Для многих из нас акт дыхания является естественным. За кулисами наша диафрагма — куполообразная мышца, расположенная прямо под грудной клеткой, - работает как медленный и устойчивый батут, опускаясь вниз, чтобы создать вакуум, позволяющий легким расширяться и втягивать воздух, а затем расслабляться, когда воздух выталкивается наружу. Таким образом, диафрагма автоматически контролирует объем наших легких и является главной мышцей, ответственной за нашу способность дышать.

Но когда функция диафрагмы нарушена, инстинкт дыхания становится трудоемкой задачей. Хроническая дисфункция диафрагмы может возникать у людей с БАС, мышечной дистрофией и другими нервно-мышечными заболеваниями, а также у пациентов с параличом и повреждением диафрагмального нерва, который стимулирует сокращение диафрагмы.

Новый концептуальный проект инженеров Массачусетского технологического института призван в один прекрасный день повысить жизнеобеспечивающую функцию диафрагмы и улучшить объем легких у людей с дисфункцией диафрагмы.

Команда Массачусетского технологического института разработала мягкий, роботизированный и имплантируемый аппарат искусственной вентиляции легких, который предназначен для усиления естественных сокращений диафрагмы. В основе системы лежат две мягкие, похожие на баллоны трубки, которые могут быть имплантированы поверх диафрагмы. При накачке внешним насосом трубки действуют как искусственные мышцы, которые давят на диафрагму и помогают легким расширяться. Трубки можно надувать с частотой, соответствующей естественному ритму диафрагмы.

Исследователи продемонстрировали имплантируемый аппарат искусственной вентиляции легких на моделях животных и показали, что в случаях нарушения функции диафрагмы система способна значительно увеличить количество воздуха, которое могут втягивать легкие.

Предстоит еще много работы, прежде чем такая имплантируемая система сможет быть использована для лечения людей с хронической дисфункцией диафрагмы. Но предварительные результаты открывают новый путь в технологии вспомогательного дыхания, который исследователи стремятся оптимизировать.

"Это доказательство концепции нового способа вентиляции", - говорит Эллен Рош, адъюнкт-профессор машиностроения и сотрудник Института медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института. "Биомеханика этой конструкции ближе к нормальному дыханию, по сравнению с аппаратами искусственной вентиляции легких, которые нагнетают воздух в легкие, где у вас есть маска или трахеостома. Предстоит пройти долгий путь, прежде чем это будет имплантировано человеку. Но это захватывающе, что мы смогли показать, что можем усилить вентиляцию с помощью чего-то имплантируемого ".

Рош и ее коллеги опубликовали свои результаты 12 декабря в журнале Nature Biomedical Engineering. Среди ее соавторов в Массачусетском технологическом институте - первый автор и бывшая аспирантка Люси Ху, а также Маниша Сингх и Диего Кеведо Морено; наряду с Жаном Боннеманом из университетской больницы Лозанны в Швейцарии и Моссабом Саидом и Николаем Васильевым из Бостонской детской больницы.

Конструкция имплантируемого аппарата искусственной вентиляции легких, разработанная командой, выросла из предыдущей работы Roche над вспомогательным устройством для сердца. Будучи аспирантом Гарвардского университета, Рош разработала сердечный рукав, предназначенный для обертывания вокруг сердца, чтобы снизить давление и обеспечить поддержку при прокачке органа.

Теперь в Массачусетском технологическом институте она и ее исследовательская группа обнаружили, что аналогичная мягкая роботизированная помощь может быть применена к другим тканям и мышцам.

"Мы подумали, что это за еще одна большая мышца, которая накачивается циклически и поддерживает жизнь? Диафрагма", - говорит Рош.

Команда начала изучать конструкции имплантируемого аппарата искусственной вентиляции легких задолго до начала пандемии COVID-19, когда использование обычных аппаратов искусственной вентиляции легких резко возросло вместе со случаями. Эти аппараты искусственной вентиляции легких создают положительное давление, при котором воздух проталкивается вниз через центральные дыхательные пути пациента и нагнетается в легкие.

Диафрагма, напротив, создает отрицательное давление. Когда мышца сокращается и толкает вниз, она создает отрицательное давление, которое всасывает воздух в легкие, подобно тому, как тянут за ручку велосипедного насоса, чтобы втянуть воздух.

Команда Роша стремилась разработать аппарат искусственной вентиляции легких с отрицательным давлением — систему, которая могла бы помочь усилить естественную функцию диафрагмы, особенно для тех, у кого длительная дыхательная дисфункция.

"Мы действительно думали о хронически больных людях, страдающих этими дегенеративными заболеваниями, которые постепенно усугубляются", - говорит она.

Новая система, описанная в статье, состоит из двух длинных, мягких и надувных труб, которые напоминают тип пневматических устройств, известных как приводы Маккиббена. Команда приспособила трубки так, чтобы они располагались поперек диафрагмы (спереди назад) и прикреплялись к грудной клетке по обе стороны от куполообразной мышцы. Один конец каждой трубки соединяется с тонким внешним трубопроводом, который проходит к небольшому насосу и системе управления.

Анализируя сокращения диафрагмы, команда может запрограммировать насос на накачку трубок с аналогичной частотой.

"Мы поняли, что нам не нужно полностью имитировать движение диафрагмы — нам просто нужно дать ей дополнительный толчок вниз, когда она естественным образом сокращается", - говорит Рош.

Исследователи протестировали систему на обезболиваемых свиньях, имплантировав трубки поверх диафрагмы животных и хирургическим путем прикрепив концы трубок к ребрам на обоих концах мышцы. Они контролировали уровень кислорода у животных и наблюдали за функцией их диафрагмы с помощью ультразвуковой визуализации.

Команда обнаружила, что в целом имплантируемый аппарат искусственной вентиляции легких увеличивал дыхательный объем свиней, или количество воздуха, которое легкие могли втягивать при каждом вдохе. Наиболее значительное улучшение наблюдалось в тех случаях, когда сокращения диафрагмы и искусственных мышц были синхронизированы. В этих случаях вентилятор помогал диафрагме втягивать в три раза больше воздуха, чем это было бы без посторонней помощи.

"Мы были рады видеть, что смогли добиться таких изменений в приливном объеме, и мы смогли спасти вентиляцию", - говорит Рош.

Команда работает над оптимизацией различных аспектов системы с целью когда-нибудь внедрить ее у пациентов с хронической дисфункцией диафрагмы.

"Идея в том, что мы знаем, что определенные части этой системы можно было бы миниатюризировать", - говорит Рош. "Насос и систему управления можно носить на поясе или рюкзаке или даже потенциально полностью имплантировать. Существуют имплантируемые сердечные насосы, так что мы знаем, что это выполнимо. На данный момент мы многое узнаем о биомеханике и работе дыхания, а также о том, как мы можем улучшить все это с помощью этого нового подхода ".