GLI UTILIZZATORI DELL'ECMO: UNO STUDIO SULLE FASCE DI POPOLAZIONE

Le immagini seguenti sono tratte da uno studio (fonte) pubblicato sul sito Pubmed.gov, sito governativo americano, che si occupa di raccogliere articoli medici di carattere scientifico.

Analizzando i grafici possiamo notare come la maggior parte dei trattamenti ECMO si effettuino su pazienti con età inferiore ad un anno, comportando quindi un maggiore aggravio economico, inoltre per i pazienti della stessa fascia di età si osserva una maggiore durata del trattamento. Si osserva altresì che i dati raccolti sono pressoché indipendenti dal sesso dei pazienti.

Immagini tratte dallo studio, vd. testo per descrizione

In questa immagine si può vedere quali siano le problematiche e le cause che portano i pazienti alla terapia ECMO: in particolare i neonati sono quasi esclusivamente soggetti a problematiche cardiovascolari. Per pazienti di età compresa tra 1 e 39 anni si osserva un aumento dell’incidenza dei problemi respiratori, mentre per pazienti da 40 anni in su si registra un notevole incremento delle patologie cardiovascolari, che tornano ad essere il fattore preponderante.

Immagine tratta dallo studio, vd. testo per descrizione

I LUOGHI DEL POLMONE ARTIFICIALE

Il polmone artificiale, viene usato al giorno d’oggi soltanto in strutture specializzate, dotate di attrezzature e personale qualificato in grado di garantire un funzionamento ideale della macchina ed il minor rischio per il paziente. Questi luoghi sono gli ospedali: in particolare le sale operatorie, in cui tali macchine vengono usate durante delicate operazioni di cardiochirurgia oppure durante dei trapianti; e i reparti di terapia intensiva, in cui sono ospitati i pazienti i cui apparati cardiorespiratori non sono in grado di funzionare correttamente.

Apparecchiatura ECMO in un reparto di terapia intensiva pediatrica

QUANDO IL POLMONE ARTIFICIALE "VOLA"

Un caso curioso riguardante un polmone artificiale è accaduto in Norvegia, quando un uomo, ricoverato in un piccolo centro ospedaliero situato in una regione remota, ha avuto bisogno di un ECMO per sopravvivere. È stato in questo momento di particolare bisogno che, grazie all’aiuto di un F-16 dell’Aeronautica Militare norvegese, il polmone artificiale è letteralmente volato verso il paziente, permettendo ai medici di salvargli la vita. Per i dettagli ecco il link dell’articolo.

Un F-16 in volo

LE TECNOLOGIE DIETRO L'ECMO: LA PRODUZIONE DEL PMP

La Tecnologia viene descritta come lo studio delle scienze applicate con particolare riferimento ai processi industriali di trasformazione.

Uno dei materiali che stanno alla base del funzionamento dell’ECMO è il polimetilpentene: si tratta di una poliolefina ottenuta mediante polimerizzazione Ziegler-Natta (video). Il polimetilpentene viene infatti usato per la produzione delle membrane a fibre cave presenti negli ossigenatori, le quali consentono lo scambio dei gas tra sangue ed aria. Ma quali sono i processi tecnologici alla base della produzione di manufatti di questo materiale? Di seguito sono illustrate alcune lavorazioni tipiche eseguite sul materiale.

Dopo che il polimetilpentene è stato prodotto, viene venduto sotto forma di pellet con il nome commerciale di TPX, a questo punto viene trasformato nel prodotto finale mediante una serie di lavorazioni: al seguente link è possibile apprezzare quale siano le possibili lavorazioni tecnologiche eseguite sul materiale grezzo.

