MITの研究者らは、横隔膜機能障害のある人の肺活量向上を目指す、埋め込み型人工呼吸器の概念実証設計を開発した。
この埋め込み型人工呼吸器は、横隔膜の上に載せるように埋め込む、柔らかい風船状のチューブ2本で構成される。
予備的な結果から、この装置が呼吸補助技術に新たな道を開く可能性が示唆されると、MITは述べている。
多くの人にとって、呼吸は自然に行われるものだ。その陰では、胸郭のすぐ下にあるドーム状の筋肉、横隔膜が、ゆっくりと安定したトランポリンのように働く。下方へ動いて肺が広がるための陰圧を生み、空気を取り込んだ後、空気が押し出されると弛緩する。このように横隔膜は肺活量を自動的に調節し、呼吸を可能にする主要な筋肉となっている。
しかし、横隔膜の機能が損なわれると、無意識に行っていた呼吸が骨の折れる作業になる。慢性的な横隔膜機能障害は、ALS（筋萎縮性側索硬化症）、筋ジストロフィーなどの神経筋疾患のある人や、麻痺のある患者、また横隔膜を収縮させる横隔神経が損傷した患者に生じることがある。
MITの研究者らによる新たな概念実証設計は、いつか横隔膜の生命維持に欠かせない機能を高め、横隔膜機能障害のある人の肺活量を改善することを目指している。
MITの研究チームは、横隔膜の自然な収縮を補助するよう設計された、柔らかくロボット技術を用いた埋め込み型人工呼吸器を開発した。システムの中核となるのは、横隔膜の上に載せるように埋め込める、柔らかい風船状のチューブ2本だ。外部ポンプで膨らませると、チューブは人工筋肉として横隔膜を下方へ押し、肺が広がるのを助ける。チューブは横隔膜の自然なリズムに合う頻度で膨らませることができる。
研究者らは動物モデルで埋め込み型人工呼吸器を実証し、横隔膜機能が損なわれた場合に、肺が取り込める空気の量をシステムによって大幅に増やせることを示した。
慢性的な横隔膜機能障害のある人の治療にこのような埋め込み型システムを使えるようになるまでには、まだ多くの研究が必要だ。しかし、予備的な結果は呼吸補助技術に新たな道を開くものであり、研究者らはその最適化に意欲を示している。
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「これは新しい換気方法の概念実証です」と、MITの機械工学准教授で、医療工学・科学研究所のメンバーでもあるエレン・ロッシュ氏は述べる。「この設計の生体力学は、マスクや気管切開を用いて肺に空気を送り込む人工呼吸器に比べ、通常の呼吸に近いものです。人に埋め込めるようになるまでには長い道のりがあります。それでも、埋め込み可能な装置で換気を補助できることを示せたのは喜ばしいことです。」
ロッシュ氏らは研究成果を発表した。本日、同氏らの研究成果がNature Biomedical Engineering誌に掲載された。MITの共著者には、筆頭著者で元大学院生のルーシー・フー氏のほか、マニーシャ・シン氏、ディエゴ・ケベド・モレノ氏が名を連ねる。また、スイスのローザンヌ大学病院のジャン・ボネマン氏、ボストン小児病院のモッサブ・サイード氏とニコライ・ヴァシリエフ氏も参加している。
柔らかな圧力
チームの埋め込み型人工呼吸器の設計は、ロッシュ氏が以前取り組んでいた心臓補助装置の研究から生まれた。ハーバード大学の大学院生だった頃、ロッシュ氏は心臓を包み、心臓が拍動する際の圧力を和らげて支える心臓スリーブを開発した。
現在MITに所属する同氏と研究グループは、同様の柔らかなロボット補助をほかの組織や筋肉にも応用できることを見いだした。
「周期的に動き、生命維持に欠かせない大きな筋肉はほかに何だろうと考えました。横隔膜です」とロッシュ氏は語る。
チームは、新型コロナウイルス感染症のパンデミックが始まるかなり前から、埋め込み型人工呼吸器の設計を検討し始めていた。パンデミック時には感染者数の増加とともに、従来型人工呼吸器の使用も急増した。従来型人工呼吸器は陽圧を生み出し、患者の太い気道を通じて空気を送り込み、肺へ押し入れる。
それに対して横隔膜は陰圧を生み出す。この筋肉が収縮して下方へ押すと陰圧が生じ、空気が肺へ吸い込まれる。これは、自転車用ポンプのハンドルを引いて空気を取り込むのに似ている。
ロッシュ氏のチームは、陰圧式人工呼吸器、つまり横隔膜の自然な働きを補助するシステムの設計を目指した。特に、長期にわたる呼吸機能障害のある人を対象としている。
「私たちが念頭に置いていたのは、進行性の変性疾患が徐々に悪化していく慢性疾患の患者さんたちでした」と同氏は言う。
「呼吸の仕事」
論文で報告された新しいシステムは、マッキベン・アクチュエーターとして知られる空気圧装置の一種を参考にした、長く柔らかく膨張可能なチューブ2本で構成される。チームはチューブを横隔膜の前後に渡し、ドーム状の筋肉の両側で胸郭に取り付けられるよう調整した。各チューブの一端は細い外部送気管につながり、送気管は小型ポンプと制御システムへと続く。
横隔膜の収縮を分析することで、チームは同程度の頻度でチューブが膨らむようポンプをプログラムできる。
「横隔膜の動きを完全にそのまま再現する必要はなく、自然に収縮する際に、下方へもうひと押しすればよいと気づきました」とロッシュ氏は言う。
研究者らは麻酔をかけたブタでシステムを試験した。チューブを動物の横隔膜の上に埋め込み、チューブの両端を筋肉の両側の肋骨に外科的に取り付けた。動物の酸素濃度を測定し、超音波画像で横隔膜の機能を観察した。
チームの結果によると、埋め込み型人工呼吸器は概してブタの一回換気量、すなわち一呼吸で肺が取り込める空気の量を増加させた。最も顕著な改善は、横隔膜と人工筋肉の収縮が同調した場合に見られた。この場合、人工呼吸器の補助によって、横隔膜が取り込む空気の量は補助なしの場合の3倍になった。
「一回換気量にこれほどの変化が見られ、換気を回復させることができたのは喜ばしいことでした」とロッシュ氏は語る。
チームは、慢性的な横隔膜機能障害のある患者にいつかこのシステムを導入することを目指し、さまざまな側面の最適化に取り組んでいる。
「このシステムの一部を小型化できることは分かっています」とロッシュ氏は言う。「ポンプと制御システムはベルトやバックパックに装着できるでしょうし、完全に埋め込み型にできる可能性もあります。埋め込み型の心臓ポンプはすでにあるので、実現可能だと分かっています。今は、生体力学や呼吸の仕事について多くを学び、この新しい方法でそれらをどう補助できるかを研究しています。」
本研究は、CIHR、筋ジストロフィー協会、米国国立衛生研究所、SICPA財団およびローザンヌ大学病院改善基金、SMA2ブラウン・フェローシップ、ならびに米国国立科学財団の一部助成を受けた。
