科学家们在理解机械通气对肺细胞造成的各种类型损伤方面取得了显著进展。一项最近的研究使用了一种创新的“芯片上的通气机”模型，显示气囊的塌陷与再开放所产生的剪切应力是最具破坏性的损伤形式。科学家们第一次能够直接分析机械通气对肺细胞造成的不同类型损伤。
在这项新的研究中，利用了俄亥俄州立大学设计的芯片上的通气机模型，研究人员发现气囊扩张和收缩所产生的剪切应力是最有害的损伤类型。
根据共同第一作者、俄亥俄州立大学生物医学工程系教授兼主任萨米尔·加哈里（Samir Ghadiali）的说法，这种微型“器官-芯片”模型不仅模拟了机械通气引起的肺损伤，还实时复制了人源细胞的修复和恢复过程。
“主要的损伤纯粹是物理性的，但后续过程本质上是生物性的。我们的设备连接了这两个方面，”加哈里解释道。
研究小组的目标是让该设备有助于寻找机械通气引起的肺损伤的治疗方法。
“这代表了该领域的重要进展，希望能更好地理解机械通气患者的肺损伤是如何产生的，并帮助识别潜在的治疗靶点，以预防或治疗此类损伤，”共同第一作者、俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心肺病、重症护理与睡眠医学副教授约书亚·英戈特（Joshua Englert）表示。
这项研究的结果最近发表在期刊《芯片实验室》上。
尽管通气机对于挽救面临严重呼吸问题的患者生命至关重要，但早已知道它们施加的机械力也可能造成损伤。在细胞层面，这种损伤会导致微小气囊与血管毛细血管之间的屏障变得渗漏，从而导致液体积聚，并阻碍肺部氧气的吸收。
该芯片能够实时测量影响屏障完整性的细胞变化，这尤其有价值。通过一种新方法实现这一目标，该方法涉及在一种合成纳米纤维膜上培育人类肺细胞，这种膜设计得模拟肺组织的复杂结构。研究人员表示，该模型比现有的肺芯片系统更准确地复制了被通气的肺环境。
该设备测量三种类型机械应力对屏障完整性的影响：因过度膨胀造成的肺细胞拉伸，对肺细胞施加的增加压力，以及气囊的周期性塌陷和再开放。
实验表明，高容量的过度膨胀和气囊的周期性塌陷与再开放均导致屏障渗漏，但细胞从过度膨胀中恢复的速度比从重复的塌陷与再开放过程恢复得更快。
英戈特指出，后者可能会导致更严重的问题，因为它会引起肺液的移动，从而使细胞暴露于更高的剪切应力水平。
“以前在同一系统内比较这两种损伤力的数据非常有限，”英戈特说。“现在，首次我们能够使用相同的设备和相同的细胞来诱导这两种类型的损伤并分析结果。我们的发现表明，尽管这两种损伤都是有害的，但气囊的塌陷和再开放似乎更为严重，并使恢复过程更加复杂。”
根据加哈里的说法，这一发现展示了该模型的复杂性。
“我们已经知道，塌陷和再开放是一个重要的损伤因素，但我们无法实时测量，”他说。“现在我们理解到这种类型的损伤发生得更快，并且愈合需要更长时间，因此我们打算利用芯片上的通气机探索预防或改善这类损伤修复的方法。”
未来的研究将涉及模拟肺炎和重症监护患者在机械通气下面临的创伤。
“我们正处于创建这些模型的早期阶段，更深入地挖掘重症监护患者肺损伤的复杂性，”英戈特表示。“该模型为我们的研究提供了基础平台。”
加哈里和英戈特也是俄亥俄州立大学戴维斯心脏与肺研究所的成员，他们对第一作者巴西亚·加贝拉-祖尼加（Basia Gabela-Zuniga）表示感谢，她最近在生物医学工程领域获得了博士学位，并在完成项目中表现出了坚韧不拔的精神。他们还感谢来自工程学院的希瑟·鲍威尔（Heather Powell）和娜塔莉亚·希吉塔-卡斯特罗（Natalia Higuita-Castro）的贡献，以及俄亥俄州立大学的共同作者瓦苏达·舒克拉（Vasudha Shukla）和克里斯托弗·博巴（Christopher Bobba）。
这项研究得到了美国国立卫生研究院和美国国防部的资助。
