Mohammadhossein Dabaghi et.al. \Biomicrofluidics 2018

Группа ученых из Канады и Германии создала внешние искусственные легкие для новорожденных, родившихся с проблемами дыхательной системы. Новые внешние легкие представляют собой систему микроканалов, состоящую из двухсторонних пористых мембран, обогащающих протекающую через них кровь кислородом. Кровь по таким каналам течет самостоятельно, что является огромным плюсом и помогает избежать множества проблем, связанных с внешними насосами, сообщается в статье в Biomicrofluidics.

Респираторный дистресс-синдром (РДС) проявляется у примерно 60 процентов новорожденных при 28-недельной гестации, у 15–20 процентах при сроке 32-36 недель. При этом из-за того, что легкие - один из органов, развивающихся в конце беременности, преждевременно рожденные младенцы при РДС нуждаются в дополнительной внешней помощи для насыщения крови кислородом, пока их собственные легкие не смогут полностью выполнять свои функции самостоятельно. При этом бывают случаи, когда механической вентиляции легких недостаточно, и врачи вынужденны обогащать кровь кислородом напрямую. В таких случаях приходится прогонять кровь младенца через специальные мембранные системы, в которых происходит насыщение крови кислородом.

Но, в отличие от взрослых, у новорожденных детей объем крови обычно не превышает 400–500 миллилитров, а значит, чтобы избежать чрезмерного разведения крови и понижения гематокрита, опасно использовать более 30–40 миллилитров крови для оксигенации вне тела. Этот факт ограничивает время, которое единица крови может проводить вне организма, то есть процесс оксигенации должен происходить достаточно быстро. Кроме того, для избежания перепадов давления, которые происходят при использовании перфузионного насоса и могут повредить клетки крови, в идеале движение крови через мембранную систему должно обеспечивать сердце. И, хоть это и не критично, но было бы хорошо, чтобы мембраны могли обогащать кровь кислородом, используя для этого обычный воздух, а не специально приготовленную смесь газов или чистый кислород.

Все эти требования ученые попытались удовлетворить, использовав концепцию искусственной плаценты. Она подразумевает обмен газами между кровью и внешним источником, не смешивая при этом кровь младенца с другими жидкостями (лишь добавив в нее солевой раствор для поддержания количества циркулирующей в кровеносных сосудах жидкости). При этом, поскольку объем крови вне организма должен не превышать 30 миллилитров, необходимо создать структуру, в которой при фиксированном объеме площадь соприкосновения крови с газообменной мембраной максимальна. Проще всего это сделать, заполнив кровью параллелепипед с очень маленькой высотой, однако такая структура будет очень неустойчива. Именно тот факт, что конструкция должна быть тонкой, но при этом прочной, а также изготовленной из пористых материалов и накладывал основные ограничения на создание искусственных легких.

Для эффективного газообмена ученые разместили две квадратные (43×43 миллиметра) пористые полидиметилсилоксановые мембраны параллельно друг-другу, расположив между ними сеть из квадратных колонн со стороной в миллиметр, образовав множество прямых, перпендикулярных друг-другу каналов, по которым течет кровь. Кроме механического удерживания мембран, эти колонны также способствовали перемешиванию крови, делая ее более однородной по составу во всей системе. Также, для достаточной устойчивости конструкции, отсутствия деформаций во время работы и уменьшения влияния дефектов, одна из мембран должна быть достаточно толстой, чтобы обеспечить прочность структуры, но в то же время достаточно тонкой для того, чтобы через нее мог происходить газообмен. Для уменьшения толщины полидиметилсилоксанового слоя, не теряя при этом в механических свойствах, исследователи вставили в него сеть из полосок армированной стали.

Различные виды искусственной вентиляции легких (ИВЛ) позволяют обеспечить газообмен пациенту как во время операции, так и при критических состояниях опасных для жизни. Искусственное дыхание спасло немало жизней, но что такое ИВЛ в медицине понимает не каждый, поскольку вентиляция легких с помощью специальных аппаратов, появилась только в прошлом веке. В настоящее время трудно представить реанимационное отделение или операционную без аппарата ИВЛ.

