Les scientifiques ont créé un poumon artificiel. Oxygénation du sang Faire face aux problèmes respiratoires sans risque

Des scientifiques américains de l'Université de Yale, dirigés par Laura Niklason, ont fait une percée : ils ont réussi à créer un poumon artificiel et à le transplanter chez des rats. Un poumon a également été créé séparément, fonctionnant de manière autonome et imitant le travail d'un organe réel.

Il faut dire que le poumon humain est un mécanisme complexe. La surface d'un poumon chez un adulte est d'environ 70 mètres carrés, aménagée pour permettre un transfert efficace de l'oxygène et du dioxyde de carbone entre le sang et l'air. Mais le tissu pulmonaire est difficile à restaurer, c'est pourquoi, à l'heure actuelle, la seule façon de remplacer les zones endommagées de l'organe est une greffe. Cette procédure est très risquée en raison du pourcentage élevé de refus. Selon les statistiques, dix ans après la transplantation, seuls 10 à 20 % des patients restent en vie.

Laura Niklason commente : « Nous avons pu concevoir et fabriquer un poumon qui peut être transplanté chez des rats, transportant efficacement l'oxygène et le dioxyde de carbone et oxygénant l'hémoglobine dans le sang. C'est l'une des premières étapes vers la recréation du poumon entier chez des animaux plus gros. et finalement chez les humains.

Les scientifiques ont retiré les composants cellulaires des poumons d'un rat adulte, laissant les structures ramifiées du tractus pulmonaire et des vaisseaux sanguins qui servaient de structure aux nouveaux poumons. Et ils ont été aidés à développer des cellules pulmonaires grâce à un nouveau bioréacteur qui imite le processus de développement pulmonaire chez un embryon. En conséquence, les cellules cultivées ont été transplantées sur le support préparé. Ces cellules remplissent la matrice extracellulaire, une structure tissulaire qui assure le support mécanique et le transport des substances. Transplantés chez des rats pendant 45 à 120 minutes, ces poumons artificiels absorbaient l'oxygène et expulsaient le dioxyde de carbone comme les vrais.

Mais des chercheurs de l'Université Harvard ont réussi à simuler le fonctionnement du poumon en mode autonome dans un appareil miniature basé sur une puce électronique. Ils notent que la capacité de ce poumon à absorber les nanoparticules présentes dans l'air et à imiter la réponse inflammatoire aux microbes pathogènes représente la preuve du principe selon lequel les organes sur micropuces pourraient remplacer les animaux de laboratoire à l'avenir.

En fait, les scientifiques ont créé un dispositif pour la paroi des alvéoles, une vésicule pulmonaire à travers laquelle se produit l'échange gazeux avec les capillaires. Pour ce faire, ils ont planté des cellules épithéliales provenant des alvéoles du poumon humain sur une membrane synthétique d’un côté, et des cellules des vaisseaux pulmonaires de l’autre. De l'air est fourni aux cellules pulmonaires dans l'appareil, un liquide simulant le sang est fourni aux « vaisseaux » et des étirements et compressions périodiques transmettent le processus respiratoire.

Afin de tester la réaction des nouveaux poumons à l'influence, les scientifiques l'ont forcé à « inhaler » la bactérie Escherichia coli avec de l'air, qui tombait du côté « poumon ». Et en même temps, du côté des « vaisseaux », les chercheurs ont libéré des globules blancs dans le flux liquide. Les cellules pulmonaires détectent la présence de bactéries et déclenchent une réponse immunitaire : les globules blancs traversent la membrane de l'autre côté et détruisent les organismes étrangers.

De plus, les scientifiques ont ajouté des nanoparticules, y compris des polluants atmosphériques typiques, à l'air « inhalé » par l'appareil. Certains types de ces particules pénétraient dans les cellules pulmonaires et provoquaient une inflammation, et beaucoup passaient librement dans la « circulation sanguine ». Dans le même temps, les chercheurs ont découvert que la pression mécanique exercée lors de la respiration améliore considérablement l’absorption des nanoparticules.

Mohammadhossein Dabaghi ​​​​et.al. \Biomicrofluidique 2018

Une équipe de scientifiques du Canada et d'Allemagne a créé des poumons artificiels externes pour les nouveau-nés nés avec des problèmes respiratoires. Les nouveaux poumons externes sont un système de microcanaux constitués de membranes poreuses double face qui enrichissent en oxygène le sang qui les traverse. Le sang circule tout seul dans ces canaux, ce qui constitue un énorme avantage et permet d'éviter de nombreux problèmes associés aux pompes externes, selon un article paru dans Biomicrofluidique.

