Um ventilador robótico implantável aumenta a inspiração em um modelo suíno de insuficiência respiratória

Dec 07, 2023

Nature Biomedical Engineering volume 7, páginas 110–123 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A disfunção grave do diafragma pode levar à insuficiência respiratória e à necessidade de ventilação mecânica permanente. No entanto, a conexão permanente a um ventilador mecânico pela boca ou via traqueostomia pode prejudicar a fala, a capacidade de deglutição e a mobilidade de um paciente. Aqui mostramos, em um modelo suíno de insuficiência respiratória variada, que um atuador robótico macio contrátil implantado acima do diafragma aumenta seu movimento durante a inspiração. A atuação sincronizada do implante assistido por diafragma com o esforço respiratório nativo aumentou os volumes correntes e manteve as taxas de fluxo de ventilação dentro da faixa normal. Os implantes robóticos que intervêm no diafragma e não na via aérea superior e que aumentam as métricas fisiológicas da ventilação podem restaurar o desempenho respiratório sem sacrificar a qualidade de vida.

O diafragma é o principal músculo responsável pela inspiração e contribui com até 70% do volume corrente inspiratório em um indivíduo saudável1,2. A disfunção do diafragma pode resultar de uma variedade de etiologias, incluindo trauma do nervo frênico3 e doença neuromuscular4,5. Devido à natureza degenerativa de muitas dessas etiologias, a insuficiência respiratória mecânica existe como um espectro contínuo de disfunção. Disfunção grave ou paralisia do diafragma pode levar à insuficiência respiratória crônica. Quando a doença progride além da capacidade de tratamento do tratamento não invasivo, os pacientes devem tomar a difícil decisão de optar pela ventilação invasiva permanente por traqueostomia ou buscar cuidados paliativos com a compreensão da natureza terminal de sua doença. A ventilação invasiva pode interferir em muitos aspectos da qualidade de vida de um paciente, como dificultar a fala, exigir cuidados em tempo integral e possivelmente exigir que o paciente seja transferido para uma instituição de atendimento. Há uma necessidade urgente de opções de ventilação terapêutica que restaurem o desempenho respiratório sem sacrificar a qualidade de vida, especialmente para aqueles com casos mais graves de disfunção do diafragma.

A respiração é um processo fundamentalmente mecânico. O diafragma é um músculo em forma de cúpula que conduz até 70% da respiração1,6. Os atuadores robóticos macios são ideais para reproduzir contrações musculares complexas e repetitivas, como a do diafragma, enquanto interagem de forma não destrutiva com o tecido biológico. Anteriormente, atuadores macios totalmente implantados mostraram a capacidade de aumentar a função cardíaca7,8,9,10,11 e muitos outros robóticos implantáveis ​​recentemente desenvolvidos mostraram utilidade em uma ampla variedade de aplicações biológicas12,13,14,15,16,17, 18,19,20. Devido à natureza mecânica da insuficiência respiratória, especialmente no contexto de condições como a distrofia muscular, os atuadores robóticos implantados aplicados ao diafragma têm o potencial de apoiar mecanicamente e aumentar sua função. Há poucos trabalhos anteriores investigando a robótica leve aplicada ao aumento da respiração; um dos poucos exemplos relata uma folha de elastômero dielétrico usada para substituir completamente um diafragma excisado e gerar movimento12,21. Por outro lado, o trabalho aqui apresentado deixa o diafragma nativo intacto enquanto demonstra a função em termos de aumento de métricas fisiológicas clinicamente relevantes (fluxos de ventilação, volumes e pressões), além do movimento do diafragma em um modelo suíno in vivo, em vez de apenas replicar o movimento do diafragma enquanto excisão do diafragma nativo.

Aqui demonstramos um sistema de auxílio do diafragma que funciona como um ventilador implantável usando atuadores robóticos macios para aumentar mecanicamente a função do diafragma durante a inalação, aumentando a inspiração. Como prova de conceito, simulamos uma variedade de insuficiência respiratória em cada animal - especificamente, induzimos depressão respiratória por meio de anestésicos e paralisia do diafragma ao cortar o nervo frênico - e então demonstramos a capacidade do sistema de assistência de aumentar os fluxos respiratórios, volumes e pressões. Também investigamos métricas específicas da função inspiratória, incluindo pico de fluxo inspiratório e pressão transdiafragmática22. Mostramos que, para obter uma assistência de inspiração eficaz, a atuação do sistema de assistência deve ser sincronizada com o esforço respiratório subjacente do indivíduo. Para isso, construímos um sistema de controle em que o acionamento é acionado no início da inspiração. Por meio de uma análise das formas de onda respiratórias, investigamos o alinhamento ideal da atuação com o esforço respiratório nativo do sujeito. Ao aumentar a função do diafragma de maneira biomimética, demonstramos a replicação e o aumento da biomecânica nativa da respiração, na qual uma pressão pleural e alveolar negativa impulsiona o fluxo de ar, em oposição à ventilação com pressão positiva da ventilação mecânica padrão.