Los trastornos respiratorios graves requieren asistencia de emergencia en forma de ventilación forzada. Ya sea que la falla de los propios pulmones o de los músculos respiratorios sea una necesidad incondicional de conectar equipos complejos para saturar la sangre con oxígeno. Varios modelos de ventiladores son un equipo esencial de los servicios de cuidados intensivos o reanimación necesarios para mantener la vida de los pacientes que han manifestado trastornos respiratorios agudos.
En situaciones de emergencia, dicho equipo, por supuesto, es importante y necesario. Sin embargo, como medio de terapia regular ya largo plazo, desafortunadamente, no está exento de inconvenientes. Por ejemplo:
- la necesidad de una estancia permanente en el hospital;
- riesgo permanente de complicaciones inflamatorias debido al uso de una bomba para suministrar aire a los pulmones;
- restricciones en la calidad de vida e independencia (inmovilidad, incapacidad para comer normalmente, dificultades del habla, etc.).
Para eliminar todas estas dificultades, al mismo tiempo que mejora el proceso de saturación de oxígeno en sangre, el innovador sistema de pulmón artificial iLA permite el uso de reanimación, terapéutico y de rehabilitación que ofrecen hoy las clínicas alemanas.
Afrontamiento sin riesgos de la dificultad respiratoria
El sistema iLA es un desarrollo fundamentalmente diferente. Su acción es extrapulmonar y completamente no invasiva. Los trastornos respiratorios se superan sin ventilación forzada. El esquema de saturación de oxígeno en sangre se caracteriza por las siguientes innovaciones prometedoras:
- falta de una bomba de aire;
- ausencia de dispositivos invasivos ("incrustados") en los pulmones y las vías respiratorias.
Los pacientes que tienen un iLA de pulmón artificial no están atados a un dispositivo estacionario y una cama de hospital, pueden moverse normalmente, comunicarse con otras personas, comer y beber por sí mismos.
La ventaja más importante: no es necesario introducir al paciente en un coma artificial con asistencia respiratoria artificial. El uso de ventiladores estándar en muchos casos requiere un "apagado" comatoso del paciente. ¿Para qué? Para paliar las consecuencias fisiológicas de la depresión respiratoria de los pulmones. Desafortunadamente, es un hecho: los ventiladores deprimen los pulmones. La bomba entrega aire bajo presión. El ritmo del suministro de aire reproduce el ritmo de las respiraciones. Pero en una respiración natural, los pulmones se expanden, como resultado de lo cual la presión en ellos disminuye. Y en la entrada artificial (suministro de aire forzado), la presión, por el contrario, aumenta. Este es el factor de opresión: los pulmones están en un modo de estrés, lo que provoca una reacción inflamatoria, que en casos especialmente graves puede transmitirse a otros órganos, por ejemplo, el hígado o los riñones.
Es por esto que dos factores son de suma importancia e igual importancia en el uso de dispositivos de asistencia respiratoria bombeados: la urgencia y la precaución.
El sistema iLA, al ampliar la gama de beneficios en soporte respiratorio artificial, elimina los peligros asociados.
¿Cómo funciona un oxigenador de sangre?
El nombre "pulmón artificial" tiene un significado especial en este caso, ya que el sistema iLA funciona de forma completamente autónoma y no es una adición funcional a los propios pulmones del paciente. De hecho, este es el primer pulmón artificial del mundo en el verdadero sentido de la palabra (y no una bomba pulmonar). No son los pulmones los que se ventilan, sino la sangre misma. Se utilizó un sistema de membrana para saturar la sangre con oxígeno y eliminar el dióxido de carbono. Por cierto, en las clínicas alemanas, el sistema se llama así: un ventilador de membrana (iLA Membranventilator). La sangre se suministra al sistema en un orden natural, por la fuerza de compresión del músculo cardíaco (y no por una bomba de membrana, como en una máquina de circulación extracorpórea). El intercambio de gases se lleva a cabo en las capas de membrana del aparato de forma muy similar a como ocurre en los alvéolos de los pulmones. El sistema realmente funciona como un “tercer pulmón”, descargando los órganos respiratorios enfermos del paciente.
