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Para muchos de nosotros, el acto de respirar es algo natural. Detrás de escena, nuestro diafragma, el músculo en forma de cúpula que se encuentra justo debajo de la caja torácica, funciona como un trampolín lento y constante, empujando hacia abajo para crear un vacío para que los pulmones se expandan y absorban energía. es expulsado . De esta forma, el diafragma controla automáticamente nuestra capacidad pulmonar y es el principal músculo responsable de nuestra capacidad para respirar.
Pero cuando la función del diafragma se ve comprometida, el instinto respiratorio se convierte en una tarea laboriosa. La disfunción diafragmática crónica puede ocurrir en personas con ELA, distrofia muscular y otras enfermedades neuromusculares, así como en pacientes con parálisis y daño al nervio frénico, que estimula la contracción del diafragma.
Un nuevo diseño de prueba de concepto realizado por ingenieros del MIT tiene como objetivo impulsar algún día la función de soporte vital del diafragma y mejorar la capacidad pulmonar en personas con disfunción del diafragma.
El equipo del MIT ha desarrollado un ventilador flexible, robótico e implantable diseñado para aumentar las contracciones naturales del diafragma. En el corazón del sistema hay dos tubos flexibles con forma de globo que se pueden implantar para descansar sobre el diafragma. Cuando se inflan con una bomba externa, los tubos actúan como músculos artificiales para presionar el diafragma y ayudar a que los pulmones se expandan. Los tubos se pueden inflar a una frecuencia correspondiente al ritmo natural del diafragma.
Los investigadores demostraron el ventilador implantable en modelos animales y demostraron que, en caso de que la función del diafragma se comprometiera, el sistema podía mejorar significativamente la cantidad de aire que podían absorber los pulmones.
Queda mucho trabajo por hacer antes de que un sistema implantable de este tipo pueda usarse para tratar a humanos con disfunción crónica del diafragma. Pero los resultados preliminares abren una nueva vía en la tecnología de respiración asistida que los investigadores están ansiosos por optimizar.
«Esta es una prueba de concepto para una nueva forma de ventilar», dice Ellen Roche, profesora asociada de ingeniería mecánica y miembro del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas del MIT. “La biomecánica de este diseño está más cerca de la respiración normal, en comparación con los ventiladores que empujan aire hacia los pulmones, donde tiene una máscara o una traqueotomía. Hay un largo camino por recorrer antes de que se implante en un ser humano. Pero es emocionante que podamos demostrar que podemos aumentar la ventilación con algo implantable.
Roche y sus colegas publicaron sus resultados hoy en Naturaleza Ingeniería Biomédica. Sus coautores en el MIT incluyen a la primera autora y ex estudiante de posgrado Lucy Hu, junto con Manisha Singh y Diego Quevedo Moreno; con Jean Bonnemain del Hospital Universitario de Lausana en Suiza, y Mossab Saeed y Nikolay Vasilyev del Hospital Infantil de Boston.
Una presión suave
El diseño del ventilador implantable del equipo surgió del trabajo anterior de Roche en un dispositivo de asistencia cardíaca. Como estudiante de posgrado en la Universidad de Harvard, Roche desarrolló una funda para el corazón diseñada para envolver el corazón para aliviar la presión y brindar apoyo cuando el órgano bombea.
Ahora en el MIT, ella y su grupo de investigación descubrieron que una asistencia robótica suave similar podría aplicarse a otros tejidos y músculos.
“Pensamos, ¿cuál es otro gran músculo que bombea cíclicamente y sustenta la vida? El diafragma”, explica Roche.
El equipo comenzó a explorar diseños para un ventilador implantable mucho antes del inicio de la pandemia de covid-19, cuando el uso de ventiladores convencionales aumentó junto con los casos. Estos ventiladores crean presión positiva, en la que el aire se empuja hacia abajo a través de las vías respiratorias centrales del paciente y se fuerza hacia los pulmones.
El diafragma, por otro lado, crea una presión negativa. Cuando el músculo se contrae y empuja hacia abajo, crea una presión negativa que empuja el aire hacia los pulmones, como tirar del mango de una bomba de bicicleta para aspirar aire.
El equipo de Roche se propuso diseñar un ventilador de presión negativa, un sistema que podría ayudar a aumentar la función natural del diafragma, en particular para las personas con disfunción respiratoria a largo plazo.
“Realmente estábamos pensando en personas con enfermedades crónicas que tienen estas enfermedades degenerativas que empeoran progresivamente”, dice ella.
«Trabajo de respiración»
El nuevo sistema informado en el documento consta de dos tubos inflables largos y flexibles, que se asemejan a un tipo de dispositivo neumático llamado actuador McKibben. El equipo adaptó los tubos para que descansaran sobre el diafragma (de adelante hacia atrás) y se adhirieran a la caja torácica a ambos lados del músculo abovedado. Un extremo de cada tubo se conecta a una delgada línea de aire externa, que se conecta a una pequeña bomba y sistema de control.
Al analizar las contracciones del diafragma, el equipo puede programar la bomba para inflar los tubos a una frecuencia similar.
“Nos dimos cuenta de que no necesitamos imitar la forma exacta en que se mueve el diafragma, solo necesitamos darle un empujón adicional hacia abajo a medida que se contrae de forma natural”, explica Roche.
Los investigadores probaron el sistema en cerdos anestesiados, implantaron los tubos en el diafragma de los animales y unieron quirúrgicamente los extremos de los tubos a las costillas en cada extremo del músculo. Supervisaron los niveles de oxígeno de los animales y observaron la función de su diafragma mediante imágenes de ultrasonido.
El equipo descubrió que, en general, el ventilador implantable aumentaba el volumen corriente de los cerdos, o la cantidad de aire que los pulmones podían tomar con cada respiración. La mejoría más significativa se observó en los casos en que se sincronizaron las contracciones del diafragma y los músculos artificiales. En estos casos, el ventilador ayudó al diafragma a aspirar tres veces más aire que sin asistencia.
“Nos emocionó ver que podíamos lograr tales cambios en el volumen corriente y pudimos ahorrar ventilación”, dijo Roche.
El equipo está trabajando para optimizar varios aspectos del sistema, con el objetivo de algún día implementarlo en pacientes con disfunción diafragmática crónica.
“La visión es que sabemos que partes de este sistema podrían miniaturizarse”, dice Roche. “La bomba y el sistema de control podrían usarse en un cinturón o mochila, o incluso potencialmente implantarse por completo. Hay bombas cardíacas implantables, por lo que sabemos que se puede hacer. Hasta ahora, estamos aprendiendo mucho sobre biomecánica y el trabajo de la respiración, y cómo podemos aumentar todo eso con este nuevo enfoque.
Esta investigación fue financiada en parte por CIHR, Muscular Dystrophy Association, National Institute of Health, SICPA Foundation y Lausanne University Hospital Improvement Fund, SMA2 Brown Fellowship y National Science Foundation.
