Innovations in Artificial Organs

Tekoelimiä kuvataan usein biotekniikan Graalin maljaksi – tärkeäksi tutkimusalaksi lääketieteen, biotieteiden ja insinööritieteiden risteyksessä. Keinoelinten tärkeys ja kiireellinen tarve on ymmärretty jo pitkään: useiden vuosisatojen takaiset lääketieteelliset tekstit sisältävät ideoita, joissa kuvataan niiden suunnittelua, niin mielikuvituksellisia ja epäkäytännöllisiä kuin ne ovatkin olleet. Ensimmäinen todellinen läpimurto tekoelinten suunnittelussa tapahtui vuonna 1982, kun Jarvik-7 oli ensimmäinen täysin toimiva tekosydän, joka onnistuttiin istuttamaan ihmiseen. Jarvik-7:n suunnittelusta ovat vastuussa lääketieteen tutkija Robert Jarvik ja keksijä Willem Kolff. Kolffilla on useita muitakin innovaatioita, kuten ensimmäinen keinomunuainen (dialyysilaite) ja sydän-keuhkokone, ja hänet tunnetaan verensiirtomenetelmien innokkaana kannattajana – kaikki nämä kuvastavat hänen innostustaan ja uskoaan siihen, että ihmiskehon toiminta voi jatkua myös sen jälkeen, kun sen elimet lakkaavat toimimasta. Näiden innovaatioiden ja ideologioiden vuoksi häntä pidetään keinoelinten isänä.

Tänä päivänä keinoelinten merkitys ei ole vähentynyt, vaikka elinsiirroissa on tapahtunut huomattavaa edistystä. Pitkät jonotuslistat ja odotusajat pikemminkin edellyttävät tehokkaita ja välittömiä vaihtoehtoja elinsiirroille. United Network for Organ Sharing, yhdysvaltalainen voittoa tavoittelematon järjestö, joka hallinnoi elinluovutusverkostoa, arvioi, että yli 120 000 amerikkalaista – joista yli 100 000 tarvitsee munuaisen – on jonotuslistalla elintärkeiden elinten saamiseksi. Keskimääräinen munuaisen vastaanottaja odottaa elintä keskimäärin 3,6 vuotta, ja vähintään 20 elintä odottavaa ihmistä kuolee joka päivä.

Tekoelimet voisivat ratkaista elinsiirtopulan

Ajatus valmiista sydämestä, joka voisi korvata epäonnistuneen sydämen, on houkutteleva ehdotus, jonka muutamat yritykset ovatkin jo keksineet. Yksi niistä on BiVACOR Houstonista, Texasista. BiVACORin samanniminen TAH-laite (Total Artificial Heart) on vaihtoehto potilaille, joilla on loppuvaiheen sydämen vajaatoiminta ja jotka eivät ole oikeutettuja elinsiirtoon. Toinen merkittävä yritys, SynCardia Systems (Tucson, Arizonan osavaltio), on kehittänyt väliaikaisen TAH-laitteen – implantoitavan järjestelmän, joka voi ottaa hoitaakseen sydämen toiminnot – potilaille, jotka kärsivät loppuvaiheen biventrikulaarisesta sydämen vajaatoiminnasta. Laite on tarkoitettu käytettäväksi vain siltana luovuttajasydämen elinsiirtoon, ja se on ainoa laite, jonka Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto sekä Euroopan unionin ja Kanadan valvontaviranomaiset ovat hyväksyneet.

Kolmiulotteisen tulostuksen ja kudostekniikan tulon myötä voidaan ajatella sähkömekaanisia pumppuja, jotka voivat toimia sydäminä, pidemmälle ja visualisoida keinotekoinen sydän kirjaimellisesti lihasta ja verestä. Kilpajuoksu on käynnissä sellaisen toimivan, kudospohjaisen tekoelimen kehittämiseksi, joka jäljittelisi elimiä fysikaalisissa ja fysiologisissa toiminnoissa, kuten hormonien erittymisessä, verisuonten hoitamisessa sekä kasvussa ja mallintamisessa yksilön kasvaessa.

Pittsburghin yliopiston McGowan Institute for Regenerative Medicine -instituutin professori ja varajohtaja Stephen Badylak työskentelee toiminnallisen maksan parissa, joka soveltuisi elinsiirtoon. Badylakin lähestymistapaan kuuluu potilaan kantasolujen kerääminen ja niiden kasvattaminen erityisesti suunnitelluissa kolmiulotteisissa telineissä. Toiveena on, että nämä solut kehittyvät toimivaksi elimeksi, kun niille annetaan sopivia ravintoaineita. Koska solut saadaan potilaalta itseltään, elimen hylkimiseen ja immuunivasteeseen liittyvät haasteet ohitetaan.

Tekoelimet lääketieteelliseen tutkimukseen

Vaikka viivästys täysin toimivan, mittasuhteiltaan sopivan elimen tuottamisessa tuottaa pettymyksen elinsiirtomarkkinoille, se on silti hurraamisen arvoinen uutinen. Itse asiassa koko lääketeollisuus odottaa henkeään pidätellen kudoksia, jotka muistuttavat todellisia ihmiskudoksia. Tällaisilla analogeilla on suuri merkitys lääketestien kannalta.

