الأنفاس الأولى - التكنولوجيا التي تم تطويرها في التخنيون ستساعد الأطفال المبتسرين الذين يخضعون لعملية التنفس

التنفس الاصطناعي هو تقنية منقذة للحياة، لكنه يمكن أن يلحق الضرر بالجهاز التنفسي. يقدم الباحثون في التخنيون جوانب جديدة لهذه الإصابة ويقدمون علاجًا أوليًا من شأنه أن يخففها لدى الأطفال الخدج الذين يتنفسون وبالتالي تحسين صحتهم

يولد حوالي عُشر الأطفال في العالم قبل الأوان، قبل أن تتاح لأجهزة الجسم الوقت الكافي للتطور بشكل صحيح. أحد هذه الأجهزة هو الجهاز التنفسي، الذي يصل إلى مرحلة النضج الكامل في سن الثانية وهو ضروري لبقاء الطفل على قيد الحياة. عندما يكون الجنين في الرحم، يتلقى الأكسجين من أمه عبر الحبل السري، ولكن بعد الولادة يجب أن يتنفس من تلقاء نفسه. لذلك، غالبًا ما يعاني الأطفال المبتسرون من ضيق في التنفس ويحتاجون إلى دعم للتنفس. علاوة على ذلك، كلما ولد الطفل الخديج في وقت مبكر، كلما كانت الضائقة التنفسية أكثر شدة ومن المتوقع أن يعاني من فترة تنفس أطول. في بعض الأحيان، تتم التهوية باستخدام جهاز التنفس الصناعي الذي يدخل الهواء إلى الرئتين من خلال أنبوب يتم إدخاله في القصبة الهوائية. 

على الرغم من التحسن المستمر في تقنيات الجهاز التنفسي وعلاج الأطفال المبتسرين، إلا أن معدلات الإصابة بالمرض بينهم لا تزال أعلى من المرغوب فيه. تنبع إحدى المشاكل من حقيقة أن العلاجات الأساسية في الخداج، بما في ذلك التنفس الاصطناعي، تمنع الوفاة بالفعل ولكنها تسبب أضرارًا وآثارًا جانبية قد تؤثر على المريض على المدى الطويل. هذه التأثيرات ومصادر الضرر الناجمة عن التنفس الاصطناعي ليست مفهومة بالكامل بعد. هذه هي خلفية البحث الذي تم إجراؤه في مختبر البروفيسور جوشوا شنيتمان من كلية الهندسة الطبية الحيوية في التخنيون.

وفي دراسة سابقة نشرت العام الماضي فيمجلة واجهة الجمعية الملكيةاكتشف البروفيسور جوشوا شنيتمان والدكتور إليرام نوف ظاهرة غير مذكورة على الإطلاق في الأدبيات الطبية: تلف الرئة نتيجة خروج تيار هوائي من الأنبوب الذي تم إدخاله في القصبة الهوائية للرضيع الخديج أثناء التنفس الاصطناعي. وباستخدام نموذج فيزيائي (ميكانيكا التدفق)، اكتشف الاثنان أن هذه النفاثة تمارس قوى قص قوية على الأنسجة الظهارية، وهي طبقة الخلايا التي تبطن المسالك الهوائية. يمكن أن تسبب هذه القوى أضرارًا تعرض المريض للخطر، بل وأكثر من ذلك عندما يتعلق الأمر بالطفل الخديج.

وفي دراسة المتابعة، التي نشرت الآن في المجلة الهندسة الحيوية والطب التحويلياختبر الباحثون الفرضية في نموذج جديد يحتوي على ظهارة بشرية اصطناعية. قاد البحث البروفيسور شنيتمان والدكتور إليرام نوف والدكتور أربيل أرتزي شنيرمان. ويشارك في البحث أيضًا أطباء أطفال وأنف وأذن وحنجرة، بما في ذلك الدكتور ليرون بورنشتاين، عضو هيئة التدريس في كلية الطب رابابورت في التخنيون وطبيب كبير في قسم العناية المركزة لحديثي الولادة والخدج في كلية الطب رامبام.

