Plus de la moitié des bébés prématurés nés avant la 28e semaine de grossesse développent un syndrome de détresse respiratoire peu après la naissance. Comme leurs poumons ne sont pas encore complètement développés, ils produisent trop peu de liquide apparemment magique qui réduit la tension superficielle dans les poumons. En conséquence, certaines alvéoles s’effondrent et les poumons ne peuvent plus obtenir suffisamment d’oxygène.
Les poumons deviennent plus déformables
Jusqu’à il y a 40 ans, cela signifiait généralement la mort. Mais ensuite, à la fin des années 1980, les pédiatres ont mis au point une procédure permettant de sauver des vies : ils extrayaient le liquide des poumons des animaux et l'injectaient dans les poumons des bébés prématurés. « Cela fonctionne très bien chez les nouveau-nés », déclare Jan Vermant, professeur de matériaux souples à l'ETH Zurich. « Le fluide recouvre toute la surface, rendant les poumons plus déformables ou – pour un terme plus technique – plus souples. »
Mais même chez les adultes, les poumons peuvent faire défaut. Pendant la pandémie de coronavirus, environ 3000 personnes en Suisse ont développé un syndrome de détresse respiratoire aiguë. L’injection de liquide tensioactif provenant des poumons d’animaux dans les poumons d’adultes n’aide cependant pas. « Cela montre qu'il ne s'agit pas seulement de réduire la tension superficielle », comme le déclare Vermant. « Nous pensons que les contraintes mécaniques au sein du fluide jouent également un rôle important. »
En collaboration avec des scientifiques d'Espagne, de Belgique et des États-Unis, son groupe de recherche a exploité des techniques de mesure sophistiquées pour étudier précisément le comportement du liquide pulmonaire lorsqu'il est étiré et recomprimé en laboratoire. Le liquide présent dans notre corps est également soumis à des mouvements similaires lorsque les poumons se dilatent lors de l’inspiration et se contractent à nouveau lors de l’expiration. Les chercheurs viennent de publier leurs résultats dans la revue Avancées scientifiques.
Explication de la sensation de soulagement au niveau de la poitrine
Dans leurs expériences, les chercheurs ont simulé les mouvements de respirations normales et particulièrement profondes, en mesurant dans chaque cas la contrainte superficielle du fluide. « Cette contrainte de surface influence la souplesse des poumons », explique Vermant. Plus les poumons sont souples, moins il y a de résistance à l’expansion et à la contraction – et plus il est facile de respirer.
À l’aide de leurs instruments de mesure, les chercheurs ont découvert que les contraintes superficielles diminuent considérablement après des respirations profondes. Apparemment, il existe une explication physique à la sensation de soulagement ressentie dans la poitrine qui survient souvent après un profond soupir. L’explication part du fait que le film mince formé par le liquide pulmonaire à la surface des poumons est en réalité constitué de plusieurs couches.
« Directement à la frontière avec l'air, il y a une couche superficielle légèrement plus rigide. En dessous, il y a plusieurs couches qui devraient être plus douces que la couche superficielle », explique Maria Novaes-Silva, doctorante dans le groupe de recherche de Vermant et première auteure de l'étude. Comme elle l'a prouvé expérimentalement, cette stratification revient à la configuration d'équilibre au fil du temps lorsque le fluide ne bouge pas du tout ou ne bouge que légèrement lors d'une respiration superficielle.
Reconstruire des structures multicouches
Une respiration profonde est nécessaire de temps en temps pour restaurer cette superposition idéale. Sur la base de leurs analyses, les chercheurs ont découvert que l’étirement et la compression prononcés du liquide pulmonaire entraînent une modification de la composition de la couche externe. « Il y a un enrichissement en lipides saturés, cela se traduit par une interface plus dense », explique Novaes-Silva. Vermant ajoute : « Il s'agit d'un état en dehors des limites de l'équilibre thermodynamique qui ne peut être maintenu que par un travail mécanique. »
La pratique clinique sait également que la compliance pulmonaire évolue progressivement avec le temps et que la respiration devient de plus en plus difficile en raison d'une respiration superficielle constante. Les mesures en laboratoire semblent donc refléter les observations de la clinique. Novaes-Silva conclut : « Ces similitudes indiquent que nous avons capturé des propriétés réelles avec notre configuration expérimentale. »
Les nouvelles connaissances acquises par les scientifiques des matériaux peuvent-elles également être utilisées pour tirer des conclusions et des informations utiles sur l'insuffisance pulmonaire chez les adultes ? « Une approche prometteuse consiste à identifier des composants capables de reconstruire artificiellement des structures multicouches », notent les chercheurs dans leur article technique. Au cours de la conversation, Vermant souligne les thérapies impliquant la mousse qui sont actuellement développées et étudiées de manière plus approfondie par d'autres groupes.
