비대칭 폐는 침전을 통해 입자 여과를 증가시킵니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9040(2023) 이 기사 인용

113 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

인간의 폐는 기관지의 비대칭 이분형 분지 네트워크로 알려져 있습니다. 기관지 나무의 해부학과 기류 물리학 사이의 관계에 관한 기존 문헌에서는 비대칭의 결과를 논의했습니다. 우리는 비대칭성을 추구하기 위한 이차적(그러나 중요한) 폐 기능에 대해 논의합니다: 높은 병원체 부하로부터 선조를 보호합니다. 우리는 구조-기능 관계를 탐구하기 위해 현실적인 기관지 나무의 형태계측 매개변수 기반 수학적 모델을 구축합니다. 우리는 가스 교환을 위한 최대 표면적, 최소 저항 및 최소 부피가 대칭 조건 근처에서 얻어지는 것을 관찰합니다. 대조적으로, 우리는 비말단 기도에 흡입된 이물질의 침착이 비대칭에 의해 강화된다는 것을 보여줍니다. 우리는 모델을 통해 최대 입자 여과에 대한 최적의 비대칭 값이 인간 폐에서 실험적으로 측정된 값의 10% 내에 있음을 보여줍니다. 폐의 이러한 구조적 특성은 병원체가 포함된 에어로졸에 대한 숙주의 자기 방어를 돕습니다. 우리는 일반적인 인간 폐의 자연스러운 비대칭 설계가 이러한 보호를 얻기 위해 어떻게 가스 교환 최적성을 희생하는지 설명합니다. 일반적인 인간 폐에서 가장 최적의 상태(대칭 분기와 관련됨)와 비교할 때 유체 저항은 14% 더 크고, 가스 교환 표면적은 약 11% 더 낮으며, 폐 용적은 약 13% 더 큽니다. 이물질에 대한 보호가 4.4% 증가했습니다. 이러한 보호 기능은 생존에 중요한 분기 비율의 사소한 변화나 환기의 변화에도 강력합니다.

폐의 주요 기능은 대기와 선방의 혈액 사이의 가스 교환을 촉진하는 것입니다. 여기서 가스 교환은 넓은 표면적(\(70\,\textrm{m}^2\))1에 걸쳐 극도로 얇은 막(\(0.6\,\upmu \textrm{m}\))을 통해 발생합니다. 기도를 통한 공기 흐름의 메커니즘과 폐포막을 통한 가스 확산은 의료계와 유체역학계에서 광범위하게 연구되었습니다. 폐의 2차(동일하게 중요하지만 덜 연구된) 목적은 선포에 도달하는 공기가 상대적으로 병원균이 없도록 하는 것입니다. 흡입된 공기에는 연기, 먼지, 비말을 운반하는 병원균, 에어로졸 형태의 유해 독소 등 여러 가지 불순물이 포함될 수 있으며, 이는 폐 깊은 곳에 도달하면 여러 가지 건강상의 위험을 초래할 수 있습니다. 입자가 함유된 공기가 기도를 통과할 때 입자는 기도의 점막 내막을 따라 크게 침전됩니다. 기도의 가지형 구조는 이러한 입자에 대한 기계적 필터 역할도 합니다.

신체의 다양한 기관 중에서 소화기관과 폐기관은 각각 음식 섭취와 공기 흡입을 통해 이물질에 가장 많이 노출됩니다. 위장관에는 그 자체의 생화학적 방어 메커니즘이 있는 반면, 폐 시스템의 방어 메커니즘은 대부분 물리적인 것입니다. 신체에는 공기 중에 부유하는 병원균이 먼저 벽에 쌓이지 않고는 이를 정화하는 메커니즘이 없기 때문입니다. 폐는 실제로 면역학적 방어 메커니즘을 갖추고 있지만 입자가 기관지 벽에 침착된 후에만 활성화될 수 있습니다.

이 원고에서 우리는 폐 형태의 비대칭이 신체에 그러한 보호 메커니즘을 제공할 것이라고 주장할 것입니다. 폐 분기 비대칭은 널리 알려져 있지만 진화 동기는 잘 알려져 있지 않습니다. 언뜻 보면, 폐 비대칭으로 인해 폐포 표면적이 감소하고, 호흡 활동이 증가하며, 기도 나무가 차지하는 전체 부피가 늘어나서 모두 폐 기능이 저하되는 것처럼 보입니다. 그러므로 비대칭성은 폐의 최적 설계를 방해하는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 우리는 비대칭 기도 분기가 덜 논의된 폐의 2차 기능인 에어로졸 여과를 최적화하는 동시에 1차 기능 효율성 중 일부를 희생한다는 것을 입증합니다.