Mimo wszystkich swoich mistycznych mocy serce jest bardzo proste. To pompa - krew wpada, krew wypływa. A to utrudniło kopiowanie.
Ale płuca to inna sprawa. Nikt nigdy nie doradzi ci, abyś „podążał za swoimi płucami” ani nie żałował „złamanego płuca”, co jest wstydem. Ponieważ jest to jeden skomplikowany narząd.
Niewiele osób to rozumie, podobnie jak William Federspiel, badacz i profesor bioinżynierii na University of Pittsburgh. Przez ostatnie 20 lat pracował nad zaprojektowaniem sztucznego płuca. Przyznaje, że to wyzwanie.
„Technologia dla pacjentów z niewydolnością płuc jest daleko w tyle za technologią dla osób z niewydolnością serca”, mówi. „Sprowadza się to do bardzo prostego faktu: dość łatwo jest zaprojektować małą pompę, która może pompować krew z prędkością przepływu serca.
„Ale płuco jest po prostu niesamowitym organem do wymiany gazu między atmosferą a krwią przepływającą przez twoje płuca. Nie ma technologii, która kiedykolwiek byłaby w stanie zbliżyć się do tego, co potrafi ludzkie płuco. ”
Płuco w plecaku
To powiedziawszy, Federspiel i jego zespół badawczy są coraz bliżej. Wynaleźli już urządzenie o nazwie Hemolung Respiratory Assist System (RAS), które wykonuje tak zwaną „dializę oddechową”, usuwając dwutlenek węgla z krwi pacjenta. Jest produkowany przez założony przez firmę Federspiel startup z Pittsburgha o nazwie ALung Technologies i może zostać przetestowany w amerykańskich badaniach klinicznych pod koniec tego roku lub na początku 2018 roku. Został już zatwierdzony do użytku w Europie, Kanadzie i Australii.
Teraz idą naprzód na znacznie mniejszym urządzeniu, dla którego złożyli wniosek o patent, tylko to zostało zaprojektowane w celu podniesienia poziomu tlenu we krwi osoby. Ponadto na początku tego roku naukowcy otrzymali 2, 35 miliona dolarów od National Institutes of Health (NIH) na opracowanie wersji sztucznego płuca dla dzieci.
Mówiąc najprościej, najnowsze badania Federspiel koncentrują się na udoskonaleniu mechanicznego płuca, które funkcjonuje na zewnątrz ciała, ale jest wystarczająco małe, aby można je było nosić w plecaku lub kaburze. Zostałby podłączony do żyły głównej pacjenta - dużej żyły niosącej krew do serca - przez kaniulę lub rurkę wprowadzoną do żyły szyjnej w gardle. Wciąż musiałby oddychać tlenem z przenośnego zbiornika.
To, jak zauważa Federspiel, pozwoliłoby tej osobie na większą mobilność w szpitalu zamiast ograniczania się do łóżka. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ jeśli pacjenci nie mogą się poruszać, ich mięśnie stają się słabsze, a ich szanse na wyleczenie z poważnej infekcji płuc zmniejszają się. Urządzenie to jest szczególnie korzystne dla pacjentów oczekujących na przeszczep płuc, takich jak osoby z mukowiscydozą.
„Nie zamierzamy teraz, aby mogli opuścić szpital z jednym z tych systemów” - mówi - „ale przynajmniej w szpitalu mogliby wstać i chodzić”.
Klątwa zakrzepów
Niedawno dokonano innych przełomów w odtwarzaniu ludzkich płuc. W ubiegłym roku naukowcy z Los Alamos National Laboratory w Nowym Meksyku ogłosili, że stworzyli miniaturowe urządzenie z polimerów, które działa jak płuco, i ma naśladować reakcję narządu na leki, toksyny i inne elementy środowiska do celów testowych.
W Czechach naukowcy z Politechniki w Brnie stwierdzili, że opracowali wydrukowaną w 3D wersję płuca, która może symulować stany chorobowe, takie jak astma i inne przewlekłe problemy płucne, i która pozwoli lekarzom na dokładniejsze określenie sposobu, w jaki leczyć choroby płuc.
Oba te projekty mają jednak pomóc naukowcom dowiedzieć się więcej na temat warunków i leczenia, podczas gdy badania Federspiel - a także podobne prace prowadzone w pobliżu w Pittsburghu na Carnegie Mellon University - mają na celu pomóc pacjentom poprawić ich długoterminowe rokowanie .
Nowe urządzenie - zaprojektowane do podnoszenia poziomu tlenu we krwi - musi obsługiwać większy przepływ krwi niż urządzenie obniżające poziom dwutlenku węgla. Tak więc, jak podkreśla Federspiel, stoi przed wyzwaniem radzenia sobie z tym, co często dzieje się z krwią, gdy przepływa przez sztuczną powierzchnię - skrzepy.
Wszystko to ma związek z wyrafinowaną wymianą gazu, która jest kluczem do funkcji płuc, oraz z tym, jak jest naśladowany w urządzeniu. „Jednostka wymiany gazu [w urządzeniu] składa się z dużej liczby rurek polimerowych, które są około dwa razy grubsze niż ludzkie włosy”, wyjaśnia. „Są przepuszczalne dla gazu, więc kiedy krew płynie na zewnątrz tych rur, przepuszczamy 100% tlenu przez wnętrze rur. Tlen przenika do krwi przez dyfuzję, a dwutlenek węgla wydostaje się z krwi do strumienia gazu przepływającego przez urządzenie. ”
Problem polega na tym, że przepływająca krew styka się ze stosunkowo dużą sztuczną powierzchnią, zwiększając ryzyko tworzenia się skrzepów. Jest to duży powód, dla którego rozważanie wszczepienia takich urządzeń płucnych w ciało pacjenta nie jest w tym momencie realistyczne. Prawdopodobnie będą musiały być wymieniane co kilka miesięcy.
Federspiel mówi, że ostatnio jego zespół był w stanie przetestować nowe urządzenie na owcach przez pięć dni bez żadnych problemów. Owce są używane, ponieważ ich układ sercowo-naczyniowy jest podobny do ludzkiego. Ale on i jego zespół współpracują również z firmą nad opracowaniem specjalnych powłok, które, jak mają nadzieję, znacznie zmniejszą krzepliwość. Pozwoliłoby to również lekarzom znacznie obniżyć poziom leków przeciwzakrzepowych, które pacjenci musieliby przyjmować.
Kolejnym krokiem, jak mówi, jest 30-dniowa próba na zwierzętach, która porównałaby wyniki urządzeń zarówno z powłoką, jak i bez niej. Szacuje, że badania kliniczne na ludziach mogą być jeszcze za cztery do pięciu lat.
Ale Federspiel nie jest powstrzymywany przez celowe tempo tworzenia urządzenia, które działa tak dobrze, jak ludzkie płuco. Doskonale zdaje sobie sprawę z tego, jak trudne może to być.
„Sztuczne płuco wciąż musi funkcjonować jak ludzkie płuco” - mówi. „Kiedy mówię o tym, pierwszą rzeczą, którą mówię, jest to, że płuco jest niesamowitym organem.”