Для чего нужна искусственная вентиляция легких

Отсутствие или нарушение дыхания и последующая остановка кровобращения в течение более 3-5 минут неизбежно ведут к необратимому поражению головного мозга и смерти. В таких случаях только методы и техника проведения искусственной вентиляции легких могут помочь спасти человека. Нагнетание воздуха в дыхательную систему, массаж сердца помогают временно предотвратить гибель клеток мозга при клинической смерти, и в некоторых случаях дыхание и сердцебиение удается восстановить.

Правила и способы проведения искусственной вентиляции легких изучают на специальных курсах, основы ИВЛ рот в рот используются для оказания первой помощи больным. Говоря о технике искусственной вентиляции легких (ИВЛ) и непрямого массажа сердца, стоит помнить, что их соотношение равно 1:5 (один вдох и пять компрессий грудины) для взрослых и детей с массой тела более 20 кг., если реанимацию проводят два спасателя. Если реанимацию проводит один спасатель, соотношение равно 2:15 (два вдоха и пятнадцать компрессий грудины). Общее число компрессий грудины составляет 60-80 и даже может достигать 100 в минуту и зависит от возраста пациента.

Но в настоящее время ИВЛ используется не только в реанимационных мероприятиях. Она позволяет проводить сложные оперативные вмешательства, является методом поддержки дыхания при заболеваниях вызывающих его нарушение.

Многие задаются вопросом: сколько живут люди, подключенные к аппарату искусственной вентиляции легких? Поддерживать жизнь таким образом можно сколько угодно долго, а решение об отключении от ИВЛ принимается в зависимости от состояния больного.

Показания для проведения ИВЛ в анестезиологии

Проведение оперативных вмешательств, требующих общего обезболивания, проводится с использованием анестетиков, которые вводятся в организм как внутривенно, так и ингаляционным путем. Большинство анестетиков угнетают дыхательную функцию организма, поэтому для введения пациента в медикаментозный сон требуется искусственная вентиляция легких, ведь последствия угнетения дыхания как у взрослых, так и у детей могут привести к снижению вентиляции, гипоксии, нарушению работы сердца.

Кроме того, для проведения любых операций, где используется многокомпонентный наркоз с интубацией трахеи и ИВЛ, обязательными компонентами являются мышечные релаксанты. Они расслабляют мышцы больного, в том числе и мышцы грудной клетки. Это подразумевает аппаратное поддержание дыхания.

Показания и последствия ИВЛ в анестезиологии, следующие:

• необходимость расслабления мышц во время оперативного вмешательства (миоплегия);
• нарушение дыхания (апноэ), возникшее на фоне введения в наркоз или во время операции. Причиной может быть угнетение дыхательного центра анестетиками;
• оперативные вмешательства на открытой грудной клетке;
• дыхательная недостаточность во время анестезии;
• искусственная вентиляция легких после операции, при медленном восстановлении спонтанного дыхания.

Ингаляционный наркоз, тотальная внутривенная анестезия с ИВЛ – основные методы обезболивания при операциях на грудной и брюшной полости, когда требуется использование миорелаксантов для обеспечения адекватного хирургического доступа.

Мышечные релаксанты позволяют уменьшить дозу наркотических препаратов, помогают легче достичь синхронизации пациента с наркозно–дыхательной аппаратурой и помогают сделать работу для хирургов более удобной.

Показания к ИВЛ в реанимационной практике

Процедуру рекомендуется проводить при любых нарушениях дыхания (асфиксии), как возникших внезапно, так и предсказуемых. При нарушении дыхания наблюдаются три этапа: обструкция (нарушенная проходимость) дыхательных путей, гиповентиляция (недостаточная вентиляция лёгких) и, как следствие, апноэ (остановка дыхания). Показанием к проведению ИВЛ являются любые причины обструкции и последующих этапов. Такая необходимость может появиться не только во время плановых операций, но и в экстренных ситуациях, которые по сути уже являются реанимацией. Причины могут быть следующие:

• Повреждения головы, шеи, груди и живота;
• Инсульт;
• Судороги;
• Поражение электротоком;
• Передозировка лекарств;
• Отравление окисью углерода, вдыхание газа и дыма;
• Анатомические искажения носоглотки, глотки и шеи;
• Инороднее тело в дыхательных путях;
• Декомпенсация обструктивных легочных заболеваний (астма, эмфизема);
• Утопление.

