Respirare Particelle: Il Nostro Modello 3D Rivela Dove Vanno a Finire Davvero

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che facciamo migliaia di volte al giorno senza pensarci: respirare. Ma vi siete mai chiesti dove vanno a finire esattamente le minuscole particelle sospese nell’aria che inaliamo? Che si tratti di farmaci spray, inquinanti fastidiosi o persino particelle radioattive, capire il loro percorso nelle nostre vie aeree è fondamentale. Ebbene, abbiamo fatto un bel passo avanti in questo campo, usando tecnologie all’avanguardia per creare mappe incredibilmente dettagliate del nostro respiro.

Perché i vecchi modelli non bastano più?

Per anni, ci siamo affidati a modelli come l’MPPD (Multiple-Path Particle Dosimetry) o l’HRTM (Human Respiratory Tract Model) dell’ICRP (Commissione Internazionale per la Protezione Radiologica). Sono stati strumenti preziosi, non fraintendetemi, ma hanno un limite: si basano su geometrie molto semplificate delle vie respiratorie, immaginandole un po’ come dei tubi cilindrici uniformi. La realtà, come potete immaginare, è molto più complessa! Il nostro naso, la trachea, i bronchi… sono strutture intricate, piene di curve e anfratti. Queste semplificazioni, purtroppo, limitano la precisione con cui possiamo prevedere dove le particelle si depositano, specialmente in punti specifici. E questo fa una differenza enorme, sia che si parli dell’efficacia di una terapia aerosol, sia che si valuti il rischio per la salute legato all’inalazione di sostanze nocive. Se una particella radioattiva si concentra tutta in un piccolo punto, il danno locale può essere molto maggiore rispetto a una distribuzione uniforme.

Entra in gioco la nuova generazione: MRCP e CFPD

Qui entra in gioco la nostra innovazione. Abbiamo deciso di unire due potenti strumenti: i Mesh-type Reference Computational Phantoms (MRCPs) e la Computational Fluid-Particle Dynamics (CFPD). Cosa sono? Gli MRCP sono dei “fantasmi” digitali incredibilmente dettagliati del corpo umano, basati su dati di TAC ad alta risoluzione. Pensate a una mappa 3D super accurata dei nostri organi, incluse le vie respiratorie fino alle prime diramazioni bronchiali. La CFPD, invece, è una tecnica di simulazione computerizzata che ci permette di calcolare come l’aria (il fluido) e le particelle sospese si muovono insieme all’interno di queste geometrie complesse. In pratica, abbiamo “fatto respirare” questi modelli digitali ultra-realistici, osservando il viaggio delle particelle con una precisione mai vista prima. Abbiamo persino aggiunto il setto nasale, che nei modelli standard a volte manca, perché abbiamo capito che gioca un ruolo cruciale!

Sorprese nel naso: dove si ferma cosa?

E i risultati? Beh, sono stati illuminanti! Abbiamo scoperto cose interessanti, soprattutto nel tratto iniziale, quello extratoracico (ET), che comprende naso e faringe.

• Per le particelle molto piccole (sotto 0.5 micrometri), quelle dominate dalla diffusione (un po’ come il polline nell’acqua), il nostro modello CFPD ha mostrato una maggiore deposizione nel naso rispetto a quanto previsto dai modelli ICRP. Sembra che le curve e le superfici complesse del naso reale siano più efficaci nel catturare queste particelle minuscole.
• Per le particelle più grandi (sopra 0.5 micrometri), dove contano di più l’inerzia e la gravità, è successo il contrario: i modelli ICRP tendevano a sovrastimare la deposizione nasale. Il nostro modello, più realistico, ha mostrato che una quota maggiore di queste particelle riesce a superare il “filtro” nasale.

