Dal polmone d’acciaio ai ventilatori moderni: così la scienza ha cercato di mimare l’attività dei polmoni

La storia

Dal polmone d’acciaio ai ventilatori moderni: così la scienza ha cercato di mimare l’attività dei polmoni

I primi macchinari per ripristinare la funzione polmonare erano cilindri di metallo delle dimensioni di un letto. Oggi sono apparecchiature leggere, portatili e computerizzate. In mezzo c’è un cambio di strategia nel tentativo di vincere una difficile sfida: mimare l’attività dei polmoni

di redazione

Il motorino dei tergicristalli delle automobili trasformato in un ventilatore polmonare. Il dispositivo, dal nome evocativo “OxyGEN”, è stato realizzato in tempi record dall’azienda automobilistica Seat (del gruppo Volkswagen), una delle tante case d’auto (Fca, Ferrari, Ford, Nissan) che stanno contribuendo alla produzione degli apparecchi sanitari più richiesti del momento. 

Questo è solo l’ultimo capitolo della storia del ventilatore polmonare, il caposaldo della terapia intensiva, un macchinario che nel giro di pochi anni ha subito una straordinaria evoluzione, passando da un ingombrante cilindro di acciaio delle dimensioni di un letto a un dispositivo portatile computerizzato che può essere facilmente spostato da un posto a un altro. A ricostruirne il progresso sono stati i ricercatori dell’Università di Rochester con un articolo pubblicato sul sito universitario. 

Il polmone d’acciaio che salvava le vite ai tempi della polio

Nel 1931 l’epidemia che faceva paura al mondo era quella della poliomielite. Tra i danni più gravi provocati dall’infezione c’era la paralisi dei polmoni che impediva alle vittime, soprattutto bambini, di respirare in modo autonomo. Molti di loro sono sopravvissuti solo grazie ai primi esemplari di ventilatori meccanici messi a punto pochi anni prima dagli scienziati dell’Università di Harvard. Si trattava di scatole di metallo di forma rettangolare nelle quali venivano inseriti i pazienti per intero a esclusione della testa. L’attività dei polmoni veniva ripristinata artificialmente in maniera indiretta grazie ai cambiamenti di pressione all’interno del macchinario che provocavano contrazioni e dilatazioni del torace. Fino agli anni Sessanta questi dispositivi sono stati gli unici in grado di restituire la funzione respiratoria a chi l’aveva perduta. 

Mimare i polmoni, una sfida difficile per la scienza

Il primo esperimento sulla ventilazione meccanica viene attribuito a Robert Hooke, lo scienziato inglese vissuto nel Seicento noto per aver coniato il termine “cellula”. La procedura usata all’epoca sarebbe oggi inammissibile: dopo aver praticato alcuni fori nei polmoni di un cane vivo, Hooke aveva soffiato nelle vie aree attraverso una cannuccia dimostrando che la ventilazione meccanica poteva sostituire il lavoro dei polmoni danneggiati. 

Ma negli anni a seguire questa strategia, che prevedeva di agire in modo attivo sui polmoni, venne sostituita da quella che mirava a ripristinare la respirazione in maniera indiretta o passiva. Le ricerche dell’Ottocento e del Novecento si sono infatti incentrate sui sistemi di ventilazione polmonare passiva. Uno di questi, ideato dal medico scozzese John Dalziel nel 1838, è il predecessore dei polmoni d’acciaio. Si trattava di una gigantesca scatola di latta dentro la quale veniva inserito il paziente con la testa lasciata fuori. La pressione all’interno dell’apparecchio veniva manovrata manualmente attraverso delle pompe di aria. Nelle versioni più moderne l’aria all’interno della macchina d’acciaio veniva dosata da pompe azionate da un motore elettrico. Così funzionavano i polmoni d’acciaio.

Cambio di paradigma: dalla ventilazione passiva a quella attiva

Negli anni Sessanta la scienza prende un’altra direzione. Invece di agire indirettamente sui polmoni calibrando la pressione dell’ambiente circostante, gli scienziati si impegnano nella realizzazione di dispositivi in grado di immettere direttamente l’aria nei polmoni in maniera più o meno invasiva, con maschere sul volto o attraverso tubi inseriti nelle vie aeree. 

Da questo filone di ricerca sono nate le tre tipologie dei moderni dispositivi per la respirazione. I ventilatori CPAP (Continuous Positive Airway Pressure) sono macchinari che rilasciano aria leggermente pressurizzata attraverso maschere posizionate sul naso. Sono utilizzati per il trattamento delle apnee notturne negli adulti o per problemi respiratori nei neonati nelle unità di terapia intensiva. Ne è invece sconsigliato l’uso per i pazienti colpiti da Covid-19 perché sembra possano favorire la diffusione del virus spingendo aria verso l’esterno. Poi ci sono i ventilatori BiBAP (Bilevel Positive Air Pressure) che aumentano la pressione durante l’inalazione e la riducono durante l’espirazione. Vengono usati per alleviare i sintomi dell’apnea ostruttiva del sonno, negli attacchi acuti di asma, nella malattia polmonare ostruttiva cronica. Questo tipo di respiratori può essere trasformato nei ventilatori polmonari necessari ai pazienti affetti da Covid ricoverati nelle terapie intensive. Infine ci sono i ventilatori meccanici a pressione positiva usati nei casi più gravi quando il paziente non è in grado di respirare in modo autonomo. L’aria viene introdotta nei polmoni attraverso un tubo inserito nelle vie aeree. Sono i macchinari usati per trattare i pazienti affetti da Covid in condizioni critiche. 

Una tecnologia avanzata che non tutti sanno usare

I ventilatori di cui sentiamo parlare in questi giorni, quelli usati nelle terapie intensive, sono dotati di un sofisticato microprocessore in grado di modulare la pressione dell’aria e la frequenza dei flussi in base alle necessità dei singoli pazienti. Leggeri e facili da trasportare i moderni ventilatori possono seguire gli spostamenti dei pazienti evitando il ricorso alla respirazione manuale con altri dispositivi nei tragitti all’interno dell’ospedale. 

In Italia di fronte alla carenza di risorse nelle terapie intensive, la questione è stata sollevata più volte: non c’è solo bisogno di più ventilatori, ma c’è bisogno di un team di esperti, dai medici agli infermieri, ai terapisti del respiro, che sappia usarli nel modo corretto allontanando il rischio di eventi avversi (che esistono come per tutte le procedure).

I ricercatori dell’Università di Rochester ci tengono a ricordare infine che questi preziosi dispositivi che hanno fatto tanti progressi in poco tempo non hanno proprietà terapeutiche, non curano i pazienti ma gli permettono di sopravvivere nella speranza che le terapie facciano effetto.