Po raz pierwszy naukowcy mają możliwość bezpośredniego porównania różnych rodzajów uszkodzeń komórek płuc wywołanych wentylacją mechaniczną.
W nowym badaniu, wykorzystującym model respiratora na układzie scalonym opracowany na Uniwersytecie Stanowym Ohio, naukowcy odkryli, że naprężenia ścinające powstające w wyniku zapadania się i ponownego otwierania pęcherzyków powietrznych to najbardziej szkodliwy rodzaj uszkodzeń.
Ten miniaturowy model „organu na układzie scalonym” symuluje nie tylko uszkodzenie płuc podczas wentylacji mechanicznej, ale także proces naprawy i rekonwalescencji w komórkach pochodzenia ludzkiego w czasie rzeczywistym, powiedział współautor pracy, dr Samir Ghadiali, profesor i kierownik katedry inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Stanowym Ohio.
„Początkowe uszkodzenia są czysto fizyczne, ale procesy, które następują później, mają charakter biologiczny — a to, co robimy za pomocą tego urządzenia, to łączenie tych dwóch zjawisk” — powiedział Ghadiali.
Zespół ma nadzieję, że urządzenie pomoże również w poszukiwaniu terapii mających na celu leczenie uszkodzeń płuc wywołanych respiratorem.
„To ważny postęp w tej dziedzinie, który miejmy nadzieję pozwoli na lepsze zrozumienie, w jaki sposób rozwija się uszkodzenie płuc u pacjentów wentylowanych mechanicznie, a także na identyfikację celów terapeutycznych, dzięki czemu będziemy mogli podawać leki zapobiegające tego typu uszkodzeniom lub leczyć je, gdy już wystąpią” – powiedział współautor, dr Joshua Englert, adiunkt pulmonologii, intensywnej terapii i medycyny snu w Centrum Medycznym Wexnera Uniwersytetu Stanowego Ohio.
Badania opublikowano niedawno w czasopiśmie Laboratorium na chipie.
Respiratory ratują życie pacjentów z poważnymi problemami układu oddechowego związanymi z chorobą lub urazem, ale od dawna wiadomo, że siły mechaniczne wywierane na płuca również powodują obrażenia. Uszkodzenia na poziomie komórkowym mogą sprawić, że bariera między maleńkimi pęcherzykami powietrza a naczyniami włosowatymi przenoszącymi krew stanie się nieszczelna, co doprowadzi do gromadzenia się płynu, który utrudni dotarcie tlenu do płuc.
Szczególnie cenny jest pomiar zmian w komórkach w czasie rzeczywistym, które wpływają na integralność tej bariery, dokonywany przez respirator-on-a-chip, który umożliwia innowacyjne podejście: hodowanie ludzkich komórek płuc na syntetycznej membranie nanowłókiennej imitującej złożoną macierz płuc. Jest to bliższe autentycznemu wentylowanemu mikrośrodowisku płuc niż jakikolwiek inny podobny system chipów płucnych do tej pory, twierdzą naukowcy.
Urządzenie mierzy skutki oddziaływania trzech rodzajów naprężeń mechanicznych na integralność bariery: rozciągnięcie komórek płucnych na skutek nadmiernego napompowania, wzrost ciśnienia na komórki płucne oraz cykliczne zapadanie się i otwieranie pęcherzyków powietrznych.
Eksperymenty wykazały, że nadmierne napompowanie dużą objętością powietrza oraz cykliczne zapadanie się i otwieranie pęcherzyków powietrza powodowały nieszczelność bariery, ale komórki były w stanie szybciej regenerować się po nadmiernym napompowaniu niż po powtarzającym się otwieraniu i zamykaniu pęcherzyków powietrza.
Englert powiedział, że zapadnięcie się i ponowne otwarcie może być bardziej problematyczne, ponieważ powoduje ruch płynu w płucach, narażając komórki na duże naprężenia ścinające.
„Naprawdę nie było zbyt wielu danych, które mogłyby umożliwić porównanie tych dwóch szkodliwych sił w tym samym systemie” – powiedział. „Ale teraz po raz pierwszy możemy użyć tego samego urządzenia z tymi samymi komórkami i wywołać oba rodzaje obrażeń i zobaczyć, co się stanie. Nasze dane sugerują, że żaden z nich nie jest dobry, oba są szkodliwe, ale załamanie i ponowne otwarcie wydaje się być poważniejsze i utrudnia powrót do zdrowia”.
Według Ghadialiego odkrycie to jest dowodem na wyrafinowanie tego modelu.
„Od dawna wiedzieliśmy, że zapadnięcie się i ponowne otwarcie jest dość szkodliwą siłą, ale nigdy nie mogliśmy jej zmierzyć w czasie rzeczywistym” — powiedział. „Teraz, gdy wiemy, że obrażenia spowodowane zapadnięciem się i ponownym otwarciem zdarzają się znacznie szybciej i wymagają dużo czasu na wyleczenie, planujemy użyć respiratora na chipie, aby dowiedzieć się, jak zapobiegać tym urazom i/lub usprawnić naprawę”.
Kolejne kroki obejmują modelowanie chorób, takich jak zapalenie płuc i urazy pourazowe, których doświadczają pacjenci OIOM-u, w połączeniu z działaniem mechanicznym.
„Jesteśmy na wczesnym etapie opracowywania niektórych z tych modeli, zagłębiając się nieco bardziej w złożoność urazów płuc u pacjentów OIOM” – powiedział Englert. „Ten model jest platformą, na której możemy budować”.
Ghadiali i Englert, również badacze z Davis Heart and Lung Research Institute w Ohio State, docenili pierwszą autorkę Basię Gabela-Zuniga, która niedawno uzyskała doktorat z inżynierii biomedycznej, za doprowadzenie projektu do końca, i docenili wkład współautorek z College of Engineering Heather Powell i Natalii Higuita-Castro. Dodatkowymi współautorami byli Vasudha Shukla i Christopher Bobba z Ohio State.
Pracę tę wsparły Narodowe Instytuty Zdrowia i Departament Obrony USA.
