Il nuovo dispositivo potrebbe essere un'alternativa più sicura ai ventilatori polmonari

Una nuova tecnologia che ricrea importanti caratteristiche delle strutture polmonari potrebbe eventualmente essere un'alternativa più sicura a determinati tipi di macchine respiratorie e cardiache utilizzate per curare le persone i cui polmoni hanno fallito a causa di malattie o lesioni.

Il sangue rosso scuro scorre nel dispositivo, dove scambia l'anidride carbonica con l'ossigeno ed emerge dall'altro lato molto più luminoso.

Utilizzando tecniche di produzione originariamente progettate per produrre chip per computer, negli ultimi anni gli ingegneri biomedici hanno compiuto progressi significativi nell'imitare i meccanismi di alcuni sistemi di organi, la cui sana funzionalità dipende da condizioni chimiche e fisiche molto precise. Il sangue, ad esempio, è estremamente sensibile ad ambienti diversi da quelli che incontra nei sistemi di vita sani. Ora ingegneri a Laboratorio di drappeggio affermano di aver progettato una nuova terapia polmonare, composta da minuscoli canali modellati in un polimero biocompatibile in grado di gestire flussi sanguigni elevati. Se le cose andranno come previsto, la terapia sarà molto più sicura di quelle utilizzate oggi.

È comune per le persone in condizioni critiche sperimentare la sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS), in cui il liquido si accumula nei polmoni e impedisce il normale scambio di ossigeno e anidride carbonica. La ventilazione meccanica dei polmoni, la terapia più comunemente usata per questi pazienti, è come chiedere a qualcuno di esercitare un braccio rotto, afferma Jeff Borenstein, che guida il progetto microfluidico polmonare presso Draper. La terapia invasiva comporta la forzatura di alte concentrazioni di ossigeno nei polmoni ad alte pressioni e non consente la guarigione del tessuto malato o danneggiato, dice. Ancora peggio, porta comunemente a gravi complicazioni tra cui tossicità del tessuto polmonare e polmonite.

Un'alternativa alla ventilazione meccanica è l'ossigenazione extracorporea a membrana (ECMO), che consiste nel prelevare il sangue di un paziente e farlo scorrere attraverso un dispositivo che rimuove l'anidride carbonica e aggiunge ossigeno prima di restituire il sangue al corpo del paziente. Tradizionalmente, l'ECMO è stato utilizzato principalmente come misura salvavita se la ventilazione meccanica non funziona o è impossibile ed è più comunemente usato nei bambini. Le macchine ECMO di oggi, in cui il sangue scorre su un fascio di fibre porose attraverso le quali viene pompato ossigeno, sono complicate e richiedono competenze specializzate per funzionare. Il sangue tende a coagularsi nel dispositivo, che è molto diverso dall'ambiente nei polmoni, quindi i pazienti devono assumere grandi dosi di farmaci anti-coagulazione. Questo può portare ad altre complicazioni pericolose come sanguinamento nel cervello o nel sistema gastrointestinale.

Il nuovo dispositivo microfluidico, che ha un design più semplice e fornisce al sangue che scorre un ambiente molto più simile a quello che incontra nei polmoni, potrebbe essenzialmente sostituire le viscere delle macchine ECMO convenzionali, afferma David O'Dowd, responsabile del programma per i sistemi biomedici di Draper . Se le cose andranno come previsto, sarà pronto per i test sugli animali in due anni e pronto per i test sull'uomo in tre, dice.

Impilando strati di plastica biocompatibile con microcanali modellati sulla loro superficie, il team di Borenstein ha costruito una struttura ramificata tridimensionale in cui i canali più grandi si ramificano gradualmente in quelli più piccoli in modo simile al modo in cui i vasi sanguigni più grandi si ramificano nei capillari.

Anche altri gruppi di ricerca stanno perseguendo tecnologie di scambio di gas basate sulla microfluidica, ma Borenstein afferma che il dispositivo del suo team è unico nel grado in cui imita il sistema biologico reale, qualcosa reso possibile dai metodi proprietari utilizzati dal gruppo per ottenere la ramificazione 3-D . Mentre scorre attraverso il dispositivo, il sangue è molto meno probabile che in una macchina ECMO pensi che dovrebbe coagularsi, afferma Borenstein. Inoltre, mette l'ossigeno e il sangue più vicini, il che consente uno scambio di gas più efficiente rispetto all'ECMO convenzionale.

Questo design unico è ciò che ha permesso al team di raggiungere tassi di flusso sanguigno almeno 10 volte più veloci rispetto alle tecnologie microfluidiche concorrenti, secondo Borenstein. Recentemente, il gruppo ha dimostrato una portata di 100 millilitri al minuto utilizzando sangue bovino. Ora l'obiettivo è aumentarlo in modo che possa gestire litri di sangue al minuto senza sacrificare gli attributi che riducono il rischio di coagulazione.

Poiché un dispositivo come questo sarebbe più semplice, più efficiente e non richiederebbe ai pazienti di assumere molti anticoagulanti, potrebbe essere molto più sicuro delle odierne macchine ECMO per un uso a lungo termine, afferma Campo Filippo , un chirurgo cardiotoracico del Brigham and Women's Hospital di Boston che ricerca sistemi di supporto meccanico per pazienti con insufficienza cardiaca o polmonare. Ciò potrebbe essere particolarmente utile per aiutare le persone a superare le riacutizzazioni di condizioni polmonari croniche comuni come la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). Se la tecnologia può essere ampliata e commercializzata con successo, afferma, ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui ci prendiamo cura delle persone che soffrono di insufficienza respiratoria acuta.

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