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Ventilatore polmonare: cos’è e nuove prospettive

Il ventilatore polmonare ha un ruolo fondamentale per i pazienti con insufficienza respiratoria. Un nuovo prototipo impiantabile, progettato dal MIT, potrebbe consentire ai pazienti di respirare più facilmente e diventare il futuro di questa tipologia di dispositivo.

Categorie Dispositivi indossabili · Medicina · Terapeutica
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Una grave disfunzione del diaframma oppure il contatto con un virus possono portare all’insufficienza respiratoria e alla necessità di una ventilazione meccanica. Tuttavia, il legame permanente ad un ventilatore meccanico attraverso la bocca o attraverso la tracheostomia può ostacolare il linguaggio, la capacità di deglutizione e la mobilità del paziente. Le persone con condizioni come la distrofia muscolare e la SLA hanno spesso difficoltà a respirare poiché il loro muscolo del diaframma non funziona correttamente. Oltre a questo, ci sono molteplici fattori che possono richiedere l’utilizzo di un ventilatore polmonare.

ventilatore polmonare
Paziente collegato ad un ventilatore polmonare esterno.

Come avviene la respirazione?

Quando si inspira, l’aria entra nei polmoni e l’ossigeno si sposta nel sangue. Allo stesso tempo, l’anidride carbonica, un gas di scarico, si sposta dal sangue ai polmoni e viene espirata. Questo processo, chiamato scambio di gas, è essenziale per la vita. I polmoni sono il fulcro del sistema respiratorio che include anche: trachea, muscoli della parete toracica, diaframma, vasi sanguigni e altri tessuti. Il cervello controlla la frequenza respiratoria, rilevando la necessità dell’organismo di ottenere ossigeno e di sbarazzarti dell’anidride carbonica. Situato proprio sotto la gabbia toracica, il diaframma ci permette di respirare contraendosi ritmicamente e rilassandosi, è il responsabile del 70% del lavoro della respirazione; mentre si contrae si appiattisce creando un vuoto che attira l’aria nei polmoni, quando si rilassa torna alla sua forma spingendo l’aria fuori.

La respirazione
Funzionamento della respirazione: il diaframma.

Funzionamento in breve di un ventilatore polmonare convenzionale

I ventilatori forniscono ossigeno direttamente ai polmoni e possono essere programmati per pompare l’anidride carbonica per pazienti che non sono in grado di espirare da soli. Il ventilatore fornisce ossigeno tramite un tubo che viene inserito attraverso il naso o la bocca del paziente in una procedura nota come intubazione o che viene inserito direttamente nella trachea in una procedura chirurgica nota come tracheostomia. L’estremità opposta del tubo è collegata a una macchina (il ventilatore) che pompa una miscela di aria e ossigeno attraverso il tubo nei polmoni. L’aria viene riscaldata e umidificata prima di entrare nel corpo. Il ventilatore svolge inoltre un ruolo vitale nel mantenere la pressione dell’aria positiva per aiutare a prevenire il collasso degli alveoli polmonari.

ventilatore polmonare
Ventilatore polmonare esterno.

Cos’è l’insufficienza respiratoria?

L’insufficienza respiratoria è una condizione grave che rende difficile ai pazienti l’autonomia nella respirazione. Questa si sviluppa quando i polmoni non riescono a far entrare abbastanza ossigeno nel sangue. Molte condizioni possono influenzare la respirazione, tra queste troviamo:

  • Sindrome da stress respiratorio acuto (ARDS),
  • Lesioni alla testa o ictus,
  • Asma,
  • BPCO (malattia polmonare cronica ostruttiva) o altre malattie polmonari,
  • Arresto cardiaco,
  • Sindrome da stress respiratorio neonatale, specialmente nei neonati prematuri,
  • Polmonite
  • Sepsi,
  • Lesioni del midollo spinale, poliomielite, SLA e altre malattie che colpiscono i nervi e i muscoli coinvolti nella respirazione.

