Искусственная вентиляция легких: почему один аппарат является ключевым в бою против коронавируса COVID-19? В то время как органы здравоохранения пытаются взять под контроль пандемию коронавируса, аппарат искусственной вентиляции легких стал символом надежды и страха.
Коронавирус: пандемия, которая застала нас врасплох
Болезнь, которая агрессивно атакует легкие и вызвана недавно выявленным коронавируса, распространилась так быстро, что мы едва успели понять, что происходит.
Коронавирус – SARS-CoV-2 – атакует клетки горла и легких, вызывая болезнь, которую теперь называют COVID-19. У некоторых людей возникает лихорадка и сухой кашель, в других проблемы с дыханием (узнайте, что такое вирусы и как он распространяются).
Врачи могут только управлять симптомами заражения. Для легких случаев – нужен отдых и увеличение потребления жидкости. Для тех, кто чувствует себя хуже – обезболивающие препараты.
Искусственная вентиляция легких (ИВЛ) – почему это важно при коронавирусе?
Но в тяжелых случаях незаменимым становится один биомедицинский прибор: аппарат искусственной вентиляции легких (ИВЛ).
“Искусственная вентиляция легких – это вопрос жизни и смерти для людей с тяжелой формой COVID-19″, – говорит Брайан Оливер, исследователь респираторных заболеваний из Сиднейского Университета технологий, Австралия.
При критических заражениях COVID-19 легкие пациента становятся настолько поврежденными, что уже не могут функционировать. Чтобы исправить это, врачи пропускают трубку вниз по дыхательному канале, подключая ее к инструменту, что напоминает стол с щупальцами. Машина состоит из ручек, выключателей, кнопок и цифрового экрана и берет на себя контроль над дыханием. Он смешивает кислород с воздухом, нагревая его и вталкивая его в легкие.
Глобальные оценки свидетельствуют о том, что около 5% пациентов с COVID-19 потребуют интенсивной терапии с привлечением аппаратов искусственной вентиляции легких.
Это может показаться небольшой цифрой, но врачи во всем мире предупреждают, что системы здравоохранения перенагружени пациентами. Недостаток вентиляторов в наиболее пострадавших странах, таких как Италия, уже заставила медицинских работников выбирать, кто будет жить, а кто будет вынужден умереть.
В то время как коронавирус продолжает свой мрачный марш миром, страны быстро обнаруживают, что у них не хватает средств дать ему отпор.
И поэтому пандемия вызвала волну инноваций и ускорения разработки новых и усовершенствованных вентиляционных приборов, которые могут стать ключевыми для контроля коронавируса, пока не появится вакцина или эффективное, стандартизированное лечение.
Передовые аппараты для вентиляции легких разрабатываются технологическими гигантами: Dyson, General Motors, MIT и британским консорциумом во главе с Airbus. Но значительные регуляторные препятствия и технические проблемы могут мешать им попадать в больницы, которые нуждаются в них очень остро, чтобы остановить пандемию.
ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА СОВРЕМЕННОСТИ И ПУТИ ИХ РАЗРЕШЕНИЯ
Искусственная вентилция легких стала символом и надеждой, и страхом медицинских работников по всему миру, когда они пытаются взять пандемию под контроль.
Просто дыши
Около 2 миллиардов лет назад эволюция изменила жизнь на Земле: древние бактерии развили способность превращать углекислый газ в кислород, медленно меняя атмосферу планеты. Микроорганизмы, которые воспользовались этим новым воздухом, вызвали эволюционный прорыв, что привело к появлению двух губчатых мешков в груди: легких.
Легкие человека переполнены ветвистыми проходами, которые заканчиваются скоплениями полых мешков, известных как альвеолы, похоже на пучок черники, свисающий с куста. И их миллионы.
«У каждого из нас этих альвеол около 300 000 000, – говорит Елена Шнайдер, эксперт по охране здоровья легких из Мельбурнского университета, Австралия, – и каждый из них окружен действительно крошечными сосудами». Кровеносные сосуды – это место, где обмениваются газы.
Когда вы вдыхаете воздух, альвеолы заполняются “как воздушный шар”, – говорит Шнайдер. Кислород переходит в кровеносные сосуды и переносится по всему телу, а углекислый газ, присутствующий в крови поступает в мешки перед выдохом.
Во время вдоха мышцы груди и живота сокращаются, снижая давление внутри, и легкие позволяют расширяться и наполняться. При выдохе все происходит наоборот. Мышцы расслабляются, давление увеличивается и легкие сдавливаются, выталкивая углекислый газ.
