Umělé orgány jsou zařízení určená k dočasné nebo trvalé náhradě funkcí původních orgánů příjemce . Může být jak trvalé, tak dočasné; jak vnitřní (k implantaci do těla), tak vnější [1] .
Podle definice to znamená, že zařízení by nemělo být trvale připojeno ke stacionárnímu zdroji energie nebo k jiným stacionárním manipulacím, jako jsou výměny filtrů nebo postupy chemického ošetření. (Pravidelné rychlé dobíjení baterií, doplňování chemikálií a/nebo čištění/výměna filtrů s výjimkou zařízení zvaného umělý orgán.) [2] Dialyzační přístroj je tedy velmi úspěšným a kritickým zařízením na podporu života, téměř zcela nahrazuje funkce ledvin , ale nejde o umělý orgán.
Výroba a instalace umělých orgánů, zpočátku extrémně pracné a nákladné, může vyžadovat roky neustálé údržby, kterou přírodní orgán nevyžaduje. [3]
Lidské použití jakéhokoli umělého orgánu téměř vždy předchází rozsáhlým experimentům na zvířatech. [4] [5] [6] Testování na lidech je často omezeno na ty, kteří jsou nevyléčitelně nemocní nebo kterým nepomohla jiná léčba.
Umělé ruce a nohy nebo protézy jsou určeny k obnovení funkce amputovaných končetin. Mechanická zařízení, která umožňují amputovaným znovu chodit nebo nadále používat obě ruce, se pravděpodobně používaly již od starověku, [7] z nichž nejznámější byl prostý kus dřeva. Od té doby vývoj protéz rychle pokročil. Plasty a další materiály , jako jsou uhlíková vlákna , umožnily, aby se umělé končetiny staly silnějšími a lehčími, čímž se omezilo množství síly potřebné k ovládání končetiny. Další materiály umožnily, aby protézy vypadaly mnohem realističtěji. [8] Protézy lze zhruba rozdělit na horní a dolní končetiny a mohou mít různé tvary a velikosti.
Nové pokroky v protetice zahrnují další úrovně integrace s lidským tělem. Elektrody mohou být umístěny v nervové tkáni a kmen může být trénován k ovládání protézy. Tato technologie byla použita jak u zvířat, tak u lidí. [9] Protéza může být ovládána přímo mozkem nebo implantátem v různých svalech. [deset]
Dvě hlavní metody náhrady funkce močového měchýře zahrnují buď přesměrování toku moči, nebo úplnou náhradu močového měchýře. [11] Standardní metody náhrady močového měchýře zahrnují výrobu vaku močového měchýře ze střevní tkáně. [11] Od roku 2017 byly v klinických studiích provedeny pokusy o růst močového měchýře pomocí kmenových buněk , ale tento postup byl experimentální . [12] [13]
Neuroprotetika je řada zařízení, která mohou nahradit motorické, senzorické nebo kognitivní schopnosti, které mohly být poškozeny zraněním nebo nemocí.
Neurostimulátory, včetně hlubokých mozkových stimulátorů, vysílají elektrické impulsy do mozku k léčbě neurologických a pohybových poruch, včetně Parkinsonovy choroby , epilepsie, deprese rezistentní na léčbu a dalších stavů, jako je inkontinence moči. Namísto nahrazení stávajících neuronových sítí za účelem obnovení funkce je pravděpodobnější, že tato zařízení zasahují do špatně fungujících nervových center, aby zmírnily příznaky . [14] [15] [16]
Vědci v roce 2013 vytvořili minimozek, který vyvinul klíčové neurologické komponenty ještě před ranou fází dozrávání plodu. [17]
Při léčbě erektilní dysfunkce lze obě kavernózní tělesa trvale chirurgicky nahradit nafukovacími penilními implantáty . Jedná se o radikální terapeutickou operaci, vyhrazenou pouze pro muže trpící sexuální dysfunkcí, kteří nejsou vhodní pro všechny ostatní léčebné postupy. Implantovanou pumpou v tříslech nebo šourku lze ručně manipulovat tak, aby se tyto umělé rezervoáry, které jsou náhradou přirozeného corpus cavernosum, naplnily z implantovaného rezervoáru k dosažení erekce. [osmnáct]
Muži , kteří utrpěli abnormality varlat v důsledku vrozených vad nebo traumatu, byli schopni nahradit poškozené varle testikulární protézou. Přestože protéza neobnovuje biologickou reprodukční funkci, bylo prokázáno, že zařízení zlepšuje duševní zdraví těchto pacientů. [19]
V případech, kdy je osoba zcela hluchá nebo špatně slyšící na obě uši, může být kochleární implantát chirurgicky implantován . Kochleární implantáty obklopují většinu periferního sluchového systému a poskytují pocit zvuku prostřednictvím mikrofonu a některé elektroniky, která je umístěna mimo kůži, obvykle za uchem. Externí komponenty přenášejí signál do řady elektrod umístěných ve skořápce, což následně stimuluje ušní nerv. [dvacet]
V případě poranění zevního ucha může být nutná kraniofaciální protéza.
