Wetenschappers zijn er dankzij een aan de Ohio State University ontwikkelde organ-on-a-chip beademingsapparaat in geslaagd de fysieke en biologische schade die veroorzaakt wordt door beademingsapparatuur te onderzoeken. Het onderzoek concludeert dat het met dit ‘beademingsapparaat-op-een-chip’ mogelijk is in realtime het veroorzaakte letsel aan de longen, op cellulair niveau, te detecteren.
De onderzoekers hopen dat het apparaat uiteindelijk gaat helpen bij de zoektocht naar therapieën om door beademing veroorzaakt longletsel aan te pakken. "De initiële schade is puur fysiek, maar de processen daarna zijn biologisch van aard. Wat we met dit apparaat doen, is de twee koppelen zodat we de verschillende letsels kunnen vergelijken", vertelt co-hoofdauteur en onderzoeker Samir Ghadiali, Ph.D. Hij is hoogleraar en hoofd biomedische technologie aan de Ohio State University. Het onderzoek werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Lab on a Chip.
Longschade door beademing
Beademingsapparaten zijn vaak levensredders voor patiënten met ernstige ademhalingsproblemen als gevolg van ziekte of trauma, maar het is al lang bekend dat de mechanische krachten die op de longen worden uitgeoefend ook letsel veroorzaken. De schade op cellulair niveau kan ervoor zorgen dat de barrière tussen kleine luchtzakjes en haarvaten die bloed vervoeren, gaat lekken. Dat leidt tot vochtophoping die de zuurstoftoevoer naar de longen belemmert.
Het is belangrijk om realtime de veranderingen in cellen die de integriteit van die barrière beïnvloeden te kunnen meten. Dat wordt door de ventilator-op-een-chip en een innovatieve aanpak mogelijk gemaakt. Op de chip worden menselijke longcellen gekweekt op een synthetisch nanovezelmembraan dat de complexe longmatrix nabootst. Met het nieuw ontwikkelde ‘beademingsapparaat-op-een-chip’ komt die matrix dichter bij de authentieke longmicro-omgeving dan enig vergelijkbaar organ-on-a-chip tot nu toe, zo stellen de onderzoekers.
Vorig jaar startten het Erasmus MC en Maasstad een pilot met flow-gecontroleerde beademing bij IC-patiënten met de ernstige longaandoening ARDS. Doel van dit onderzoek is om te bepalen of de nieuwe vorm van beademing de longen minder belast, wat uiteindelijk beter is voor de patiënt, met minder kans is op longschade.
Mechanische stress
Het apparaat van de universiteit van Ohio meet de effecten van drie soorten mechanische stress op de integriteit van de barrière: longcelrek door overmatige inflatie, verhoogde druk op longcellen en het cyclische sluiten en heropenen van luchtzakken. Experimenten toonden aan dat overmatige inflatie met een hoog volume lucht en cyclische sluiting en heropening van luchtzakken beide leidden tot een lekkage van de barrière. Echter, de cellen konden sneller herstellen van overmatige inflatie dan van het herhaaldelijk openen en sluiten van luchtzakken.
"Dit is een belangrijke vooruitgang op dit gebied die hopelijk zal leiden tot een beter begrip van hoe longletsel zich ontwikkelt bij mechanisch beademde patiënten en identificatie van therapeutische doelen, zodat we medicijnen kunnen geven om dat soort letsel te voorkomen of te behandelen wanneer het zich voordoet", aldus co-hoofdauteur Joshua Englert, MD, universitair hoofddocent long-, intensive care- en slaapgeneeskunde aan het Wexner Medical Center van de Ohio State University.
Vervolgonderzoek
De wetenschappers hebben nog veel te doen. Zo worden vervolgstappen gepland waarbij modellen gemaakt en onderzocht zullen worden voor ziekten zoals longontsteking en traumatische verwondingen die IC-patiënten oplopen in combinatie met mechanische actie.
"We bevinden ons in de beginfase van het ontwikkelen van een aantal van die modellen, waarbij we wat dieper ingaan op de complexiteit van longletsel bij IC-patiënten. Dit model is een platform waarop we kunnen voortbouwen", aldus Englert.