В COVID-19 этот процесс нарушен. Вирус заражает и травмирует альвеолы, заставляя организм обращаться за помощью к иммунной системе. Иногда этот процесс может перерасти в чрезмерную защитную реакцию.
“Иммунный ответ иногда настолько сильный, что может повредить ткани”, – объясняет Оливер.
Поврежденная ткань приводит к утечке жидкости и клеток, которые заполняют альвеолы, уменьшая количество кислорода, который они могут переносить. Это состояние, которое мы называем пневмонией, и оно может быть смертельным.
“Когда у человека есть пневмония, жидкость и гной в легких – это то, что затрудняет дыхание”, – говорит Оливер.
В наиболее критических случаях COVID-19 у пациентов наблюдается острый респираторный дистресс-синдром, сильное воспаление легких. Аппарат искусственной вентиляции легких становится единственным способом перемещения кислорода через те части легких, которые не сильно поврежденные вирусом.
Пандемия коронавируса сделала из аппарата для вентилиции легких последнюю надежду для многих больных. Но история вентилятора начинается гораздо раньше – около века назад – когда еще один вирус атаковал нашу планету.
Легкие как уязвимое место
В начале 20 века вспышки полиомиелита преследовали людей по всему миру. Полиомиелит, как и COVID-19, вызывается вирусом. Вирус прокрадывается в нервную систему и приводит хаос. Поврежденные нервы приводят к параличу, замирание мышц, необходимых для дыхания. Пациенты с полиомиелитом имеют здоровые легкие – но они не могут дышать.
Вирус в конце 1920-х вдохновил на изобретение железных легких – гигантских цилиндрических цистерн с достаточным количеством места, чтобы пациенты могли лежать на спине. На одном конце голова пациента выступает через небольшое отверстие. Железные легкие были устройством “вентиляции отрицательного давления”.
Но нужен был более эффективный метод вентиляции. Анестезиолог по имени Бьорн Ибсен установил новый протокол в своей переполненной больнице: около 1500 студентов-медиков прокачивали легкие больных полиомиелитом надувным мешком, стоя у каждой кровати, и рукой закачивая воздух в легкие.
“Смертность от паралитического полиомиелита составляла около 80%”, – говорит Артур Слуцкий, специалист по механической вентиляции больницы Сент-Майкл в Торонто. “После запуска механической вентиляции она снизилась до 40% за ночь”.
Эта форма искусственной вентиляции легких – “вентиляция с положительным давлением” – навсегда изменила вспомогательное дыхание.
К концу 1950-х годов Форест Берд, эксцентричный американский изобретатель, создал первую надежную, массовую вентиляторные систему, используя те же принципы. Полупрозрачный, зеленый вентилятор размером с коробку для обуви, достаточно маленький, чтобы поместиться в больничной койке, спас миллионы жизней.
Вентиляторы, которые борются с пандемией COVID-19, мало чем отличаются от этой зеленой прозрачной коробки Берда, впервые разработаной в начале 1950-х.
“То, зачем нужен вентилятор, вообще – это попытка выиграть время, чтобы организм мог самостоятельно исцелиться”, – говорит Слуцкий.
Эта миссия стала легче, поскольку сегодняшние устройства получили значительные технологические усовершенствования. Их можно индивидуализировать, чтобы сделать процесс гораздо более терпимым и комфортным. А встроенная сигнализация предупреждает медицинских работников о малейшие нарушения дыхания.
Технологические компании и искусственная вентиляция легких
Генетические мутации в геноме вируса позволили ему распространяться быстрее и дальше, чем любой коронавирус перед ним. Хотя оценки свидетельствуют о том, что лишь 5% пациентов с заражением COVID-19 требуют механической вентиляции легких, быстрое распространение коронавируса означает, что у нас просто не хватает устройств, чтобы этот процент людей мог дышать.
В Италии, где COVID-19 убил более 10 000 человек и переполнил систему здравоохранения, врачам пришлось проводить нормирование вентиляторов. Важность выбора между тем, кто получает спасательную вентиляцию и кто, по умолчанию, скорее погибнет, заставляла медицинских работников плакаты в прихожей больницы.
Некоторые крупнейшие мировые производители отвлекли свое внимание от изготовления транспортных средств и пылесосов в пользу налаживания изготовления аппаратов искусственной вентиляции легких.
В конце марта Элон Маск, генеральный директор компании-гиганта по выпуску электромобилей Tesla, отгрузил более 1000 устройств в Калифорнию и обязался превратить завод Tesla в Нью-Йорк в производственную линию аппаратов искусственной вентиляции легких.