Prospettive: un nuovo prototipo di ventilatore polmonare impiantabile

Per migliorare la vita dei pazienti che sopravvivono grazie a questo macchinario, un gruppo di ricercatori del MIT ha progettato un prototipo di ventilatore impiantabile. Il nuovo impianto è costituito da 2 tubi lunghi, morbidi e gonfiabili. Il team ha adattato i tubi in modo che si appoggino sul diaframma, dalla parte anteriore a quella posteriore, e si attacchino alla gabbia toracica su entrambi i lati del muscolo. L’estremità di ciascun tubo si collega a una sottile linea d’aria esterna che si dirige verso una piccola pompa e verso un sistema di controllo. Analizzando le contrazioni del diaframma, il gruppo di ricerca può programmare la pompa per gonfiare i tubi ad una frequenza simile alla contrazione diaframmatica.

ventilatore polmonare impiantabile
Il ventilatore polmonare impiantabile è costituito da due tubi gonfiabili (verdi) visti qui su un modello diaframma (bianco) – Credits: M. Scott Brauer

Funzionamento del nuovo prototipo ideato dal MIT

Programmata per seguire il tasso di respirazione del paziente, la pompa invia ripetutamente aria nei tubi e, poi, si ferma permettendo così loro di sgonfiarsi e di tornare allo stato iniziale. Man mano che i tubi si gonfiano spingono verso il basso il diaframma aiutandolo ad appiattirsi e creando un vuoto che attira l’aria.

Ventilatore polmonare
La scienziata responsabile della ricerca, Ellen Roche, che lavora con il ventilatore polmonare impiantabile – Credits: M. Scott Brauer

Risultati dei test effettuati sul nuovo ventilatore polmonare impiantabile

Il team ha testato il sistema su maiali anestetizzati, impiantando i tubi sopra il diaframma degli animali e attaccando chirurgicamente le estremità dei tubi alle costole su entrambe le estremità del muscolo. Quando si è utilizzato il ventilatore impiantabile su maiali con diaframma compromesso, si è scoperto che il prototipo aumenta la quantità di aria che possono inspirare ad ogni respiro. L’effetto è particolarmente pronunciato quando la pompa è in completa sincronia con le naturali contrazioni del diaframma; infatti i maiali sono stati in grado di assorbire 3 volte più aria di quanto avrebbero fatto senza alcuna assistenza.

ventilatore polmonare impiantabile
Panoramica dell’utilizzo del ventilatore polmonare impiantabile per aumentare la funzione dei muscoli respiratori. a) Schema raffigurante la sezione trasversale laterale del diaframma nativo ancorato alle costole in uno stato rilassato (a sinistra) e contratto (a destra). b) Schema dei componenti che compongono un singolo ventilatore polmonare impiantabile. c) Immagini dell’impianto in uno stato non pressurizzato e pressurizzato. d) Schema della sezione trasversale laterale della strategia per aumentare il movimento del diaframma posizionando il prototipo sopra il diaframma. e) Visualizzazione del posizionamento del ventilatore impiantabile (in nero) superiore al diaframma in un modello di maiale vivo. f-g) Vista fluoroscopica laterale del diaframma suino in vivo in uno stato non pressurizzato (f) e pressurizzato (g). Il palloncino pieno d’aria dell’attuatore è delineato da una linea tratteggiata ed è indicato da una freccia. A e P indicano rispettivamente la direzione anteriore e posteriore dell’animale – Credits: Nature Biomedical Engineering

Qual è il futuro per i ventilatori polmonari?

C’è ancora molto lavoro da fare prima che un sistema impiantabile possa essere utilizzato per trattare gli esseri umani con disfunzione cronica del diaframma. I risultati preliminari aprono una nuova strada nella tecnologia della respirazione assistita che i team di ricerca non vedono l’ora di ottimizzare. Quel che è certo è che l’ingegneria biomedica è alla ricerca continua di soluzioni che possano migliorare le situazioni di vita dei pazienti.