Dosud nejúspěšnější náhradou funkce oka je externí miniaturizovaná digitální kamera se vzdáleným jednosměrným elektronickým rozhraním implantovaným do sítnice, zrakového nervu nebo jiných relevantních oblastí v mozku. Současný stav techniky poskytuje pouze částečnou funkčnost, jako je rozpoznání úrovní jasu, barevných vzorů a/nebo základních geometrických tvarů, což dokazuje potenciál konceptu. [21]
Různí vědci prokázali, že sítnice provádí strategické předběžné zpracování obrazu pro mozek. Problém vytvoření plně funkčního umělého elektronického oka je ještě složitější. Očekává se, že pokroky v umělém napojení na sítnici, zrakový nerv nebo související oblasti mozku v kombinaci se současnými pokroky v informatice výrazně zlepší výkon této technologie.
Kardiovaskulární umělé orgány se implantují v případech, kdy je nevratně poškozeno srdce , jeho chlopně nebo jiná část oběhového systému. Umělé srdce se obvykle používá k dočasnému čekání na transplantaci srdce nebo pokud není možná trvalá náhrada srdce. Umělé kardiostimulátory jsou kardiovaskulární zařízení, které lze podle potřeby implantovat pro intermitentní augmentaci ( režim defibrilátoru ), kontinuální augmentaci nebo kompletní bypass přirozeného živého kardiostimulátoru. Další alternativou jsou komorová podpůrná zařízení, fungující jako mechanická oběhová zařízení, která částečně nebo úplně nahrazují funkci srdečního selhání, aniž by odstranily samotné srdce. [22]
Kromě toho se zkoumají laboratorní srdce a 3D biotisková srdce. V současné době jsou vědci omezeni ve své schopnosti pěstovat a tisknout srdce kvůli obtížnosti přimět krevní cévy a tkáně, aby spolupracovaly. [23] [24] [25]
Bylo oznámeno, že vědci z Kalifornské univerzity v San Franciscu vyvíjejí implantovatelnou umělou ledvinu. [26] Od roku 2018 tito vědci výrazně pokročili, ale stále hledají způsoby, jak zabránit srážení krve spojené s jejich implantátem. [27]
HepaLife vyvíjí bioumělé jaterní zařízení k léčbě jaterního selhání pomocí kmenových buněk. Umělá játra mají sloužit jako pomůcka umožňující játrům zotavit se nebo při čekání na játra dárce. To je umožněno pouze tím, že využívá skutečné jaterní buňky ( hepatocyty ) a není tedy trvalou náhradou. [28]
Japonští vědci zjistili, že směs lidských jaterních progenitorových buněk (odlišných od pluripotentních kmenových buněk indukovaných člověkem) a dvou dalších typů buněk může spontánně vytvářet trojrozměrné struktury zvané „jaterní pupeny“. [29]
Umělá plíce je implantovaný přístroj, který okysličuje krev a odstraňuje z krve oxid uhličitý. Umělá plíce je navržena tak, aby převzala některé funkce biologických plic. Liší se od přístroje srdce-plíce v tom, že je externí a navržený tak, aby vykonával funkci plic po delší dobu, nikoli dočasně. [třicet]
Extrakorporální membránová oxygenace (ECMO) může být použita ke zmírnění významného stresu na nativní plicní a srdeční tkáň. Při ECMO se do pacienta umístí jeden nebo více katétrů a pomocí pumpy se krev protlačí kolem dutých membránových vláken, která s krví vyměňují kyslík a oxid uhličitý. Stejně jako ECMO má i Extracorporeal CO2 Removal (ECCO2R) podobnou strukturu, ale primárně prospívá pacientovi tím, že odstraňuje oxid uhličitý spíše než okysličení, což poskytuje snadnou relaxaci a hojení. [31]
Základ pro vývoj umělého vaječníku byl položen na počátku 90. let. [32]
Pacientky v reprodukčním věku, u kterých se rozvine rakovina, často podstupují chemoterapii nebo radiační terapii, která poškozuje oocyty a vede k časné menopauze. Umělý lidský vaječník byl vyvinut na Brown University [33] pomocí samoorganizujících se mikrotkáň vytvořených pomocí nové technologie 3D Petriho misky. Ve studii financované a provedené NIH v roce 2017 byli vědci úspěšní při tisku 3D vaječníků a jejich implantaci do sterilních myší. [34] [6] Umělý vaječník bude použit ke zrání nezralých oocytů ve skle a vyvinutí systému pro studium vlivu environmentálních toxinů na folikulogenezi .
Umělá slinivka slouží jako náhrada endokrinní funkce zdravé slinivky u diabetiků a dalších pacientů, kteří ji potřebují. Může být použit ke zlepšení inzulinové substituční terapie, dokud se glykemická kontrola nebude blížit normálu, jak je patrné z vyhnutí se komplikacím hyperglykémie, a může také zmírnit zátěž terapie pro osoby závislé na inzulínu. Možné přístupy zahrnují použití řízené inzulínové pumpy, vývoj bioumělého pankreatu sestávajícího z biokompatibilní vrstvy enkapsulovaných beta buněk nebo použití genové terapie. [35] [36]
Neexistuje žádný implantát, který by plnil funkci brzlíku. Vědcům se však podařilo vypěstovat brzlík z přeprogramovaných fibroblastů . Vyjádřili naději, že tento přístup by jednoho dne mohl nahradit nebo doplnit neonatální transplantaci brzlíku . [37]
Od roku 2017 vyvinuli vědci z UCLA umělý brzlík, který, i když ještě není implantovatelný, je schopen vykonávat všechny funkce skutečného brzlíku. [38]
Oblast umělých průdušnic byla pod velkým dohledem díky práci Paola Macchiariniho v Karolinska Institute a jinde v letech 2008 až 2014, s pokrytím na titulních stranách v novinách a televizi. V roce 2014 se objevily obavy ohledně jeho výkonu a do roku 2016 byl vyhozen a byl propuštěn i vrcholový management Karolínské univerzity, včetně lidí zapojených do Nobelovy ceny. [39] [40]
Od roku 2017 se ukázalo, že vývoj průdušnice – duté trubice s buňkami – je obtížnější, než se původně předpokládalo. Výzvy zahrnují obtížnou klinickou situaci lidí, kteří slouží jako kliničtí kandidáti, kteří již obvykle podstoupili několik procedur; vytvoření implantátu, který se může plně vyvinout a integrovat s hostitelem a přitom odolat respiračním silám i rotačním a podélným pohybům trachey. [41] Zvláštním problémem je volba metod pro vitalizaci implantátu získaného z umělého nebo přírodního materiálu, protože použití buněk z různých zdrojů může buď stimulovat migraci hostitelských buněk do objemu materiálu implantátu, nebo proliferace dárcovských buněk osídlených na materiálu. [42]
Je také možné navrhnout a nainstalovat umělý orgán, aby jeho majitel získal schopnosti, které se v přírodě nenacházejí. Výzkum se provádí v oblasti zraku, paměti a zpracování informací. Některé probíhající výzkumy jsou zaměřeny na obnovu krátkodobé paměti u obětí nehod a dlouhodobé paměti u pacientů s demencí.
Jedna oblast úspěchu přišla, když Kevin Warwick provedl řadu experimentů, aby rozšířil svůj nervový systém přes internet , aby mohl ovládat robotickou ruku a první přímou elektronickou komunikaci mezi nervovými systémy dvou lidí. [43]
To může také zahrnovat současnou praxi implantace subkutánních čipů pro účely identifikace a lokalizace (jako jsou štítky RFID). [44]
Orgánové čipy jsou zařízení obsahující duté mikrocévy naplněné buňkami, které napodobují tkáně a/nebo orgány jako mikrofluidní systém, který může poskytovat klíčové informace o chemických a elektrických signálech. [45]
Tyto informace by mohly vytvořit různé aplikace, jako je vytváření „lidských modelů ve skle“ pro zdravé i nemocné orgány, pokrok v oblasti léků ve screeningu toxicity a nahrazení testování na zvířatech. [45]
Použití technologií 3D buněčných kultur umožňuje vědcům znovu vytvořit komplexní ECM nacházející se u živých zvířat, aby napodobili lidské reakce na lidské léky a nemoci. Orgány na čipech se používají ke snížení míry selhání při vývoji nových léků; mikroinženýrství umožňuje modelování mikroprostředí jako orgánu.