Een internationaal team van deeltjesfysici heeft hun zoektocht naar donkere materie gepauzeerd om zich te concentreren op de behoeften van slachtoffers van de wereldwijde pandemie, in het bijzonder, hun behoefte om te ademen.

In ernstige gevallen, COVID-19 kan leiden tot longontsteking die mechanische ventilatie vereist, maar het wereldwijde aanbod van ventilatoren is te klein gebleken voor de exponentieel toenemende vraag.

"Het openbare gezondheidszorgsysteem in Lombardije is misschien wel het sterkste in Europa, maar het was bijna op het punt van knikken, " zei Cristian Galbiati, een professor in de natuurkunde aan de Princeton University die het ontwerp heeft geleid van een vereenvoudigde mechanische ventilator die in massa kan worden geproduceerd met behulp van gemakkelijk verkrijgbare componenten.

Hij en zijn medewerkers - meer dan 250 natuurkundigen, ingenieurs, artsen en anderen uit 12 landen over de hele wereld - noemen hun apparaat de Mechanical Ventilator Milano (MVM). De werking ervan vereist alleen elektriciteit en een bron van gecomprimeerde zuurstof (of een mengsel van zuurstof en medische lucht), en de besturings- en bewakingseenheid in zijn hart wordt ontwikkeld en geprogrammeerd door "de beste ontwikkelaars" van nationale laboratoria voor deeltjesfysica in de VS, Canada, Italië en vele andere landen, zei Galbiati.

Hoewel het misschien vreemd klinkt voor een onderzoeker op het gebied van donkere materie om medische productie te gaan doen, het is logischer als het anders wordt gezegd:een expert in het construeren van gevoelige instrumenten voor gecomprimeerd argon besloot te experimenteren met gecomprimeerde zuurstof en stikstof.

Galbiati en zijn collega's in het DarkSide-20k-project hebben 15 jaar besteed aan het ontwerpen en verfijnen van apparatuur die een onder hoge druk staande vloeibare vorm van het edelgas gebruikt om een ​​deeltje van donkere materie te detecteren. Ze zijn de afgelopen weken overgestapt van astrofysica naar geneeskunde.

Nadat een onderzoeksreis naar Italië ervoor zorgde dat Galbiati vast kwam te zitten in het land, hij sms'te een vriend wiens familie een groot gasdistributiebedrijf bezit om de familie te feliciteren met hun donatie voor een snel gebouwde afdeling voor COVID-19-patiënten in Milaan. Hij was geschokt toen hij hoorde dat de bestelling van de familie voor ventilatoren ter ondersteuning van de afdeling was geannuleerd. Galbiati sprak toen met zijn broer Filippo, een spoedeisende hulp arts in het Niguarda Ziekenhuis in Milaan, wiens praktijk tegen die tijd beperkt was tot alleen COVID-19-patiënten. De andere dr. Galbiati legde aan de professor in de natuurkunde de steeds moeilijkere situatie uit waarin Italiaanse artsen zich bevonden die zuurstofarme patiënten moesten behandelen met beperkte ventilatoren op het hoogtepunt van de plaatselijke epidemie.

"We doen zoveel complexe projecten met technische gassen, " zei professor Galbiati. Hij wilde zijn expertise gebruiken "om de beste manier te vinden - een manier die beter schaalbaar is - om zuurstof in de longen van mensen te brengen wanneer ze het nodig hebben."

Galbiati stak zijn hand uit naar dezelfde vriend, wiens bedrijf ook ventilatoren commercialiseert en repareert, en kreeg toestemming van de Italiaanse regering om tests uit te voeren in de faciliteit van zijn vriend. Toen ze eenmaal een ontwerp hadden, hij kreeg toestemming van de overheid om een ​​prototype te bouwen en te testen. Toen reikte hij naar het DarkSide-20k-team.

"Deeltjesfysici zijn een vreemd stel mensen, " zei Fernando Ferroni, voorzitter van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica en een vooraanstaand medewerker aan de MVM, evenals de directeur communicatie voor het project. "We hebben een bijzondere affiniteit met intellectuele problemen. We hebben een probleem? We moeten het oplossen." In aanvulling, hij voegde toe, een voordeel van een wereldwijde samenwerking is dat er altijd iemand wakker is, om het project 24 uur per dag vooruit te helpen.

Het team vroeg om input van Italiaanse anesthesiologen. "Ze hebben de afgelopen vier weken in de frontlinie doorgebracht, zorg voor patiënten, ben er gewoon kapot van, " zei Galbiati. "Ze brengen ongelooflijke ervaring mee. Ze weten precies wat er moet gebeuren om de patiënten te redden - en om ze te helpen herstellen."

Een kenmerk dat de artsen voorstelden, is toegang met één knop tot procedures voor het meten van parameters die cruciaal zijn gebleken voor het bepalen van het beste herstelpad voor COVID-19-patiënten. "In de meeste traditionele machines, ontworpen voor een meer algemeen gebruik, deze procedures vereisen het indrukken van vijf of zes of zeven knoppen, of schakelen tussen verschillende bedrijfsmodi, ' zei Galbiati.

"Zoals aanbevolen door Dr. [Giuseppe] Foti en Dr. [Giacomo] Bellani van het San Gerardo Hospital in Monza, we werken aan het implementeren van geavanceerde functies zoals meting met één knop van de plateaudruk, de druk die aan het einde van de inademingscyclus in de longblaasjes wordt bereikt, en van de 'AutoPEEP, ' normaal gesproken aangeduid als de luchtinsluiting in de uitademingsfase, die nul kan zijn voor de meeste gezonde patiënten of significant kan verschillen van nul voor patiënten met obstructies in het uitademingskanaal, zoals mogelijk gegenereerd door afscheidingen, " hij zei.

Het MVM-team heeft hun ontwerp gedeeld via de open-source wetenschappelijke repositories arXiv (uitgesproken als "archief") en medRχiv ("med archive"), zowel om het conceptuele ontwerp breed te verspreiden als om feedback van de wetenschappelijke en medische gemeenschap te versnellen. Op dit punt, ze zijn gevorderd vanaf de ontwerpfase, door de prototypefase, en in voorbereidingen voor massaproductie. Materialen voor de eerste 1, 000 MVM's zouden binnen een week moeten aankomen. Ze werken nauw samen met de Amerikaanse luchtmacht, de Amerikaanse Food and Drug Administration, Gezondheid Canada, en Italiaanse regelgevende instanties om goedkeuringen te verkrijgen.

"Iets maken dat is opgebouwd uit gemakkelijk verkrijgbare onderdelen, dat is eenvoudig maar in staat om alles te doen wat nodig is op het gebied van een ventilator - dat was de oorspronkelijke visie van Cristian, en ik denk dat het heel goed uitpakt, " zei Arthur McDonald, een belangrijk lid van het MVM-team en een ontvanger van de Nobelprijs voor de natuurkunde 2015. Hij is emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Queen's University in Canada, die van 1982 tot 1989 aan de faculteit van Princeton werkte.

De eerste ventilatoren gaan rechtstreeks naar Italiaanse ziekenhuizen, kort daarna gevolgd door die in de VS en Canada, zei McDonald, maar het team hoopt ook financiering te krijgen voor het bouwen en distribueren van MVM's in landen die het zich niet kunnen veroorloven om hun eigen MVM's te bouwen, zei MacDonald. "We zijn ons er allemaal heel goed van bewust dat op de langere termijn, de minder ontwikkelde delen van de wereld hard zullen worden getroffen door deze epidemie, en er zal grote behoefte zijn over de hele wereld."