Por primera vez, los científicos han podido comparar diferentes tipos de lesiones causadas por la ventilación mecánica directamente con las células pulmonares.
En un nuevo estudio, utilizando un modelo de ventilador en un chip desarrollado en la Universidad Estatal de Ohio, los investigadores encontraron que la tensión de corte causada por el colapso y la reapertura de los sacos de aire es el tipo más dañino.
Este modelo miniaturizado de “órgano en un chip” no sólo imita la lesión pulmonar durante la ventilación mecánica, sino también la reparación y recuperación en células de origen humano en tiempo real, dijo el coautor principal Samir Ghadiali, PhD, profesor y catedrático de medicina biomédica. Ingeniería en Ohio State.
“El daño inicial es puramente físico, pero los procesos posteriores son de naturaleza biológica, y lo que estamos haciendo con este dispositivo es acoplar los dos”, dijo Ghadiali.
El equipo espera que el dispositivo ayude en la búsqueda de terapias para abordar la lesión pulmonar inducida por el ventilador.
“Este es un avance importante en el campo que, con suerte, permitirá una mejor comprensión de cómo se desarrolla la lesión pulmonar en pacientes ventilados mecánicamente y la identificación de objetivos terapéuticos para que podamos prescribir medicamentos para prevenir este tipo de lesión o tratarla cuando ocurre”. ” dijo Wexner de la Universidad Estatal de Ohio. Dice Joshua Englert, MD, profesor asociado de medicina pulmonar, cuidados críticos y del sueño en el centro médico.
La investigación fue publicada recientemente en la revista Laboratorio en un chip.
Los ventiladores salvan la vida de pacientes con dificultad respiratoria grave relacionada con una enfermedad o un trauma, pero se sabe desde hace mucho tiempo que la fuerza mecánica aplicada a los pulmones también causa lesiones. El daño a nivel celular puede causar fugas en la barrera entre los pequeños sacos de aire y los capilares que transportan sangre, lo que provoca que se acumule líquido que interfiera con el oxígeno que llega a los pulmones.
De particular valor es la medición en tiempo real de los cambios en las células del ventilador en un chip que afectan la integridad de esa barrera, posible gracias a un enfoque innovador: células pulmonares humanas en una membrana de nanofibras sintéticas que imita la compleja matriz pulmonar. Según los investigadores, esto está más cerca del microambiente pulmonar auténticamente ventilado que cualquier sistema de chip pulmonar similar hasta la fecha.
El instrumento mide el efecto de tres tipos de estrés mecánico sobre la integridad de la barrera: expansión de las células pulmonares por sobreinflación, aumento de la presión sobre las células pulmonares y colapso cíclico y reapertura de los sacos de aire.
Los experimentos han demostrado que la sobreinflación con grandes volúmenes de aire y el colapso cíclico y la reapertura de los sacos de aire pierden la barrera, pero las células pueden recuperarse más rápidamente de la sobreinflación que la apertura y el cierre repetitivos de los sacos de aire.
El colapso y la reapertura pueden ser más problemáticos porque mueven el líquido pulmonar, exponiendo las células a mayores cantidades de tensión de corte, dijo Engelert.
“Realmente no hay muchos datos que nos permitan comparar estas dos fuerzas dañinas en el mismo sistema”, dijo. “Pero ahora, por primera vez, podemos usar el mismo dispositivo con las mismas células e inducir ambos tipos de lesiones y ver qué sucede. Nuestros datos sugieren que ninguno de ellos es bueno, ambos son dañinos, pero el colapso y la reapertura son más grave y parece hacer que la recuperación sea más difícil”.
El descubrimiento fue una demostración de la sofisticación del modelo, dijo Ghadiali.
“Sabemos desde hace mucho tiempo que el colapso y la reapertura son una fuerza bastante dañina, pero nunca hemos podido medirlo en tiempo real”, dijo. “Ahora que sabemos que las lesiones por colapso y reapertura ocurren muy rápidamente y tardan mucho en recuperarse, planeamos usar el ventilador en un chip para determinar cómo podemos prevenir esta lesión y/o mejorar la reparación”.
Los siguientes pasos implicaron modelar enfermedades como la neumonía y las lesiones traumáticas que sufren los pacientes de la UCI, combinadas con actividad mecánica.
“Estamos en las primeras etapas del desarrollo de algunos de estos modelos, profundizando un poco más en las complicaciones de la lesión pulmonar en pacientes de la UCI”, afirmó Englert. “Este modelo es una plataforma sobre la que podemos construir”.
Ghadiali y Englert, investigadores del Instituto de Investigación del Corazón y los Pulmones Davis del estado de Ohio, dan crédito a la primera autora Basia Gabella-Zuniga, quien recientemente recibió su doctorado en ingeniería biomédica, por llevar el proyecto a la meta y reconocen la contribución de la Facultad de Ingeniería. . En coautoría con Heather Powell y Natalia Higuita-Castro. Los coautores adicionales fueron Vasudha Shukla y Christopher Bobba del estado de Ohio.
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud y el Departamento de Defensa de EE. UU.