MIT-Ingenieure entwickeln ein weiches, implantierbares Beatmungsgerät

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Für viele von uns ist das Atmen eine Selbstverständlichkeit. Hinter den Kulissen funktioniert unser Zwerchfell – der kuppelförmige Muskel, der direkt unter dem Brustkorb liegt – wie ein langsames und gleichmäßiges Trampolin, das nach unten drückt, um ein Vakuum zu erzeugen, damit sich die Lunge ausdehnt und Luft ansaugt, und sich dann entspannt, während die Luft herausgedrückt wird . Auf diese Weise steuert das Zwerchfell automatisch unsere Lungenkapazität und ist der Hauptmuskel, der für unsere Atmungsfähigkeit verantwortlich ist.

Wenn jedoch die Funktion des Zwerchfells beeinträchtigt ist, wird der Ateminstinkt zu einer mühsamen Aufgabe. Eine chronische Funktionsstörung des Zwerchfells kann bei Menschen mit ALS, Muskeldystrophie und anderen neuromuskulären Erkrankungen sowie bei Patienten mit Lähmungen und einer Schädigung des Zwerchfellnervs auftreten, der die Kontraktion des Zwerchfells anregt.

Ein neues Proof-of-Concept-Design von MIT-Ingenieuren zielt darauf ab, eines Tages die lebenserhaltende Funktion des Zwerchfells zu stärken und die Lungenkapazität von Menschen mit Zwerchfellfunktionsstörungen zu verbessern.

Das MIT-Team hat ein weiches, robotisches und implantierbares Beatmungsgerät entwickelt, das die natürlichen Kontraktionen des Zwerchfells verstärken soll. Das Herzstück des Systems sind zwei weiche, ballonartige Schläuche, die über dem Zwerchfell implantiert werden können. Wenn sie mit einer externen Pumpe aufgeblasen werden, fungieren die Schläuche als künstliche Muskeln, die das Zwerchfell nach unten drücken und die Ausdehnung der Lunge unterstützen. Die Schläuche können mit einer Frequenz aufgeblasen werden, die dem natürlichen Rhythmus des Zwerchfells entspricht.

Die Forscher demonstrierten das implantierbare Beatmungsgerät in Tiermodellen und zeigten, dass das System bei eingeschränkter Zwerchfellfunktion die Luftmenge, die die Lunge ansaugen kann, deutlich verbessern konnte.

Es gibt noch viel zu tun, bevor ein solches implantierbares System zur Behandlung von Menschen mit chronischer Zwerchfellfunktionsstörung eingesetzt werden kann. Doch die vorläufigen Ergebnisse eröffnen einen neuen Weg in der unterstützenden Atemtechnologie, den die Forscher unbedingt optimieren möchten.

„Dies ist ein Proof of Concept einer neuen Art der Beatmung“, sagt Ellen Roche, außerordentliche Professorin für Maschinenbau und Mitglied des Institute for Medical Engineering and Science am MIT. „Die Biomechanik dieses Designs ähnelt eher der normalen Atmung im Vergleich zu Beatmungsgeräten, die Luft in die Lunge drücken, wo man eine Maske oder ein Tracheostoma hat. Es ist ein langer Weg, bis es einem Menschen implantiert wird. Aber es ist spannend, dass wir zeigen konnten, dass wir die Beatmung durch etwas Implantierbares verbessern können.“

Roche und ihre Kollegen haben ihre Ergebnisse heute in Nature Biomedical Engineering veröffentlicht. Zu ihren Co-Autoren am MIT gehören die Erstautorin und ehemalige Doktorandin Lucy Hu sowie Manisha Singh und Diego Quevedo Moreno; zusammen mit Jean Bonnemain vom Universitätskrankenhaus Lausanne in der Schweiz und Mossab Saeed und Nikolay Vasilyev vom Boston Children's Hospital.

Ein sanfter Druck

Das Design des implantierbaren Beatmungsgeräts des Teams entstand aus der früheren Arbeit von Roche an einem unterstützenden Gerät für das Herz. Als Doktorand an der Harvard University entwickelte Roche eine Herzmanschette, die sich um das Herz legt, um den Druck zu entlasten und das Organ beim Pumpen zu unterstützen.

Jetzt am MIT fanden sie und ihre Forschungsgruppe heraus, dass eine ähnliche sanfte Roboterunterstützung auf andere Gewebe und Muskeln angewendet werden könnte.

