Los ingenieros del MIT han desarrollado un diseño de prueba de concepto de un ventilador implantable que busca mejorar la capacidad pulmonar en personas con disfunción diafragmática.
El ventilador implantable consta de dos tubos blandos con forma de globo que pueden implantarse para colocarse sobre el diafragma.
Los resultados preliminares sugieren que el dispositivo podría ofrecer una nueva vía en la tecnología de asistencia respiratoria, afirma el MIT.
Para muchos de nosotros, el acto de respirar resulta natural. Tras bambalinas, nuestro diafragma (el músculo en forma de cúpula que se encuentra justo debajo de la caja torácica) funciona como un trampolín lento y constante: se contrae hacia abajo para crear un vacío que permite a los pulmones expandirse y aspirar aire, y luego se relaja mientras el aire es expulsado. De este modo, el diafragma controla automáticamente nuestra capacidad pulmonar y es el principal músculo responsable de nuestra capacidad para respirar.
Pero cuando la función del diafragma se ve comprometida, el instinto respiratorio se convierte en una tarea laboriosa. La disfunción diafragmática crónica puede darse en personas con ELA, distrofia muscular y otras enfermedades neuromusculares, así como en pacientes con parálisis y en quienes sufren daños en el nervio frénico, que estimula la contracción del diafragma.
Un nuevo diseño de prueba de concepto desarrollado por ingenieros del MIT tiene como objetivo, algún día, potenciar la función vital del diafragma y mejorar la capacidad pulmonar de las personas con disfunción diafragmática.
El equipo del MIT ha desarrollado un ventilador blando, robótico e implantable diseñado para potenciar las contracciones naturales del diafragma. En el centro del sistema hay dos tubos blandos con forma de globo que pueden implantarse para colocarse sobre el diafragma. Cuando se inflan con una bomba externa, los tubos actúan como músculos artificiales que empujan el diafragma hacia abajo y ayudan a que los pulmones se expandan. Los tubos pueden inflarse con una frecuencia que coincida con el ritmo natural del diafragma.
Los investigadores demostraron el ventilador implantable en modelos animales y comprobaron que, en casos de función diafragmática comprometida, el sistema logró mejorar significativamente la cantidad de aire que los pulmones podían aspirar.
Aún queda mucho trabajo por hacer antes de que un sistema implantable de este tipo pueda utilizarse para tratar a personas con disfunción diafragmática crónica. Pero los resultados preliminares abren una nueva vía en la tecnología de asistencia respiratoria que los investigadores están deseosos de optimizar.
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«Se trata de una prueba de concepto de una nueva forma de ventilar», afirma Ellen Roche, profesora asociada de ingeniería mecánica y miembro del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas del MIT. «La biomecánica de este diseño se acerca más a la respiración normal, frente a los ventiladores que introducen aire en los pulmones mediante una mascarilla o una traqueostomía. Aún queda un largo camino antes de que esto pueda implantarse en un ser humano. Pero es emocionante que hayamos podido demostrar que podemos potenciar la ventilación con algo implantable.»
Roche y sus colegas han publicado sus resultados hoy en Nature Biomedical Engineering. Sus coautores en el MIT incluyen a la primera autora y antigua estudiante de posgrado Lucy Hu, así como a Manisha Singh y Diego Quevedo Moreno; junto con Jean Bonnemain, del Hospital Universitario de Lausana (Suiza), y Mossab Saeed y Nikolay Vasilyev, del Boston Children’s Hospital.
Una presión blanda
El diseño del ventilador implantable del equipo surgió del trabajo previo de Roche sobre un dispositivo de asistencia para el corazón. Como estudiante de posgrado en la Universidad de Harvard, Roche desarrolló una funda cardíaca diseñada para envolver el corazón, aliviar la presión y brindar apoyo mientras el órgano bombea.
Ahora en el MIT, ella y su grupo de investigación descubrieron que una asistencia blanda y robótica similar podría aplicarse a otros tejidos y músculos.
«Pensamos: ¿cuál es otro músculo grande que bombea de forma cíclica y es vital para la vida? El diafragma», explica Roche.
El equipo comenzó a explorar diseños de ventilador implantable mucho antes de que comenzara la pandemia de Covid-19, cuando el uso de los ventiladores convencionales se disparó junto con los casos. Esos ventiladores generan presión positiva, en la que el aire se empuja por las vías respiratorias centrales del paciente y se fuerza hacia los pulmones.
El diafragma, en cambio, genera presión negativa. Cuando el músculo se contrae y empuja hacia abajo, crea una presión negativa que aspira el aire hacia los pulmones, de forma similar a tirar del mango de una bomba de bicicleta para introducir aire.
El equipo de Roche buscó diseñar un ventilador de presión negativa, un sistema que pudiera ayudar a potenciar la función natural del diafragma, especialmente en personas con disfunción respiratoria a largo plazo.
«Pensábamos realmente en personas con enfermedades crónicas que padecen estas dolencias degenerativas que empeoran progresivamente», explica.
«El trabajo de respirar»
El nuevo sistema descrito en el artículo consta de dos tubos largos, blandos e inflables, que siguen el modelo de un tipo de dispositivos neumáticos conocidos como actuadores McKibben. El equipo adaptó los tubos para que se coloquen a lo largo del diafragma (de delante hacia atrás) y se fijen a la caja torácica a cada lado del músculo en forma de cúpula. Un extremo de cada tubo se conecta a una fina línea de aire externa, que llega a una pequeña bomba y a un sistema de control.
Al analizar las contracciones del diafragma, el equipo puede programar la bomba para inflar los tubos con una frecuencia similar.
«Nos dimos cuenta de que no tenemos que imitar por completo exactamente cómo se mueve el diafragma; solo tenemos que darle un empujón adicional hacia abajo cuando se contrae de forma natural», explica Roche.
Los investigadores probaron el sistema en cerdos anestesiados, implantando los tubos sobre el diafragma de los animales y fijando quirúrgicamente los extremos de los tubos a las costillas a ambos lados del músculo. Monitorizaron los niveles de oxígeno de los animales y observaron la función diafragmática mediante imágenes por ultrasonido.
El equipo comprobó que, en general, el ventilador implantable aumentó el volumen corriente de los cerdos, es decir, la cantidad de aire que los pulmones podían aspirar en cada respiración. La mejora más notable se observó en los casos en que las contracciones del diafragma y de los músculos artificiales estaban sincronizadas. En estos casos, el ventilador ayudó al diafragma a aspirar tres veces más aire del que aspiraría sin asistencia.
«Nos entusiasmó comprobar que podíamos lograr tales cambios en el volumen corriente, y que fuimos capaces de recuperar la ventilación», explica Roche.
El equipo trabaja para optimizar diversos aspectos del sistema, con el objetivo de implementarlo algún día en pacientes con disfunción diafragmática crónica.
«La visión es que sabemos que algunas partes de este sistema podrían miniaturizarse», explica Roche. «La bomba y el sistema de control podrían llevarse en un cinturón o una mochila, o incluso ser totalmente implantables en el futuro. Existen bombas cardíacas implantables, así que sabemos que es factible. Por ahora, estamos aprendiendo mucho sobre la biomecánica y el trabajo de respirar, y sobre cómo podemos potenciar todo eso con este nuevo enfoque.»
Esta investigación contó en parte con el apoyo de CIHR, la Muscular Dystrophy Association, el National Institute of Health, la Fundación SICPA y el fondo de mejora del Hospital Universitario de Lausana, la beca SMA2 Brown y la National Science Foundation.
