Innovations in Artificial Organs

Umělé orgány jsou často označovány za svatý grál bioinženýrství – důležitou oblast výzkumu, která se nachází na pomezí medicíny, věd o živé přírodě a inženýrství. Význam a naléhavá potřeba umělých orgánů jsou již dlouho známy: lékařské texty staré několik století obsahují myšlenky popisující jejich konstrukci, ať už byly jakkoli fantaskní a nepraktické. První skutečný průlom v konstrukci umělých orgánů přinesl v roce 1982 Jarvik-7, první plně funkční umělé srdce, které bylo úspěšně implantováno člověku. Zásluhu na jeho konstrukci mají lékařský výzkumník Robert Jarvik a vynálezce Willem Kolff. Kolff má na svém kontě několik dalších inovací, včetně první umělé ledviny (dialyzační přístroj) a přístroje pro léčbu srdce a plic, a je znám jako nadšený zastánce postupů krevní transfuze – všechny tyto inovace odrážejí jeho nadšení a víru v to, že lidské tělo bude fungovat i poté, co jeho orgány přestanou fungovat. Pro tyto inovace a ideologie je považován za otce umělých orgánů.

Dnes, navzdory pozoruhodnému pokroku v transplantacích, význam umělých orgánů neklesá. Pokud něco, pak dlouhá čekací listina a délka čekání vyžadují účinné a okamžité alternativy k transplantaci orgánů. United Network for Organ Sharing, nezisková organizace se sídlem v USA, která spravuje síť pro dárcovství orgánů, odhaduje, že více než 120 000 Američanů – z nichž více než 100 000 potřebuje ledvinu – je na čekací listině na život zachraňující orgány. Průměrný budoucí příjemce ledviny čeká na orgán 3,6 roku a každý den zemře nejméně 20 lidí čekajících na orgán.

Umělé orgány by mohly vyřešit nedostatek transplantovaných orgánů

Myšlenka hotového srdce, které by mohlo nahradit selhávající srdce, je lákavá a několik společností ji rozlousklo. Mezi nimi vyniká společnost BiVACOR z texaského Houstonu. Přístroj společnosti BiVACOR se stejnojmenným názvem totální umělé srdce (TAH) je možností pro pacienty v konečném stadiu srdečního selhání, kteří nemají nárok na transplantaci. Další významná společnost, SynCardia Systems (Tucson, Ariz.), vyvinula dočasné zařízení TAH – implantabilní systém, který může převzít srdeční funkce – pro pacienty s konečným stadiem biventrikulárního srdečního selhání. Zařízení je určeno pouze jako můstek k transplantaci srdce od dárce a jako jediné bylo schváleno americkým Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv a regulačními orgány Evropské unie a Kanady.

S příchodem 3D tisku a tkáňového inženýrství lze uvažovat nejen o elektromechanických pumpách, které mohou sloužit jako srdce, ale představit si umělé srdce doslova z masa a kostí. Probíhá závod o vývoj funkčního umělého orgánu na bázi tkáně, který by napodoboval orgány ve fyzikálních a fyziologických funkcích, jako je vylučování hormonů, vyživování cév a růst a modelování při růstu jedince.

Stephen Badylak, profesor a zástupce ředitele McGowanova institutu pro regenerativní medicínu na Pittsburské univerzitě, pracuje na funkčních játrech, která by byla vhodná k transplantaci. Badylakův přístup zahrnuje odběr pacientových kmenových buněk a jejich kultivaci ve speciálně navržených trojrozměrných lešeních. Doufá, že se tyto buňky po dodání vhodných růstových živin vyvinou ve funkční orgán. Vzhledem k tomu, že buňky jsou získávány od samotných pacientů, odpadají problémy s odmítnutím orgánu a imunitní reakcí.

Umělé orgány pro lékařský výzkum

Přestože zpoždění při výrobě plně funkčního orgánu odpovídajícího rozměrům bude pro trh s transplantovanými orgány zklamáním, stále se jedná o zprávu hodnou potěšení. Celý farmaceutický průmysl totiž se zatajeným dechem čeká na tkáně, které se budou podobat skutečným lidským tkáním. Takové analogy mají velký význam pro testování léků.

