Respirer profondément

Il n'est pas facile de suivre Maria Novaes Silva dans les couloirs du laboratoire de Jan Vermant à l'ETH Zurich. Un instant, elle est à l'étage, l'instant d'après, elle est au sous-sol, sans fenêtre, en train d'enfiler une blouse et de préparer sa prochaine expérience. Versant avec précaution un liquide opaque dans une petite chambre en plexiglas, elle devient immédiatement calme et concentrée. «Ce liquide complexe a été obtenu à partir de poumons d'animaux - il s'agit du surfactant pulmonaire», explique-t-elle. Dans le cadre de son projet de doctorat, Maria Novaes Silva espère mieux comprendre cette substance remarquable.

Le surfactant est produit par des cellules spécialisées dans les poumons. Il facilite la respiration et empêche les minuscules sacs d'air des poumons, appelés alvéoles, de s'effondrer après l'expiration. Le surfactant a également d'importantes applications médicales. Si un bébé prématuré naît avant que ses poumons ne soient complètement développés, ses chances de survie sont beaucoup plus faibles. Les médecins peuvent l'aider en injectant du surfactant dans les poumons pour qu'ils continuent à fonctionner correctement. Chez les patientes et patients atteints du COVID-19 qui ont besoin d'un ventilateur, les cellules alvéolaires qui sécrètent le surfactant sont déficientes.

Jan Vermant, professeur de matériaux souples à l'ETH Zurich et membre du centre de compétence pour les matériaux et les processus (MaP), est souvent en contact avec des médecins et d'autres professionnel·les de la santé. Il a appris d'elles et eux que les patients et patientes sous ventilation mécanique doivent être incitées à respirer profondément de temps en temps, car un taux de ventilation constant entraîne une détérioration de leur fonction pulmonaire. Les expertes et experts médicaux ne savent pas encore exactement pourquoi il est si important que les poumons soient régulièrement gonflés à bloc, mais les jeunes parents peuvent être rassurés par l'idée que leur enfant qui pleure fait travailler ses poumons !

«Il est important pour notre respiration de soupirer profondément de temps en temps», explique Maria Novaes Silva. Elle pense que ce phénomène est lié à la tension superficielle de l'agent tensioactif. Les forces intermoléculaires agissent pour minimiser la surface d'un liquide, et cette tension superficielle est aussi la raison pour laquelle les gouttes d'eau sont sphériques. Pour tester son hypothèse, Maria Novaes Silva simule un rythme respiratoire moyen à l'aide de la chambre en plexiglas. Ce faisant, elle mesure également la tension superficielle de l'agent de surface. Dans une première expérience, l'air entre et sort régulièrement de la chambre pour simuler une respiration au repos. La tension superficielle est alors de 25 millinewtons par mètre. «C'est assez élevé, du moins dans le contexte de la respiration», explique Maria Novaes Silva. «Si nos poumons devaient toujours lutter contre ce niveau de tension superficielle, la respiration serait épuisante !»

Dans une deuxième expérience, elle interrompt ce rythme respiratoire régulier au repos par une seule prise d'air plus importante tous les quatre cycles d'inspiration et d'expiration environ. Lorsque la respiration régulière reprend, la tension superficielle est passée de 25 à 15. «Nous pensons que des respirations profondes occasionnelles peuvent être un facteur important pour réduire la tension superficielle et faciliter la respiration», explique Maria Novaes Silva.

Pour illustrer son propos, la chercheuse a préparé une présentation dans la salle de séminaire. Elle explique que nos voies respiratoires se ramifient plus de 20 fois, se divisant continuellement en branches de plus en plus petites, depuis la trachée, les bronches et les bronchioles jusqu'aux alvéoles. À l'extrémité de cet arbre respiratoire, les alvéoles forment un réseau de plusieurs centaines de millions de vésicules, reliées par des pores alvéolaires. Ces minuscules sacs d'air se gonflent lors de l'inspiration et se dégonflent lors de l'expiration - et ils sont tapissés de surfactant pour éviter qu'ils ne s'effondrent après l'expiration.

De plus en plus profond

De retour au laboratoire, Maria Novaes Silva remplit un autre appareil de tensioactif animal. L'appareil ressemble à une araignée géante avec de petites pattes argentées. Une fine aiguille est suspendue à son corps et semble planer au-dessus de l'agent tensioactif. Il n'existe qu'une poignée de ces systèmes dans le monde, tous développés dans le laboratoire de l'ETH Zurich. Au sous-sol, l'objectif de la scientifique était de simuler la respiration naturelle : quelques respirations douces entrecoupées de quelques respirations profondes. Ici, dans le laboratoire de l'étage, la simulation est conçue pour imiter plusieurs respirations de repos plus douces qui deviennent progressivement de plus en plus profondes jusqu'à devenir un profond soupir. Ces expansions et contractions entraînent des modifications de la surface du surfactant. L'aiguille mesure la tension superficielle tout au long de l'expérience, ce qui permet à Maria Novaes Silva de déterminer ce qui se passe lorsque la respiration devient plus profonde. Pour l'instant, ses résultats suggèrent que c'est l'expansion des poumons qui réduit la tension superficielle et facilite la respiration.

«Il est évident que la situation dans les poumons est beaucoup plus complexe», dit-elle presque en s'excusant. «Mais en tant que scientifiques des matériaux, notre tâche consiste à caractériser les propriétés individuelles d'un matériau aussi précisément que possible, et nous essayons donc délibérément de démêler l'interaction complexe entre les différentes forces.

Il reste à Maria Novaes Silva un autre appareil à tester. Sous le microscope se trouve un petit anneau percé d'un trou en son centre. Il est entouré de minuscules pores et rempli de surfactant. À l'aide d'un dispositif spécial, la chercheuse exerce une pression sur le liquide. Au fur et à mesure, le film s'amincit et finit par se rompre. «Ne vous inquiétez pas, c'est ce qui doit arriver», dit-elle en souriant. Lors de sa présentation dans la salle de séminaire, elle a mentionné que les alvéoles sont reliées par des pores. Une possibilité, dit-elle, est que la fine pellicule de surfactant se brise pendant la respiration. La pression à l'intérieur des alvéoles s'équilibre alors par l'intermédiaire des minuscules pores situés entre les vésicules.

Injecter ou inhaler ?

Maria Novaes Silva est manifestement fascinée par ce fluide mystérieux. Mais ses expériences sur le surfactant sont également motivées par la recherche d'applications médicales. Il s'agit notamment de l'administration de surfactant aux enfants prématurés. Bien que cette administration se fasse souvent par injection, il existe également des approches non invasives qui consistent à administrer le surfactant sous forme d'aérosol à l'aide d'un masque respiratoire. «Nous espérons que nos recherches permettront d'identifier les paramètres susceptibles d'améliorer cette méthode», déclare la scientifique. «En comprenant les mécanismes en jeu, nous pourrons aider les experts médicaux à créer des outils encore plus performants».

Maria Novaes Silva sait ce qu'elle veut faire - et elle a manifestement la persévérance, la motivation et l'énergie nécessaires pour y parvenir.