近日，有报道称研究人员通过俄亥俄州立大学开发的“芯片呼吸机”模型发现，肺泡的塌陷与重新打开引发的剪切应力是造成细胞损伤的主要因素。这是科学家们首次成功地直接比较了机械通气对肺部细胞的不同类型损伤。
这种微型“器官芯片”不仅能够模拟机械通气过程中肺部的损伤，还可以实时监测人体细胞的修复与恢复。该研究的共同第一作者、俄亥俄州立大学生物医学工程系教授兼系主任Samir Ghadiali博士指出：“最初的损伤是由物理作用引起的，而随后的过程则主要是生物性的。我们通过这个装置结合了这两种过程。”
研究团队希望这一设备能有助于开发治疗因呼吸机引发的肺损伤的疗法。论文的另一位共同第一作者、俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心肺病学、重症监护和睡眠医学副教授Joshua Englert博士表示：“这项研究是该领域的一次重要突破，能帮助我们更好地理解机械通气患者肺损伤的发生机制，进而找出药物治疗的靶点，以预防或治疗这些损伤。”
这项研究成果近期发表在Lab on a Chip期刊上。
机械通气虽然能够挽救那些因疾病或创伤而呼吸功能受损的患者，但人们早已认识到，施加于肺部的机械力也会造成伤害。细胞层面的损伤会导致肺泡和毛细血管之间的屏障出现渗漏，进而引发液体积聚，阻碍氧气进入肺部。
该芯片模型的特别之处在于，它可以实时测量这些力对肺部细胞屏障完整性的影响。通过一种创新的方法，研究人员在模拟肺组织复杂结构的合成纳米纤维膜上培育了人类肺细胞，这使得该装置比其他类似的肺芯片系统更接近真实的通气环境。
图：新型芯片呼吸机可用于研究肺损伤
研究装置重点测量了三种机械应力对细胞屏障的影响：过度充气导致的拉伸、细胞压力增加，以及肺泡的周期性塌陷与重新开放。实验结果表明，过度充气和周期性塌陷与重新开放都会损伤屏障，但细胞从过度充气中的恢复速度更快，而塌陷与重新开放带来的损伤则更为严重。
Englert指出，塌陷与重新开放导致肺部液体流动，进而使细胞承受巨大的剪切应力，这种应力是造成严重损伤的关键。“目前，关于这两种伤害机制在同一系统中的对比数据还很少，”他说，“但现在我们首次能够使用同一设备和细胞进行这两种伤害的实验，并比较它们的效果。结果显示，这两种伤害都很严重，但塌陷与重新开放带来的恢复难度更大。”
Ghadiali补充说，这一发现展示了该模型的复杂性。“我们早已知道塌陷和重新打开会对肺部产生有害影响，但此前无法实时测量其损伤过程，”他说。“现在我们不仅能确认这种损伤的快速发生，也发现了它较长的恢复时间。我们计划继续利用这款‘芯片呼吸机’来研究如何预防这种伤害并增强修复能力。”
未来的研究将致力于结合机械作用，模拟ICU患者因肺炎和创伤等疾病而出现的复杂肺损伤。Englert表示：“我们正处于开发这些模型的初期，未来将深入探讨ICU患者肺损伤的复杂机制，这一模型为我们提供了坚实的研究平台。”
