Mentre molti casi gravi di COVID-19 sono caratterizzati da difficoltà respiratorie e livelli pericolosamente bassi di ossigeno nel sangue, una condizione nota come ipossia, il verificarsi di una “ipossia silenziosa o felice”, che colpisce un sottogruppo di pazienti, ha lasciato perplessi gli esperti fin dall’inizio della pandemia.
Ora, la ricerca sulla modellazione computazionale guidata dal New Jersey Institute of Technology (NJIT) sta aiutando a scoprire la causa sfuggente della “ipossia felice” nei pazienti affetti da COVID-19, svelando perché alcuni individui possono avere una saturazione di ossigeno nel sangue criticamente bassa senza la tipica difficoltà a respirare. In una ricerca pubblicata sulla rivista Biological Cybernetics, i ricercatori suggeriscono che livelli elevati di emoglobina nel sangue di alcuni pazienti potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nel consentire al sistema respiratorio di sostenere bassi livelli di ossigeno senza innescare segnali di sofferenza associati alla dispnea, ovvero alla mancanza di respiro.
“La modellazione matematica del sistema di controllo respiratorio ci consente di esplorare ipotesi su come i cambiamenti negli input chemosensoriali influenzano la generazione di ritmi respiratori- ha affermato Casey Diekman, autore corrispondente dello studio e professore associato di matematica presso il NJIT. -Ci siamo concentrati sulla disregolazione della sensazione di ossigeno come fattore chiave che contribuisce all’ipossiemia silente”. Per saperne di più, Diekman ha coinvolto Christopher Wilson della Loma Linda School of Medicine e a Peter Thomas della Case Western Reserve University. Il team ha adattato un modello matematico sviluppato da Diekman per la prima volta nel 2017, descrivendolo come un “sistema di controllo a circuito chiuso”, per simulare gli effetti dell’ipossiemia silente sul sistema respiratorio.
Il modello è un sistema di equazioni differenziali ordinarie. che rappresentano l’attività elettrica del generatore centrale di pattern respiratorio (CPG) nel tronco encefalico, che aziona un gruppo di motoneuroni, determinando modifiche nel volume polmonare, nell’ossigeno polmonare e in quello nel sangue, ha spiegato Diekman. “A sua volta, il livello di ossigeno nel sangue influenza la quantità di input eccitatorio inviato al CPG tramite un percorso di feedback chemosensoriale- ha sottolineato Diekman. -Il modello include parametri che riflettono il guadagno del percorso di input di rilevamento dell’ossigeno, l’affinità di legame dell’emoglobina, il volume polmonare non caricato e la velocità del flusso di ossigeno dal polmone al sangue”. Questo modello di controllo a circuito chiuso ha permesso ai ricercatori di studiare sistematicamente come diversi aspetti del sistema influenzano la pressione parziale dell’ossigeno nel sangue e il punto in cui il sistema respiratorio collassa quando aumenta la richiesta metabolica. Utilizzando il loro modello, il team ha manipolato vari parametri, individuando infine l’ematocrito, la concentrazione di emoglobina nel flusso sanguigno, come fattore cruciale nell’indurre l’ipossiemia silente.
“Il nostro studio suggerisce che i pazienti COVID-19 con ipossiemia silente potrebbero anche avere livelli elevati di emoglobina nel sangue, il che potrebbe essere una risposta protettiva all’infezione”, ha aggiunto Wilson, coautore dello studio.
“Sappiamo che livelli elevati di emoglobina nelle popolazioni che vivono ad altitudini elevate fanno parte del tentativo del corpo di mantenere muscoli, organi e cervello riforniti di ossigeno a sufficienza nonostante ci sia meno ossigeno nell’aria ad altitudini elevate- ha proseguito Thomas. -Quando gli effetti del COVID-19 rendono più difficile estrarre l’ossigeno dall’aria e farlo entrare nei tessuti, anche a livello del mare, potrebbe essere che l’aumento dei livelli di emoglobina offra un beneficio simile”. Per ora, il team afferma che i pronto soccorso dovrebbero iniziare a misurare i livelli di ematocrito nei pazienti affetti da COVID-19 per migliorare i risultati clinici.
“Purtroppo la maggior parte dei pronto soccorso non registra i livelli di emoglobina nei pazienti, anche se non sarebbe troppo difficile farlo- ha concluso Diekman. -Ci piacerebbe vedere i pronto soccorso che curano i pazienti COVID-19 raccogliere dati sui livelli di ematocrito. Potrebbe darci ulteriori informazioni su come i pazienti si stanno adattando agli effetti dell’infezione. In questo studio, abbiamo utilizzato un modello relativamente semplice del pacemaker respiratorio per facilitare l’analisi matematica del sistema. I nostri risultati motivano l’incorporazione delle dinamiche di gestione dell’ossigeno in modelli all’avanguardia più dettagliati del controllo respiratorio, la maggior parte dei quali si concentra sull’ipercapnia (eccesso di anidride carbonica) anziché sull’ipossia”. In futuro, i ricercatori sperano anche che le loro scoperte possano stimolare un ulteriore sviluppo di modelli di controllo respiratorio.
Biological Cybernetics: “COVID-19 and silent hypoxemia in a minimal closed-loop model of the respiratory rhythm generator”. DOI: 10.1007/s00422-024-00989-w
Antonio Caperna