应对未来大流行病，哪一种呼吸治疗更有潜力？

原创 J. Scott Turner 世界顶尖科学家论坛

编者按

新冠疫情已经蔓延4个月，随着世界各国疫情发展，更多的研究学者把眼光放眼未来，希望能从各个角度，找到办法，为应对将来可能的大流行做好准备。我们也将逐步引入并介绍这样的一些文章，以期提供思路和借鉴。

北京时间今天（4月29日），包括多名诺贝尔奖得主、国家级科学院院士等顶尖科学家担任编委的国际独立期刊Inference，在《新型冠状病毒和新冠肺炎》专题中，最新发表了文章 The Physiology and Biophysics of Respiratory Therapy （《藏在呼吸治疗里的生理学和生物物理学》）。

来自纽约州立大学的生物学教授 J. Scott Turner 介绍了与急性呼吸窘迫综合征密切相关的治疗技术——呼吸治疗，并认为高频通气技术（HFV），作为一种风险较低的人工通气替代方法，可能可以在急诊医学中发挥作用，帮助应对下一次几乎肯定会发生的大流行病。

世界顶尖科学家论坛已获得文章授权转载。

藏在呼吸治疗里的生理学和生物物理学

作者：J.Scott Turner

严重的新冠病毒感染会妨碍血液供氧并且致使呼吸困难，而导向的可能的结果之一就是暴发性和潜在致命性肺炎。这种急性呼吸窘迫综合症可由直伤肺部的损伤以及呼吸道感染引起。

呼吸治疗的目标是维持血液供氧，直到渡过危机。治疗是分阶段进行的，可以包括使用皮质类固醇来减少炎症，以及通过鼻腔插管补充氧气。如果这些治疗方法都不能缓解患者的痛苦，医生将转而向病患的肺部人工通气——或是通过密封在口鼻周围的面罩，抑或是通过一根插入气管的管子。

接受机械通气的早产儿, 图源Vapotherm

人工通气是护理病人过程中的一种激烈而又危险的干预措施，也有其自身的一套风险。这些风险包括与人工呼吸机相关的肺部损伤和与人工呼吸机相关的肺炎。这两种情况都能使肺部遭受严重的损伤，这也可能导致永久性的呼吸功能障碍。对于数量相当大的比例的患者来说，并发症是致命的。

由于这些原因，需要采用替代疗法。其中有些涉及到熟练的护理。定期对病人进行体位调整，例如，从仰卧位到俯卧位或者侧卧位，可以重新分配肺内的液体。这可以让肺部受损的部分排空并重新开放气体交换，从而帮助维持血液供氧。这些策略可以显著减少呼吸机使用的时间，减少肺部损伤和肺炎的可能性。

其他的替代方法也很奇特：不使用空气（氧气和氮气的混合物）给病人通气，而是使用氦气和氧气的混合物，称为氦氧混合气。氧气通过氦气的扩散速度比通过氮气的扩散速度要快，这可以加快氧气输送到肺泡，即肺部深处的小袋，在这里与血液进行气体交换。一氧化氮有时被用来扩张肺部的小血管，来改善血流和血液氧合。每种选项都会有它自己的风险和缺点。氦气价格昂贵且稀有，因此在大面积的病人中使用它是不现实的。一氧化氮可能会有很大的副作用，包括损害血压，在临床上有风险，因为心脏问题可能会导致心力衰竭。

对于慢性阻塞性肺病、肺气肿、肺气肿、肺纤维化和其他慢性肺部疾病患者来说，密切关注血氧水平通常是日常工作的一部分。然而，对于慢性阻塞性肺病和其他慢性肺部疾病患者来说，接受足够的氧气可能是一个挑战 |来源 Lunginstitute

一种可能更实用的替代方法是高频通气（HFV），它以非常快速和非常浅的呼吸来进行肺部通气。正常的通气频率是差不多一分钟10次呼吸。高频通气则以每分钟上百至上千次的速度提供呼吸，或者是通过呼吸管引入微小的空气喷射，也或者通过类似于低频扬声器的磁力活塞施加的压力振荡来进行呼吸。