„Wir dachten: Was ist ein weiterer großer Muskel, der zyklisch pumpt und lebenserhaltend ist? Das Zwerchfell“, sagt Roche.

Das Team begann lange vor Beginn der Covid-19-Pandemie mit der Erforschung von Designs für ein implantierbares Beatmungsgerät, als die Zahl der Fälle auch bei der Verwendung herkömmlicher Beatmungsgeräte zunahm. Diese Beatmungsgeräte erzeugen einen Überdruck, bei dem Luft durch die zentralen Atemwege eines Patienten nach unten und in die Lunge gedrückt wird.

Das Zwerchfell hingegen erzeugt einen Unterdruck. Wenn sich der Muskel zusammenzieht und nach unten drückt, entsteht ein Unterdruck, der Luft in die Lunge saugt, ähnlich wie wenn man am Griff einer Fahrradpumpe zieht, um Luft anzusaugen.

Das Team von Roche wollte ein Unterdruckbeatmungsgerät entwickeln – ein System, das dabei helfen könnte, die natürliche Funktion des Zwerchfells zu verbessern, insbesondere bei Menschen mit langfristiger Atemstörung.

„Wir dachten eigentlich an chronisch kranke Menschen mit diesen degenerativen Erkrankungen, die immer schlimmer werden“, sagt sie.

„Die Arbeit des Atmens“

Das neue System, über das in der Arbeit berichtet wird, besteht aus zwei langen, weichen und aufblasbaren Schläuchen, die einer Art pneumatischer Vorrichtung ähneln, die als McKibben-Aktuatoren bekannt ist. Das Team passte die Schläuche so an, dass sie über dem Zwerchfell liegen (von vorne nach hinten) und an beiden Seiten des kuppelförmigen Muskels am Brustkorb befestigt werden. Ein Ende jedes Schlauchs ist mit einer dünnen externen Luftleitung verbunden, die zu einer kleinen Pumpe und einem Steuersystem führt.

Durch die Analyse der Kontraktionen des Zwerchfells kann das Team die Pumpe so programmieren, dass sie die Schläuche mit einer ähnlichen Frequenz aufpumpt.

„Wir haben erkannt, dass wir die Bewegung des Zwerchfells nicht vollständig nachahmen müssen – wir müssen ihm nur einen zusätzlichen Druck nach unten geben, wenn es sich auf natürliche Weise zusammenzieht“, sagt Roche.

Die Forscher testeten das System an anästhesierten Schweinen, indem sie die Schläuche über das Zwerchfell der Tiere implantierten und die Enden der Schläuche operativ an Rippen an beiden Enden des Muskels befestigten. Sie überwachten den Sauerstoffgehalt der Tiere und beobachteten ihre Zwerchfellfunktion mittels Ultraschallbildgebung.

Das Team stellte fest, dass das implantierbare Beatmungsgerät im Allgemeinen das Atemvolumen der Schweine erhöhte, also die Luftmenge, die die Lunge bei jedem Atemzug ansaugen konnte. Die deutlichste Verbesserung wurde in Fällen beobachtet, in denen die Kontraktionen des Zwerchfells und der künstlichen Muskeln synchron waren. In diesen Fällen half das Beatmungsgerät dabei, dass das Zwerchfell dreimal mehr Luft ansaugte als ohne Unterstützung.

„Wir waren begeistert, als wir sahen, dass wir solche Änderungen im Atemzugvolumen erzielen konnten, und dass wir die Beatmung retten konnten“, sagt Roche.

Das Team arbeitet daran, verschiedene Aspekte des Systems zu optimieren, mit dem Ziel, es eines Tages bei Patienten mit chronischer Zwerchfellfunktionsstörung einzusetzen.

„Die Vision ist, dass wir wissen, dass bestimmte Teile dieses Systems miniaturisiert werden könnten“, sagt Roche. „Das Pumpen- und Steuerungssystem könnte an einem Gürtel oder Rucksack getragen werden oder möglicherweise sogar vollständig implantierbar sein. Es gibt implantierbare Herzpumpen, wir wissen also, dass es machbar ist. Im Moment lernen wir viel über die Biomechanik und die Arbeit des Atmens und wie wir all das mit diesem neuen Ansatz erweitern können.“

Diese Forschung wurde teilweise vom CIHR, der Muscular Dystrophy Association, dem National Institute of Health, der SICPA Foundation und dem Verbesserungsfonds des Universitätsklinikums Lausanne, dem SMA2 Brown Fellowship und der National Science Foundation unterstützt.

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