Un nou model computațional al deglutiției evidențiază factorii care duc la disfagie

Motilitatea esofagiană umană este esențială pentru transportul alimentelor de la faringe către stomac prin unde peristaltice unidirecționale. Spre deosebire de intestin, esofagul prezintă particularități biomecanice și neurologice distincte, evidențiate recent prin manometrie de înaltă rezoluție. Disfuncțiile acestui sistem conduc la durere toracică non-cardiacă, disfagie și complicații grave, precum pneumonia de aspirație.

Caracteristici-cheie ale motilității esofagiene

• Bistabilitatea sfincterului esofagian inferior: acesta alternează între o stare de contracție tonică („pornit”) și una de relaxare tranzitorie („oprit”) controlată de semnale centrale.
• Legea intestinului: în timpul peristaltismului apare o dilatare anală față de zona contractilă, conform regulii excitare deasupra și inhibiție dedesubt.
• Unidirecționalitatea impulsului: undele se propagă doar în sens oral–anal, fără reveniri retrograde.
• Inhibiția deglutivă repetată: la înghițiri rapide succesive, doar ultimul impuls este transmis - un test important pentru evaluarea funcției normale.

Modelul matematic propus

Studiul a construit un model numeric bazat pe sistemul FitzHugh–Nagumo modificat, integrând activitatea sistemului nervos central (SNC), a sistemului nervos enteric (SNE) și a mușchiului neted (MN). Scopul a fost reproducerea fidelă a peristaltismului esofagian normal și a tulburărilor definite de clasificarea Chicago.

Componentele modelului

• Semnalul SNC: stimulează relaxarea sfincterului esofagian inferior (SEI) și inițiază contracția la nivel oral.
• Activitatea SNE: implementată ca sistem excitabil în corpul esofagului și bistabil în regiunea SEI.
• Contractilitatea MN: reglată de semnale motorii descendente care induc atât contracția cât și dilatarea locală.

Vizualizare și calibrare

Modelul produce reprezentări comparabile cu manometria de înaltă rezoluție și ploturi de distensie, ajustând parametrii pentru a reflecta realist comportamentul observat în studiile clinice.

Rezultate: reproducerea motilității normale

• Starea de repaus: SEI rămâne contractat în absența stimulării.
• Transmiterea impulsului: simularea arată propagare unidirecțională a undei, cu relaxare SEI și recontracție ulterioară.
• Legea intestinului: zona de dilatare anală este reprodusă fidel.
• Înghițiri rapide: doar ultima undă este transmisă, imitând inhibiția fiziologică.

Simularea patologiilor motilității esofagiene

Modelul a reprodus tulburările definite de clasificarea Chicago, cu parametri biologic plauzibili:

Tulburări ale relaxării SEI

• Obstrucția jonțiunii esofagogastrice: SEI nu se relaxează complet, dar peristaltismul este prezent.
• Acalazia tip I: relaxare absentă a SEI și lipsa completă a peristaltismului.
• Tip II: similar tipului I, dar cu presurizare pan-esofagiană.
• Tip III: relaxare deficitară SEI combinată cu contracții premature și rapide.

Tulburări ale corpului esofagian

• Spasm esofagian distal: contracții rapide, cu relaxare SEI normală.
• Contractilitate absentă: lipsă completă a undei peristaltice.
• Esofag tip Jackhammer: contracții hiperputernice, uneori de durată prelungită.
• Motilitate esofagiană ineficientă: transmisia undei este afectată de variabilitate stocastică a excitabilității.

Analize și validare matematică

Studiul a folosit analiza fazică și aproximații de tip reacție–difuzie pentru a valida teoretic parametrii asimetrici care determină unidirecționalitatea undei. S-a demonstrat că variația în proiecția semnalului interneuronal determină blocarea impulsurilor retrograde.

Interpretări

Inovații și relevanță

Modelul propus este primul care reproduce unidirecționalitatea peristaltismului uman folosind o arhitectură asimetrică a kernelului interneuronal. Comparativ cu modelele mecanice anterioare care presupuneau a priori viteza undei, acest model oferă o emergență naturală a acesteia și permite generarea de ipoteze verificabile.

Implicarea bistabilității

Comportamentul de tip comutator al sfincterului esofagian inferior este esențial pentru funcționarea fiziologică și este abordat aici printr-o descriere matematică riguroasă.

Limitări și direcții viitoare

• Modelul nu include mecanisme de feedback mecanic și nu simulează direct presiunea intrabolusului.
• Adaptarea la modele bidimensionale ar putea permite simularea unor forme spiralate precum în esofagul Jackhammer.
• Modelul poate fi extins pentru analiza motilității esofagiene în dezvoltarea embrionară sau în condiții funcționale precum disfagia.
• Diferențele interspecifice (de exemplu, între oameni și șoareci) limitează transpunerea directă a datelor experimentale.

Concluzie

Acest model matematic oferă o platformă robustă pentru înțelegerea motilității esofagiene și pentru explorarea patofiziologiei tulburărilor de peristaltism. Simulările pot ghida ipoteze experimentale și pot contribui la dezvoltarea de teste funcționale și terapii personalizate în dismotilitatea esofagiană.