HFV是一种很有前景的替代方法，因为它可以减少目前人工通气方法所造成的肺部损伤和肺炎的发生率和严重程度。它最常见的应用是在新生儿的重症监护中，因为呼吸窘迫和肺部损伤是早产儿的特殊问题。

HFV与标准人工通气的效果一直是一个争论不休的话题，这在很大程度上是因为两者的临床试验好坏参半。然而，在紧急情况下进行的临床研究结果总是带着很大的不确定性。因为在这种情况下，对病患的护理总是要优先于临床研究的设计，这会影响到统计比较的可靠性。

人工通气也非常适合在急诊室环境中进行快速决策，因为它是基于简单的肺功能原理。相比之下，HFV则涉及到肺功能的一些看似神秘的、反直觉的方面。医生们不情愿在这种不确定性下的基础上做出重症监护决策是可以理解的。

HFV作为一种呼吸疗法的作用，完全揭示了关于肺的生物学和物理学的有趣细节。例如，考虑一下，为什么运动时呼吸频率的增加会使呼吸道气体交换的速率上升。推动气体交换的不是呼吸频率本身。限制肺部从大气中将氧气输送到血液中的就是小通道里混合着的气体——也就是这些气体将气管和支气管里的肺泡和更大的呼气道架接起来。更快速的呼吸能通过增加这个区域里的混合率来促进气体交换的增加。

HFV能增强呼吸道的气体交换，因为它也能促进肺部混合调控区的混合率，尽管其机制完全不同，它更多得是依赖于肺和胸部的声学和机械共振。虽然甚至在物理学家和工程师中，他们对这些也知之甚少。不过，HFV有时也能在急诊室中找到它的价值，因为它能够维持血氧饱和度——而为什么它可以做到这一点的原因被没有被完全解析。

HFV还可以通过改善呼吸机相关的肺部损伤而提供更直接的临床益处。呼吸机相关的肺损伤是由常用的人工通气方法--正压通气（PPV）引起的，这么称呼它是因为人工呼吸器通过强加正压在肺部上，使其膨胀。而正常的情况下，肺部通过胸腔扩张所施加的吸力使肺部充气，即所谓的负压通气（NPV）。

PPV和NPV都会对肺部造成机械性的压力，而这些压力是由结缔组织的基质来承担的，而结缔组织是将肺部和其他器官连接在一起的。结缔组织并不是简单的脚手架：它包括一个极度敏感的系统，用于监测机械性拉伤，并能自我重塑以适应异常的拉伤。骨骼、肌腱和肌肉三者都是由这一作用而形成的，肺也是如此。

人工呼吸器相关的肺损伤是由PPV对肺部施加的机械性应变的异常模式引起的，肺部的结缔组织基质将其视为损伤。而随之而来的是肺部重塑，如果规模足够巨大，那么当患者恢复到无辅助呼吸和NPV的正常机制时，它的功能也会受到损害。僵化的肺部、肺气肿的产生、肺内小气道的阻塞、慢性阻塞性肺病的产生都可能是它的有害后果。由于肺部认为PPV是一种伤害，所以也会诱发炎症的反应。任何类型的炎症都是由免疫细胞，如巨噬细胞等产生的小分子细胞因子的局部释放所介导的。当伴随冠状病毒感染的炎症堆积在一起时，与PPV相关的细胞因子释放可增加细胞因子风暴的可能性，这可能是冠状病毒相关肺炎的致命事件。

HFV似乎可以通过对肺部施加第三种压力机制来减少这种负面结果。在HFV中，肺部通过施加一个小的、连续的正压，使肺部保持充气，并在此基础上施加快速的小压力振荡。感受到异常压力并重塑肺部的细胞--成纤维细胞和巨噬细胞--似乎对施加在肺部的稳定压力相对于PPV的压力变化不敏感。较不广泛的肺重塑是结果。结缔组织网络对异常应变的反应也似乎是频率依赖性的，对PPV的缓慢和大的压力振荡比HFV的快速和小的压力振荡更敏感。

