A mesterséges szervek olyan eszközök, amelyek ideiglenesen vagy véglegesen helyettesítik a recipiens natív szerveinek funkcióit . Lehet állandó és ideiglenes is; belső (testbe ültetendő) és külső is [1] .
A definíció szerint ez azt jelenti, hogy az eszközt nem szabad tartósan egy álló tápegységhez kötni, vagy nem szabad más helyhez kötött manipulációt, például szűrőcserét vagy vegyi kezelési eljárást végezni. (Akkumulátorok időszakos gyors újratöltése, vegyszer utántöltés és/vagy szűrők tisztítása/cseréje, kivéve a mesterséges szervnek nevezett eszközt.) [2] A dializáló gép tehát nagyon sikeres és kritikus életfenntartó készülék, szinte teljesen helyettesíti. a vesék funkcióit , de ez nem mesterséges szerv.
A kezdetben rendkívül fáradságos és költséges mesterséges szervek gyártása és felszerelése évekig tartó folyamatos karbantartást igényelhet, amit egy természetes szerv nem igényel. [3]
Bármely mesterséges szerv emberi felhasználása szinte mindig megelőzi a kiterjedt állatkísérleteket. [4] [5] [6] A humán tesztelés gyakran csak azokra korlátozódik, akik véglegesen betegek, vagy akiken más kezelések nem segítettek.
A mesterséges karokat és lábakat vagy protéziseket arra tervezték, hogy helyreállítsák az amputált végtagok funkcióját. Valószínűleg ősidők óta használták azokat a mechanikus eszközöket, amelyek lehetővé teszik az amputáltak számára, hogy újra járjanak, vagy továbbra is két kezet használjanak, [7] amelyek közül a leghíresebb egy egyszerű fadarab volt. Azóta a protézisek fejlesztése gyorsan fejlődött. A műanyagok és más anyagok , például a szénszálak lehetővé tették a mesterséges végtagok erősebbé és könnyebbé válását, ami korlátozza a végtag működtetéséhez szükséges erő mennyiségét. A további anyagok lehetővé tették, hogy a protézisek sokkal valósághűbbek legyenek. [8] A protézisek nagyjából felső és alsó végtagokra oszthatók, és sokféle formát és méretet vehetnek fel.
A protetika új fejlesztései közé tartozik az emberi testtel való integráció további szintjei. Az elektródákat az idegszövetbe lehet helyezni, és a törzset meg lehet tanítani a protézis irányítására. Ezt a technológiát állatokon és embereken is alkalmazták. [9] A protézist közvetlenül az agy vagy a különféle izmokba beültetett implantátum vezérelheti . [tíz]
A hólyagfunkció pótlásának két fő módja a vizelet áramlásának átirányítása vagy a hólyag teljes cseréje. [11] A húgyhólyagpótlás standard módszerei közé tartozik a bélszövetből a hólyagtasak elkészítése. [11] 2017-től a klinikai vizsgálatok során kísérleteket tettek a húgyhólyag őssejtek felhasználásával történő növesztésére , de ez az eljárás kísérleti jellegű volt . [12] [13]
A neuroprotetika olyan eszközök sorozata, amelyek helyettesíthetik azokat a motoros, szenzoros vagy kognitív képességeket, amelyeket sérülés vagy betegség károsíthatott.
