Lungenbewegung und Oberflächenflüssigkeit

Die Lunge dehnt sich beim Einatmen aus, beim Ausatmen zieht sie sich wieder zusammen. Bei dieser Bewegung leisten Gewebe und Oberfläche einen Widerstand. Die Flüssigkeit auf der Lungenoberfläche verringert diesen Widerstand – insbesondere nach tiefen Atemzügen.

Durch das ausgeprägte Dehnen und Stauchen der Lungenflüssigkeit ordnen sich deren Komponenten in idealer Weise an: Unter einer steifen Grenzschicht liegen weichere Schichten, was das Atmen erleichtert.

Mehr als die Hälfte aller Frühchen, die vor der 28. Schwangerschaftswoche zur Welt kommen, entwickeln kurz nach der Geburt ein Atemnotsyndrom. Ihre Lungen sind noch nicht ausgereift und produzieren zu wenig von der Flüssigkeit, die die Oberflächenspannung in der Lunge reduziert. In der Folge fallen einige Lungenbläschen in sich zusammen – und die Lunge bekommt nicht genug Sauerstoff.

Lunge wird verformbarer

Bis vor 40 Jahren bedeutete das meist den Tod. Gegen Ende der 1980er-Jahre entwickelten Kinderärzte ein lebensrettendes Verfahren: Sie extrahierten die Flüssigkeit aus Tierlungen und spritzten sie in die Lunge der Frühchen ein.

„Bei Neugeborenen funktioniert das sehr gut“, sagt Jan Vermant, Professor für weiche Materialien an der ETH Zürich. „Die Flüssigkeit benetzt die ganze Oberfläche, die Lunge wird dadurch verformbarer – oder um es mit einem technischen Ausdruck zu sagen - nachgiebiger.“

Auch bei Erwachsenen können die Lungen versagen. Während der Corona-Pandemie entwickelten rund 3000 Personen in der Schweiz ein akutes Atemnotsyndrom. Erwachsenen hilft es jedoch nicht, wenn man oberflächenaktive Flüssigkeit aus Tierlungen in ihre Lunge spritzt.

„Das zeigt, dass es nicht nur um eine Verringerung der Oberflächenspannung geht“, sagt Vermant. „Wir denken, dass auch mechanische Spannungen in der Flüssigkeit eine wichtige Rolle spielen.“

Laboruntersuchungen der Lungenflüssigkeit

Seine Forschungsgruppe hat in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Spanien, Belgien und den USA untersucht, wie sich die Lungenflüssigkeit verhält, wenn sie im Labor aufgespannt und wieder verdichtet wird – vergleichbar mit den Bewegungen in der Lunge beim Ein- und Ausatmen. Die Ergebnisse wurden soeben in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

In den Versuchen simulierten die Forschenden normale und besonders tiefe Atemzüge und maßen jeweils die Oberflächenspannung der Flüssigkeit.

„Diese Spannung beeinflusst, wie nachgiebig die Lunge ist“, erklärt Vermant. Je nachgiebiger die Lunge, desto weniger Widerstand beim Ein- und Ausdehnen – und desto einfacher das Atmen.

Physikalische Erklärung für das befreiende Gefühl

Die Messungen zeigten, dass die Oberflächenspannung nach tiefen Atemzügen deutlich abnimmt. Dies erklärt das befreiende Gefühl in der Brust, das nach einem tiefen Seufzer oft auftritt. Der dünne Film der Lungenflüssigkeit besteht aus mehreren Schichten:

„Direkt an der Grenze zur Luft gibt es eine etwas steifere Oberflächenschicht, darunter liegen mehrere Schichten, die im Vergleich zur Schicht an der Oberfläche weicher und zarter sein sollten“, sagt Maria Novaes-Silva, Doktorandin in Vermants Forschungsgruppe und Erstautorin der Studie. Sie konnte experimentell nachweisen, dass diese Schichtung mit der Zeit in einen Gleichgewichtszustand zurückkehrt, wenn sich die Flüssigkeit gar nicht oder nur wenig bewegt.

Tiefe Atemzüge für die ideale Schichtung

Es braucht ab und zu einen tiefen Atemzug, um die ideale Schichtung wiederherzustellen. Durch das Strecken und Stauchen der Lungenflüssigkeit verändert sich die Zusammensetzung der äußeren Schicht.

„Es reichern sich gesättigte Lipide an, dadurch wird die Grenzfläche dichter bepackt“, sagt Novaes-Silva. Vermant ergänzt: „Das ist ein Zustand außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts, der nur mit mechanischer Arbeit aufrechterhalten werden kann.“

Auch aus der klinischen Praxis ist bekannt, dass sich der Lungenwiderstand mit der Zeit allmählich verändert – und dass das Atmen bei konstant flacher Atmung schwerer fällt. Die Messungen im Labor spiegeln diese Beobachtungen wider.

„Diese Übereinstimmungen sind Hinweise, dass wir in unserem Versuchsaufbau reale Eigenschaften erfasst haben“, schließt Novaes-Silva.

Perspektiven für die Behandlung von Lungenversagen

„Ein vielversprechender Ansatz liegt darin, Komponenten zu identifizieren, die mehrschichtige Strukturen künstlich rekonstruieren können“, halten die Forschenden in ihrem Fachbeitrag fest. Vermant verweist im Gespräch auf Schaumtherapien, die von anderen Gruppen aktuell entwickelt und intensiv untersucht werden.

Originalpublikation:
Novaes-Silva, M. C., Rodríguez-Hakim, M., Thompson, B. R., Wagner, N. J., Hermans, E., Dupont, L. J., & Vermant, J. (2025). How sighing regulates pulmonary surfactant structure and its role in breathing mechanics. Science Advances, 11(xx), eadx6034. DOI:10.1126/sciadv.adx6034

Quelle: Ori Schipper, ETH Zürich