Cell子刊:神奇!哺乳动物可以用肠道进行呼吸

2021
05/19

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生物谷
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呼吸机可以挽救因受伤或疾病而不能自主呼吸的患者的生命。但是,它们所施加的强大压力,也可能导致肺部损伤。此外,呼吸机的数量是有限的,在COVID-19大流行期间出现了严重短缺。


在一项新的研究中,来自日本和美国的研究人员提出了一种替代的氧合途径:通过肛门。他们将气体或液体形式的氧气引入经历过窒息或低氧条件的小鼠和猪的肠道,结果显示,这些动物存活的时间比那些没有接受这一处理的动物长得多。相关研究结果于2021年5月14日在线发表在Med期刊上,论文标题为“Mammalian enteral ventilation ameliorates respiratory failure”。




美国佛罗里达大学医学院肺部和重症监护医生Divya Patel(未参与这项新的研究)说,“我从来没有读过或想过利用肠道系统通气。机械呼吸机是一座桥梁。他们为我们争取时间让身体痊愈,[但]它们的问题是它们也对肺部本身造成伤害。”这些作者“真地是思想开放,跳出了框框思考”。


论文通讯作者、隶属于辛辛那提儿童医院、东京医科牙科大学和横滨市立大学的Takanori Takebe通常专注于操纵干细胞,以便在培养皿中培育出功能性人体器官。但是,三年前,他的父亲患有慢性肺部疾病,出现了急性呼吸窘迫综合征(ARDS)--一种可以致命的肺部并发症,在重症COVID-19患者中很常见,需要通气。他的父亲活了下来,但是这一经历让Takebe印象深刻,呼吸衰竭的治疗方法是多么有限。


他说,“标准的治疗方法确实会损害天然的肺部功能。”如今,他的父亲的肺部功能受到损害,这在接受通气的患者中并不罕见,尤其是长时间接受通气的患者。他补充说,“我意识到我们需要不同的呼吸支持方式,而不需要动用天然肺部。”


Takebe和他的团队阅读了一些现有文献,了解到许多生物---包括诸如泥鳅之类的鱼和节肢动物---使用包括皮肤和肠道在内的器官来获取氧气。为了确定哺乳动物是否有这种能力,他们从小鼠开始研究。通过气管吸入缺氧空气的小鼠当通过肛门将氧气注入它们的肠道时平均存活了18分钟,而不通过肛门吸入氧气的小鼠只能存活约11分钟。当他们用刷子擦拭肠道内壁,然后引入氧气气体时,大多数小鼠至少存活了50分钟。



小鼠、大鼠和猪等哺乳动物可以用肠道进行呼吸,图片来自Med, 2021, doi:10.1016/j.medj.2021.04.004。


他解释说,“当你让小鼠处于致命的缺氧条件并为它们的肠道提供氧气时,存活的时间增加了一倍。这将给我们更多的时间来控制病情,直到治疗可行为止。”


接下来,这些作者尝试了一种比擦伤肠道内壁和泵入气体更可行的方法:通过肛门引入一种称为全氟碳化物(perfluorocarbon)的含氧液体。在以前的临床研究中,携带溶解氧的全氟碳化物被直给送到人类的眼睛和血管,以及早产婴儿的呼吸道,以帮助减少肺部损伤。他们在一个低氧室中通过小鼠的直肠注入含氧的全氟碳化物或盐水。接受含氧液体的小鼠显示其血液中的氧气压力有所改善,并且在输注全氟碳化物后比接受生理盐水的小鼠更活跃。


然后,这些作者在麻醉的猪身上测试了这种含氧液体的策略,其中相比于小鼠,猪与人类的生理结构更相似。他们每分钟只用了5或6次呼吸机来诱导非致命性的呼吸衰竭,然后用类似灌肠的方式给予含氧全氟碳化物,将猪从缺氧状态中解救出来,并没有观察到明显的副作用。为了进一步测试安全性,他们将全氟碳化物注入了大鼠的肠道中。这些大鼠没有脱水,没有腹泻,器官毒性标志物的水平与盐水对照组相同或更低。



氧气经肛门肠通气(enteral ventilation via anus, EVA)通过全身氧合抢救致命性缺氧,图片来自Med, 2021, doi:10.1016/j.medj.2021.04.004。


美国蒙大拿大学生物学家Art Woods说,“这些发现是进化过程中对某些系统进行修补的一个例子,这些系统很可能是为了另一个目的而进化的---即消化食物和在体内移动营养物---然后将该系统用于做其他对生物体真正有用的事情。”他没有参与这项新的研究,但在2017年发表的一篇启发了这项新研究的论文中,他和同事们展示了海蜘蛛利用其内脏来运输氧气。他补充说,“作为一种医疗技术,以某种介入性的方式来做这件事是相当聪明的。”


Takebe说,根据美国食品药品管理局(FDA)此前对全氟碳化合物用于其他适应症的批准,“我们对人类应用的安全性[和]耐受性非常乐观。”他和他的同事们正在组建一家创业公司,进行进一步的临床前安全分析,同时评估更多的动物疾病模型。他说,他们希望明年开始进行人体临床试验,但提醒道,目前还不清楚通过这种方法改善氧合是否对冠状病毒患者有帮助。他解释说,“COVID-19不仅仅是ARDS或肺部氧合问题,而是涉及许多不同的病理。”


Patel说,“了解这一机制将有助于促进人们采用它并对其做进一步研究。”她补充说,接下来的其他步骤包括调查该策略在ARDS或肺炎模型中的有效性,以及更多地研究全氟碳化物在人身上的这种应用的安全性。如果该技术被证明是有效和安全的,它“有可能成为一种避免使用机械呼吸机的方法,或者能够将其设置到非常低的水平,这样就不会导致呼吸机引起的肺部损伤”。


参考资料:
Ryo Okabe et al. Mammalian enteral ventilation ameliorates respiratory failure. Med, 2021, doi:10.1016/j.medj.2021.04.004.
Mammals Can Use Their Intestines to Breathe
https://www.the-scientist.com/news-opinion/mammals-can-use-their-intestines-to-breathe-68769


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关键词:
肺部,肠道,氧气

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