Společnost Organovo se sídlem v San Diegu stojí v čele komerčního využití trojrozměrného bioprintingu tkání pro lékařský výzkum. Společnost úspěšně vytiskla záplaty tkání jater, plic, srdce a ledvin pro použití partnery ve výzkumu. Řada lidských jaterních a ledvinových tkání ExVive společnosti se používá v toxikologických studiích a dalších předklinických testech léčiv. Tato aplikace umělých orgánů má obrovský potenciál urychlit proces vývoje léčiv, snížit náklady a omezit potřebu testování na zvířatech a klinických testů. Globální kosmetická společnost L’Oreal ve skutečnosti odebírá od společnosti Organovo trojrozměrně vytištěné lidské kožní tkáně s cílem omezit tolik kritizované testy na zvířatech. Společnost L’Oreal již vlastní patent na Episkin, výrobek z tkáňového inženýrství, který byl vyvinut inkubací kožních buněk darovaných pacienty po operaci. Partnerství se společností Organovo by společnosti L’Oreal umožnilo jejich snadnější tisk podle požadavků.

Elektronická kůže může robotům poskytnout „lidský“ dotek

Kůže je největší orgán lidského těla, a to velmi složitý. Rekonstrukce kůže zahrnuje předání vjemů doteku, tlaku a teploty umělému materiálu. Taková umělá kůže by nepochybně měla velký význam pro oběti popálenin a pacienty podstupující rozsáhlé operace. Avšak aplikace, která je dnes palivem pro vědeckofantastické filmy, by se brzy mohla stát realitou: poskytovat robotům smyslové vstupy.

SmartCore, projekt financovaný Evropskou výzkumnou radou a realizovaný výzkumníky z Technické univerzity v rakouském Grazu, si klade za cíl vytvořit materiál, který by reagoval na rozmanité podněty. Za tímto účelem tým vyvinul nový materiál, který je vystlán soustavou nanosenzorů, jejichž citlivost daleko přesahuje citlivost lidské kůže. Ačkoli je tým stále v rané fázi, navrhuje „chytré“ jádro – polymer, který by se při vystavení vlhkosti a teplotě rozpínal a byl obalený piezoelektrickým pláštěm, který při tlaku vytváří elektrický proud. Tato jádra přijímají podněty a přenášejí je do robotického systému. Cílem týmu je vystavit prototyp do roku 2019, poté by se zkoumaly konkrétní aplikace.

Umělá děloha dává naději předčasně narozeným dětem

V dubnu 2017 vědci z Centra pro diagnostiku a léčbu plodu při Dětské nemocnici ve Filadelfii oznámili – a zveřejnili -, že vyvinuli první umělou dělohu na světě. Tyto „dělohy“, přezdívané BioBag, připomínají sáčky Ziploc s trubičkami s plodovou vodou, kyslíkem, živinami a krví, které se proplétají dovnitř a ven. Uvnitř sáčků se však vědcům podařilo vyživovat plodová jehňata.

V srpnu 2017 podobnou dělohu vymyslela nesouvisející skupina: vědci z australské nadace Women and Infants Research Foundation, Západoaustralské univerzity a japonské univerzitní nemocnice Tohoku. Terapie, příznačně nazvaná ex-vivo uterine environment (EVE), vzbudila očekávání životaschopného a opakovatelného prostředí podobného děloze.

Cesta před námi

Frost & Sullivan věří, že cesta před umělými orgány je dlážděna nadšenými výzkumníky, financujícími agenturami a ekosystémem spolupráce. Existují však také překážky v podobě etických problémů, regulačních požadavků, nákladů na zařízení a obav o bezpečnost kvůli nedostatku dlouhodobých klinických údajů. Odpovědí by mohly být objížďky, které přesto mohou vést k lukrativním cílům. Příkladem je využití umělých kožních tkání pro lékařský a kosmetický výzkum. Stejně tak umělá děloha ke graviditě lidského embrya by byla vysokým úkolem, který by odkryl řadu etických, morálních a právních otázek; prozatím přijatelnou cestou by však bylo využití dělohy k záchraně životů a zlepšení zdravotního stavu milionů předčasně narozených dětí, které se každoročně rodí.

.