A neurostimulátorok, beleértve a mélyagyi stimulátorokat is, elektromos impulzusokat küldenek az agyba neurológiai és mozgási rendellenességek, köztük a Parkinson-kór , epilepszia, kezelésre rezisztens depresszió és egyéb állapotok, például vizelet-inkontinencia kezelésére. Ahelyett, hogy a meglévő neurális hálózatokat lecserélnék a funkció helyreállítása érdekében, ezek az eszközök nagyobb valószínűséggel avatkoznak be a rosszul működő idegközpontokba a tünetek enyhítésére . [14] [15] [16]
A tudósok 2013-ban létrehoztak egy mini-agyat, amely kulcsfontosságú neurológiai összetevőket fejlesztett ki a magzati érettség korai szakasza előtt. [17]
A merevedési zavarok kezelésére mindkét corpora cavernosa véglegesen műtéti úton helyettesíthető felfújható péniszimplantátummal . Ez egy radikális terápiás műtét, amelyet csak a szexuális diszfunkcióban szenvedő férfiaknak tartanak fenn, akik nem alkalmasak minden más kezelési megközelítésre. Az ágyékba vagy a herezacskóba beültetett pumpa manuálisan manipulálható, hogy megtöltsék ezeket a mesterséges tartályokat, amelyek a természetes corpus cavernosum helyettesítői, a beültetett tartályból az erekció elérése érdekében. [tizennyolc]
Azok a férfiak , akiknél születési rendellenességek vagy trauma következtében hererendellenességek szenvedtek, a sérült herét hereprotézisre cserélhették. Bár a protézis nem állítja helyre a biológiai reproduktív funkciót, az eszközről kimutatták, hogy javítja ezeknek a betegeknek a mentális egészségét. [19]
Azokban az esetekben, amikor egy személy mindkét fülére teljesen süket vagy nagyothall, sebészeti úton cochleáris implantátum ültethető be . A cochleáris implantátumok a perifériás hallórendszer nagy részét körülveszik, hangérzetet biztosítva a mikrofonon és néhány elektronikán keresztül, amelyek a bőrön kívül, általában a fül mögött helyezkednek el. A külső alkatrészek jelet továbbítanak a héjban elhelyezett elektródák tömbjének, ami viszont stimulálja a fülideget. [húsz]
A külső fül sérülése esetén koponya-arcprotézisre lehet szükség.
A mai napig a szem funkciójának legsikeresebb helyettesítője egy külső miniatürizált digitális fényképezőgép , amely egy távoli egyirányú elektronikus interfésszel rendelkezik, amelyet a retinába, a látóidegbe vagy az agy más releváns területeire ültettek be. A technika jelenlegi állása csak részleges funkcionalitást biztosít, mint például a fényerőszintek, színminták és/vagy alapvető geometriai formák felismerése, bizonyítva a koncepcióban rejlő lehetőségeket. [21]
Különböző kutatók kimutatták, hogy a retina stratégiai kép-előfeldolgozást végez az agy számára. A teljesen működőképes mesterséges elektronikus szem létrehozásának problémája még nehezebb. A retinához, a látóideghez vagy az agy hasonló területeihez való mesterséges kapcsolódás előrehaladása, valamint a számítástechnika jelenlegi fejlődése várhatóan nagymértékben javítja ennek a technológiának a teljesítményét.
Szív- és érrendszeri mesterséges szerveket olyan esetekben ültetnek be, amikor a szív , a billentyűk vagy a keringési rendszer más része visszafordíthatatlanul károsodik. A mesterséges szívet általában arra használják, hogy átmenetileg várják a szívátültetést, vagy ha nem lehetséges végleges szívpótlás. A mesterséges pacemakerek olyan kardiovaszkuláris eszközök, amelyek beültethetők időszakos augmentációhoz ( defibrillátor üzemmód ), folyamatos augmentációhoz vagy a szív természetes élő pacemakerének szükség szerinti teljes megkerüléséhez. Egy másik alternatívát jelentenek a kamrai támogató eszközök, amelyek mechanikus keringési eszközökként működnek, amelyek részben vagy teljesen helyettesítik a szívelégtelenség funkcióját anélkül, hogy magát a szívet eltávolítanák. [22]
Emellett laboratóriumi szíveket és 3D bionyomtatott szíveket is kutatnak. Jelenleg a tudósok csak korlátozottan képesek szíveket növeszteni és nyomtatni, mivel nehézségekbe ütközik az erek és a szövetek együttműködése. [23] [24] [25]
Beszámoltak arról, hogy a San Francisco-i Kaliforniai Egyetem tudósai beültethető mesterséges vesét fejlesztenek ki. [26] 2018 óta ezek a tudósok jelentős előrehaladást értek el, de még mindig keresik a módját, hogy megakadályozzák az implantátumukkal kapcsolatos vérrögképződést. [27]
A HepaLife bioműves májeszközt fejleszt a májelégtelenség kezelésére őssejtek felhasználásával. A mesterséges májat arra szánják, hogy segítse a máj helyreállítását, vagy amíg a donor májra vár. Ezt csak az a tény teszi lehetővé, hogy valódi májsejteket ( hepatocitákat ) használ, és így nem helyettesíti állandóan. [28]
Japán kutatók azt találták, hogy az emberi máj progenitor sejtek (amelyek különböznek az ember által kiváltott pluripotens őssejtektől) és két másik sejttípus keveréke spontán módon háromdimenziós struktúrákat hozhat létre, amelyeket "májbimbóknak" neveznek. [29]
A mesterséges tüdő egy beültetett eszköz, amely oxigénnel látja el a vért és eltávolítja a szén-dioxidot a vérből. A mesterséges tüdőt úgy tervezték, hogy a biológiai tüdő bizonyos funkcióit átvegye. Abban különbözik a szív-tüdő géptől, hogy külső, és arra tervezték, hogy a tüdőfunkciót hosszabb ideig végezze el, nem pedig ideiglenesen. [harminc]
Az extracorporalis membrán oxigenizáció (ECMO) a natív tüdő- és szívszövet jelentős stresszének enyhítésére használható. Az ECMO-ban egy vagy több katétert helyeznek a páciensbe, és egy pumpával a vért az üreges membránrostok köré kényszerítik, amelyek oxigént és szén-dioxidot cserélnek a vérrel. Az ECMO-hoz hasonlóan az Extracorporeal CO2 Removal (ECCO2R) is hasonló felépítésű, de elsősorban a páciens számára előnyös a szén-dioxid eltávolításával, nem pedig az oxigénnel való ellátása révén, ami megkönnyíti a relaxációt és a gyógyulást. [31]
A mesterséges petefészek kifejlesztésének alapjait az 1990-es évek elején fektették le. [32]
Azok a reproduktív korú betegek, akiknél rákos megbetegedés alakul ki, gyakran kemoterápián vagy sugárkezelésen vesznek részt, ami károsítja a petesejteket és korai menopauzához vezet. Egy mesterséges emberi petefészket fejlesztettek ki a Brown Egyetemen [33] önszerveződő mikroszövetek felhasználásával, amelyeket új 3D Petri-csésze technológiával hoztak létre. Az NIH által 2017-ben finanszírozott és lefolytatott tanulmányban a tudósok sikeresen nyomtatták ki a 3D petefészket, és beültették azokat steril egerekbe. [34] [6] A mesterséges petefészket üvegben éretlen petesejtek érlelésére fogják használni, és egy olyan rendszert dolgoznak ki, amely a környezeti toxinok follikulogenezisre gyakorolt hatását tanulmányozza .
A mesterséges hasnyálmirigyet az egészséges hasnyálmirigy endokrin funkciójának helyettesítésére használják cukorbetegek és más olyan betegek számára, akiknek szükségük van rá. Alkalmazható az inzulinpótló terápia javítására, amíg a glikémiás kontroll közel nem éri a normálértéket, amint az a hiperglikémia szövődményeinek elkerülésében is látható, és az inzulinfüggők kezelési terheit is enyhítheti. A lehetséges megközelítések közé tartozik a szabályozott inzulinpumpa használata, egy bio-mesterséges hasnyálmirigy kifejlesztése, amely kapszulázott béta-sejtek biokompatibilis lapjából áll, vagy a génterápia alkalmazása. [35] [36]
Nincs olyan implantátum, amely a csecsemőmirigy funkcióját látná el. A kutatóknak azonban sikerült kinőniük a csecsemőmirigyet az újraprogramozott fibroblasztokból . Reményüket fejezték ki, hogy ez a megközelítés egy napon helyettesítheti vagy kiegészítheti az újszülöttkori csecsemőmirigy -transzplantációt. [37]
2017 óta az UCLA kutatói mesterséges csecsemőmirigyet fejlesztettek ki, amely bár még nem ültethető be, de képes ellátni a valódi csecsemőmirigy összes funkcióját. [38]
A mesterséges légcsövek területét nagy figyelemmel kísérték Paolo Macchiarini munkájának köszönhetően a Karolinska Intézetben és máshol 2008 és 2014 között, az újságok és a televízió címlapján. Aggodalmak merültek fel 2014-es teljesítményével kapcsolatban, és 2016-ra elbocsátották, és elbocsátották a Karolinska Egyetem felső vezetését, köztük a Nobel-díjjal érintett személyeket. [39] [40]
2017-től a légcső - egy sejtekkel ellátott üreges cső - fejlesztése nehezebbnek bizonyult, mint azt eredetileg gondolták. A kihívások közé tartozik azoknak az embereknek a nehéz klinikai helyzete, akik klinikai jelöltként szolgálnak, és akik jellemzően már több eljáráson estek át; olyan implantátum létrehozása, amely teljes mértékben ki tud fejlődni és integrálódni a gazdaszervezetbe, miközben ellenáll a légzőerőknek, valamint a légcső forgó és hosszirányú mozgásának. [41] Külön problémát jelent a mesterséges vagy természetes anyagból nyert implantátum vitalizálásának módszereinek megválasztása , mivel a különböző forrásokból származó sejtek használata vagy serkentheti a gazdasejtek migrációját az implantátum anyagának térfogatába, vagy az anyagon benépesült donorsejtek szaporodása. [42]
Lehetőség van mesterséges orgona tervezésére és felszerelésére is, hogy olyan képességeket adjon tulajdonosának, amelyek a természetben nem találhatók meg. Kutatások folynak a látás, a memória és az információfeldolgozás területén. Egyes folyamatban lévő kutatások a balesetek áldozatainak rövid távú, demenciában szenvedő betegek hosszú távú emlékezetének helyreállítására összpontosítanak.
A siker egyik területe akkor következett be, amikor Kevin Warwick kísérletsorozatot végzett idegrendszerének kiterjesztésére az interneten keresztül , hogy vezérelhessen egy robotkart és az első közvetlen elektronikus kommunikációt két ember idegrendszere között. [43]
Ez magában foglalhatja a bőr alatti chipek azonosítási és helymeghatározási célú (például RFID-címkék) beültetésének jelenlegi gyakorlatát is. [44]
A szervchipek olyan üreges mikroereket tartalmaznak, amelyek sejtekkel vannak megtöltve, amelyek szöveteket és/vagy szerveket utánoznak mikrofluidikus rendszerként, amely kulcsfontosságú információkat szolgáltathat a kémiai és elektromos jelekről. [45]
Ezek az információk különféle alkalmazásokat hozhatnak létre, például "emberi modelleket az üvegben" mind az egészséges, mind a beteg szervek számára, a gyógyszerek fejlesztését a toxicitási szűrésben, és az állatkísérletek helyettesítését. [45]
A 3D sejttenyésztési technológiák használata lehetővé teszi a tudósok számára, hogy újra létrehozzák az élő állatokban található komplex ECM-et, hogy utánozzák az emberi gyógyszerekre és betegségekre adott emberi reakciókat. A chipeken lévő szerveket a sikertelenség csökkentésére használják az új gyógyszerfejlesztés során; a mikromérnökség lehetővé teszi a mikrokörnyezet mint szerv modellezését.