Режимы искусственной вентиляции легких (ИВЛ) в реанимации отличаются от ее проведения в качестве анестезиологического пособия. Дело в том, что многие заболевания могут вызывать не отсутствие дыхания, а дыхательную недостаточность, которая сопровождается нарушением оксигенации тканей, ацидозом, патологическими видами дыхания.

Для лечения и коррекции таких состояний требуются особые режимы ИВЛ в реанимации, например, при отсутствии заболеваний дыхательной системы используют режим вентиляции с контролем по давлению, при котором воздух под давлением поступает на вдохе, но выдох осуществляется пассивно. При бронхоспазме, давление на вдохе нужно увеличить, чтобы преодолеть сопротивление в дыхательных путях.

Во избежание ателектаза (отека легких во время искусственной вентиляции легких) целесообразно увеличить давление на выдохе, это поднимет остаточный объем и не допустит спадания альвеол и пропотевания в них жидкости из кровеносных сосудов. Также режим контролируемой вентиляции легких дает возможность изменять дыхательный объем и частоту дыхания, что позволяет обеспечить нормальную оксигенацию у пациентов.

При необходимости проведения вентиляции легких у людей с острой дыхательной недостаточностью целесообразно отдать предпочтение высокочастотной ИВЛ, так как традиционная вентиляция может оказаться малоэффективной. Особенность методов, которые относят к высокочастотной ИВЛ, состоит в использовании высокой частоты вентиляции (превышает 60 в минуту, что соответствует 1 Гц) и уменьшенного дыхательного объема.

Способы и алгоритм проведения ИВЛ у реанимационных больных могут быть различными, показания для ее проведения:

• отсутствие самостоятельного дыхания;
• патологическое дыхание, в том числе тахипноэ;
• дыхательная недостаточность;
• признаки гипоксии.

Искусственная вентиляция легких, алгоритм проведения которой зависит от показаний, может осуществляться как с помощью аппарата, на котором выставляются соответствующие параметры ИВЛ (у взрослых и детей они различны), так и мешком Амбу. Если во время анестезиологического пособия при кратковременных вмешательствах можно использовать масочный метод, то в реанимации, обычно делают интубацию трахеи.

Противопоказания к проведению ИВЛ чаще имеют этическую окраску, так, ее не проводят при отказе больного, пациентам, когда отсутствует смысл продлевать жизнь, например, при последних стадиях злокачественных опухолей.

Осложнения

Осложнения после искусственной вентиляции легких (ИВЛ) могут возникнуть вследствие несоответствия режимов, состава газовой смеси, неадекватной санации легочного ствола. Они могут проявиться в нарушении гемодинамики, работы сердца, воспалительных процессах в трахее и бронхах, ателектазах.

Несмотря на то что искусственная вентиляция легких способна отрицательно влиять на организм, так как не может полностью соответствовать нормальному спонтанному дыханию, ее использование в анестезиологии и реанимации дает возможность оказать помощь в критических состояниях и провести адекватное обезболивание при оперативных вмешательствах.

Чтобы получить представление о проведении искусственной вентиляции легких, смотрите видео.

В одном из университетов Техаса исследовательской группе удалось в условиях лаборатории вырастить легкое человека. Согласно информации местных средств массовой информации, для своих исследований специалисты воспользовались непригодными для пересадки и испорченными легкими двух детей, смерть которых наступила от нечастного случая. Легкие одного из детей ученые хорошо очистили от легочных клеток, в результате чего остался только своеобразный каркас органа, состоящий из коллагена и эластина. После чего на этот каркас ученые пересадили клеточный материал с легкого другого ребенка, после чего образец был помещен в камеру, содержащую раствор с питательной средой. Через 30 дней ученые выявили, что клетки на органе стали размножаться и орган достиг вполне естественных размеров.