Il TPX viene dapprima riscaldato a circa 300°C, può quindi essere sottoposto ad uno dei seguenti processi:

·         Stampaggio a iniezione: ovvero l’iniezione del materiale plastico sotto pressione all’interno di uno stampo chiuso; la temperatura deve essere sufficientemente alta da consentire una riduzione della viscosità del materiale, per garantirne lo scorrimento;

video

·         Estrusione: è un processo tramite il quale si deforma plasticamente un materiale (metallico o polimerico), per ottenere dei prodotti aventi sezione costante; si forza infatti il materiale, opportunamente riscaldato, a passare all’interno di una matrice con una geometria precedentemente definita, riuscendo anche ad ottenere dei pezzi con sezione di geometria piuttosto complessa;

·       Stampaggio per soffiaggio: consiste nell’insufflare un gas all’interno di un materiale plastico riscaldato, che si espande andando ad occupare il volume di una forma, assumendone la forma; si usa per la produzione di pezzi cavi come recipienti e bottiglie.

Ricorrendo ad alcuni tra questi processi e ad altri trattamenti particolari, attraverso procedimenti complessi che prevedono largo uso di reazioni chimiche, si riescono a produrre le membrane a fibre cave usate negli ossigenatori: per una descrizione più dettagliata della produzione di tali membrane visitare il seguente link.

Per un approfondimento sulla produzione delle membrane poliolefiniche a fibre cave, si rimanda al seguente link per la visione di un brevetto che mostra nel dettaglio la tecnica di produzione adottata e i vari processi tecnologici impiegati.

Approfondimenti: polimerizzazione Ziegler-Natta

ECMO: I RISCHI

L’uso del polmone artificiale, come per altri dispositivi medici, comporta dei rischi per l’eventuale insorgenza di problematiche ed effetti collaterali.

In particolare, i pazienti sottoposti a ECMO sono a rischio per quanto riguarda:

·         Trombosi, dovuta ad infiltrazione di gas nel flusso sanguigno durante il passaggio nell’ossigenatore; il problema può essere affrontato riducendo la superficie di contatto tra sangue e gas, e assumendo degli anticoagulanti;

·         Ischemia, soprattutto nel caso in cui l’incannulazione avvenga in corrispondenza di vasi sanguigni che conducono agli arti, i quali possono presentare quindi un insufficiente apporto di sangue; il problema si riduce facendo uso di cannule back-flow, che consentono ad una parte del flusso di immettersi nella direzione dell’arto;

·         Variazioni nella temperatura corporea: si ha infatti che il sangue, nel suo percorso attraverso il circuito del dispositivo, ceda del calore all’ambiente circostante, portandosi ad un livello termico troppo basso e causando Ipotermia; il rischio è evitato facendo passare il sangue attraverso un riscaldatore che ne controlla accuratamente la temperatura prima della reimmissione nel corpo del paziente (di solito il livello di normotermia viene leggermente ridotto per ridurre le funzioni metaboliche dell’individuo);

·         Emolisi e Cavitazione: esse si possono presentare nel caso in cui la pressione del condotto di drenaggio del sangue del paziente sia troppo inferiore rispetto a quella corporea, producendo quindi elevata turbolenza per il flusso sanguigno; si può evitare ciò mediante un controllo dei componenti del circuito ed un’accurata regolazione dei parametri dello stesso (ad esempio la velocità della pompa);

·         Emorragie, dovute a coagulazione del sangue o lesioni dei vasi nei pressi dei punti di cannulazione, oppure ad attività chirurgiche non perfettamente riuscite;

Si possono altresì avere problematiche legate agli aspetti puramente meccanici del sistema, come rotture di alcuni componenti del circuito, deconnessioni degli stessi dal circuito, dislocamenti delle cannule (ovvero creazione di ginocchi). Tali eventualità possono comportare l’interruzione della terapia, con rischi molto elevati per il paziente. 

Fonti: link 1, link 2 

LE SPECIFICHE DEGLI OSSIGENATORI EXTRACORPOREI A MEMBRANA

Le Specifiche Tecniche sono dei documenti a cui i produttori devono attenersi e sono create al fine di garantire la qualità del prodotto finale, oltre al soddisfacimento di una serie di parametri qualitativi.

Nella specifica vengono infatti definite prestazioni, modo di funzionamento, materiali, metodi di prova e di collaudo, leggi applicabili, norme di riferimento e altro ancora.

