Innovations in Artificial Organs

Sztuczne narządy są często opisywane jako Święty Graal bioinżynierii – ważny obszar badawczy, który leży na przecięciu medycyny, nauk przyrodniczych i inżynierii. Znaczenie i pilna potrzeba stworzenia sztucznych narządów są od dawna znane: teksty medyczne sprzed kilku stuleci zawierają pomysły opisujące ich konstrukcję, jakkolwiek wymyślne i niepraktyczne. Pierwszy prawdziwy przełom w projektowaniu sztucznych narządów nastąpił w 1982 roku, kiedy to Jarvik-7, pierwsze w pełni funkcjonujące sztuczne serce, zostało pomyślnie wszczepione człowiekowi. Za projekt Jarvika-7 odpowiedzialni są badacz medyczny Robert Jarvik i wynalazca Willem Kolff. Kolff ma na swoim koncie kilka innych wynalazków, w tym pierwszą sztuczną nerkę (maszynę do dializy) i maszynę płucno-sercową, a także jest znany jako gorący zwolennik procedur transfuzji krwi – wszystkie te wynalazki odzwierciedlają jego entuzjazm i wiarę w pomoc ludzkiemu organizmowi w kontynuowaniu funkcjonowania nawet po ustaniu pracy jego organów. Dla tych innowacji i ideologii, jest on uważany za ojca sztucznych narządów.

Dzisiaj, pomimo niezwykłych postępów w transplantacji, znaczenie sztucznych narządów nie zmniejszyło się. Jeśli cokolwiek, długa lista oczekujących i czas oczekiwania wymagają skutecznych i natychmiastowych alternatyw dla przeszczepów narządów. United Network for Organ Sharing, amerykańska organizacja non-profit, która zarządza siecią dawców narządów, szacuje, że ponad 120 000 Amerykanów – z których ponad 100 000 potrzebuje nerki – znajduje się na liście oczekujących na narządy ratujące życie. Przeciętny potencjalny biorca nerki czeka 3,6 roku, a każdego dnia umiera co najmniej 20 osób oczekujących na narząd.

Artificial Organs Could Solve Transplant Shortages

The thought of an off-the-shelf heart that could replace a failed one is a tempting proposition, and one that a few companies have cracked. Wśród nich na uwagę zasługuje BiVACOR z Houston w Teksasie. Urządzenie TAH (total artificial heart) firmy BiVACOR o anonimowej nazwie jest opcją dostępną dla pacjentów ze schyłkową niewydolnością serca, którzy nie kwalifikują się do przeszczepu. Inna ważna firma, SynCardia Systems (Tucson, Ariz.), opracowała tymczasowe urządzenie TAH – wszczepialny system, który może przejąć funkcje serca – dla pacjentów cierpiących na schyłkową niewydolność serca dwujamowego. Urządzenie jest przeznaczone do stosowania wyłącznie jako pomost do przeszczepu serca od dawcy i jest jedynym zatwierdzonym przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków oraz organy regulacyjne Unii Europejskiej i Kanady.

Wraz z pojawieniem się druku 3-D i inżynierii tkankowej, można myśleć poza elektromechanicznymi pompami, które mogą służyć jako serca do wizualizacji sztucznego, dosłownie, ciała i krwi. Wyścig trwa w celu opracowania funkcjonalnego, opartego na tkankach sztucznego organu, który naśladowałby organy w funkcjach fizycznych i fizjologicznych, takich jak wydzielanie hormonów, pielęgnowanie naczyń krwionośnych oraz wzrost i modelowanie w miarę wzrostu jednostki.

Stephen Badylak, profesor i zastępca dyrektora McGowan Institute for Regenerative Medicine na Uniwersytecie w Pittsburghu, pracuje nad funkcjonalną wątrobą, która nadaje się do przeszczepu. Podejście Badylaka polega na pobraniu komórek macierzystych pacjenta i hodowaniu ich w specjalnie zaprojektowanych trójwymiarowych rusztowaniach. Ma nadzieję, że komórki te rozwiną się w funkcjonalny organ, jeśli będą miały zapewnione odpowiednie składniki odżywcze. Ponieważ komórki są pobierane od samych pacjentów, omija się wyzwania związane z odrzuceniem organu i reakcją immunologiczną.

Sztuczne organy do badań medycznych

Pomimo że opóźnienie w produkcji w pełni funkcjonalnego, dopasowanego wymiarami organu rozczaruje rynek przeszczepów narządów, jest to wciąż wiadomość warta pochwały. W rzeczywistości cały przemysł farmaceutyczny czeka z zapartym tchem na tkanki, które przypominają rzeczywiste tkanki ludzkie. Takie analogi mają ogromne znaczenie dla testowania leków.

