فروشگاه کانواس (بوم مدل کسبوکار) آرباکو

چکیده

برای شکستن رمز و راز دلایل ایجاد کم اکسیژنی خاموش (silent hypoxia)، یعنی شرایطی که سطح اکسیژن در بدن به طور غیرطبیعی پایین است، مهندسان زیست‌پزشکی از مدل‌سازی کامپیوتری برای آزمایش سه سناریوی متفاوت استفاده کردند تا به توضیح چگونگی و دلیل توقف تأمین اکسیژن به جریان خون توسط ریه‌ها، کمک کنند.

موضوع اصلی

دانشمندان هنوز به ابعاد بسیار معماگونه چگونگی حمله کرونا ویروس جدید به ریه‌ها و دیگر بخش‌های بدن می‌پردازند. یکی از بزرگ‌ترین و خطرناک‌ترین رازها، چگونگی ایجاد "کم اکسیژنی خاموش" توسط ویروس می‌باشد، یعنی شرایطی که سطح اکسیژن در بدن به طور غیرطبیعی پایین است که می‌تواند اندام‌های حیاتی را در صورت عدم پیگیری بسیار طولانی، آسیب بزند. حالا، به لطف مدل‌های کامپیوتری و مقایسه با داده‌های بیماران واقعی، مهندسان زیست‌پزشکی دانشگاه بوستون و همکارانی از دانشگاه ورمونت شروع به کشف این راز کرده‌اند.

علی‌رغم تجربه خطرناک سطح پایین اکسیژن، افراد زیادی که با موارد شدید کووید -19 دچار عفونت شده‌اند، گاهی اوقات هیچ علائمی از کوتاهی تنفس یا تنفس مشکل را نشان نمی‌دهند. به‌خاطر توانایی کم اکسیژنی در آسیب‌رسانی ملایم است که به آن "خاموش" می‌گویند. در بیماران کرونایی، تصور بر این است که عفونت ابتدا به ریه‌ها آسیب می‌زند و بخشی از آن‌ها را کاملاً از کار می‌اندازد. آن بافت‌هایی که اکسیژن از دست می‌دهند و کار نمی‌کنند، جریان خون اکسیژن‌دار زیادی ندارند که سبب کم اکسیژنی خاموش می‌گردند. ولی دقیقاً اینکه چگونه اثر دومینو (رویدادهای پیاپی یا domino effect) اتفاق می‌افتد، تا کنون آشکار نشده است.

بلا سوکی (Bela Suki)، استاد مهندسی زیست‌پزشکی دانشکده مهندسی دانشگاه بوستون و استاد مهندسی و علوم مواد و استاد مؤلفان این مطالعه، می‌گوید: "ما نمی‌دانیم که چگونه این کار از نظر فیزیولوژیکی امکان‌پذیر است، " برخی بیماران کرونایی آنچه را که برخی کارشناسان به‌عنوان سطح اکسیژن خون توصیف کرده‌اند را تجربه کرده‌اند که با زندگی ناسازگار است. سوکی (Suki) به‌زحمت می‌گوید، بسیاری از این بیماران در زمان اسکن ریه‌هایشان، هیچ علائم غیرطبیعی را نشان ندادند یا علائم اندکی داشتند.

برای بررسی دقیق دلایل ایجاد کم اکسیژنی خاموش، مهندسان زیست‌پزشکی دانشگاه بوستون از مدل‌سازی کامپیوتری استفاده کردند تا سه سناریوی متفاوت را آزمایش کنند و به توضیح چگونگی و دلیل توقف تأمین اکسیژن به جریان خون توسط ریه‌ها کمک کنند. مطابق گفته‌های جاکوب هرمان (Jacob Herrmann)، مهندس زیست‌پزشکی، پست دکترای تحقیقاتی آزمایشگاه سوکی (Suki) و مؤلف برجسته این مطالعه جدید، تحقیقات آن‌ها که در ژورنال Nature Communications منتشر شده، آشکار می‌نماید که کم اکسیژنی خاموش احتمالاً با ترکیبی از مکانیسم‌های بیولوژیکی ایجاد می‌شود که ممکن است خودبه‌خود در ریه‌های بیماران کرونایی ایجاد شود.

معمولاً ریه‌ها با تأمین اکسیژن برای هر سلول بدن در هنگام دم و با پاک‌سازی بدن از دی‌اکسیدکربن در هر لحظه از بازدم، وظیفه حیاتی تبادل گاز را انجام می‌دهند. ریه‌های سالم خون اکسیژن‌دار را در سطح بین 95 و 100 درصد نگه می‌دارند (اگر به زیر 92 درصد افت کند، جای نگرانی وجود دارد و دکتر ممکن است تصمیم بگیرد که اکسیژن مکمل تجویز کند). (در حال حاضر در پندمی کرونا، وقتی متخصصین بالینی ابتدا زنگ هشدار کم اکسیژنی خاموش را به صدا در آورند، اکسیژن سنج‌ها (oximeter) از قفسه‌های فروشگاه‌ها بیرون کشیده شدند، چرا که افراد زیادی نگران‌اند که مبادا خودشان یا اعضای خانواده‌شان به موارد سبک‌تری از کرونا ویروس در خانه مبتلا شوند و خواستند که بتوانند سطح اکسیژن خونشان را کنترل نمایند).