Ma la vera sorpresa è stata la distribuzione all’interno del tratto nasale. I modelli ICRP suggeriscono una ripartizione dei depositi con circa il 65% nella parte anteriore (ET1) e il 35% in quella posteriore (ET2, verso la faringe). Noi, invece, abbiamo visto quasi l’opposto: solo il 25-35% si ferma in ET1, mentre ben il 65-75% si deposita in ET2, proprio vicino alla giunzione tra le due zone, un’area ricca di turbinati. Questo “ingorgo” di particelle in una zona specifica è qualcosa che i modelli semplificati non potevano prevedere. Abbiamo anche notato che la pressione dell’aria attraverso il naso sembra essere un fattore più determinante della semplice velocità del flusso per prevedere la deposizione, confermando ipotesi di altri ricercatori. L’aggiunta del setto nasale nel nostro modello ha fatto una differenza enorme, triplicando quasi la deposizione nasale simulata rispetto ai modelli senza setto!

Viaggio in trachea e bronchi: curve pericolose

Scendendo più in profondità, nella trachea e nella prima biforcazione bronchiale (BB1), le cose si fanno ancora più complesse. Il flusso d’aria non è laminare come in un tubo liscio. Si creano vortici, zone di ricircolo, soprattutto dove le vie aeree si dividono. Abbiamo visto che la deposizione in BB1 dipende fortemente da due numeri magici: il numero di Stokes (Stk), che misura l’inerzia della particella rispetto alle forze del fluido, e il numero di Reynolds (Re), che descrive il regime del flusso (laminare o turbolento). In pratica, particelle più “pesanti” o flussi più veloci/turbolenti portano a una maggiore deposizione per impatto contro le pareti, specialmente nelle curve. Anche qui, la deposizione non è uniforme: ci sono zone preferenziali, dei veri e propri “punti caldi” dove le particelle tendono ad accumularsi. Il nostro modello ci ha permesso di mappare queste zone con grande dettaglio, cosa impossibile con i vecchi approcci. Abbiamo persino sviluppato delle formule matematiche (usando funzioni logistiche e ottimizzazione statistica) per descrivere meglio come l’efficienza di deposizione cambia al variare di Stk e Re in questa regione critica.

Cosa cambia concretamente?

Tutto questo lavoro non è solo un esercizio accademico. Capire così nel dettaglio dove vanno le particelle ha implicazioni enormi:

• Terapie Inalatorie Migliori: Possiamo progettare farmaci aerosol e inalatori che rilascino il principio attivo esattamente dove serve, massimizzando l’efficacia e riducendo gli effetti collaterali.
• Valutazione dei Rischi più Accurata: Che si tratti di inquinamento atmosferico o di esposizione accidentale a sostanze radioattive, sapere dove si concentrano le particelle permette di stimare il danno potenziale (ad esempio, la dose di radiazioni locale) in modo molto più preciso. Questo è cruciale per la protezione della salute pubblica e la sicurezza radiologica.
• Verso una Medicina Personalizzata: Un giorno, potremmo usare modelli specifici per l’anatomia di un singolo paziente per ottimizzare le terapie inalatorie su misura.

La strada è ancora lunga, ma promettente

Certo, il nostro lavoro ha ancora dei limiti. Il modello MRCP attuale arriva solo fino alla prima generazione di bronchi. Il prossimo passo sarà estenderlo alle vie aeree più profonde, fino agli alveoli polmonari. Inoltre, abbiamo simulato condizioni di respiro costante; in futuro vogliamo includere la dinamica del respiro normale (inspirazione ed espirazione variabili) e considerare anche particelle non perfettamente sferiche, che sono comuni nell’ambiente reale. Ma la strada intrapresa è quella giusta. L’integrazione di queste anatomie digitali ultra-realistiche con potenti simulazioni fluidodinamiche sta aprendo una nuova era nella comprensione di come interagiamo con l’aria che respiriamo. È un viaggio affascinante nel microcosmo delle nostre vie aeree, e siamo solo all’inizio!

Fonte: Springer