General Motors сотрудничает с вентиляторной компанией Ventec Life Systems для увеличения производства аппаратов в Индиане. Британский технический гигант Dyson, компания, известная преимущественно своими пылесосами и сушилками для рук, по заказу Национальной службы здравоохранения Великобритании изготовила 10000 своих недавно разработанных систем “CoVent”. Команда в MIT создала образцы недорогого вентиляционного устройства.
Агентства здравоохранения, включая Управление пищевыми продуктами и лекарственными препаратами США, Администрацию терапевтических товаров Австралии и Министерство здравоохранения и социального обеспечения Великобритании, заявили о своем намерении рассмотреть альтернативные стратегии вентиляции, которые могут устранить существующие проблемы.
Аппарат искусственной вентиляции легких – не слишком сложное устройство для сборки. Но есть инженерные проблемы, которые нужно преодолеть.
“В изготовлении вентилятора есть некоторые тонкости”, – говорит Слуцкий. Последние несколько недель он работал с инженерами, физиками и даже Нобелевским лауреатом, ищя ответы на “простые” вопросы по дизайну, работе клапанов и построения машины. “Они на самом деле немного сложнее, чем думают люди”.
Один большой вопрос – дистрибуция. Даже если компания разработала и масштабувала производство экспоненциально, как это пытаются сделать GM и Ventec, вопрос в том как им доставить вентиляторы с фабрики в больницы, где они наиболее необходимы?
Слуцкий рассматривает недорогие конструкции, которые могут быть получены и изготовлены местными инженерными фирмами, как способ быстрого масштабирования производства.
“Идея заключается в том, чтобы вентилятор был с открытым кодом, чтобы кто-то другой мог его сделать”, – говорит он.
Непредвиденные долгосрочные последствия
Разница между лекарствами и ядом заключается в дозе.
“Вентилятор спасает жизни”, – говорит Слуцкий. “Но это также может привести к травме”.
COVID-19 пациенты, которые переживают дыхательный дистресс, потребуется интубация – процесса физического введения трубки.
“Инвазивная интубация – это то, что можно делать только в том случае, если вам это действительно нужно”, – говорит Шнайдер. Интубация может вызвать бактериальную инфекцию и может нанести вред.
Независимо от того, насколько хорошо вы это сделаете, вентиляция с положительным давлением вредна, поскольку подвергает легкие более высоком давлении. Если воздушный поток не проводится тщательно, легкие могут переполняться.
Это может привести к каскаду негативных последствий, поскольку клетки легких растягиваются. Во время этого процесса они высвобождают молекулы, которые попадают в кровь и путешествуют в другие органы, вызывая дальнейшие осложнения.
Слуцкий предполагает, что некоторые пациенты могут иметь длительные побочные эффекты, но также будет «много» людей, у которых легочная функция вернется к норме.
Аппарат искусственной вентиляции легких – не панацея
Параллели с эпидемией полиомиелита XX века неизбежны: эти кризисы стимулировали изобретение железных легких и возникновение вентиляции с положительным давлением.
Вентиляторы сформировали последнюю линию защиты от смерти. Они спасли жизнь.
Они выигрывали время для оздоровления пациентов и для врачей для разработки новых методов лечения.
Такая параллель вселяет надежду и страх.
Дефицит вентиляторов широко распространен. До появления нового оборудования еще возможно пройдут месяцы, но органы здравоохранения нуждаются в них срочно уже сейчас.
Ситуация стала настолько грозной, что мы можем наблюдать за инновациями, происходящие в режиме реального времени.
В Великобритании команды Формулы-1 сотрудничали над совершенствованием другого типа дыхательной помощи, которая могла бы убереч пациентов COVID-19 от вентиляторов.
Группа исследователей предполагает, что ресурсы можно растянуть, используя одну вентиляцию для семи пациентов. И хотя медицинские ассоциации предостерегают против подобных экспериментов, вскоре другого выбора может не быть.
Как последняя линия защиты, нет гарантий, что механическая вентиляция сохранит пациента в живых. Они не являются лечением. Но они выигрывают время.
Конечная цель такая же, как и во время эпидемий полиомиелита: создание надежной, безопасной вакцины.
“Было приятно иметь вентилятор, который спас жизнь некоторым людям, – говорит Слуцкий, – но хорошо иметь еще то, что спасло человечество в случаи полиомиелита, – вакцина”.
Разработка вакцины прогрессирует с большой скоростью, и были определены десятки потенциальных кандидатов на эксперименты, но эксперты предупреждают, что вряд ли мы ее увидим ее по крайней мере до середины 2021 года.
Источник: www.cnet.com