Avere degli standard qualitativi ben definiti è estremamente importante nell’ambito dei prodotti destinati al trattamento medico, a cui si affidano funzioni estremamente importanti e, spesso, vitali.

A tal proposito sono state create, da vari istituti nazionali ed internazionali, delle normative applicabili anche al campo dei sistemi di Ossigenazione extracorporea a membrana (ECMO).

L'Organizzazione internazionale per la normazione (ISO) ha pubblicato una serie di norme, poi recepite da vari istituti nazionali tra cui quello tedesco (DIN) e quello britannico (BSI), riferite ad impianti cardiovascolari e sistemi extracorporei (clicca qui per un esempio). Tali standard si riferiscono a tutti i vari settori coinvolti per la produzione di un apparecchio ECMO: scambiatori sangue-gas, organi artificiali, emofiltri, circuiti sanguigni, connettori per applicazioni intravascolari e ipodermiche, materiali per l’interazione con il sangue, connettori per sistemi di respirazione, e così via.

Oltre a ciò, considerando la terapia con ECMO come un vero e proprio servizio, si cerca di garantirne la qualità attraverso la pubblicazione di alcune linee guida che aiutano a regolare i vari aspetti della terapia. La maggioranza di queste linee guida è stata creata dalla Extracorporeal Life Support Organization (ELSO) e riguarda ambiti come il trattamento dei pazienti in cura, i criteri per la selezione dei pazienti, l’uso dei macchinari, la guida all’uso dei simulatori per la terapia, il trasporto dei pazienti sottoposti a ECMO, oltre ad indicazioni per i centri che effettuano la terapia. Un testo completo per l'uso e le caratteristiche dell'ECMO è il Red Book, pubblicato da ELSO, giunto alla sua quinta edizione.

Lista normative

ISO: link 1, link 2, link 3, link 4, link 5

BSI: link

DIN: link 1, link 2, link 3, link 4

Lista Linee Guida:

link 1, link 2, link 3, link 4, link 5, link 6

SUCCESSO E DIFFUSIONE: ALCUNI GRAFICI SULL'ECMO

Le informazioni ottenute riguardo all’ECMO con gli strumenti della statistica (vedi post precedente), spesso sono di più immediata comprensione se trasferite all’interno di grafici, in modo che si possano effettuare delle considerazioni generali ad un semplice sguardo. Esistono a tal proposito diversi grafici, alcuni dei quali molto dettagliati, che esprimono svariati tipi di informazioni, come, ad esempio, il numero di centri operanti questa tecnica, il numero di casi o la percentuale di successo.

Il primo grafico proposto è stato elaborato da ELSO in collaborazione con il Dipartimento di Terapia Intensiva del The Alfred Hospital di Melbourne: si tratta di un grafico interattivo che, a fronte dell’inserimento di una serie di parametri riguardanti il paziente, fornisce un’informazione sulla probabilità di successo della terapia. È possibile visualizzarlo al seguente link.

Un altro grafico, sempre creato da ELSO, riguarda il numero di centri che operano l’ECMO ed i casi di utilizzo di anno in anno. Il grafico è aggiornato a Luglio dell’anno corrente, quindi manca l’informazione totale del 2017, tuttavia è chiaro che sia il numero di centri sia il numero di casi in cui la terapia è praticata sono in continuo aumento, specialmente nell’ultimo decennio.

Nel seguente grafico pubblicato in uno studio su CriticalCare, si hanno informazioni sulla percentuale di successi nell’applicazione della terapia e sul numero di ospedali che la praticano. Analogamente al caso di prima, si osserva che il numero di centri che praticano ECMO è in continuo aumento, soprattutto nell’ultimo decennio, mentre l’efficacia della terapia si mantiene pressoché costante, sul 50-60%. Ciò è dovuto al fatto che, nonostante i progressi tecnologici, rimane alto il numero di complicanze dovute all’intervento, e sono alti i numeri dei pazienti che presentano danni permanenti dopo il trattamento.

