Para muitos de nós, o ato de respirar ocorre naturalmente. Nos bastidores, nosso diafragma - o músculo em forma de cúpula que fica logo abaixo da caixa torácica - funciona como um trampolim lento e constante, empurrando para baixo para criar um vácuo para os pulmões se expandirem e inspirarem, relaxando quando o ar é expelido. . Dessa forma, o diafragma controla automaticamente nossa capacidade pulmonar e é o principal músculo responsável por nossa capacidade de respirar.

Mas quando a função do diafragma está comprometida, o instinto respiratório torna-se uma tarefa trabalhosa. A disfunção crônica do diafragma pode ocorrer em pessoas com ELA, distrofia muscular e outras doenças neuromusculares, bem como em pacientes com paralisia e danos ao nervo frênico, que estimula a contração do diafragma.

Um novo projeto de prova de conceito dos engenheiros do MIT visa um dia aumentar a função de manutenção da vida do diafragma e melhorar a capacidade pulmonar de pessoas com disfunção do diafragma.

A equipe do MIT desenvolveu um ventilador flexível, robótico e implantável, projetado para aumentar as contrações naturais do diafragma. No centro do sistema estão dois tubos macios, semelhantes a balões, que podem ser implantados sobre o diafragma. Quando inflados com uma bomba externa, os tubos agem como músculos artificiais para empurrar o diafragma para baixo e ajudar os pulmões a se expandirem. Os tubos podem ser inflados em uma frequência para corresponder ao ritmo natural do diafragma.

Os pesquisadores demonstraram o ventilador implantável em modelos animais e mostraram que, em casos de comprometimento da função do diafragma, o sistema foi capaz de melhorar significativamente a quantidade de ar que os pulmões podem absorver.

Ainda há muito trabalho a ser feito antes que tal sistema implantável possa ser usado para tratar humanos com disfunção crônica do diafragma. Mas os resultados preliminares abrem um novo caminho na tecnologia de respiração assistida que os pesquisadores estão ansiosos para otimizar.

“Esta é uma prova de conceito de uma nova maneira de ventilar”, diz Ellen Roche, professora associada de engenharia mecânica e membro do Institute for Medical Engineering and Science do MIT. “A biomecânica desse design está mais próxima da respiração normal, em comparação com ventiladores que empurram o ar para os pulmões, onde você tem uma máscara ou traqueostomia. Há um longo caminho até que isso seja implantado em um ser humano. Mas é emocionante podermos mostrar que podemos aumentar a ventilação com algo implantável”.

Roche e seus colegas publicaram seus resultados hoje na Nature Biomedical Engineering . Seus coautores no MIT incluem a primeira autora e ex-aluna de pós-graduação Lucy Hu, bem como Manisha Singh e Diego Quevedo Moreno; juntamente com Jean Bonnemain, do Hospital Universitário de Lausanne, na Suíça, e Mossab Saeed e Nikolay Vasilyev, do Hospital Infantil de Boston.

O projeto do ventilador implantável da equipe surgiu do trabalho anterior da Roche em um dispositivo de assistência para o coração. Como estudante de pós-graduação na Universidade de Harvard, Roche desenvolveu uma manga cardíaca projetada para envolver o coração para aliviar a pressão e fornecer suporte enquanto o órgão bombeia.

Agora no MIT, ela e seu grupo de pesquisa descobriram que uma assistência robótica suave semelhante poderia ser aplicada a outros tecidos e músculos.

“Nós pensamos, qual é outro grande músculo que bombeia ciclicamente e sustenta a vida? O diafragma”, diz Roche.

A equipe começou a explorar projetos para um ventilador implantável bem antes do início da pandemia de Covid-19, quando o uso de ventiladores convencionais aumentou junto com os casos. Esses ventiladores criam pressão positiva, na qual o ar é empurrado para baixo pelas vias aéreas centrais do paciente e forçado para dentro dos pulmões.

O diafragma, ao contrário, cria pressão negativa. Quando o músculo se contrai e empurra para baixo, cria uma pressão negativa que suga o ar para os pulmões, semelhante a puxar o cabo de uma bomba de bicicleta para puxar o ar.

A equipe da Roche procurou projetar um ventilador de pressão negativa – um sistema que poderia ajudar a aumentar a função natural do diafragma, especialmente para aqueles com disfunção respiratória de longo prazo.

“Estávamos realmente pensando em pessoas com doenças crônicas que têm essas doenças degenerativas que estão piorando progressivamente”, diz ela.

O novo sistema relatado no artigo consiste em dois tubos longos, macios e infláveis, que se assemelham a um tipo de dispositivo pneumático conhecido como atuador McKibben. A equipe adaptou os tubos para ficarem atravessados ??no diafragma (da frente para trás) e presos à caixa torácica em ambos os lados do músculo em forma de cúpula. Uma extremidade de cada tubo se conecta a uma fina linha de ar externa, que vai para uma pequena bomba e sistema de controle.

Ao analisar as contrações do diafragma, a equipe pode programar a bomba para inflar os tubos em uma frequência semelhante.

“Percebemos que não precisamos imitar exatamente como o diafragma se move – só precisamos dar um empurrão extra para baixo quando ele se contrai naturalmente”, diz Roche.

Os pesquisadores testaram o sistema em porcos anestesiados, implantando os tubos sobre o diafragma dos animais e ligando cirurgicamente as extremidades dos tubos às costelas em cada extremidade do músculo. Eles monitoraram os níveis de oxigênio dos animais e observaram a função do diafragma usando imagens de ultrassom.

A equipe descobriu que, em geral, o ventilador implantável aumentava o volume corrente dos porcos, ou a quantidade de ar que os pulmões podiam absorver a cada respiração. A melhora mais significativa foi observada nos casos em que as contrações do diafragma e dos músculos artificiais estavam sincronizadas. Nesses casos, o ventilador ajudou o diafragma a aspirar três vezes a quantidade de ar do que sem auxílio.

“Ficamos empolgados ao ver que poderíamos obter essas mudanças no volume corrente e fomos capazes de resgatar a ventilação”, diz Roche.

A equipe está trabalhando para otimizar vários aspectos do sistema, com o objetivo de algum dia implementá-lo em pacientes com disfunção crônica do diafragma.

“A visão é que sabemos que certas partes desse sistema podem ser miniaturizadas”, diz Roche. “A bomba e o sistema de controle podem ser usados ??em um cinto ou mochila, ou até mesmo totalmente implantáveis. Existem bombas cardíacas implantáveis, então sabemos que é possível. Por enquanto, estamos aprendendo muito sobre a biomecânica e o trabalho respiratório, e como podemos aumentar tudo isso com essa nova abordagem.”

Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo CIHR, pela Associação de Distrofia Muscular, pelo Instituto Nacional de Saúde, pela Fundação SICPA e pelo fundo de Melhoria do Hospital da Universidade de Lausanne, pelo SMA2 Brown Fellowship e pela National Science Foundation.