Chez l’homme, le système de distribution chargé de transporter l’air frais depuis les voies aériennes supérieures jusqu’à la zone d’échange air-sang (les régions acinaires) est une structure branchée hautement ramifiée, l’arbre trachéobronchique. De façon étonnante, on peut montrer par des arguments physiques que cette structure complexe correspond à une optimisation simultanée de l’espace occupé, de la résistance aérodynamique et du temps de transit du mélange gazeux respiré. En revanche, ce caractère optimal disparaît dès lors que l’on s’intéresse au transfert de fluides, comme dans le cas de la thérapie par substitution de surfactant. Cette thérapie, qui vise à remplacer le surfactant absent dans les régions acinaires du poumon, opère en propageant tout au long des bronches un bouchon liquide initialement instillé par voie intra-trachéale. Or, deux mécanismes essentiels interviennent au cours de cette propagation : (i) le dépôt de fluide sur les parois des bronches lors de la progression du bouchon liquide, (ii) la division du bouchon à chaque bifurcation de l’arbre. Ces deux mécanismes conditionnent respectivement l’efficacité et l’homogénéité de la distribution finale de surfactant. Malheureusement, homogénéité et efficacité dépendent de manière contradictoire des conditions d’administration, en particulier du débit. Nos calculs montrent ainsi que, si la double contrainte d’efficacité et d’homogénéité peut être satisfaite assez aisément chez le nouveau-né, elle conduit en revanche chez l’adulte à une réduction considérable de la fenêtre des paramètres d’administration acceptables, et ainsi expliquer en partie certains échecs cliniques antérieurs de la thérapie par substitution de surfactant. La non-linéarité des phénomènes et la sensibilité de la thérapie aux conditions d’administration requièrent donc une véritable « ingénierie » de l’administration et, par conséquent, un dialogue très étroit entre la médecine et la physique ou la mécanique des fluides.
Mechanics of Gas and Fluid Transport in the Tracheobronchial Tree
In the human respiratory system, the distribution system in charge of bringing fresh air from the upper airways to the air-blood exchange region (the acinar regions) is a highly branched structure called the tracheobronchial tree. Interestingly, it is possible to show through physical arguments that this complex structure corresponds to a simultaneous optimization of its occupied space, of the hydrodynamic resistance, and of the transit time across the structure of the inhaled gas mixture. However, this optimization disappears when dealing with fluid transport, as it is the case for instance in surfactant replacement therapy. This therapy, which aims at replacing the surfactant missing in the acinar regions of the lung, operates by propagating through the bronchial system a liquid plug initially instilled into the trachea. Two main mechanisms govern this propagation: (i) coating of the liquid on the airway wall when the liquid plug moves along an individual airway, (ii) splitting of the plug at each bifurcation of the tree. They hence determine the homogeneity and the efficiency of the final surfactant distribution. Unfortunately, homogeneity and efficiency depend in contradictory ways on the delivery conditions, especially on the instilled flow rate. Our computations show that, even if this double constraint can be easily fulfilled in the premature neonate, it leads in the adult lung to a considerable narrowing of the window of admissible delivery parameters and can explain several unsuccessful clinical trials in surfactant replacement therapy. The non linearity of the physical phenomena and the sensitivity of the therapy toe the delivery conditions require here a real “engineering” of the delivery and subsequently, a very close dialog between medicine, physics, and fluid mechanics.