I due grafici seguenti sono tratti da un articolo pubblicato sulla rivista Proffessional Heart Daily: il primo fornisce ancora un’informazione sul numero di centri e di casi, mentre il secondo fornisce un’informazione sulla percentuale di sopravvivenza in base al tempo di trattamento; ogni curva è riferita ad un periodo diverso in cui la terapia è stata applicata. Si può osservare come per trattamenti di lunghezza crescente la probabilità di successo si riduca drasticamente, per poi rimanere costante per trattamenti abbastanza lunghi. Inoltre il grafico ci offre una visione più ottimistica riguardo al “percorso evolutivo” dell’ECMO, con una percentuale di sopravvivenza che aumenta con il progredire della tecnologia a suo supporto, a parità di lunghezza del trattamento.

Si indicano infine due grafici tratti da uno studio dello U.S. Department of Health and Human Services, effettuato alla fine degli anni ’80, ma che può dare un’idea sulle prime applicazioni della tecnica della respirazione extracorporea a membrana attuata su neonati. In particolare si hanno informazioni sulla percentuale di successo e sul numero di centri che praticavano ECMO.

Fonti: link 1,link 2, link 3, link 4, link 5

ECMO: ALCUNE STATISTICHE

La tecnologia della respirazione extracorporea è in continuo sviluppo, per cui spesso vi è la necessità di creare un quadro d’insieme (spesso usando gli strumenti della statistica), che riguardi la diffusione dei centri che praticano la tecnica, del numero di pazienti sottoposti alle terapie, del tasso di successo delle terapie stesse, ed in ultima analisi del rapporto costi-benefici (intesi dal punto di vista clinico, prima che economico), che comporta la scelta di intraprendere una cura con ECMO.

Lo studio di tutti questi parametri consente di monitorare lo sviluppo dei trattamenti della loro efficacia, oltre a dare la possibilità di fare delle previsioni per il futuro.

Si riportano in seguito alcuni dati scaturiti da diverse ricerche sulla respirazione extracorporea a membrana.

In questa tabella, tratta da uno studio effettuato da ELSO (Extracorporeal Life Support

Organization) sono elencati i casi di trattamento con ECMO, classificati per età e tipo di intervento (solo polmonare, solo cardiaco, oppure Extracorporeal Cardiopulmonary Resuscitation, ovvero supporto cardiorespiratorio al paziente). Le colonne invece elencano il numero di pazienti sottoposti a trattamento, il numero di quelli che hanno superato l’inizio del trattamento (l’ExtraCorporeal Life Support) ed il numero di coloro che sono sopravvissuti alla fine del trattamento o all’impianto di un organo funzionante. Si può osservare come le probabilità di successo diminuiscano con l’aumentare dell’età e con il complicarsi della problematica (cardio-polmonare piuttosto che solo polmonare).

In quest’altra tabella, tratta da uno studio svolto su dei neonati dallo U.S. Department of Health and Human Services, vengono messi a confronto i rischi dovuti all’uso dell’ECMO, piuttosto che di Terapie Mediche Convenzionali (CMT) riguardo all’insorgenza di diverse problematiche. Nella prima colonna viene riportata la probabilità dell’evento, calcolata con un livello di fiducia del 95%, mentre la seconda colonna indica il livello di significatività dell’indagine.  Si noti che mentre l’uso dell’ECMO aumenta il rischio di problemi cardiovascolari come emorragie o ischemie cerebrali, esso riduce la probabilità di disabilità alla respirazione e di malattie croniche ai polmoni. Con PPHN si intende Persistent Pulmonary Hypertension of the Newborn.

Nelle tabelle precedenti, tratte dallo stesso studio, si osservano invece le incidenze delle varie patologie, con i relativi tassi di mortalità, oltre ad alcune caratteristiche degli individui della popolazione su cui si è basato lo studio. Si propone infine una tabella che mette a confronto le probabilità di successo, anno per anno, dell’ECMO rispetto ai trattamenti convenzionali.