Zlokalizowana w San Diego firma Organovo przoduje w komercjalizacji biodruku tkanek 3-D do badań medycznych. Firma z powodzeniem wydrukowała łaty z tkanek wątroby, płuc, serca i nerek do użytku przez partnerów badawczych. Linia ludzkich tkanek wątroby i nerek ExVive firmy jest wykorzystywana w badaniach toksykologicznych i innych przedklinicznych testach leków. To zastosowanie sztucznych narządów ma ogromny potencjał, aby przyspieszyć proces opracowywania leków, obniżyć koszty i zmniejszyć potrzebę przeprowadzania testów na zwierzętach i badań klinicznych. W rzeczywistości, L’Oreal, globalna firma kosmetyczna, pozyskuje drukowane w 3D tkanki ludzkiej skóry od Organovo, w celu ograniczenia tak bardzo odradzanych testów na zwierzętach. L’Oreal posiada już patent na Episkin, produkt do skóry z inżynierią tkankową, który został opracowany poprzez inkubację komórek skóry oddanych przez pacjentów chirurgicznych. Partnerstwo z Organovo umożliwiłoby firmie L’Oreal drukowanie ich w łatwiejszy sposób i zgodnie z wymaganiami.

Elektroniczna skóra może nadać robotom „ludzki” dotyk

Skóra jest największym organem ludzkiego ciała i bardzo złożonym. Odtworzenie skóry wiąże się z przekazaniem wrażeń dotyku, nacisku i temperatury do sztucznego materiału. Taka sztuczna skóra bez wątpienia byłaby bardzo cenna dla ofiar poparzeń i pacjentów poddawanych rozległym zabiegom chirurgicznym. Jednak zastosowanie, które obecnie jest paliwem dla filmów science-fiction, może wkrótce stać się rzeczywistością: dostarczanie robotom bodźców sensorycznych.

SmartCore, projekt finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych i realizowany przez naukowców z Politechniki w Grazu w Austrii, ma na celu stworzenie materiału, który reagowałby na różne bodźce. Aby to osiągnąć, zespół opracował nowy materiał, który jest wyłożony tablicą nanosensorów, których czułość znacznie przewyższa czułość ludzkiej skóry. Choć wciąż na wczesnym etapie, zespół projektuje „inteligentny” rdzeń – polimer, który rozszerzałby się pod wpływem wilgoci i temperatury oraz jest otoczony piezoelektryczną powłoką, która wytwarza prąd elektryczny pod wpływem nacisku. Rdzenie te odbierają bodźce i przekazują je do systemu robotycznego. Zespół zamierza zaprezentować prototyp do 2019 roku, po czym zbadane zostałyby konkretne zastosowania.

Artificial Womb Raises Hope for Premature Babies

W kwietniu 2017 roku naukowcy z Center for Fetal Diagnosis and Treatment w Children’s Hospital of Philadelphia ogłosili – i opublikowali – że opracowali pierwsze na świecie sztuczne łono. Nazwane BioBag, te „macice” przypominają worki Ziploc z rurkami płynu owodniowego, tlenu, składników odżywczych i krwi, które wplatają się i wyplatają. Wewnątrz torebek naukowcom udało się jednak pielęgnować płodowe jagnięta.

W sierpniu 2017 r. podobne łono zostało opracowane przez niepowiązaną grupę: badaczy z Women and Infants Research Foundation w Australii, University of Western Australia oraz Tohoku University Hospital w Japonii. Trafnie nazwana terapia ex-vivo uterine environment (EVE), rozbudziła oczekiwania na realne i powtarzalne środowisko przypominające macicę.

The Road Ahead

Frost & Sullivan uważa, że droga przed sztucznymi organami jest wybrukowana przez entuzjastycznych badaczy, agencje finansujące i współpracujący ekosystem. Istnieją jednak również blokady w postaci obaw etycznych, wymogów regulacyjnych, kosztów urządzeń i obaw dotyczących bezpieczeństwa ze względu na brak długoterminowych danych klinicznych. Odpowiedzią są objazdy, które wciąż mogą prowadzić do lukratywnych celów. Przykładem jest wykorzystanie sztucznych tkanek skóry do badań medycznych i kosmetycznych. Podobnie, sztuczne łono do zapłodnienia ludzkiego embrionu byłoby nie lada wyzwaniem i postawiłoby wiele pytań natury etycznej, moralnej i prawnej, jednak na razie akceptowalną drogą byłoby wykorzystanie macicy do ratowania życia i poprawy zdrowia milionów wcześniaków, które rodzą się każdego roku.