El aparato de intercambio de membrana (el "pulmón artificial" en sí) es compacto, sus dimensiones son 14 por 14 centímetros. El paciente lleva consigo el instrumento. La sangre ingresa a través de un puerto de catéter, una conexión especial a la arteria femoral. Para conectar el dispositivo, no se requiere operación quirúrgica: el puerto se inserta en la arteria de la misma manera que la aguja de una jeringa. La conexión se realiza en la zona inguinal, el diseño especial del puerto no restringe la movilidad y no causa molestia alguna al paciente.
El sistema se puede utilizar sin interrupción durante bastante tiempo, hasta un mes.
Indicaciones para el uso de iLA
En principio, estos son cualquier trastorno respiratorio, especialmente los crónicos. En mayor medida, las ventajas de un pulmón artificial se manifiestan en los siguientes casos:
- enfermedad pulmonar obstructiva crónica;
- síndrome de distrés respiratorio agudo;
- lesiones respiratorias;
- la llamada fase Weaning: destete del ventilador;
- apoyo al paciente antes del trasplante de pulmón.
Científicos estadounidenses de la Universidad de Yale, dirigidos por Laura Niklason, lograron un gran avance: lograron crear un pulmón artificial y trasplantarlo a ratas. Además, se creó por separado un pulmón, que funciona de forma autónoma e imita el trabajo de un órgano real.
Hay que decir que el pulmón humano es un mecanismo complejo. El área de superficie de un pulmón en un ser humano adulto es de unos 70 metros cuadrados, ensamblados de manera que garanticen una transferencia eficiente de oxígeno y dióxido de carbono entre la sangre y el aire. Pero el tejido pulmonar es difícil de reparar, por lo que, por el momento, la única forma de reemplazar las partes dañadas del órgano es un trasplante. Este procedimiento es muy arriesgado debido al alto porcentaje de rechazos. Según las estadísticas, diez años después del trasplante, solo el 10-20% de los pacientes siguen vivos.
Laura Niklason comenta: "Hemos podido diseñar y fabricar un pulmón trasplantable en ratas que transporta oxígeno y dióxido de carbono de manera eficiente y oxigena la hemoglobina en la sangre. Este es uno de los primeros pasos para recrear un pulmón completo en animales más grandes y eventualmente en humanos".
Los científicos han extraído componentes celulares de los pulmones de una rata adulta, dejando estructuras ramificadas del tracto pulmonar y vasos sanguíneos que sirvieron como andamiaje para nuevos pulmones. Y un nuevo biorreactor les ayudó a desarrollar células pulmonares que imita el proceso de desarrollo pulmonar en un embrión. Como resultado, las células cultivadas se trasplantaron al andamio preparado. Estas células llenaron la matriz extracelular, una estructura tisular que proporciona soporte mecánico y transporte de sustancias. Trasplantados a ratas durante 45-120 minutos, estos pulmones artificiales absorbieron oxígeno y expulsaron dióxido de carbono como los reales.
Pero investigadores de la Universidad de Harvard lograron simular el trabajo del pulmón fuera de línea en un dispositivo en miniatura basado en un microchip. Señalan que la capacidad de este pulmón para absorber nanopartículas en el aire e imitar una respuesta inflamatoria a los microbios patógenos proporciona evidencia fundamental de que los órganos con microchip pueden reemplazar a los animales de laboratorio en el futuro.
De hecho, los científicos han creado un dispositivo para la pared de los alvéolos, la vesícula pulmonar, a través de la cual se realiza el intercambio de gases con los capilares. Para ello, sembraron células epiteliales de los alvéolos del pulmón humano en una membrana sintética por un lado y células de los vasos pulmonares por el otro. Se suministra aire a las células pulmonares en el dispositivo, se suministra un líquido que imita la sangre a los "vasos", y el estiramiento y la compresión periódicos transmiten el proceso de respiración.
