniejsza częstotliwość oddychania – i wstrzymywanie oddechu – zwiększa ryzyko, że obciążone wirusem kropelki dotrą do głębokich płuc.

Złożone płuco

Dzięki złożonej geometrii obszaru poza klatką piersiową i płuc nasze ciała zwalczają większość aerozoli, które wdychamy, zanim zdążą osiąść w wewnętrznym płucu. Część aerozoli jest wypłukiwana w postaci śluzu, podczas gdy te, które przechodzą przez kanał nosowy, nadal musiałyby poruszać się po złożonej strukturze rozgałęzień, które określają płuco.

W badaniu przyjrzano się dynamice kropelek wielkości mikrometrów przechodzących przez takie mikrokanaliki imitujące środowisko płuc. Transport materiału — cząstek lub gazów — w głębokim płucu (w miarę zbliżania się do bariery grodzika lub krwi) ma charakter czysto dyfuzyjny. Ta dyfuzyjna natura zapewnia, że ​​gazy są w stanie dyfundować znacznie szybciej niż cząstki. Jest to część własnej ochrony organizmu przed cząsteczkami aerozolu przedostającymi się do krwi, powiedział Mahesh Panchagnula, profesor mechaniki stosowanej w IIT Madras.

Ponieważ różne osoby mogą mieć różną morfometrię płuc (wymiary związane z oskrzelikami), ich wrodzona ochrona prawdopodobnie będzie inna, powiedział ta strona internetowa . Prof. Panchagnula wraz z kolegami wykonali poprzednie prace, podkreślając zmienność wchłaniania aerozolu między poszczególnymi osobami — możliwy powód, dla którego niektórzy ludzie są bardziej podatni na choroby przenoszone drogą powietrzną niż inni.

Jak osadzanie się aerozolu zmienia się w czasie dla różnych częstotliwości oddychania i czasu wstrzymania oddechu. Oś y przedstawia ułamek wdychanych aerozoli, które osadzają się w płucach. (Źródło: Mallik, Mukherjee i Panchagnula, Fizyka Płynów)

Modelowanie przepływu

Jako zastępstwo dla dróg oddechowych w płucach zwanych oskrzelikami, naukowcy wykorzystali mikrokapilary o średnicy od 0,3 do 2 mm. Pompa strzykawkowa symulowała oddychanie w tych mikrokapilarach. Wytworzone z wody zmieszanej z cząsteczkami fluorescencyjnymi aerozole można było śledzić w miarę ich przemieszczania się i osadzania w naczyniach włosowatych. Po zmierzeniu osadzania się aerozoli naukowcy scharakteryzowali ilość aerozolu, jaka osadzałaby się w oskrzeliku w funkcji jego wymiarów.

Znaleziska

Eksperymenty wykazały, że niska częstotliwość oddychania — liczba oddechów na minutę — wydłuża czas przebywania wirusa w środku, a tym samym zwiększa szanse na odkładanie, a w konsekwencji infekcję.

Badanie wykazało korelację między osadzaniem a współczynnikiem kształtu naczyń włosowatych, co sugeruje, że kropelki prawdopodobnie osadzają się w dłuższych oskrzelikach.

Pomiary wykazały, że gdy przepływ ruchu aerozolu jest stały, cząstki osadzają się na drodze dyfuzji; gdy przepływ jest turbulentny, cząstki osadzają się przez zderzenie.

Dyfuzja i uderzenie to dwa z trzech mechanizmów, dzięki którym aerozole osadzają się w różnych obszarach płuc, a trzecim jest sedymentacja (pod wpływem grawitacji). Zderzenie ma miejsce, gdy kropelki poruszają się tak szybko, że nie podążają wiernie za powietrzem, a zamiast tego uderzają w ściany oskrzeli. Dyfuzja to efekt, w którym maleńkie kropelki są transportowane w kierunku ścian oskrzelików poprzez „losowy spacer”. Pomagają w tym fluktuacje powietrza, które powodują, że kropelki przemieszczają się w kierunku ścian oskrzelików, powiedział profesor Panchagnula.

Turbulencja — którą badanie wiąże z osadzaniem przez uderzenie — jest głównym sposobem osadzania się w górnych oskrzelach, gdzie prędkość powietrza jest wysoka. Ale kiedy powietrze dociera do głębokich płuc, zostaje znacznie spowolnione, co powoduje transport gazu wspomagany głównie przez dyfuzję, powiedział profesor Panchagnula.

Podziel Się Z Przyjaciółmi: