Sztuczne narządy - Artificial organ

Ten artykuł dotyczy zaprojektowanych sztucznych narządów. Aby uzyskać informacje na temat wzrostu narządów in vitro, patrz Kultura narządów .

Narządów sztucznego jest ludzkim wykonane urządzenie narządu lub tkanki , które są implantowane lub zintegrowane człowieka - łączenie z żywą tkankę - zastąpienie naturalnego narządu , odtworzyć lub zwiększenia funkcji specyficznych lub funkcji, tak, pacjent może powrócić do normalnego życia jako tak prędko jak to możliwe. Wymieniona funkcja nie musi być związana z podtrzymywaniem życia , ale często tak jest. Na przykład zastępcze kości i stawy, takie jak te, które można znaleźć w protezach stawu biodrowego , można również uznać za sztuczne narządy.

Z definicji wynika, że ​​urządzenie nie może być stale przywiązane do stacjonarnego źródła zasilania lub innych stacjonarnych zasobów, takich jak filtry lub jednostki przetwarzania chemicznego. (Periodic szybkiego ładowania akumulatorów, uzupełnianie środków chemicznych i / lub czyszczenie / wymiana filtrów wyklucza urządzenie z nazywany narządem sztuczne.) Tak więc, dializa maszyna, a to bardzo udany i niezwykle ważne urządzenie podtrzymujące życie, które niemal całkowicie zastępuje czynności nerki , nie jest sztucznym narządem.

Cel, powód

Konstruowanie i instalowanie sztucznych narządów, początkowo niezwykle pracochłonny i kosztowny proces, może wiązać się z wieloletnimi usługami konserwacyjnymi, które nie są potrzebne naturalnemu narządowi:

Wykorzystywanie przez człowieka jakiegokolwiek sztucznego organu jest prawie zawsze poprzedzone rozległymi eksperymentami na zwierzętach . Wstępne testy na ludziach często ograniczają się do tych, którzy już stoją w obliczu śmierci lub wyczerpali wszystkie inne możliwości leczenia.

Przykłady

Sztuczne kończyny

Główny artykuł: Proteza
Ramię protetyczne

Sztuczne ręce i nogi lub protezy mają na celu przywrócenie normalnego funkcjonowania osób po amputacji. Urządzenia mechaniczne, które pozwalają osobom po amputacji ponownie chodzić lub nadal używać dwóch rąk, były prawdopodobnie używane od czasów starożytnych, z których najbardziej godnym uwagi jest prosta noga z kołkami. Od tego czasu rozwój sztucznych kończyn postępuje bardzo szybko. Nowe tworzywa sztuczne i inne materiały, takie jak włókno węglowe , pozwoliły sztucznym kończynom stać się mocniejszymi i lżejszymi, ograniczając ilość dodatkowej energii potrzebnej do ich obsługi. Dodatkowe materiały sprawiły, że sztuczne kończyny wyglądają znacznie bardziej realistycznie. Protezy można z grubsza podzielić na kończyny górne i dolne i mogą przybierać różne kształty i rozmiary.

Nowe postępy w sztucznych kończynach obejmują dodatkowe poziomy integracji z ludzkim ciałem. Elektrody można umieścić w tkance nerwowej, a ciało można wytrenować w kontrolowaniu protezy. Ta technologia została wykorzystana zarówno u zwierząt, jak i ludzi. Proteza może być kontrolowana przez mózg za pomocą bezpośredniego implantu lub implantu do różnych mięśni.

Pęcherz moczowy

Główny artykuł: Sztuczny pęcherz moczowy

Dwie główne metody zastąpienia funkcji pęcherza obejmują przekierowanie przepływu moczu lub wymianę pęcherza in situ . Standardowe metody wymiany pęcherza obejmują ukształtowanie torebki podobnej do pęcherza z tkanki jelitowej. Od 2017 roku w badaniach klinicznych próbowano wyhodować pęcherze przy użyciu komórek macierzystych, ale procedura ta nie była częścią medycyny.

Mózg

Schemat protezy hipokampa
Główny artykuł: Neuroprotetyka

Protezy nerwowe to szereg urządzeń, które mogą zastąpić ruchową, sensoryczną lub poznawczą modalność, która mogła zostać uszkodzona w wyniku urazu lub choroby.

Neurostymulatory , w tym głębokie stymulatory mózgu , wysyłają impulsy elektryczne do mózgu w celu leczenia zaburzeń neurologicznych i ruchowych , w tym choroby Parkinsona , epilepsji , depresji opornej na leczenie i innych schorzeń , takich jak nietrzymanie moczu . Zamiast zastępować istniejące sieci neuronowe w celu przywrócenia funkcji, urządzenia te często służą do zakłócania działania istniejących nieprawidłowo działających ośrodków nerwowych w celu wyeliminowania objawów.

Naukowcy w 2013 roku stworzyli minimózg, który rozwijał kluczowe komponenty neurologiczne aż do wczesnych stadiów ciążowych dojrzewania płodu.

Corpora cavernosa

Aby leczyć zaburzenia erekcji , oba ciała jamiste można nieodwracalnie chirurgicznie zastąpić ręcznie nadmuchiwanymi implantami prącia . Jest to drastyczna operacja terapeutyczna przeznaczona tylko dla mężczyzn cierpiących na całkowitą impotencję, którzy oparli się wszelkim innym podejściom terapeutycznym. Wszczepioną pompę w (pachwinę) lub (mosznę) można ręcznie manipulować, aby wypełnić te sztuczne cylindry, zwykle o rozmiarach bezpośrednich zastępujących naturalne ciała jamiste, z wszczepionego zbiornika w celu osiągnięcia erekcji.

Ucho

Ilustracja przedstawiająca implant ślimakowy
Główny artykuł: Implant ślimakowy

W przypadkach, gdy dana osoba jest głęboko głucha lub poważnie niedosłyszy w obu uszach, implant ślimakowy może zostać wszczepiony chirurgicznie. Implanty ślimakowe omijają większość obwodowego układu słuchowego, zapewniając wrażenie dźwięku za pomocą mikrofonu i niektórych urządzeń elektronicznych, które znajdują się na zewnątrz skóry, zwykle za uchem. Zewnętrzne komponenty przekazują sygnał do zestawu elektrod umieszczonych w ślimaku , co z kolei stymuluje nerw ślimakowy .

W przypadku urazu ucha zewnętrznego może być konieczna proteza twarzoczaszki .

Thomas Cervantes i jego koledzy z Massachusetts General Hospital zbudowali sztuczne ucho z chrząstki owczej za pomocą drukarki 3D. Dzięki wielu kalkulacjom i modelom udało im się zbudować ucho w kształcie typowego ludzkiego. Wymodelowane przez chirurga plastycznego musiały kilkakrotnie wyregulować, aby sztuczne ucho mogło mieć krzywe i linie jak ucho ludzkie. Naukowcy powiedzieli: „Technologia jest obecnie opracowywana do badań klinicznych, dlatego zwiększono skalę i przeprojektowaliśmy istotne elementy rusztowania, aby dopasować je do rozmiaru ucha dorosłego człowieka i zachować estetyczny wygląd po wszczepieniu”. Ich sztuczne uszy nie zostały ogłoszone jako udane, ale nadal pracują nad projektem. Każdego roku rodziły się tysiące dzieci z wrodzoną wadą zwaną mikrotią, w której ucho zewnętrzne nie jest w pełni rozwinięte. Może to być duży krok naprzód w leczeniu mikrocji w medycynie i chirurgii.

Oko

Główny artykuł: Proteza wzroku
Bioniczne oko

Jak dotąd najbardziej udanym sztucznym okiem zastępującym funkcje jest w rzeczywistości zewnętrzna miniaturowa kamera cyfrowa ze zdalnym jednokierunkowym interfejsem elektronicznym wszczepiona w siatkówkę , nerw wzrokowy lub inne powiązane miejsca w mózgu . Obecny stan techniki zapewnia jedynie częściową funkcjonalność, taką jak rozpoznawanie poziomów jasności, próbki kolorów i/lub podstawowe kształty geometryczne, udowadniając potencjał koncepcji.

Różni badacze wykazali, że siatkówka przeprowadza strategiczne wstępne przetwarzanie obrazu dla mózgu. Problem stworzenia w pełni funkcjonalnego sztucznego oka elektronicznego jest jeszcze bardziej złożony. Oczekuje się, że postępy w rozwiązywaniu złożoności sztucznego połączenia z siatkówką, nerwem wzrokowym lub powiązanymi obszarami mózgu, w połączeniu z ciągłymi postępami w informatyce , znacznie poprawią wydajność tej technologii.