Para probar la respuesta de los nuevos pulmones a la exposición, los científicos le hicieron "inhalar" la bacteria Escherichia coli junto con el aire que había entrado por el lado del "pulmón". Y al mismo tiempo, desde el lado de los "vasos", los investigadores liberaron glóbulos blancos en el flujo de fluido. Las células pulmonares detectaron la presencia de la bacteria y lanzaron una respuesta inmune: los glóbulos blancos cruzaron la membrana hacia el otro lado y destruyeron los organismos extraños.
Además, los científicos agregaron nanopartículas, incluidos los contaminantes atmosféricos típicos, al aire "inhalado" por el dispositivo. Algunos tipos de estas partículas entraron en las células pulmonares y causaron inflamación, y muchas pasaron libremente al "torrente sanguíneo". Al mismo tiempo, los investigadores encontraron que la presión mecánica durante la respiración mejora significativamente la absorción de nanopartículas.
Los pulmones artificiales, lo suficientemente compactos como para llevarlos en una mochila normal, ya se han probado con éxito en animales. Dichos dispositivos pueden hacer que la vida de aquellas personas cuyos propios pulmones no funcionen correctamente por cualquier motivo sea mucho más cómoda. Hasta ahora, se han utilizado equipos muy voluminosos para estos fines, pero un nuevo dispositivo que los científicos están desarrollando en este momento puede cambiar esto de una vez por todas.
Una persona cuyos pulmones no pueden realizar su función principal, por regla general, se unen a máquinas que bombean su sangre a través de un intercambiador de gases, enriqueciéndola con oxígeno y eliminando dióxido de carbono. Por supuesto, durante este proceso, la persona se ve obligada a acostarse en una cama o sofá. Y cuanto más tiempo se acuestan, más débiles se vuelven sus músculos, lo que hace que la recuperación sea poco probable. Es con el fin de hacer que los pacientes se muevan que se han desarrollado pulmones artificiales compactos. El problema cobró especial relevancia en 2009, cuando se produjo un brote de gripe porcina, a raíz del cual muchos de los enfermos perdieron los pulmones.
Los pulmones artificiales no solo pueden ayudar a los pacientes a recuperarse de algunas infecciones pulmonares, sino que también permiten que los pacientes esperen los pulmones de un donante adecuado para el trasplante. Como saben, la cola a veces puede extenderse durante muchos años. La situación se complica por el hecho de que en las personas con insuficiencia pulmonar, por regla general, el corazón, que tiene que bombear la sangre, también está muy debilitado.
“Crear pulmones artificiales es una tarea mucho más difícil que diseñar un corazón artificial. El corazón simplemente bombea sangre, mientras que los pulmones son una red compleja de alvioli, dentro de los cuales tiene lugar el proceso de intercambio de gases. Hasta la fecha, no existe una tecnología que pueda siquiera acercarse a la eficiencia de los pulmones reales”, dice William Federspiel, de la Universidad de Pittsburgh.
El equipo de William Federspiel ha desarrollado un pulmón artificial que incluye una bomba (que sostiene el corazón) y un intercambiador de gases, pero el dispositivo es tan compacto que cabe fácilmente en una bolsa o mochila pequeña. El dispositivo está conectado a tubos conectados al sistema circulatorio humano, enriqueciendo efectivamente la sangre con oxígeno y eliminando el exceso de dióxido de carbono. Este mes, se completaron con éxito las pruebas del dispositivo en cuatro ovejas experimentales, durante las cuales la sangre de los animales se saturó con oxígeno durante diferentes períodos de tiempo. Por lo tanto, los científicos llevaron gradualmente el tiempo de funcionamiento continuo del dispositivo a cinco días.
Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon de Pittsburgh están desarrollando un modelo alternativo de pulmones artificiales. Este dispositivo está destinado principalmente a aquellos pacientes cuyo corazón está lo suficientemente sano como para bombear sangre de forma independiente a través de un órgano artificial externo. El dispositivo se conecta de la misma manera a tubos que se conectan directamente al corazón humano, luego de lo cual se sujeta al cuerpo con correas. Hasta ahora, ambos dispositivos necesitan una fuente de oxígeno, es decir, un cilindro portátil adicional. Por otro lado, en este momento, los científicos están tratando de resolver este problema y tienen bastante éxito.
En este momento, los investigadores están probando un prototipo de pulmón artificial que ya no necesita un tanque de oxígeno. Según el comunicado oficial, la nueva generación del dispositivo será aún más compacta y se liberará oxígeno del aire circundante. El prototipo se está probando actualmente en ratas de laboratorio y está mostrando resultados realmente impresionantes. El secreto del nuevo modelo de pulmones artificiales radica en el uso de túbulos ultrafinos (de sólo 20 micrómetros) fabricados con membranas poliméricas, que aumentan significativamente la superficie de intercambio gaseoso.
El hecho de que respirar aire en los pulmones puede revivir a una persona se conoce desde la antigüedad, pero los dispositivos auxiliares para esto comenzaron a producirse solo en la Edad Media. En 1530, Paracelso utilizó por primera vez un conducto de aire de boca con fuelles de cuero diseñado para avivar el fuego en una chimenea. Después de 13 años, Vezaleus publicó el trabajo “Sobre la estructura del cuerpo humano”, en el que fundamentaba los beneficios de la ventilación a través del tubo insertado en la tráquea. Y en 2013, los investigadores de la Universidad Case Western Reserve crearon un prototipo de pulmón artificial. El dispositivo utiliza aire atmosférico purificado y no necesita oxígeno concentrado. El dispositivo tiene una estructura similar a un pulmón humano con capilares y alvéolos de silicona y funciona con una bomba mecánica. Los tubos de biopolímero imitan la ramificación de los bronquios en bronquiolos. En el futuro, está previsto mejorar el aparato con referencia a las contracciones del miocardio. Es probable que un dispositivo móvil reemplace un ventilador de transporte.
Las dimensiones del pulmón artificial son de hasta 15x15x10 centímetros, quieren acercar sus dimensiones lo más posible al órgano humano. La enorme área de la membrana de difusión de gas aumenta de 3 a 5 veces la eficiencia del intercambio de oxígeno.
Si bien el dispositivo se está probando en cerdos, las pruebas ya han demostrado su eficacia en la insuficiencia respiratoria. La introducción de un pulmón artificial ayudará a abandonar los ventiladores de transporte más masivos que funcionan con cilindros de oxígeno explosivos.
Un pulmón artificial permite la activación de un paciente confinado a un resucitador montado en la cama o un ventilador de transporte. Y con la activación, aumentan las posibilidades de recuperación y el estado psicológico.
Los pacientes que esperan un trasplante de pulmón de un donante generalmente deben permanecer en el hospital durante bastante tiempo con una máquina de oxígeno artificial, con la que solo puede acostarse en una cama y ver cómo la máquina respira por usted.
El proyecto de un pulmón artificial con capacidad de insuficiencia respiratoria protésica da a estos pacientes la posibilidad de una pronta recuperación.
El kit de pulmón artificial portátil incluye el propio pulmón y una bomba de sangre. El trabajo autónomo está diseñado para un máximo de tres meses. El pequeño tamaño del dispositivo le permite reemplazar el ventilador de transporte de los servicios médicos de emergencia.
El trabajo del pulmón se basa en una bomba portátil que enriquece la sangre con gases de aire.
Algunas personas (especialmente los recién nacidos) no necesitan oxígeno de alta concentración a largo plazo debido a sus propiedades oxidantes.
Otro análogo no estándar de la ventilación mecánica utilizada para la lesión de la médula espinal alta es la estimulación eléctrica transcutánea de los nervios frénicos ("estimulación frénico"). Se desarrolló un masaje pulmonar transpleural según V.P. Smolnikov: la creación de un estado de neumotórax pulsátil en las cavidades pleurales.