Mappa dei centri ECMO in Italia.

fonti: link 1, link 2 

IL POLMONE ARTIFICIALE E LE SUE FUNZIONI

Il polmone artificiale, ECMO (ExtraCorporeal Membrane Oxygenator), è un dispositivo che fornisce supporto extracorporeo alle funzioni vitali. In particolare esso serve a consentire, a persone con funzionalità cardiopolmonare limitata o nulla, di sopravvivere, assumendosi due compiti fondamentali:

·         pompare il sangue, conferendogli un’adeguata pressione in modo che questo raggiunga anche i più estremi punti del corpo, fornendo ossigeno e nutrienti ai tessuti;

·         respirare: ovvero arricchire il sangue di ossigeno e contemporaneamente rimuovere da questo l’anidride carbonica, che il sangue raccoglie da i tessuti durante il suo circolo, ed è un prodotto di scarto della respirazione cellulare.

Vi sono anche alcuni casi in cui l’azione di pompaggio del sangue è svolta dal sistema cardiaco del paziente: in tali eventualità, il sistema di supporto viene definito pump-less e la sua funzione si limita alla respirazione.

Schema dei vasi polmonari

ECMO: QUANTO E' DIFFUSO IN ITALIA?

Contrariamente a quanto si possa pensare, in Italia sono presenti svariati centri che forniscono assistenza tramite l'ECMO: eccone una mappa.

Si riportano inoltre alcuni casi di cronaca riguardanti l'impego dell'ECMO all'Ospedale Molinette di Torino:

http://www.lastampa.it/2011/01/16/cronaca/molinette-un-caso-di-h-n-una-donna-in-rianimazione-psm5k5r8twwrhmuLdwZrSK/pagina.html

http://torino.repubblica.it/cronaca/2016/02/24/news/torino_ragazzo_in_rianimazione_per_l_influenza_solo_il_trapianto_puo_salvarlo-134142711/

I PRIMORDI DELLA TECNOLOGIA DEI POLMONI ARTIFICIALI

Di seguito vi sono alcuni video riguardanti le prime applicazioni della respirazione assistita.

Video che illustrano le prime applicazioni della respirazione assistita

IL POLMONE ARTIFICIALE: UN CIRCUITO COMPLESSO

L’ECMO (ExtraCorporeal Membrane Oxygenation) è un dispositivo che consente di supportare meccanicamente le funzioni cardio-respiratorie del paziente, garantendone la sopravvivenza nel caso in cui gli organi nativi a ciò adibiti non funzionino adeguatamente.

Foto con didascalie per la descrizione dell'impianto

Esso si presenta come in foto, ed è descrivibile come un circuito che si compone dei seguenti elementi:

·         CANNULE PER DRENAGGIO/REINFUSIONE: si tratta degli elementi che vanno inseriti direttamente nei vasi sanguigni, ed hanno il compito di prelevare il sangue ricco di Anidride Carbonica (drenaggio) e di reimmettere all’interno del corpo del paziente il sangue “rosso”, cioè ossigenato e privo di CO2 (reinfusione). Le cannule vengono scelte in base a diametro, lunghezza e forma del profilo (in sezione), al fine di evitare il più possibile turbolenze nel flusso.

·         LINEE DI DRENAGGIO/REINFUSIONE: sono i condotti per il passaggio del sangue che collegano tra loro tutti i componenti del circuito, ed il circuito stesso con il corpo.

·         POMPA: dispositivo che fornisce energia al sangue, in modo da forzarlo ad immettersi nel circuito estraendolo dal paziente, per poi condurlo attraverso i vari componenti e garantirne la reimmissione all’interno del corpo dell’utilizzatore. Si tratta in genere di pompe centrifughe, progettate per entrare in contatto con il sangue solo tramite una componente monouso, detto campana, in modo da essere riutilizzabile per diversi pazienti senza rischi.

·         DRIVE UNIT: console di controllo attraverso cui è possibile monitorare e modificare i parametri del circuito, come, ad esempio, velocità, temperatura e pressione del flusso di sangue.

