Innovációk a mesterséges szervek terén

A mesterséges szerveket gyakran a biomérnöki tudományok Szent Gráljaként emlegetik – ez a fontos kutatási terület az orvostudomány, az élettudományok és a mérnöki tudományok metszéspontjában helyezkedik el. A mesterséges szervek fontossága és sürgős szükségessége már régóta ismert: a több évszázados orvosi szövegek tartalmaznak olyan elképzeléseket, amelyek leírják a tervezésüket, bármilyen fantáziadúsak és kivitelezhetetlenek is voltak. Az első igazi áttörést a mesterséges szervek tervezésében 1982-ben a Jarvik-7 jelentette, az első teljesen működő mesterséges szív, amelyet sikeresen beültettek egy emberbe. A Jarvik-7 tervezését Robert Jarvik orvoskutatónak és Willem Kolff feltalálónak tulajdonítják. Kolff számos más újítás is az ő nevéhez fűződik, többek között az első művese (dialízisgép) és a szív-tüdőgép, valamint arról ismert, hogy lelkes híve a vérátömlesztési eljárásoknak – mindezek tükrözik lelkesedését és hitét abban, hogy az emberi szervezetet a szervei leállása után is segíteni kell a további működésben. Ezen újítások és ideológiák miatt őt tartják a mesterséges szervek atyjának.

A transzplantációban elért figyelemre méltó előrelépések ellenére napjainkban sem csökkent a mesterséges szervek jelentősége. Ha valami, akkor a hosszú várólista és a várakozás időtartama szükségessé teszi a szervátültetés hatékony és azonnali alternatíváit. A United Network for Organ Sharing, a szervadományozási hálózatot kezelő amerikai székhelyű nonprofit szervezet becslése szerint több mint 120 000 amerikai – közülük több mint 100 000-nek van szüksége vesére – áll életmentő szervekre várólistán. Egy átlagos leendő vese recipiensre 3,6 évet kell várni, és naponta legalább 20 szervre váró ember hal meg.

A mesterséges szervek megoldhatják a transzplantációs hiányt

A gondolat, hogy egy készen kapható szív helyettesítheti a meghibásodott szívet, csábító ajánlat, és néhány vállalat már meg is törte. Közülük kiemelkedik a texasi Houstonban működő BiVACOR. A BiVACOR névadójának teljes műszív (TAH) készüléke olyan végstádiumú szívelégtelenségben szenvedő betegek számára elérhető lehetőség, akik nem jogosultak transzplantációra. Egy másik fontos vállalat, a SynCardia Systems (Tucson, Ariz.) egy ideiglenes TAH-berendezést – egy beültethető rendszert, amely átveheti a szívfunkciókat – fejlesztett ki a végstádiumú biventrikuláris szívelégtelenségben szenvedő betegek számára. Az eszközt csak hídként kívánják használni a donorszív-transzplantációhoz, és ez az egyetlen, amelyet az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatala, valamint az Európai Unió és Kanada szabályozó hatóságai engedélyeztek.

A háromdimenziós nyomtatás és a szövettechnológia megjelenésével a szívként szolgáló elektromechanikus pumpákon túl lehet gondolkodni, és elképzelni egy mesterséges szívet, a szó szoros értelmében húsban és vérben. A versenyfutás egy olyan funkcionális, szövetalapú mesterséges szerv kifejlesztéséért folyik, amely a szerveket utánozná fizikai és fiziológiai funkciókban, például a hormonok kiválasztásában, az érrendszer táplálásában, valamint az egyed növekedésével járó növekedésben és modellezésben.

Stephen Badylak, a Pittsburghi Egyetem McGowan Institute for Regenerative Medicine professzora és igazgatóhelyettese egy transzplantációra alkalmas, funkcionális máj kifejlesztésén dolgozik. Badylak megközelítése a páciens őssejtjeinek begyűjtését és speciálisan kialakított háromdimenziós állványzatban történő tenyésztését foglalja magában. A remény az, hogy ezek a sejtek funkcionális szervvé fejlődnek, ha megfelelő növekedési tápanyagokkal látják el őket. Mivel a sejteket magukból a betegekből nyerik, a szervkilökődés és az immunválasz kihívásait megkerülik.

Mesterséges szervek az orvosi kutatás számára

Miözben a teljesen működőképes, a méreteknek megfelelő szerv előállításának késedelme csalódást fog okozni a szervátültetések piacán, ez még mindig egy örömhír. Valójában az egész gyógyszeripar lélegzetvisszafojtva várja a valódi emberi szövetekre hasonlító szöveteket. Az ilyen analógok nagy jelentőséggel bírnak a gyógyszerkísérletek szempontjából.

A san diegói székhelyű Organovo élen jár az orvosi kutatásban használt szövetek háromdimenziós bioprintelésének kereskedelmi forgalomba hozatalában. A vállalat sikeresen nyomtatta ki a máj, a tüdő, a szív és a vesék szöveteinek foltjait kutatási partnerek számára. A vállalat emberi máj- és veseszövetekből álló ExVive termékcsaládját toxikológiai vizsgálatokban és egyéb preklinikai gyógyszerkísérletekben használják. A mesterséges szerveknek ez az alkalmazása óriási potenciállal bír a gyógyszerfejlesztési folyamat felgyorsításában, a költségek csökkentésében, valamint az állatkísérletek és a klinikai vizsgálatok szükségességének csökkentésében. Valójában a L’Oreal, a globális kozmetikai vállalat 3-D nyomtatott emberi bőrszöveteket vásárol az Organovótól azzal a céllal, hogy csökkentse a sokat gyalázott állatkísérletek számát. A L’Oreal már szabadalommal rendelkezik az Episkinre, egy olyan szövetszerkesztett bőrtermékre, amelyet műtéti betegek által adományozott bőrsejtek inkubálásával fejlesztettek ki. Az Organovóval való partnerség lehetővé tenné a L’Oreal számára, hogy ezeket könnyebben és a követelményeknek megfelelően nyomtassa ki.

Az elektronikus bőr “emberi” érintést adhat a robotoknak

A bőr az emberi test legnagyobb és rendkívül összetett szerve. A bőr rekonstruálása magában foglalja az érintés, a nyomás és a hőmérséklet érzékelésének átadását a mesterséges anyagnak. Egy ilyen mesterséges bőr kétségtelenül nagy értéket képviselne az égési sérültek és a kiterjedt műtéten átesett betegek számára. Azonban hamarosan valósággá válhat egy olyan alkalmazás, amely ma már a sci-fi filmek táptalaja: a robotok érzékszervekkel való ellátása.

Az Európai Kutatási Tanács által finanszírozott és az ausztriai Grazi Műszaki Egyetem kutatói által végrehajtott SmartCore projekt célja egy olyan anyag létrehozása, amely változatos ingerekre reagálna. Ennek érdekében a csapat egy olyan újszerű anyagot fejlesztett ki, amelyet nanoszenzorok sorával béleltek ki, amelyek érzékenysége messze meghaladja az emberi bőr érzékenységét. Bár még korai stádiumban van, a csapat egy “intelligens” magot tervez – egy olyan polimert, amely nedvességnek és hőmérsékletnek kitéve kitágulna, és egy piezoelektromos héjjal van körülvéve, amely nyomás hatására elektromos áramot termel. Ezek a magok fogadják az ingereket, és továbbítják azokat a robotrendszer felé. A csapat célja, hogy 2019-ig bemutassa a prototípust, majd ezt követően konkrét alkalmazásokat vizsgálnának.

A mesterséges méh reményt ad a koraszülötteknek

2017 áprilisában a Philadelphiai Gyermekkórház magzati diagnosztikai és kezelési központjának kutatói bejelentették – és közzétették -, hogy kifejlesztették a világ első mesterséges méhét. A BioBag becenévre keresztelt “méhek” Ziploc zacskókra hasonlítanak, amelyekbe magzatvizet, oxigént, tápanyagot és vért tartalmazó csövek szövődnek be és ki. A zsákok belsejében azonban a kutatóknak sikerült magzati bárányokat táplálniuk.

2017 augusztusában egy hasonló méhet dolgozott ki egy független csoport: az ausztráliai Women and Infants Research Foundation, a Nyugat-Ausztráliai Egyetem és a japán Tohoku Egyetemi Kórház kutatói. A találóan ex-vivo uterine environment (EVE) terápiának nevezett eszköz felcsillantotta az életképes és megismételhető méhszerű környezetre vonatkozó várakozásokat.

Az előttünk álló út

Frost & Sullivan úgy véli, hogy a mesterséges szervek előtt álló utat a lelkes kutatók, a finanszírozó ügynökségek és az együttműködő ökoszisztéma kövezik ki. Vannak azonban útakadályok is az etikai aggályok, a szabályozási követelmények, az eszközköltségek és a hosszú távú klinikai adatok hiánya miatti biztonsági aggályok formájában. A válasz olyan kerülőutak lennének, amelyek még mindig jövedelmező célpontokhoz vezethetnek. Ilyen például a mesterséges bőrszövetek felhasználása orvosi és kozmetikai kutatásokban. Hasonlóképpen, egy mesterséges méh létrehozása egy emberi embrió kihordására nagy feladat lenne, amely számos etikai, erkölcsi és jogi kérdést vetne fel; egyelőre azonban elfogadható útvonal lenne az anyaméh felhasználása az évente több millió koraszülött életének megmentésére és egészségének javítására.

Mindenesetre a mesterséges méh egyelőre elfogadható út lenne az évente több millió koraszülött életének megmentésére és egészségének javítására.