Штучна вентиляція легень: чому одна машина є ключовою у бою проти коронавірусу COVID-19? Коли органи охорони здоров’я намагаються взяти під контроль пандемію коронавірусу, апарат штучної вентиляції легень став символом надії та страху.
Коронавірус: пандемія, яка застала нас зненацька
Хвороба, яка агресивно атакує легені та викликана нещодавно виявленим коронавірусом, поширилася так швидко, що ми ледве встигли зрозумітити, що відбувається.
Коронавірус – SARS-CoV-2 – атакує клітини горла та легенів, викликаючи хворобу, яку тепер називають COVID-19. У деяких людей виникає лихоманка і сухий кашель, у інших проблеми з диханням (дізнайтеся, що таке вірус та як він поширюється).
Лікарі можуть лише керувати симптомами зараження. Для легких випадків – потрібен відпочинок і збільшення споживання рідини. Для тих, хто почувається гірше – знеболюючі препарати.
Штучна вентиляція легень – чому це важливо при коронавірусі?
Але в найважчих випадках незамінним стає один біомедичний прилад: апарат штучної вентиляції легень (ШВЛ).
“Штучний вентилятор легень – це питання життя і смерті для людей із важкою формою COVID-19”, – каже Брайан Олівер, дослідник респіраторних захворювань з Сіднейського Університету технологій, Австралія.
При критичних зараженнях COVID-19 легені пацієнта стають настільки пошкодженими, що вже не можуть дихати. Щоб виправити це, лікарі пропускають трубку вниз по дихальній трубі, підключаючи її до інструменту, що нагадує стоячий стіл з щупальцями. Машина, що складається з ручок, вимикачів, кнопок та цифрового екрану, бере контроль на себе над диханням. Він змішує кисень з повітрям, нагріваючи газ і проштовхаючи його в легені.
Глобальні оцінки свідчать про те, що близько 5% пацієнтів із COVID-19 потребуватимуть інтенсивної терапії із залученням апаратів штучної вентиляції легень. Це може здатися невеликою цифрою, але лікарі у всьому світі попереджають, що системи охорони здоров’я перенагружені пацієнтами. Нестача вентиляторів у найбільш постраждалих країнах, таких як Італія, вже змусила медичних працівників обирати, хто житиме, а хто буде змушений померти.
В той час як коронавірус продовжує свій похмурий марш світом, країни швидко виявляють, що у них не вистачає засобів дати йому відсіч. І тому пандемія спричинила хвилю інновацій та пришвидшення розробки нових та вдосконалених вентиляційних приладів, які можуть стати ключовими для контролю коронавірусу, поки не з’явиться вакцина або ефективне, стандартизоване лікування.
Передові апарати для вентиляції легенів розробляються технологічними гігантами: Dyson, General Motors, MIT та британським консорціумом на чолі з Airbus. Але значні регуляторні перешкоди та технічні проблеми можуть заважати їм потрапляти до лікарень, які потребують їх найшвидше, щоб зупинити пандемію.
Штучна вентилція легень стала символом і надією, і страхом медичних працівників по всьому світу, коли вони намагаються взяти пандемію під контроль.
Просто дихай
Близько 2 мільярдів років тому еволюція змінила життя на Землі: давні бактерії розвинули здатність перетворювати вуглекислий газ в кисень, повільно змінюючи атмосферу планети. Мікроорганізми, які скористалися цим новим повітрям, спричинили еволюційний прорив, що призвело до появи двох губчастих мішків у грудях: легень.
Легені людини переповнені гіллястими проходами, які закінчуються скупченнями порожнистих мішків, відомих як альвеоли, як пучок чорниці, що звисає з куща. І їх мільйони.
«У кожного з нас цих альвеол є близько 300 мільйонів, – каже Олена Шнайдер, експерт із охорони здоров’я легенів з Мельбурнського університету, Австралія, – і кожен оточений дійсно крихітними судинами». Кровоносні судини – це місце, де обмінюються гази.
Коли ви вдихаєте повітря, альвеоли заповнюються “як повітряна куля”, – каже Шнайдер. Кисень переходить у кровоносні судини і переноситься по всьому тілу, а вуглекислий газ, присутній у крові, надходить у мішки перед видихом.
Під час вдиху м’язи грудей та живота скорочуються, знижуючи тиск усередині, і легені дозволяють розширюватися та наповнюватися. При видиху все відбувається навпаки. М’язи розслабляються, тиск збільшується і легені здавлюються, виштовхуючи вуглекислий газ.
У COVID-19 цей процес порушений. Вірус заражає та травмує альвеоли, змушуючи організм звертатися за допомогою до імунної системи. Іноді цей процес може перерости в надмірну захисну відповідь. “Імунна відповідь іноді настільки сильна, що може також пошкодити тканини”, – пояснює Олівер.
Пошкоджена тканина призводить до витоку рідини та клітин, які заповнюють альвеоли, зменшуючи кількість кисню, який вони можуть переносити. Це стан, який ми називаємо пневмонією, і він може бути смертельним.
“Коли у людини є пневмонія, рідина та гній у легенях – це те, що утруднює дихання”, – каже Олівер. У найбільш критичних випадках COVID-19 у пацієнтів спостерігається гострий респіраторний дистрес-синдром, сильне запалення легенів. Апарат штучної вентиляції легень стає єдиним способом переміщення кисню до частин легені, які не сильно пошкоджені вірусом.
Пандемія коронавірусу зробила з апарату для вентиліції легень останню надію для багатьох хворих. Але історія вентилятора починається набагато раніше – близько століття тому – коли ще один вірус атакував нашу планету.
Легені як вразливе місце
На початку 20 століття спалахи поліомієліту переслідували людей по всьому світу. Поліомієліт, як і COVID-19, викликається вірусом. Вірус прокрадається в нервову систему і наводить хаос. Пошкоджені нерви призводять до паралічу, завмирання м’язів, необхідних для дихання. Пацієнти з поліомієлітом мають здорові легені – але вони не можуть зробити подих.
Вірус наприкінці 1920-х надихнув на винахід залізних легенів – гігантських циліндричних цистерн з достатньою кількістю місця, щоб пацієнти могли лежати на спині. На одному кінці голова пацієнта виступає через невеликий отвір. Залізна легеня була пристроєм “вентиляції негативного тиску”, який працював, змінюючи тиск усередині бака. Ця різниця тиску допомогла легеням заповнюватися та спорожнюватися.
Але потрібен був більш ефективний метод вентиляції. Анестезіолог на ім’я Бьорн Ібсен встановив новий протокол у своїй переповненій лікарні: близько 1500 студентів-медиків провітрювали хворих на поліомієліт надувним мішком, стоячи біля кожного ліжка, рукою закачуючи повітря в легені.
“Смертність від паралітичного поліомієліту становила близько 80%”, – каже Артур Слуцький, фахівець з механічної вентиляції лікарні Сент-Майкл в Торонто. “Після запуску механічної вентиляції вона знизилася до 40% за ніч”.
Ця форма штучної вентиляції легень – “вентиляція з позитивним тиском” – назавжди змінила допоміжне дихання. До кінця 1950-х років Форест Берд, ексцентричний американський винахідник, створив першу надійну, масову вентиляторну систему, використовуючи ті самі принципи. Напівпрозорий, зелений вентилятор розміром з коробку для взуття, досить маленький, щоб поміститись до лікарняного ліжка, врятував мільйони життів.
Вентилятори, що борються з пандемією COVID-19, мало чим відрізняються від цієї зеленої прозорої коробки Берда, вперше розроюленої на початку 1950-х.
“Те, навіщо потрібен вентилятор, взагалі – це спробувати виграти час, щоб організм міг самостійно зцілитися”, – каже Слуцький.
Цю місію стала легша, оскільки сьогоднішні пристрої отримали значні технологічні удосконалення. Їх можна індивідуалізувати, щоб зробити процес набагато більш терпимим і комфортним. А вбудована сигналізація попереджає медичних працівників про найменші порушення дихання.
Технологічні компанії та штучна вентиляція легень
Генетичні мутації в геномі вірусу дозволили йому поширюватися швидше і далі, ніж будь-який коронавірус перед ним. Хоча оцінки свідчать про те, що лише 5% пацієнтів із зараженням COVID-19 потребують механічної вентиляції легень, швидке поширення коронавірусу означає, що у нас просто не вистачає пристроїв, щоб цей відсоток людей міг дихати.
В Італії, де COVID-19 убив понад 10 000 людей та переповнив систему охорони здоров’я, лікарям довелося проводити нормування вентиляторів. Важливість вибору між тим, хто отримує рятувальну вентиляцію та хто, за замовчуванням, швидше загине, змушувала медичних працівників плакати в передпокої лікарні.
Деякі найбільші світові виробники відвернули свою увагу від виготовлення транспортних засобів та пилососів на користь налагодження виробництра апаратів штучної вентиляції легень.
В кінці березня Елон Маск, генеральний директор компанії-гіганта по випуску електромобілів Tesla, відвантажив понад 1000 пристроїв до Каліфорнії та зобов’язався перетворити завод Tesla в Нью-Йорк у виробничу лінію апаратів штучної вентиляції легень.
