Respirez profondément, s'il vous pla?t !
Les poumons abritent un liquide complexe : le surfactant. Il peut faire la différence entre la vie et la mort chez les prématurés ou les personnes atteintes de Covid dans les unités de soins intensifs. Une scientifique des matériaux de l'ETH veut apporter un peu de lumière dans cette substance trouble.
Maria Novaes Silva est une jeune femme pleine d'entrain. Elle marche d'un bon pas dans les couloirs du laboratoire de Jan Vermant à l'ETH. A peine a-t-elle fermé la porte du laboratoire à l'étage qu'elle est déjà en bas, dans la cave sans fenêtre. Arrivée à son appareillage expérimental, elle enfile sa blouse de laboratoire et devient calme et concentrée. Tout doucement, elle verse un liquide trouble dans une petite chambre en plexiglas. "Ce liquide complexe s'appelle le surfactant et a été extrait des poumons d'animaux". Dans le cadre de sa thèse de doctorat, Maria veut mieux comprendre les propriétés de ce liquide particulier.
Des cellules pulmonaires spéciales produisent le surfactant. Il facilite l'inspiration et empêche les alvéoles pulmonaires de s'affaisser à la fin de l'expiration. Le surfactant revêt une grande importance sur le plan médical. Si les prématurés naissent avant que leurs poumons ne soient matures, leurs chances de survie sont nettement plus faibles. En injectant du surfactant dans les poumons, la médecine tente de sauver l'organe. Et chez les patients Covid qui doivent être ventilés, les cellules pulmonaires qui produisent le surfactant sont affectées.
Jan Vermant, professeur de matériaux souples à l'ETH et membre du Centre de compétences pour les matériaux et les processus (MaP), est souvent en contact avec des médecins. Ils lui ont appris qu'une respiration profonde doit avoir lieu de temps en temps lors de la ventilation des patients. Si la ventilation était constamment régulière, la fonction pulmonaire se dégraderait. La médecine ne comprend pas encore en détail pourquoi il est important pour les poumons de se remplir complètement de temps en temps. Toujours est-il que pour les jeunes parents, il peut être réconfortant de penser que l'enfant qui pleure remplit à nouveau correctement ses poumons. "Un profond soupir de temps en temps est important pour notre respiration", sait Maria.
Maria suppose que la tension superficielle du surfactant y est pour quelque chose. Les forces moléculaires font en sorte que la surface des liquides reste aussi petite que possible. La tension de surface est également la raison pour laquelle les gouttes d'eau sont rondes. Pour vérifier cette hypothèse, Maria simule des respirations moyennes dans la chambre en plexiglas remplie et mesure ainsi la tension de la surface du surfactant. Dans la première expérience, elle fait entrer et sortir l'air de manière régulière. Elle simule la respiration au repos. La scientifique des matériaux mesure alors une tension de surface de 25 millinewtons par mètre. Maria aide à classer ce chiffre : "C'est une tension de surface élevée lorsqu'il s'agit de la respiration. Si nous devions toujours respirer contre, ce serait très fatigant".
La scientifique des matériaux Maria Novaes Silva étudie le surfactant pulmonaire en laboratoire.
Maria remplit l'installation expérimentale unique en son genre avec le surfactant. (Image : Daniel Winkler)
Dans une deuxième expérience, elle perturbe la respiration régulière au repos chaque fois après environ quatre cycles par un apport d'air unique plus important. Si l'air entre et sort ensuite à nouveau de manière régulière, la tension passe de 25 à 15. "Nous supposons que des respirations profondes de temps en temps sont importantes pour abaisser la tension de surface et faciliter ainsi la respiration".
Pour illustrer son propos, Maria a préparé une présentation. Dans la salle de séminaire, elle explique que notre système respiratoire bifurque plus de vingt fois, de la trachée aux alvéoles en passant par les bronches et les bronchioles. Les alvéoles situées tout au bout de cet arbre forment un réseau de plusieurs centaines de millions de bulles reliées par des pores. Ces alvéoles pulmonaires se remplissent à l'inspiration et se vident à l'expiration. Pour éviter qu'elles ne s'effondrent lorsqu'elles sont vides, elles sont revêtues du surfactant.
Jusqu'au soupir profond
De retour au laboratoire, elle remplit maintenant le surfactant animal dans une autre installation expérimentale. Elle fait penser à une araignée géante aux nobles pattes argentées. Au centre, une fine aiguille semble suspendue au-dessus du surfactant. Il n'existe qu'une poignée de ces appareils uniques au monde, développés dans le laboratoire de l'ETH. Au sous-sol, Maria a simulé la respiration naturelle : quelques respirations plus légères, de temps en temps une plus profonde. Ici, à l'étage supérieur, elle simule plusieurs respirations de la respiration légère au repos, puis progressivement des respirations de plus en plus profondes, et enfin les soupirs profonds. L'étirement et la contraction modifient la surface du surfactant. L'aiguille mesure alors la tension de surface. Maria peut ainsi déterminer quelle est l'influence de la profondeur de la respiration. Pour l'instant, il semble que la dilatation soit le facteur qui diminue la tension de surface et facilite la respiration.
"La situation dans les poumons est bien s?r beaucoup plus complexe", dit la doctorante en s'excusant presque. "Mais nous sommes des scientifiques des matériaux et nous voulons caractériser le plus précisément possible les différentes propriétés d'un matériau, c'est pourquoi nous découplons volontairement l'interaction complexe des différentes forces".
Ce matin-là, Maria travaille encore sur une troisième installation expérimentale. Sous le microscope se trouve un petit anneau avec un trou au milieu. Il est entouré de pores minuscules. Il est lui aussi rempli de surfactant. Si Maria exerce une pression sur le liquide à l'aide d'un appareil, le film devient plus fin - jusqu'à ce qu'il se déchire. "C'est voulu", dit Maria en souriant. Elle rappelle encore une fois sa présentation dans la salle de séminaire. Les alvéoles, les petites alvéoles pulmonaires, sont reliées entre elles par des pores. Il se pourrait que lors de la respiration, le mince film de surfactant se déchire pour équilibrer la pression à l'intérieur des alvéoles via les pores.
Inhaler au lieu d'injecter
Le surfactant est un liquide mystérieux qui fascine visiblement Maria. Dans ses expériences en science des matériaux, ce sont toujours les questions médicales qui la poussent. Les injections chez les prématurés, par exemple. Il existe des approches pour amener le surfactant dans les poumons sous forme d'aérosols, non pas par injection, mais de manière non invasive via un masque respiratoire. "Notre recherche vise à déterminer quels sont les meilleurs paramètres pour améliorer cette technique", résume Maria. "Si nous comprenons les mécanismes, nous pourrons aider les médecins à améliorer leurs outils".
Maria, la jeune et pétillante scientifique des matériaux, semble travailler avec beaucoup d'énergie, de motivation et de persévérance à cet objectif.
?cole doctorale
Le site ?cole doctorale MaP a été créée en 2021 afin de favoriser la mise en réseau au-delà de la structure départementale. Elle offre aux doctorants une formation de premier ordre dans cinq orientations thématiques qui reflètent les principaux domaines de recherche de l'ETH Zurich dans le domaine des matériaux et des processus. L'offre comprend des activités sur mesure telles que des séries de séminaires, des visites de laboratoires et des excursions, ainsi qu'un programme polyvalent de développement des compétences personnelles. L'école est issue du MaP, le Centre de compétences pour les matériaux et les processus (MaP) de l'ETH Zurich, qui réunit 80 groupes de recherche de 11 départements et plus de 600 doctorants.