受新冠疫情影响，呼吸治疗师经成为非常受关注的职业，图为 湖北·武汉大学人民医院东院区·危重症气道管理）| 来源 呼吸届

HFV也可能减少呼吸机相关肺炎的可能性。任何形式的人工呼吸的侵入性都会增加肺炎的风险，无论采用何种方法，都会增加肺炎的风险。但肺炎可以通过多种方式产生，常见的根源是肺部水分平衡的破坏：液体渗透进肺部的气室的速率与它被排除的速率相比。液体通过肺泡内衬的毛细血管不断渗入肺泡。液体通过包裹肺部的胸膜所施加的轻微负压不断地被抽出。此外，肺泡在表面张力的作用下，不断有塌陷的趋势。健康肺内的水分平衡取决一种血压、吸力和表面张力之间的不稳定平衡。

当这种平衡被破坏时，就会导致肺炎。这可能来自于肺泡或者胸膜的破坏，或两者都有。与感染有关的肺炎是由于血管通透性增加而导致液体过多地渗漏到肺泡，这是炎症反应的正常表现。肺炎也可因胸膜的水分清除受阻而导致肺炎。

人工通气似乎会通过两种方式加重肺炎。一种是通过加重已经发生的感染。以任何方式抽入肺部的空气都会不可避免地引入细菌和刺激物。因为与PPV相比，HFV中的这些流量减少了，所以这种风险可能会降低，但不能消除。其次，周期性地施加正压可以降低胸膜通常存在的吸气压力，使肺部的水平衡向积水和肺炎倾斜。

HFV可以通过施加稳定的正压来改善这种情况，而HFV的稳定正压是由HFV的快速而小的振荡压力所覆盖的。这种稳定的正压可以使肺部的水分平衡恢复到清除的状态，只需帮助将多余的液体通过肺部的淋巴管排出即可。

这些只是比较PPV和HFV的相对效果的基本要素。我们对HFV的机理和生理学仍不甚了解，在动物和临床上，许多方法和应用的变体都在动物试验和临床方面接受着有效性测试。尽管临床情况仍未确定，但HFV作为一种风险较低的人工通气的替代方法，也彰显了足够的前景，值得认真考虑。从这个意义上说，HFV在治疗COVID-19感染方面占据了与抗疟药物大致相同的非使用空间：前景广阔，但我们仍有很多需要学习的地方。

当下，新冠病毒的大流行性状况已经沿着曲线走得足够远到一个人可以自信地下结论说，HFV不会很快取代PPV作为呼吸道治疗的替代形式。然而，现在可能是进一步探索HFV的时候了，如此以后急诊医学可能会更有能力应对下一次几乎肯定会发生的大流行病。

作者

简介

J. Scott Turner是纽约州立大学环境科学与林业学院的生物学教授，也是斯泰伦博斯高级研究学院的研究员。

Inference 创立于2014年，编委会成员聚集了包括诺贝尔奖得主、各国科学院院士、皇家学会会员，来自MIT、哈佛、斯坦福等顶尖院校等专家学者。并广泛邀约各个领域的专家学者撰写文章。不同于经过同行评审的论文，Inference更致力于发表理性、有见地和有洞察力的评论文章，这些文章反映了该杂志从人类学到动物学等各个领域中思想的真实多样性。

世界顶尖科学家协会成员、1979年物理学奖得主、美国理论物学家Sheldon Lee Glashow担任Inference 的编委和自由编辑，他本人也是广受欢迎的美剧《生活大爆炸》里“谢耳朵”的原型；世界顶尖科学家协会成员、2017年诺贝尔物理学奖得主、“引力波研究”先驱Barry Barish和中国科学院院士、清华大学跨学科信息科学研究所所长、2000年图灵奖获得者姚期智同为该刊编委。

世界顶尖科学家论坛（WLF）得到了Inference平台的授权，将逐步引入其中的精彩文章。

(备注：编译稿件仅供参考，原文以英文原文为准,点击阅读原文查看）

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