Mohammadhossein Dabaghi et al. \Biomicrofluídica 2018
Un grupo de científicos de Canadá y Alemania han creado pulmones artificiales externos para recién nacidos que nacen con problemas respiratorios. Los nuevos pulmones externos son un sistema de microcanales que consisten en membranas porosas de doble cara que enriquecen con oxígeno la sangre que fluye a través de ellas. La sangre fluye a través de dichos canales por sí sola, lo que es una gran ventaja y ayuda a evitar muchos problemas asociados con las bombas externas, según un artículo en biomicrofluídica.
El síndrome de dificultad respiratoria (SDR) ocurre en aproximadamente el 60 por ciento de los recién nacidos a las 28 semanas de gestación y entre el 15 y el 20 por ciento entre las 32 y las 36 semanas de gestación. Sin embargo, debido a que los pulmones son uno de los órganos que se desarrollan al final del embarazo, los bebés prematuros con SDR necesitan ayuda externa adicional para oxigenar su sangre hasta que sus propios pulmones puedan realizar sus funciones por sí solos. En este caso, hay casos en que la ventilación mecánica de los pulmones no es suficiente y los médicos se ven obligados a enriquecer la sangre con oxígeno directamente. En tales casos, es necesario conducir la sangre del bebé a través de sistemas de membrana especiales en los que la sangre está saturada de oxígeno.
Pero, a diferencia de los adultos, los recién nacidos normalmente no tienen más de 400 a 500 mililitros de sangre, por lo que para evitar una dilución excesiva y un hematocrito bajo, es peligroso usar más de 30 a 40 mililitros de sangre para la oxigenación fuera del cuerpo. Este hecho limita el tiempo que una unidad de sangre puede permanecer fuera del organismo, es decir, el proceso de oxigenación debe ocurrir con relativa rapidez. Además, para evitar las caídas de presión que ocurren cuando se usa una bomba de perfusión y que pueden dañar las células sanguíneas, lo ideal es que el corazón proporcione el movimiento de la sangre a través del sistema de membranas. Y, aunque esto no es crítico, sería bueno que las membranas pudieran enriquecer la sangre con oxígeno utilizando para ello aire ordinario, y no una mezcla de gases especialmente preparada u oxígeno puro.
Los científicos intentaron cumplir con todos estos requisitos utilizando el concepto de una placenta artificial. Implica el intercambio de gases entre la sangre y una fuente externa, sin mezclar la sangre del bebé con otros fluidos (solo añadiéndole solución salina para mantener la cantidad de fluido que circula en los vasos sanguíneos). Al mismo tiempo, dado que el volumen de sangre fuera del cuerpo no debe exceder los 30 mililitros, es necesario crear una estructura en la que, a un volumen fijo, el área de contacto de la sangre con la membrana de intercambio de gases sea máxima. La forma más fácil de hacer esto es llenar una caja con una altura muy pequeña con sangre, pero esa estructura será muy inestable. Fue el hecho de que la estructura debía ser delgada, pero al mismo tiempo fuerte, así como estar hecha de materiales porosos, lo que impuso las principales restricciones a la creación de pulmones artificiales.
Para un intercambio de gases eficiente, los científicos colocaron dos membranas cuadradas (43 × 43 mm) de polidimetilsiloxano poroso paralelas entre sí, colocando entre ellas una red de columnas cuadradas con un lado de un milímetro, formando muchos canales rectos, perpendiculares entre sí, a través de los cuales circula la sangre. fluye Además de sujetar mecánicamente las membranas, estas columnas también ayudaron a mezclar la sangre, haciéndola más homogénea en su composición en todo el sistema. Además, para una estabilidad suficiente de la estructura, la ausencia de deformaciones durante la operación y la reducción de la influencia de defectos, una de las membranas debe ser lo suficientemente gruesa para asegurar la resistencia de la estructura, pero al mismo tiempo lo suficientemente delgada para que el gas el intercambio puede ocurrir a través de él. Para reducir el espesor de la capa de polidimetilsiloxano sin perder sus propiedades mecánicas, los investigadores insertaron en ella una red de tiras de acero reforzado.