General Motors співпрацює з вентиляторною компанією Ventec Life Systems для збільшення виробництва апаратів в Індіані. Британський технічний гігант Dyson, компанія, відома переважно своїми пилососами та сушарками для рук, на замовлення Національної служби охорони здоров’я Великобританії виготовила 10 000 своїх нещодавно розроблених систем “CoVent”. Команда в MIT створила зразки недорогого вентиляційного пристрою.
Агентства охорони здоров’я, включаючи Управління харчовими продуктами та лікарськими препаратами США, Адміністрацію терапевтичних товарів Австралії та Міністерство охорони здоров’я та соціального забезпечення Великобританії, заявили про свій намір розглянути альтернативні стратегії вентиляції, які можуть усунути існуючі проблеми.
Апарат штучної вентиляції легень – не надто складний пристрій для побудови. Але є інженерні проблеми, які потрібно подолати.
“У виготовленні вентилятора є деякі тонкощі”, – каже Слуцький. Останні кілька тижнів він працював з інженерами, фізиками та навіть Нобелівським лауреатом, відповідаючи на “прості” запитання щодо дизайну, роботи клапанів та побудови машини. “Вони насправді трохи складніші, ніж думають люди”.
Одне велике питання – дистрибуція. Навіть якби компанія розробляла і масштабувала виробництво експоненціально, як це намагаються зробити GM та Ventec, питання в тому як їм доставити вентилятори з фабрики до лікарень, де вони найбільш потрібні? Слуцький розглядає недорогі конструкції, які можуть бути завантажені та виготовлені місцевими інженерними фірмами, як спосіб швидкого масштабування виробництва.
“Ідея полягає у тому, щоб мати вентилятор [але] тримати його з відкритим кодом, щоб хтось інший міг його побудувати”, – каже він.
Непередбачені довгострокові наслідки
Різниця між ліками та отрутою полягає в дозі.
“Вентилятор рятує життя”, – каже Слуцький. “Але це також може спричинити травму”.
COVID-19 пацієнтам, які переживають дихальний дистрес, буде потрібна інтубація – процес фізичного введення трубки.
“Інвазивна інтубація – це те, що можна робити лише у тому випадку, якщо вам це справді потрібно”, – каже Шнайдер. Інтубація може викликати бактеріальну інфекцію і може завдати шкоди.
Незалежно від того, наскільки добре ви це зробите, вентиляція з позитивним тиском шкідлива, оскільки піддає легені більш високому тиску. Якщо повітряний потік не проводиться ретельно, легені можуть переповнюватися.
Це може спричинити каскад негативних наслідків, оскільки клітини легенів розтягуються і відходять. Під час цього процесу вони вивільняють молекули, які потрапляють у кров і подорожують до інших органів, викликаючи подальші ускладнення.
Слуцький припускає, що деякі пацієнти можуть мати тривалі побічні ефекти, але також буде «багато» людей, у яких легенева функція повернеться до норми.
Апарат штучної вентиляції легень – не панацея
Паралелі з епідеміями поліомієліту XX століття неминучі: ці кризи стимулювали винахід залізних легенів та виникнення вентиляції з позитивним тиском. Вентилятори сформували останню лінію захисту від смерті. Вони врятували життя. Вони вигравали час для оздоровлення пацієнтів та для лікарів для розробки нових методів лікування.
Така паралель вселяє надію і страх.
Дефіцит вентиляторів широко поширений. До появи нового обладнання ще можливо пройдуть місяці, але органи охорони здоров’я потребують нагально їх вже зараз.
Ситуація стала настільки грізною, що ми можемо спостерігати за інноваціями, що відбуваються в режимі реального часу.
У Великобританії команди Формули-1 співпрацювали над вдосконаленням іншого типу дихальної допомоги, яка могла б утримувати пацієнтів COVID-19 від вентиляторів. Одна група дослідників припускає, що ресурси можна розтягнути ще більше, використовуючи одну вентиляцію для семи пацієнтів. І хоча медичні асоціації застерігають проти подібних експерементів, незабаром іншого вибору може не бути.
Як остання лінія захисту, немає гарантій, що механічна вентиляція збереже пацієнта в живих. Вони не є лікуванням. Але вони складають критичну складову в системі охорони здоров’я COVID-19: вони виграють час.
Кінцева мета така ж, як і під час епідемій поліомієліту: створення надійної, безпечної вакцини. “Було приємно мати вентилятор, який врятував життя деяким людям, – каже Слуцький, – але справжнє, що людство врятувало проти поліомієліту, – вакцина”.
Розробка вакцини прогресує з великою швидкістю, і були визначені десятки потенційних кандидатів на експерименти, але експерти застерігають, що навряд чи ми її побачимо принаймні до середини 2021 року.
Джерело: www.cnet.com