تم إجراء البحث باستخدام نموذج ثلاثي الأبعاد للممرات الهوائية العلوية - القصبة الهوائية والشعب الهوائية التي تتباعد عنها. وفي هذا النموذج، قام الباحثون بزراعة طبقة من الخلايا الظهارية - وهي الخلايا التي تغطي أيضًا الجهاز التنفسي الطبيعي - لمراقبة تأثير التنفس عليها. يوضح البروفيسور شنيتمان: "اليوم نعلم بالفعل أن التنفس الاصطناعي، وهو تقنية منقذة للحياة، يسبب أضرارًا مختلفة للجهاز التنفسي". "وتُعزى هذه الأضرار حتى الآن إلى عوامل ميكانيكية مثل دخول الهواء المضغوط الذي يؤدي إلى تمدد أنسجة الرئة. وفي السنوات الأخيرة، تمت إضافة رؤى حول مصادر الضرر الأكثر تعقيدًا. في الدراسة الحالية، أثبتنا في التجارب المختبرية عن طريق قياس السيتوكينات التي تنشط جهاز المناعة، بدء العملية الالتهابية - وهي العملية التي هي السبب الجذري لتلف الرئة عند الأطفال الخدج الذين يخضعون للتهوية والناتجة عن تدفق الهواء وقوى القص أثناء التنفس."

في الدراسة السابقة، اكتشف باحثو التخنيون، كما ذكرنا، أن تيار الهواء يمارس قوى قص قوية على الأنسجة الظهارية؛ لقد اكتشفوا الآن أن الطائرة تسبب تغييرا في توازن السيتوكينات - البروتينات التي تشكل أساس التواصل بين خلايا الجهاز المناعي. بمعنى آخر، بالإضافة إلى الضرر الميكانيكي - تآكل الظهارة - يتسبب التنفس الغازي أيضًا في تنشيط الاستجابة المناعية وقد يؤدي ذلك إلى تطورات التهابية ضارة وحتى تهدد الحياة.

وبعد هذه الاكتشافات، فحص الباحثون إمكانية تقليل الضرر المذكور من خلال العلاج الدوائي، وبمساعدة زملائهم، اختار الأطباء دواء شائعا يسمى مونتيلوكاست، يستخدم لعلاج مرضى الربو. وفي الواقع، اكتشفوا في النموذج ثلاثي الأبعاد أن المعالجة المسبقة بالمونتيلوكاست تخفف من موت الخلايا الظهارية والاستجابة المناعية أثناء التهوية. 

ويقدر البروفيسور شنيتمان أن استخدام النماذج من النوع الذي تم تطويره في مختبره قد يحسن التجارب ما قبل السريرية التي يتم إجراؤها في المختبرات (في الدراسات ما قبل السريرية المختبرية). "إذا كانت الأبحاث قبل السريرية في المختبرات أكثر كفاءة ودقة، فيمكننا الوصول إلى المرحلة التالية - التجارب قبل السريرية على الحيوانات - عندما نكون أكثر تركيزًا. وبهذه الطريقة لا يمكننا تسريع البحث فحسب، بل يمكننا أيضًا تقليل الضرر الذي يلحق بحيوانات التجارب."

وكما ذكرنا، فهذه هي الدراسة الأولى التي توضح في نموذج تم تطويره في المختبر تأثير طائرة الهواء في التنفس الاصطناعي على جهاز المناعة. تقدم هذه الدراسة أداة جديدة للفحص في الدراسات السريرية بحثًا عن حل قد يزيل أو على الأقل يخفف من الضرر الالتهابي. ويقدر البروفيسور شنيتمان أن هذه النتائج قد تكون مفيدة، بما يتجاوز علاج الأطفال المبتسرين، في سياقات أخرى أيضًا، مثل علاج المرضى الذين يعانون من أمراض الرئة الأخرى التي تتطلب تنفسًا صناعيًا، على سبيل المثال مرض الانسداد الرئوي المزمن وكورونا.

تم دعم الدراسة من قبل لجنة البحوث الأوروبية (ERC).

البروفيسور جوشوا شنيتمان وهو عضو هيئة التدريس في كلية الهندسة الطبية الحيوية، ورئيس مختبر السوائل الحيوية. يقوم المختبر بدراسة الديناميكا الهوائية للأدوية والجسيمات في الجهاز التنفسي. قام البروفيسور شنيتمان بتطوير نموذج "عنيبات ​​على الرقاقة" الذي يجعل من الممكن تقييم المخاطر الصحية المختلفة وتخطيط الأدوية للجهاز التنفسي.
دكتور إليرام نوف تم تعيينه قبل بضعة أشهر كباحث في مركز ميموريال سلون كيترينج للسرطان في نيويورك.
دكتور اربيل ارتزي-شنيرمان شغلت مؤخرًا منصب رئيسة مركز التقنيات المتقدمة للتطبيقات الطبية في كلية الطب رمبام في حيفا.

للمقال في المجلةالهندسة الحيوية والطب التحويلي  انقر هنا

للحصول على فيديو شرح البحث انقر هنا

في الفيديو: محاكاة طائرة الهواء داخل الشعب الهوائية في الحالات التنفسية المختلفة. يعتمد التصوير على PIV - وهي طريقة تجريبية لقياس مجالات التدفق