Nors daugeliui rimtų COVID-19 atvejų būdingas kvėpavimo sutrikimas ir pavojingai mažas deguonies kiekis kraujyje (būklė, vadinama hipoksija), nuo pat pandemijos pradžios ekspertus glumino „tyli arba laiminga hipoksija“, paveikianti dalį pacientų.
Dabar Naujojo Džersio technologijos instituto (NJIT) vykdomi kompiuterinio modeliavimo tyrimai padeda atskleisti sunkiai suvokiamą COVID-19 pacientų „laimingos hipoksijos“ priežastį ir atskleidžia, kodėl kai kuriems asmenims gali pasireikšti kritiškai mažas kraujo prisotinimas deguonimi be įprasto kvėpavimo sunkumo. .
Išvadose, paskelbtose žurnale Biologinė kibernetika, Tyrėjai teigia, kad padidėjęs hemoglobino kiekis tam tikrų pacientų kraujyje gali atlikti pagrindinį vaidmenį leidžiant kvėpavimo sistemai išlaikyti žemą deguonies kiekį, nesukeliant nelaimės signalų, susijusių su dusuliu ar dusuliu.
„Matematinis kvėpavimo kontrolės sistemos modeliavimas leidžia mums ištirti hipotezes apie tai, kaip chemosensorinių įėjimų pokyčiai veikia kvėpavimo ritmų susidarymą”, – sakė Casey Diekman, tyrimo autorius ir NJIT matematikos docentas. „Mes sutelkėme dėmesį į deguonies jutimo sutrikimą, kuris yra pagrindinis tylios hipoksemijos veiksnys.”
Norėdami sužinoti daugiau, Diekmanas prisijungė prie Christopherio Wilsono Loma Lindos medicinos mokykloje ir Peteriu Thomasu iš Case Western Reserve universiteto. Komanda pritaikė matematinį modelį, kurį Diekmanas pirmą kartą sukūrė 2017 m., apibūdindamas jį kaip „uždaros grandinės valdymo sistemą“, skirtą tylios hipoksemijos poveikiui kvėpavimo sistemai imituoti.
Modelis yra įprastų diferencialinių lygčių sistema, vaizduojanti smegenų kamieno kvėpavimo centrinio modelio generatoriaus (CPG), kuris valdo motorinių neuronų telkinį, elektrinį aktyvumą, dėl kurio keičiasi plaučių tūris, plaučių deguonis ir kraujo deguonis, aiškino Diekmanas.
„Savo ruožtu deguonies lygis kraujyje turi įtakos sužadinimo įvesties kiekiui, siunčiamam į CPG per chemosensorinį grįžtamojo ryšio kelią”, – sakė Diekmanas. „Modelis apima parametrus, atspindinčius deguonies jutimo įvesties kelio padidėjimą, hemoglobino surišimo afinitetą, neapkrautą plaučių tūrį ir deguonies srauto iš plaučių į kraują greitį.”
Šis uždaro ciklo valdymo modelis leido tyrėjams sistemingai ištirti, kaip skirtingi sistemos aspektai veikia dalinį deguonies slėgį kraujyje ir tašką, kuriame kvėpavimo sistema žlunga, kai padidėja medžiagų apykaitos poreikis. Naudodama savo modelį, komanda manipuliavo įvairiais parametrais, galiausiai nustatydama hematokritą – hemoglobino koncentraciją kraujyje – kaip lemiamą veiksnį, sukeliantį tylią hipoksemiją.
„Mūsų tyrimas rodo, kad COVID-19 pacientų, sergančių tylia hipoksemija, kraujyje taip pat gali būti padidėjęs hemoglobino kiekis, o tai gali būti apsauginis atsakas į infekciją“, – sakė tyrimo bendraautorius Wilsonas.
„Žinome, kad padidėjęs hemoglobino kiekis populiacijose, gyvenančiose dideliame aukštyje, yra dalis organizmo bandymo užtikrinti, kad raumenys, organai ir smegenys aprūpintų pakankamai deguonies, nepaisant to, kad dideliame aukštyje ore yra mažiau deguonies“, – pridūrė Thomas. „Kai dėl COVID-19 pasunkėja deguonies patekimas iš oro ir į audinius net jūros lygyje, gali būti, kad hemoglobino kiekio padidėjimas duoda panašią naudą.
Kol kas komanda teigia, kad skubios pagalbos skyriai turėtų pradėti matuoti COVID-19 pacientų hematokrito lygį, kad pagerintų pacientų rezultatus.
„Deja, dauguma skubios pagalbos skyrių neregistruoja savo pacientų hemoglobino kiekio, nors tai padaryti nebūtų per sunku“, – sakė Diekmanas.
„Norėtume, kad skubios pagalbos skyriai, kuriuose gydomi COVID-19 pacientai, rinktų duomenis apie hematokrito lygį“, – pridūrė Thomas. „Tai galėtų suteikti mums daugiau informacijos apie tai, kaip pacientai prisitaiko prie infekcijos padarinių.”
Žvelgiant į priekį, mokslininkai taip pat tikisi, kad jų išvados paskatins tolesnį kvėpavimo kontrolės modelių kūrimą.
„Šiame tyrime naudojome gana paprastą kvėpavimo stimuliatoriaus modelį, kad būtų lengviau atlikti matematinę sistemos analizę. Mūsų rezultatai skatina įtraukti deguonies valdymo dinamiką į išsamesnius naujausius kvėpavimo kontrolės modelius, kurių dauguma daugiausia dėmesio skiria Hiperkapnija – per didelis anglies dioksido kiekis – vietoj hipoksijos”, – sakė Diekmanas.