San Diegossa toimiva Organovo on ollut eturintamassa kaupallistamassa kudosten kolmiulotteista biotulostusta lääketieteellistä tutkimusta varten. Yritys on menestyksekkäästi tulostanut maksan, keuhkojen, sydämen ja munuaisten kudoslaastareita tutkimuskumppaneiden käyttöön. Yrityksen ExVive-linjan ihmisen maksa- ja munuaiskudoksia käytetään toksikologisissa tutkimuksissa ja muissa prekliinisissä lääketesteissä. Näillä keinoelinten sovelluksilla on valtavat mahdollisuudet nopeuttaa lääkekehitysprosessia, alentaa kustannuksia ja vähentää eläin- ja kliinisten testien tarvetta. Maailmanlaajuinen kosmetiikkayhtiö L’Oreal hankkii Organovolta kolmiulotteisesti tulostettuja ihmisen ihokudoksia tavoitteenaan vähentää paljon paheksuttuja eläinkokeita. L’Oreal omistaa jo patentin Episkinille, kudosmuokkaustuotteelle, joka on kehitetty inkuboimalla leikkauspotilaiden lahjoittamia ihosoluja. Kumppanuus Organovon kanssa mahdollistaisi sen, että L’Oreal voisi tulostaa niitä helpommin ja vaatimuksiin nähden.

Elektroninen iho voi antaa roboteille ”inhimillisen” kosketuksen

Iho on ihmiskehon suurin elin, ja erittäin monimutkainen sellainen. Ihon uudelleen luominen edellyttää kosketuksen, paineen ja lämpötilan tuntemusten välittämistä keinotekoiseen materiaaliin. Tällaisesta keinotekoisesta ihosta olisi epäilemättä suurta hyötyä palovammojen uhreille ja laajoihin leikkauksiin joutuville potilaille. Sovellus, joka on nykyään tieteiselokuvien polttoaineena, saattaa kuitenkin pian olla todellisuutta: robottien varustaminen aisteilla.

Euroopan tutkimusneuvoston rahoittaman ja Itävallassa sijaitsevan Grazin teknillisen yliopiston tutkijoiden toteuttaman SmartCore-hankkeen tavoitteena on luoda materiaali, joka reagoi erilaisiin ärsykkeisiin. Tämän saavuttamiseksi ryhmä on kehittänyt uudenlaisen materiaalin, joka on vuorattu nanosensoreilla, joiden herkkyys ylittää huomattavasti ihmisen ihon herkkyyden. Vaikka tutkimusryhmä on vielä alkuvaiheessa, se suunnittelee ”älykästä” ydintä – polymeeriä, joka laajenee, kun se altistuu kosteudelle ja lämpötilalle, ja jota ympäröi pietsosähköinen kuori, joka tuottaa sähkövirtaa, kun siihen kohdistetaan painetta. Nämä ytimet vastaanottavat ärsykkeet ja välittävät ne robottijärjestelmään. Ryhmän tavoitteena on esitellä prototyyppi vuoteen 2019 mennessä, minkä jälkeen tutkittaisiin erityisiä sovelluksia.

Tekomaha herättää toivoa ennenaikaisille vauvoille

Huhtikuussa 2017 Philadelphian lastensairaalan sikiödiagnostiikka- ja hoitokeskuksen tutkijat ilmoittivat – ja julkaisivat – että he olivat kehittäneet maailman ensimmäisen tekomahan. Lempinimeltään BioBag, nämä ”kohdut” muistuttavat Ziploc-pusseja, joissa on putket lapsivettä, happea, ravinteita ja verta, jotka kutoutuvat sisään ja ulos. Pussien sisällä tutkijat onnistuivat kuitenkin kasvattamaan sikiökaritsoja.

Elokuussa 2017 samankaltaisen kohdun kehitti eräs toisiinsa liittymätön ryhmä: australialaisen Women and Infants Research Foundationin, Länsi-Australian yliopiston ja japanilaisen Tohokun yliopistollisen sairaalan tutkijat. Se on osuvasti nimetty ex-vivo uterine environment (EVE) -terapiaksi, ja se on herättänyt odotuksia elinkelpoisesta ja toistettavissa olevasta kohdun kaltaisesta ympäristöstä.

Tie edessä

Frost & Sullivan uskoo, että keinotekoisten elinten tietä edessäpäin tasoittavat innokkaat tutkijat, rahoittajavirastot ja yhteistyöhön perustuva ekosysteemi. Tiellä on kuitenkin myös eettisiä esteitä, jotka liittyvät eettisiin huolenaiheisiin, sääntelyvaatimuksiin, laitekustannuksiin ja pitkän aikavälin kliinisten tietojen puutteesta johtuviin turvallisuusongelmiin. Vastaus olisi kiertotiet, jotka voivat silti johtaa tuottoisaan määränpäähän. Keinotekoisten ihokudosten käyttö lääketieteellisessä ja kosmeettisessa tutkimuksessa on esimerkki. Vastaavasti keinotekoinen kohtu ihmisalkion synnyttämiseksi olisi suuri tehtävä, joka nostaisi esiin lukuisia eettisiä, moraalisia ja oikeudellisia kysymyksiä. Toistaiseksi hyväksyttävä reitti olisi kuitenkin kohdun käyttäminen vuosittain syntyvien miljoonien ennenaikaisesti syntyneiden vauvojen hengen pelastamiseen ja terveyden parantamiseen.