·         OSSIGENATORE: è il “cuore” dell’intero circuito. In esso avvengono gli scambi respiratori, motivo per cui è detto polmone artificiale, in contrapposizione ai polmoni nativi del paziente. La respirazione avviene per interdiffusione dei gas, dovuta al gradiente di concentrazione. Il sangue prelevato dal paziente, ricco di Anidride Carbonica, viene posto in contatto con una membrana in polimetilpentene, semipermeabile. La membrana è organizzata in fibre cave, attraverso cui sono condotti i gas: grazie all’elevata permeabilità della membrana nei confronti del gas, e all’elevata superficie di scambio, il gas viene ossigenato e depurato dalla CO2. Nel corso del funzionamento l’ossigenatore può deteriorarsi a causa di svariate problematiche, ad esempio la formazione di coaguli all’interno dei condotti, che riducono in modo consistente la superficie di scambio e rappresentano la causa principale per la sostituzione di questo.

Illustrazione della membrana a fibre cave (fonte nel link in basso)

·         CIRCUITO DEI GAS: sistema che rifornisce di ossigeno ed aria il circuito e consente l’evacuazione dei gas di scarto. Si possono controllare il flusso di gas freschi verso il polmone, garantendone quindi la giusta pressione all’interno dell’ossigenatore, e la composizione di questi variando la frazione di ossigeno.

·         SCAMBIATORE DI CALORE: dispositivo contenente acqua a temperatura controllata (33-39°C), attraverso cui è condotta la linea contenente il sangue, al fine di controllarne la temperatura prima della reimmissione nel corpo del paziente. Accade infatti che il sangue, durante il suo percorso nel circuito, ceda calore all’ambiente o agli elementi del circuito con cui viene in contatto, si rende quindi necessario avere un controllo sulla temperatura del flusso per evitare problematiche all’utente della macchina.   

Video esplicativi (video1,video2)

credits: EMpills

RICERCHE E SVILUPPI FUTURI

Di seguito sono presenti dei link ad articoli che descrivono i risultati di alcuni gruppi di ricerca che operano nel campo dei polmoni artificiali, con l’obiettivo comune di renderli più compatti, economici e funzionali.

Nuovi prototipi, sviluppi e applicazioni:

https://www.focus.it/scienza/salute/i-polmoni-artificiali-nello-zaino

http://www.venetonanotech.it/it/news-eventi/nanotecnologie-news/un-polmone-artificiale-portatile,3,3987

http://www.italiasalute.it/9957/pag2/In-Gb-inventato-polmone-portatile.html

Terapie attualmente in corso:

http://www.sanmatteo.org/site/home/articolo333.html

Pareri degli esperti:

http://www.corriere.it/cronache/09_settembre_04/macchina_polmoni_franca_porciani_ba738420-9913-11de-b514-00144f02aabc.shtml?refresh_ce-cp

POLMONE ARTIFICIALE: COS’È

Il Polmone Artificiale, è un dispositivo protesico che permette l’ossigenazione del sangue e l’espulsione dell’anidride carbonica da quest’ultimo, in modo da poter essere reimmesso all’interno del corpo del paziente.

Il polmone Artificiale, assieme alla ventilazione meccanica, è ideato per svolgere alcune delle funzioni dei polmoni biologici per periodi di tempo medio-lunghi, ad esempio nel caso di pazienti in attesa di trapianto ed in assenza di donatori, in cui i polmoni biologici sono così compromessi da non garantire un’adeguata funzionalità.

Mentre la ventilazione meccanica è usata per coadiuvare o sostituire l’attività di respirazione spontanea che avviene attraverso i muscoli inspiratori, il polmone artificiale è collegato direttamente al sistema circolatorio del paziente e con l’ausilio di una pompa, che permette di vicariare le funzioni del cuore (soprattutto nel caso in cui il paziente soffra di patologie cardiache), introduce il sangue in un circuito, il cui schema di funzionamento è descritto in questa immagine. Il sangue viene quindi ossigenato attraverso appositi filtri costituiti da fibre con micro-alveoli, e il suo percorso si conclude tornando nuovamente nel sistema circolatorio del paziente.

Di seguito è possibile trovare alcune traduzioni del termine in diverse lingue (italiano, inglese, francese, tedesco, spagnolo, portoghese).