محققان ابتدا به چگونگی اثرات کووید -19 بر توانایی تنظیم ریه‌ها در هدایت خون پرداختند. معمولاً اگر نواحی از ریه به‌خاطر آسیب ناشی از عفونت، اکسیژن زیادی جمع‌آوری ننماید، عروق خونی در آن نواحی منقبض می‌شوند. این واقعاً کار خوبی است که ریه‌های ما انجام می‌دهند، چون خون را مجبور می‌کنند که به‌جای جاری شدن در بافت ریه، مملو از اکسیژن شود و سپس در سرتاسر بقیه بدن به گردش در آید.

اما مطابق گفته‌های هرمان (Herrmann)، داده‌های کلینیکی پیش مقدماتی اشاره کرده‌اند که ریه‌های برخی از بیماران کرونایی توانایی محدودکردن جریان خون به بافت قبلاً آسیب‌دیده را ازدست‌داده بودند و بر عکس، آن رگ‌های خونی را حتی بیشتر بازکرده بودند (چیزی که دیدن یا اندازه گرفتن آن در سی‌تی‌اسکن سخت است)

با استفاده از یک مدل ریه محاسباتی، هرمان (Herrmann)، سوکی (Suki) و تیمشان آن نظریه را آزمایش کردند که نشان می‌داد برای افت سطح اکسیژن خون به سطح مشاهده شده در بیماران کرونایی، جریان خون در حقیقت باید خیلی بالاتر از حد نرمال آن نواحی از ریه‌هایی باشد که نمی‌توانند زیاد اکسیژن جمع کنند (آن‌ها می‌گویند که به سطح پایین اکسیژن در کل بدن نسبت داده می‌شود).

بعداً، آن‌ها به چگونگی تأثیر لخته شدن خون بر جریان خون در نواحی مختلف ریه می‌پردازند. وقتی دیواره داخلی عروق خونی به‌خاطر عفونت ناشی از کووید - 19 ملتهب می‌شود، لخته‌های کوچک خون که در اسکن‌های پزشکی خیلی کوچک دیده می‌شوند، می‌توانند داخل ریه‌ها تشکیل گردند. آن‌ها، با استفاده از مدل‌سازی کامپیوتری ریه‌ها، دریافتند که این وضع می‌تواند موجب تحریک کم اکسیژنی خاموش شود، ولی به‌تنهایی احتمالاً برای ایجاد افت سطح اکسیژن تا حد سطوح دیده شده در داده‌های بیماران کرونایی، کافی نیست.

نهایتاً، محققان از مدل کامپیوتری خود استفاده کردند تا دریابند که آیا کووید - 19 نسبت نرمال جریان هوا - به - خون را که ریه‌ها برای عملکرد نرمالشان نیاز دارند، مانع می‌شود. سوکی (Suki)، می‌گوید که این نوع نسبت نابرابر جریان هوا - به - خون چیزی است که در بسیاری از بیماری‌های تنفسی مانند بیماران آسمی، اتفاق می‌افتد و می‌تواند یک شرکت‌کننده با این وضع شدید باشد، کم اکسیژنی خاموش که در بیماران کووید -19 مشاهده شده است.

مدل‌های آن‌ها نشان می‌دهند که برای اینکه این موضوع دلیل کم اکسیژنی خاموش باشد، باید در بخش‌هایی از ریه نابرابری به وجود آید که در اسکن‌های ریه، آسیب‌دیده یا غیرطبیعی نشان داده نمی‌شود.

همه یافته‌های آن‌ها حاکی از این هستند که ترکیبی از تمام سه عامل احتمالاً مسئول موارد شدید اکسیژن پایین در برخی بیماران کووید -19 باشد. با داشتن درک بهتری از این مکانیسم‌های اصلی و چگونگی تغییر میزان این ترکیبات در بین بیماران، متخصصان بالینی می‌توانند گزینه‌های آگاهانه‌تری درباره درمان بیماران با استفاده از معیارهایی مانند تهویه و اکسیژن مکمل داشته باشند. برخی معایناتی که معمولاً مطالعه می‌شوند شامل معاینه تکنولوژی - پایین به نام وضعیت دمرو می‌باشد که بیماران بر روی شکم‌هایشان می‌افتند و به بخش پشتی ریه‌ها اجازه می‌دهند تا تمام مدت عصر تا آخر شب را که در بیرون از خانه بوده‌اند و نسبت نابرابر هوا - به - خون داشته‌اند اکسیژن بیشتری را به داخل ریه‌ها بکشند.

سوکی (Suki) می‌گوید: "افراد مختلف به این ویروس خیلی متفاوت واکنش نشان داده‌اند، ". وی می‌گوید که برای متخصصان بالینی، درک تمام دلایل پایین بودن اکسیژن خون بیمار، حائز اهمیت است، به طوری که می‌توانند درباره شکل مناسب درمان تصمیم‌گیری کنند که شامل داروهایی است که می‌تواند به انقباض عروق خونی، خردکردن لخته‌های خونی، یا اصلاح نسبت نابرابر جریان هوا - به - خون کمک کند.

منبع موضوع:

مواد و موضوعات توسط دانشگاه بوستون (Boston University) تهیه شدند. مطلب اصلی توسط جسیکا کلاروسی (Jessica Colarossi) نوشته شده است.

نکته: محتوا ممکن است از نظر سبک نگارشی و طول مطلب، ویرایش شده باشد.

ژورنال مرجع:

جاکوب هرمان (Jacob Herrmann)، ویتور موری (Vitor Mori)، جاسون ه. ت.باتس (Jason H. T. Bates)، بلا سوکی (Béla Suki).

مدلسازی غیرطبیعی بودن های تزریقات ریه برای توضیح کم اکسیژنی کنونی کووید-19

Modeling lung perfusion abnormalities to explain early COVID-19 hypoxemia

ژورنالNature Communications، 2021؛ 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-18672-6