<p>對我們很多人來說，呼吸是自然而然的。在這些場景背后，我們的橫膈膜&mdash;&mdash;位于胸腔下方的圓頂形肌肉&mdash;&mdash;就像一個緩慢而穩(wěn)定的蹦床，向下推動以創(chuàng)造一個真空空間，讓肺部擴張并吸入空氣，然后在空氣被擠出時放松。通過這種方式，橫膈膜自動控制我們的肺活量，是負責我們呼吸能力的主要肌肉。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但當橫膈膜的功能受到損害時，呼吸本能就變成了一項艱巨的任務。慢性膈肌功能障礙可發(fā)生在患有肌萎縮側索硬化癥(ALS)、肌肉萎縮癥(muscular dystrophy)和其他神經(jīng)肌肉疾病的人，以及癱瘓患者，膈神經(jīng)損傷(刺激膈肌收縮)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學院的工程師們進行了一項新的概念驗證設計，旨在有朝一日提高膈肌維持生命的功能，并改善膈肌功能障礙患者的肺活量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學院的團隊開發(fā)了一種柔軟的、機器人的、可植入的呼吸機，旨在增強隔膜的自然收縮。該系統(tǒng)的核心是兩根柔軟的氣球狀管子，可以被植入橫膈膜上。當用外部泵充氣時，這些管子就像人造肌肉一樣向下推隔膜，幫助肺擴張。管子可以以與隔膜的自然節(jié)奏相匹配的頻率充氣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員在動物模型中演示了植入式呼吸機，并表明在膈肌功能受損的情況下，該系統(tǒng)能夠顯著提高肺部吸入的空氣量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在這種植入式系統(tǒng)能夠用于治療慢性膈肌功能障礙之前，還有很多工作要做。但初步結果為研究人員渴望優(yōu)化的輔助呼吸技術開辟了一條新的道路。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這是一種新通風方式的概念證明，&rdquo;機械工程副教授、麻省理工學院醫(yī)學工程與科學研究所(Institute for Medical engineering and Science)成員艾倫&middot;羅奇(Ellen Roche)說。&ldquo;這種設計的生物力學更接近正常的呼吸，而不是將空氣推入肺部的呼吸機，你需要戴口罩或做氣管切開術。在將其植入人體之前還有很長的路要走。但令人興奮的是，我們可以證明我們可以用植入的東西來增強通風。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>羅氏和她的同事今天在《自然生物醫(yī)學工程》雜志上發(fā)表了他們的研究結果。她在麻省理工學院的合著者包括第一作者和前研究生Lucy Hu，以及Manisha Singh和Diego Quevedo Moreno;以及瑞士洛桑大學醫(yī)院的Jean Bonnemain，以及波士頓兒童醫(yī)院的Mossab Saeed和Nikolay Vasilyev。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong>溫和的壓力</strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>該團隊的植入式呼吸機設計源自羅氏之前在心臟輔助設備方面的工作。在哈佛大學(Harvard University)讀研究生時，羅氏發(fā)明了一種心臟套筒，可以包裹在心臟周圍，以緩解壓力，并在器官泵血時提供支持。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在在麻省理工學院，她和她的研究小組發(fā)現(xiàn)，類似的軟機器人輔助可以應用于其他組織和肌肉。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們想，另一塊循環(huán)泵血并維持生命的肌肉是什么?隔膜。&rdquo;羅奇說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>早在Covid-19大流行開始之前，該團隊就開始探索可植入呼吸機的設計，當時傳統(tǒng)呼吸機的使用隨著病例的增加而激增。這些呼吸機產(chǎn)生正壓，空氣通過患者的中央氣道向下推，被迫進入肺部。</p> <p>&nbsp;</p> <p>相反，隔膜產(chǎn)生負壓。當肌肉收縮并向下推時，它會產(chǎn)生負壓，將空氣吸入肺部，類似于拉動自行車打氣筒的手柄吸入空氣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>羅氏的團隊希望設計一種負壓呼吸機，這種系統(tǒng)可以幫助增強隔膜的自然功能，特別是對于那些長期呼吸功能障礙的人。</p> <p>她說:&ldquo;我們真正考慮的是那些患有退行性疾病的慢性病患者，他們的病情正在逐漸惡化。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>&ldquo;呼吸的工作&rdquo;</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>論文中報道的新系統(tǒng)由兩個長而軟的充氣管組成，這是一種被稱為McKibben致動器的氣動裝置。研究小組將這些管子改造成橫膈膜(從前到后)，并連接到圓頂狀肌肉兩側的胸腔。每根管子的一端連接到一個薄薄的外部管道，該管道通向一個小型泵和控制系統(tǒng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>通過分析隔膜的收縮，研究小組可以對泵進行編程，使其以相似的頻率充氣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>羅奇說:&ldquo;我們意識到，我們不需要完全模仿橫隔膜的運動方式&mdash;&mdash;我們只需要在它自然收縮時給它一個額外的向下的推力。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員在被麻醉的豬身上測試了該系統(tǒng)，將管子植入動物的橫膈膜上，并通過手術將管子的末端連接到肌肉兩端的肋骨上。他們監(jiān)測了動物的氧氣水平，并使用超聲波成像觀察了它們的隔膜功能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究小組發(fā)現(xiàn)，總的來說，植入式呼吸機增加了豬的潮氣量，也就是每次呼吸時肺能吸入的空氣量。最顯著的改善出現(xiàn)在膈肌收縮和人造肌肉同步的情況下。在這些情況下，呼吸機幫助隔膜吸入的空氣量是沒有幫助時的三倍。</p> <p>&nbsp;</p> <p>羅奇說:&ldquo;我們很高興看到潮汐量發(fā)生了這樣的變化，我們能夠挽救通風系統(tǒng)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團隊正在努力優(yōu)化該系統(tǒng)的各個方面，目標是有朝一日將其應用于慢性膈肌功能障礙患者。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們的愿景是，我們知道這個系統(tǒng)的某些部分可以小型化。&rdquo;羅奇說。&ldquo;泵和控制系統(tǒng)可以戴在腰帶或背包上，甚至可能完全植入。有植入式心臟泵，所以我們知道這是可行的。目前，我們正在學習很多關于生物力學和呼吸工作的知識，以及我們?nèi)绾瓮ㄟ^這種新方法來增強這一切。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究得到了CIHR、肌肉萎縮癥協(xié)會、國家衛(wèi)生研究所、SICPA基金會和洛桑大學醫(yī)院改善基金、SMA2布朗獎學金和國家科學基金會的部分支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>