Чтобы убедиться в достоверности полученных данных, ученые провели повторный эксперимент. Как отмечает один из авторов исследовательского проекта Джоан Николс, для экспериментов потребовался целый год, чтобы убедиться в том, что все сделано правильно. То, что ранее можно было считать научной фантастикой, сейчас является вполне доказанным фактом. Как считает Николс, использовать для пересадки пациентам выращенные в таких условиях легкие можно будет через двенадцать лет. Она уверена, что её ученики смогут успешно продолжить её начинания, и в будущем именно они будут пересаживать пациентам искусственные легкие.

Искусственно выращенные легкие практически не отличаются от естественных, за исключением более мягкой текстуры и яркого розового цвета. Свои эксперименты ученые намерены продолжать и уже в ближайшие годы планируют провести ряд экспериментов на свиньях и пересадить им искусственные органы. Исследовательская группа отмечает, что данный метод по созданию органов был разработан несколько лет назад и изначально эксперименты проводились на крысах. В Соединенных штатах, как и в других странах, испытывается острая нехватка донорских органов, в частности легких. На протяжении года операцию по трансплантации легких проводят только половине пациентов, ожидающих трансплантацию (без пересадки легкого такие пациенты живут не дольше двух лет).

Немного раньше американским исследователям удалось создать новое легкое из эмбриональных и индуцированных стволовых клеток. Данный эксперимент, по мнению специалистов, позволит в будущем выращивать легкое, которое будет вполне пригодным для тестирования лекарственных препаратов или проведения научных экспериментов. Помимо этого, такие легкие вполне подойдут для трансплантации пациентам, которые нуждаются в новом органе.

Другой исследовательской группе из Колумбийского университета удалось создать кишечник из стволовых клеток. Сейчас ученые уверены, что из стволовых клеток можно получить, по меньшей мере, шесть типов клеток легкого, а также дыхательных путей, в частности можно создать ткани, которые помогут восстановить легкие после тяжелых травм или повреждений. Кроме того, ученые считают, что смогут создавать по новой технологии легкие используя собственные ткани пациента, который нуждается в трансплантации.

Лёгкие человека - это парный орган, располагающийся в грудной клетке. Их основная функция – дыхание. Правое лёгкое имеет больший объём по сравнению с левым. Это обусловлено тем, что сердце человека, находясь посредине грудной клетки, имеет смещение в левую сторону. Объём лёгких составляет в среднем около 3 литров , а у профессиональных спортсменов более 8 . Размерами одно лёгкое женщины примерно соответствует сплюснутой с одной стороны трёхлитровой банке, при массе 350 г . У мужчин эти параметры на 10-15% больше.

Формирование и развитие

Формирование лёгких начинается на 16-18 день эмбрионального развития из внутренней части зародышевого лепестка – энтобласта. С этого момента и примерно до второго триместра беременности происходит развитие бронхиального дерева. Уже с середины второго триместра начинается формирование и развитие альвеол. К моменту рождения структура лёгких младенца полностью идентичны этому органу взрослого человека. Только следует заметить, что до первого вдоха в лёгких новорожденного нет воздуха. И ощущения при первом вдохе для младенца сродни ощущениям взрослого человека, который попытается вдохнуть воду.

Увеличение количества альвеол, продолжается до 20-22 лет. Особенно сильно это происходит в первые полтора–два года жизни. А после 50 лет, начинается процесс инволюции, вызванный возрастными изменениями. Уменьшается ёмкость лёгких, их размер. После 70 лет, ухудшается диффузия кислорода в альвеолах.

Строение

Левое лёгкое состоит из двух долей – верхней и нижней. У правого, кроме вышеперечисленных, есть ещё и средняя доля. Каждая из них делится на сегменты, а те, в свою очередь, на лабулы. Скелет лёгких состоит из древовидно разветвляющихся бронхов. Каждый бронх входит в тело лёгкого вместе с артерией и веной. Но раз эти вены и артерии из малого круга кровообращения, то по артериям течёт кровь, насыщенная углекислым газом, а по венам - кровь, обогащённая кислородом. Оканчиваются бронхи бронхиолами в лабулах, образуя в каждой полторы дюжины альвеол. В них и происходит газообмен.

Суммарная площадь поверхности альвеол, на которой происходит процесс газообмена, непостоянна и меняется с каждой фазой вдоха-выдоха. На выдохе она составляет 35-40 кв.м., а на вдохе 100-115 кв.м.