Serce

Główny artykuł: Sztuczne serce
Sztuczne serce

Sztuczne narządy związane z układem sercowo-naczyniowym są wszczepiane w przypadkach, gdy serce, jego zastawki lub inna część układu krążenia są zaburzone. Sztuczne serce jest zazwyczaj używany do zniwelowania czas do transplantacji serca , lub na stałe zastąpi serca w transplantacji serca sprawa jest niemożliwe. Sztuczne rozruszniki serca to kolejne urządzenie sercowo-naczyniowe, które można wszczepiać albo w sposób przerywany (tryb defibrylatora), albo w sposób ciągły, albo całkowicie ominąć w razie potrzeby naturalny rozrusznik serca . Inną alternatywą są urządzenia wspomagające pracę komór , działające jako mechaniczne urządzenia krążeniowe, które częściowo lub całkowicie zastępują funkcję niewydolnego serca, bez konieczności usuwania samego serca.

Oprócz tego badane są również wyhodowane w laboratorium serca i biodrukowane serca 3D . Obecnie naukowcy mają ograniczone możliwości wzrostu i drukowania serc ze względu na trudności w zapewnieniu spójnego funkcjonowania naczyń krwionośnych i tkanek wytwarzanych w laboratorium.

Nerka

Doniesiono, że naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco opracowują wszczepialną sztuczną nerkę. Od 2018 roku naukowcy ci poczynili znaczne postępy w technologii, ale nadal identyfikują metody zapobiegania krzepnięciu krwi związanemu z ich maszyną.

Lista pacjentów oczekujących na nerki jest długa, a nerki są rzadkie w porównaniu z innymi narządami. Wiele osób nie mogło się doczekać operacji. Naukowcy odczuwają potrzebę stworzenia sztucznej nerki, ciężko pracowali, aby stworzyć nerkę, która będzie mogła doskonale funkcjonować i, miejmy nadzieję, zastąpi ludzkie nerki. Dzięki stypendystom NIBIB Quantum, zaawansowanym rozwojowi sztucznych nerek, obliczyli symulację przepływu krwi, połączyli swoją pracę z rzadką wiedzą specjalistyczną na temat sztucznej nerki. „Jak doskonale wiedzą twórcy tej technologii, szczególnie frustrujące jest radzenie sobie z zakrzepami krwi, które mogą zarówno zatkać urządzenie, czyniąc je bezużytecznym, jak i powodować zagrożenia dla innych części ciała, w których przepływ krwi byłby zagrożony”. powiedziała Rosemarie Hunziker, dyrektor programu NIBIB w inżynierii tkankowej i medycynie regeneracyjnej.

Sztuczna nerka pozwoliłaby stale filtrować krew, co pomogłoby zmniejszyć chorobę nerek i poprawić jakość życia pacjentów.

Wątroba

Główne artykuły: dializa wątroby i hepatocyty

HepaLife opracowuje urządzenie do biosztucznej wątroby przeznaczone do leczenia niewydolności wątroby za pomocą komórek macierzystych . Sztuczna wątroba ma służyć jako urządzenie wspomagające, umożliwiające regenerację wątroby w przypadku awarii lub mostkowanie funkcji wątroby pacjenta do czasu, gdy dostępny będzie przeszczep. Jest to możliwe tylko dzięki temu, że wykorzystuje prawdziwe komórki wątroby (hepatocyty), a nawet wtedy nie jest stałym substytutem.

Naukowcy z Japonii odkryli, że mieszanina ludzkich komórek prekursorowych wątroby (różniących się od indukowanych przez człowieka pluripotencjalnych komórek macierzystych [iPSC]) i dwóch innych typów komórek może spontanicznie tworzyć trójwymiarowe struktury zwane „pączkami wątroby”.

Płuca

Sztuczne płuco według MC3
Główny artykuł: Sztuczne płuca

Z niektórymi prawie w pełni sprawnymi, sztuczne płuca zapowiadają się na wielki sukces w najbliższej przyszłości. Firma Ann Arbor MC3 pracuje obecnie nad tego typu urządzeniem medycznym.

Pozaustrojowe natlenianie błonowe (ECMO) może być stosowane do odciążenia natywnej tkanki płucnej i serca. W ECMO jeden lub więcej cewników jest umieszczanych w ciele pacjenta, a do przepływu krwi przez włókna membrany kanalikowej, które wymieniają tlen i dwutlenek węgla z krwią, stosuje się pompę. Podobnie jak ECMO, pozaustrojowe usuwanie CO2 (ECCO2R) ma podobną konfigurację, ale głównie przynosi korzyści pacjentowi poprzez usuwanie dwutlenku węgla, a nie dotlenienie, w celu umożliwienia rozluźnienia i wygojenia płuc.

Jajników

Główny artykuł: Sztuczne jajniki

Grunt pod rozwój sztucznego jajnika położono na początku lat 90. XX wieku.

Pacjenci w wieku rozrodczym, u których rozwinął się nowotwór, często otrzymują chemioterapię lub radioterapię, która uszkadza komórki jajowe i prowadzi do wczesnej menopauzy. Sztuczny ludzki jajnik został opracowany na Brown University z samoorganizującymi się mikrotkankami stworzonymi przy użyciu nowatorskiej technologii 3-D na płytkach Petriego. W badaniu sfinansowanym i przeprowadzonym przez NIH w 2017 r. naukowcom udało się wydrukować trójwymiarowe jajniki i wszczepić je sterylnym myszom. W przyszłości naukowcy mają nadzieję, że uda się to powtórzyć zarówno u większych zwierząt, jak i ludzi. Sztuczny jajnik zostanie wykorzystany do dojrzewania in vitro niedojrzałych oocytów oraz opracowania systemu do badania wpływu toksyn środowiskowych na folikulogenezę.

Trzustka

Główny artykuł: Sztuczna trzustka

Sztuczna trzustka służy do zastąpienia funkcji hormonalnej zdrowej trzustki u chorych na cukrzycę i innych wymagających tego. Może być stosowany do poprawy insulinoterapii zastępczej do momentu, gdy kontrola glikemii jest praktycznie prawidłowa, co widać po uniknięciu powikłań hiperglikemii, a także może złagodzić ciężar terapii dla osób insulinozależnych. Podejścia obejmują zastosowanie pompy insulinowej pod kontrolą zamkniętej pętli , opracowanie biosztucznej trzustki składającej się z biokompatybilnego arkusza zamkniętych komórek beta lub zastosowanie terapii genowej .

Czerwone krwinki

Sztuczne czerwone krwinki (RBC) są już w projektach od około 60 lat, ale zainteresowały się nimi, gdy doszło do kryzysu krwi u dawców skażonych wirusem HIV. Sztuczne RBC będą w 100% zależne od nanotechnologii. Skuteczna sztuczna RBC powinna być w stanie całkowicie zastąpić ludzką RBC, co oznacza, że ​​może pełnić wszystkie funkcje, jakie wykonuje ludzka RBC.

Pierwszy sztuczny RBC, wykonany przez Changa i Poznańskiego w 1968 roku, został stworzony do transportu tlenu i dwutlenku węgla, a także funkcji przeciwutleniających.

Naukowcy pracują nad nowym rodzajem sztucznego RBC, który jest jedną pięćdziesiątą wielkości ludzkiego RBC. Są wykonane z oczyszczonych białek ludzkiej hemoglobiny, które zostały pokryte syntetycznym polimerem. Dzięki specjalnym materiałom sztucznego RBC mogą wychwytywać tlen, gdy pH krwi jest wysokie i uwalniać tlen, gdy pH krwi jest niskie. Powłoka polimerowa zapobiega również reakcji hemoglobiny z tlenkiem azotu w krwiobiegu, zapobiegając w ten sposób niebezpiecznemu zwężeniu naczyń krwionośnych. Dr Allan Doctor stwierdził, że sztuczny RBC może być używany przez każdego, z dowolną grupą krwi, ponieważ powłoka jest cicha immunologicznie.

Testy

Mężczyźni, którzy doznali nieprawidłowości jąder z powodu wad wrodzonych lub urazu, byli w stanie zastąpić uszkodzone jądro protezą jądra. Chociaż proteza nie przywraca biologicznej funkcji rozrodczej, wykazano, że urządzenie poprawia zdrowie psychiczne tych pacjentów.

grasica

Wszczepialna maszyna pełniąca funkcję grasicy nie istnieje. Jednak naukowcom udało się wyhodować grasicę z przeprogramowanych fibroblastów. Wyrazili nadzieję, że podejście to może pewnego dnia zastąpić lub uzupełnić przeszczep grasicy noworodków.

Od 2017 roku naukowcy z UCLA opracowali sztuczną grasicę, która, choć nie jest jeszcze wszczepialna, jest zdolna do wykonywania wszystkich funkcji prawdziwej grasicy.

Sztuczna grasica odgrywałaby ważną rolę w układzie odpornościowym, wykorzystywałaby komórki macierzyste krwi do produkcji większej liczby limfocytów T, co pomogłoby organizmowi zwalczać infekcje, a także dawałoby organizmowi zdolność do eliminowania komórek rakowych. Ponieważ, gdy ludzie się starzeją, ich grasica nie działa dobrze, sztuczna grasica byłaby dobrym wyborem w miejsce starej, źle funkcjonującej grasicy.

Pomysł wykorzystania limfocytów T do walki z infekcjami istniał już od jakiegoś czasu, ale do niedawna zaproponowano pomysł wykorzystania źródła limfocytów T, sztucznej grasicy. „Wiemy, że kluczem do stworzenia spójnego i bezpiecznego zaopatrzenia w zwalczające raka limfocytów T byłoby kontrolowanie procesu w sposób, który dezaktywuje wszystkie receptory limfocytów T w przeszczepionych komórkach, z wyjątkiem receptorów zwalczających raka” – powiedział dr. , Gay Crooks UCLA. Naukowiec odkrył również, że limfocyty T wytwarzane przez sztuczną grasicę posiadają różnorodne receptory limfocytów T i działają podobnie do limfocytów T wytwarzanych przez normalną grasicę. Ponieważ mogą działać jak ludzka grasica, sztuczna grasica może dostarczać organizmowi stałą ilość limfocytów T pacjentom, którzy potrzebują leczenia.

Tchawica

Dziedzina sztucznych tchawicy przeszła okres dużego zainteresowania i ekscytacji dzięki pracy Paolo Macchiariniego w Instytucie Karolinska i innych miejscach od 2008 do około 2014 roku, z artykułami na pierwszych stronach gazet i telewizji. Obawy wzbudziły jego prace w 2014 r. i do 2016 r. został zwolniony, a kadra kierownicza wysokiego szczebla Karolinska została zwolniona, w tym osoby zaangażowane w Nagrodę Nobla .

Od 2017 roku inżynieria tchawicy – ​​pustej rurki wyłożonej komórkami – okazała się trudniejsza niż początkowo sądzono; wyzwania obejmują trudną sytuację kliniczną osób zgłaszających się jako kandydaci kliniczni, którzy na ogół przeszli już wiele procedur; stworzenie implantu, który może się w pełni rozwinąć i zintegrować z gospodarzem, jednocześnie wytrzymując siły oddechowe, a także ruch obrotowy i wzdłużny, jakim poddawana jest tchawica.

Wzmocnienie

Główny artykuł: ulepszenie człowieka

Możliwe jest również skonstruowanie i zainstalowanie sztucznego organu, aby dać jego posiadaczowi zdolności, które nie występują naturalnie. Prowadzone są badania w obszarach widzenia , pamięci i przetwarzania informacji . Niektóre aktualne badania koncentrują się na przywracaniu pamięci krótkotrwałej u ofiar wypadków i pamięci długotrwałej u pacjentów z demencją .

Jeden obszar sukcesu został osiągnięty, gdy Kevin Warwick przeprowadził serię eksperymentów rozszerzających swój system nerwowy przez Internet w celu kontrolowania robotycznej ręki i pierwszej bezpośredniej komunikacji elektronicznej między systemami nerwowymi dwóch ludzi.

Może to również obejmować istniejącą praktykę wszczepiania podskórnych chipów do celów identyfikacji i lokalizacji (np. tagi RFID ).

Mikrochipy

Główny artykuł: Organ-on-a-chip

Chipy narządowe to urządzenia zawierające puste w środku mikronaczynia wypełnione komórkami symulującymi tkankę i/lub narządy jako układ mikroprzepływowy, który może dostarczać kluczowych informacji o sygnałach chemicznych i elektrycznych. Różni się to od alternatywnego użycia terminu microchip , który odnosi się do małych elektronicznych chipów, które są powszechnie używane jako identyfikator i mogą również zawierać transponder.

Informacje te mogą stworzyć różne zastosowania, takie jak tworzenie „ludzkich modeli in vitro ” zarówno zdrowych, jak i chorych narządów, postęp leków w badaniach toksyczności, a także zastępowanie testów na zwierzętach.

Wykorzystanie technik hodowli komórek 3D umożliwia naukowcom odtworzenie złożonej macierzy zewnątrzkomórkowej, ECM, znalezionej in vivo w celu naśladowania ludzkiej odpowiedzi na leki i choroby ludzkie. Narządy na chipach są wykorzystywane do zmniejszenia wskaźnika niepowodzeń w opracowywaniu nowych leków; mikroinżynieria pozwala na modelowanie mikrośrodowiska jako organu.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki