Central mechanisms of respiratory adaptation to mechanical ventilation

呼吸适应机械通气的中心机制

基本信息

  • 批准号:
    9130374
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 38.36万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-09-04 至 2017-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

 DESCRIPTION (provided by applicant): A major challenge during mechanical ventilation of patients in the intensive care unit (ICU) is how to synchronize the ventilator with the patient's breathing effort smoothly and effectively. Dyssynchrony could lead to patient discomfort and increased need for sedation, longer hospital stay and lower probability of survival. Current mechanical ventilator designs for use in the ICU do not take into consideration the patient's profound respiratory adaptation to vagal volume-related feedback, and are prone to patient-ventilator asynchrony. Understanding the bidirectional relationship between control of breathing and mechanical ventilation and bringing such new concepts to the bedside is increasingly recognized as a major unmet priority in critical care medicine. Entrainment-based mechanical ventilation is a novel ventilation approach that may potentially revolutionize the field and shift clinical practice by incorporating respiratory neurobiology concepts into mechanical ventilator designs. This innovative mechanical ventilation technique is motivated by recent evidence indicating that neural circuits in the pontine pneumotaxic center plays an important role in promoting respiratory entrainment to mechanical ventilation through learning and memory of the Hering-Breuer reflex. Patient-ventilator entrainment is a fundamental physiologic phenomenon that is grounded in the classical physics theory of mutual entrainment between coupled oscillators. In entrainment-based ventilation, the patient's spontaneous respiratory rhythm and the ventilator rhythm are phase-locked to one another on the same tempo, just like two individuals dancing together. This new-generation ventilation mode has recently gained FDA approval of investigational device exemption for clinical trial. To facilitate the translation of te base technology from the benchtop to the bedside, this R01 application proposes a series of preclinical studies with an objective to gain better understanding of the neurophysiologic determinants of patient-ventilator interaction. Because patient-ventilator entrainment is a complex phenomenon, a systems biology approach combining experimental testing and multiscale modeling for quantitative data analysis and prediction of novel outcomes is essential. This will be achieved by elucidating the central mechanisms underlying respiratory adaptation to mechanical ventilation at both the systems (Aim 1) and cellular levels (Aim 2), and developing a multiscale neural network model of patient-ventilator interaction in order to simulate the experimental results and predict the open-loop and closed-loop respiratory-ventilator entrainment frequency and phase response relationships in a quantitative manner (Aim 3). A major hypothesis to be tested is that respiratory entrainment to mechanical ventilation is mediated by a distinct neuronal population in the pontine pneumotaxic center which is distinguished by its critical dependence on NMDA receptor activity and sensitivity to inhibition by the neuropeptide somatostatin.
 描述(由申请人提供):重症监护病房(ICU)患者机械通气期间的一个主要挑战是如何平稳有效地使呼吸机与患者的呼吸努力同步,不同步可能导致患者不适并增加镇静需求。目前 ICU 使用的机械呼吸机设计没有考虑患者对迷走神经容量相关反馈的深刻呼吸适应,因此住院时间较长,生存概率较低。了解呼吸控制和机械通气之间的双向关系并将此类新概念引入床边越来越被认为是重症监护医学中尚未满足的主要优先事项。通过将呼吸神经生物学概念融入机械呼吸机设计中,彻底改变了该领域并改变了临床实践。这种创新的机械通气技术的灵感源于最近的证据表明脑桥呼吸运动中心的神经回路在促进呼吸夹带方面发挥着重要作用。通过学习和记忆患者呼吸机夹带来实现机械通气是一种基本逻辑生理现象,其基础是耦合振荡器之间的相互夹带的经典物理理论。呼吸机节奏以相同的节奏相互锁相,就像两个人一起跳舞一样,这种新一代通气模式最近获得了 FDA 的研究设备豁免批准,以促进临床试验。为了将基础技术从台式转移到床边,该 R01 应用提出了一系列临床前研究,旨在更好地了解患者与呼吸机相互作用的神经生理学决定因素,因为患者与呼吸机夹带是一种复杂的现象。系统生物学方法结合实验测试和多尺度建模来进行定量数据分析和新结果的预测至关重要,这将通过阐明两个系统的呼吸适应机械通气的核心机制来实现(目标 1)。和细胞水平(目标2),并开发患者-呼吸机相互作用的多尺度神经网络模型,以模拟实验结果并定量预测开环和闭环呼吸-呼吸机夹带频率和相位响应关系(目标 3)要测试的一个主要假设是机械通气的呼吸夹带是由脑桥呼吸运动中心的独特神经元群介导的,其特征在于其对 NMDA 受体活性的关键依赖性和对抑制的敏感性 神经肽生长抑素。

项目成果

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