Профилактика

Основным методом профилактики большинства заболеваний является отказ от курения и соблюдение правил техники безопасности при работе на вредных производствах. Как это ни удивительно, но отказ от курения понижает риск возникновения рака лёгкого на 93% . Регулярные физические упражнения, частое пребывание на свежем воздухе и здоровое питание дают шанс практически любому человеку избежать многих опасных заболеваний. Ведь многие из них не лечатся, и спасает их только пересадка лёгкого.

Трансплантация

Первую в мире операцию по пересадке лёгкого выполнил в 1948 г наш врач – Демихов. С тех пор количество подобных операций в мире превысило 50 тысяч. По сложности эта операция даже несколько сложнее, чем пересадка сердца. Дело в том, что лёгкие, кроме основной функции дыхания, несут ещё и дополнительную – выработка иммуноглобулина. А его задача уничтожать всё чужеродное. И для пересаженных лёгких таким чужеродным телом может оказаться весь организм реципиента. Поэтому после трансплантации пациент обязан пожизненно принимать препараты, подавляющие иммунитет. Сложность с сохранением донорских лёгких - ещё один усложняющий фактор. Отдельно от организма они «живут» не более 4 часов. Пересаживать можно как одно, так и два лёгких. Операционная бригада состоит из 35-40 врачей высшей квалификации. Почти 75% пересадок происходят всего при трёх заболеваниях:
ХОБЛ
Муковисцидоз
синдром Хэммена - Рича

Стоимость подобной операции на Западе составляет около 100 тыс. евро. Выживаемость пациентов находится на уровне 60%. В России подобные операции делают бесплатно, а выживает только каждый третий реципиент. Да и если во всём мире ежегодно делается более 3000 трансплантаций, то в России только 15-20. Достаточно сильное снижение цен на донорские органы в Европе и в США наблюдалось во время активной фазы войны в Югославии. Многие аналитики связывают это с бизнесом Хашима Тачи по продаже живых сербов на органы. Что кстати и подтвердила Карла Дель Понте.

Искусственные лёгкие – панацея или фантастика?

В 1952 году в Англии впервые в мире была проведена операция с использованием ЭКМО. ЭКМО - это не прибор и не устройство, а целый комплекс для насыщения крови пациента кислородом вне его тела и удаления из неё углекислого газа. Это крайне сложный процесс может в принципе служить неким подобием искусственного лёгкого. Только пациент оказывался прикованным к постели и зачастую находился в бессознательном состоянии. Но с использованием ЭКМО при сепсисе выживает почти 80%, а при серьёзной травме лёгких более 65% пациентов. Сами комплексы ЭКМО очень дороги, и например в Германии их всего 5, а стоимость процедуры составляет около 17 тыс. долларов.

В 2002 году в Японии было объявлено об испытании прибора, подобного ЭКМО, только размером с две пачки сигарет. Дальше испытаний дело не пошло. Через 8 лет американские учёные из Йельского института создали почти полноценное, искусственное лёгкое. Оно было сделано наполовину из синтетических материалов, а наполовину из живых клеток лёгочной ткани. Устройство было испытано на крысе, и при этом оно вырабатывало специфический иммуноглобулин в ответ на введение патологических бактерий.

А буквально через год, в 2011 году, уже в Канаде, учёные сконструировали и испытали устройство, принципиально отличающееся от вышеприведённых. Искусственное лёгкое, которое полностью имитировало человеческое. Сосуды из силикона толщиной до 10 микрон, аналогичная человеческому органу площадь газопроницаемой поверхности. Самое главное, это устройство, в отличии от других не нуждалось в чистом кислороде и способно было обогащать кровь кислородом из воздуха. А для работы ему не нужны сторонние источники энергии. Его можно имплантировать в грудную клетку. Испытания на людях планируют провести к 2020 году.

Но пока это всё только разработки и экспериментальные образцы. А в наличии в этом году учёными Питсбургского университета было анонсировано устройство PAAL. Это такой же комплекс ЭКМО, только размером с футбольный мяч. Для обогащения крови ему нужен чистый кислород, и использовать его можно только в амбулаторных условиях, но зато пациент остаётся мобильным. И на сегодняшний день, это самая лучшая альтернатива лёгким человека.