Несмотря на опасно низкий уровень кислорода, многие люди, инфицированные тяжелыми случаями COVID-19, иногда не проявляют никаких симптомов одышки или затрудненного дыхания. У пациентов с коронавирусом считается, что инфекция сначала повреждает легкие, делая их части неспособными функционировать должным образом. Эти ткани теряют кислород и перестают работать, больше не наполняя кислородом кровоток, вызывая тихую гипоксию. Но как именно происходит этот эффект домино, до сих пор не было ясно.
«Мы не знали, как это было физиологически возможно, — говорит Бела Суки, профессор инженерного колледжа БУ по биомедицинской инженерии и материаловедению и инженерии и один из авторов исследования. — Некоторые пациенты с коронавирусом испытали то, что некоторые эксперты описали как уровни кислорода в крови, которые «несовместимы с жизнью. Тревожно, что у многих из этих пациентов практически не было никаких признаков патологии, когда они проходили сканирование легких».
Чтобы помочь докопаться до сути того, что вызывает тихую гипоксию, инженеры bu biomedical использовали компьютерное моделирование, чтобы проверить три различных сценария, которые помогают объяснить, как и почему легкие перестают снабжать кислородом кровоток. Их исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что тихая гипоксия, вероятно, вызвана комбинацией биологических механизмов, которые могут одновременно возникать в легких пациентов COVID-19, по словам биомедицинского инженера Якоба Германна, научного постдокторанта в лаборатории Суки и ведущего автора нового исследования.
В норме легкие выполняют жизнеобеспечивающую функцию газообмена, обеспечивая кислородом каждую клетку тела при вдохе и избавляя нас от углекислого газа при каждом выдохе. Здоровые легкие поддерживают уровень насыщения крови кислородом на уровне от 95 до 100 процентов. Если он опускается ниже 92 процентов, это вызывает беспокойство, и врач может решить вмешаться с дополнительным кислородом.
По словам Германна, предварительные клинические данные показали, что легкие некоторых пациентов COVID-19 утратили способность ограничивать кровоток в уже поврежденных тканях и, напротив, потенциально открывали эти кровеносные сосуды еще больше то, что трудно увидеть или измерить на компьютерной томографии.
Используя вычислительную модель легких, Германн, Суки и их команда проверили эту теорию, обнаружив, что для снижения уровня кислорода в крови до уровня, наблюдаемого у пациентов COVID-19, кровоток действительно должен быть намного выше нормального в областях легких, которые больше не могут собирать кислород, что способствует низкому уровню кислорода во всем теле, говорят они.
Затем они изучили, как свертывание крови может влиять на кровоток в различных областях легких. Когда слизистая оболочка кровеносных сосудов воспаляется от инфекции COVID-19, внутри легких могут образоваться крошечные сгустки крови, слишком маленькие, чтобы их можно было увидеть на медицинском сканировании. Они обнаружили, используя компьютерное моделирование легких, что это может вызвать тихую гипоксию, но одного этого, вероятно, недостаточно, чтобы вызвать снижение уровня кислорода до уровня, наблюдаемого в данных пациентов.
Наконец, исследователи использовали свою компьютерную модель, чтобы выяснить, нарушает ли COVID-19 нормальное соотношение потока воздуха и крови, необходимое легким для нормального функционирования. Этот тип несоответствующего соотношения воздуха и кровотока является чем-то, что происходит во многих респираторных заболеваниях, таких как у пациентов с астмой, говорит суки, и это может быть возможным вкладом в тяжелую, тихую гипоксию, которая наблюдалась у пациентов COVID-19. Их модели предполагают, что для того, чтобы это было причиной молчаливой гипоксии, несоответствие должно происходить в тех частях легкого, которые не кажутся поврежденными или ненормальными при сканировании легких.
В целом, их результаты показывают, что сочетание всех трех факторов, вероятно, ответственно за тяжелые случаи низкого содержания кислорода у некоторых пациентов COVID-19. Имея лучшее понимание этих основных механизмов и того, как комбинации могут варьироваться от пациента к пациенту, клиницисты могут сделать более обоснованный выбор в отношении лечения пациентов с использованием таких мер, как вентиляция легких и дополнительный кислород. В настоящее время изучается ряд вмешательств, включая низкотехнологичное вмешательство под названием «лежачее положение», которое переворачивает пациентов на живот, позволяя задней части легких втягивать больше кислорода и устранять несоответствие соотношения воздуха и крови.
«Разные люди реагируют на этот вирус так по-разному, — говорит Суки. — Для клиницистов крайне важно понять все возможные причины, по которым у пациента может быть низкий уровень кислорода в крови, чтобы они могли принять решение о правильной форме лечения, включая лекарства, которые могут помочь сжать кровеносные сосуды, разорвать сгустки крови или исправить несоответствующее соотношение воздуха и крови».