Le syndrome de détresse respiratoire (SDR) survient chez environ 60 pour cent des nouveau-nés à 28 semaines de gestation et chez 15 à 20 pour cent entre 32 et 36 semaines. Cependant, comme les poumons sont l’un des organes qui se développent tard au cours de la grossesse, les prématurés atteints de SDR ont besoin d’une aide externe supplémentaire pour oxygéner le sang jusqu’à ce que leurs propres poumons puissent remplir pleinement leurs fonctions par eux-mêmes. Dans le même temps, il existe des cas où la ventilation mécanique ne suffit pas et les médecins sont obligés d'enrichir directement le sang en oxygène. Dans de tels cas, il est nécessaire de faire passer le sang du bébé à travers des systèmes membranaires spéciaux dans lesquels le sang est saturé d’oxygène.

Mais contrairement aux adultes, les nouveau-nés ont généralement un volume sanguin ne dépassant pas 400 à 500 millilitres, ce qui signifie que pour éviter une dilution excessive du sang et une diminution de l'hématocrite, il est dangereux d'utiliser plus de 30 à 40 millilitres de sang. pour l'oxygénation en dehors du corps. Ce fait limite le temps qu'une unité de sang peut passer hors du corps, c'est-à-dire que le processus d'oxygénation doit se produire assez rapidement. De plus, pour éviter les changements de pression qui se produisent lors de l’utilisation d’une pompe à perfusion et qui peuvent endommager les cellules sanguines, le cœur devrait idéalement faire circuler le sang à travers le système membranaire. Et, bien que cela ne soit pas critique, il serait bon que les membranes puissent enrichir le sang en oxygène en utilisant de l'air ordinaire, et non un mélange spécialement préparé de gaz ou d'oxygène pur.

Les scientifiques ont tenté de satisfaire toutes ces exigences en utilisant le concept de placenta artificiel. Il s’agit d’un échange de gaz entre le sang et une source externe, sans mélanger le sang du bébé avec d’autres liquides (uniquement en ajoutant une solution saline pour maintenir la quantité de liquide circulant dans les vaisseaux sanguins). Dans le même temps, étant donné que le volume de sang hors du corps ne doit pas dépasser 30 millilitres, il est nécessaire de créer une structure dans laquelle, à un volume fixe, la zone de contact du sang avec la membrane échangeuse de gaz est maximale. Le moyen le plus simple de procéder est de remplir de sang un parallélépipède de très petite hauteur, mais une telle structure sera très instable. C'est le fait que la structure devait être mince, mais en même temps durable, et également constituée de matériaux poreux, qui imposait les principales restrictions à la création de poumons artificiels.

Pour un échange gazeux efficace, les scientifiques ont placé deux membranes poreuses carrées (43 x 43 millimètres) en polydiméthylsiloxane parallèles les unes aux autres, en plaçant entre elles un réseau de colonnes carrées d'un côté d'un millimètre, formant de nombreux canaux droits perpendiculaires les uns aux autres à travers lesquels le sang circule. En plus de retenir mécaniquement les membranes, ces colonnes contribuaient également au brassage du sang, le rendant ainsi plus homogène en composition dans tout le système. Aussi, pour une stabilité suffisante de la structure, l'absence de déformation en fonctionnement et une réduction de l'influence des défauts, l'une des membranes doit être suffisamment épaisse pour assurer la solidité de la structure, mais en même temps suffisamment fine pour que les échanges gazeux puissent se produire à travers lui. Pour réduire l'épaisseur de la couche de polydiméthylsiloxane sans perdre ses propriétés mécaniques, les chercheurs y ont inséré un réseau de bandes d'acier renforcées.

Les poumons humains sont un organe apparié situé dans la poitrine. Leur fonction principale est la respiration. Le poumon droit a un volume plus important que le gauche. Cela est dû au fait que le cœur humain, situé au milieu de la poitrine, est décalé vers la gauche. Le volume pulmonaire est en moyenne d'environ 3 litres, et parmi les athlètes professionnels plus de 8. La taille du poumon d'une femme correspond à peu près à un pot de trois litres aplati d'un côté, avec une masse 350g. Pour les hommes, ces paramètres sont 10-15% plus.

Formation et développement

La formation des poumons commence à 16-18 jours développement embryonnaire à partir de la partie interne du lobe embryonnaire - entoblaste. À partir de ce moment et jusqu'au deuxième trimestre environ de la grossesse, l'arbre bronchique se développe. La formation et le développement alvéolaire commencent déjà à partir du milieu du deuxième trimestre. Au moment de la naissance, la structure des poumons d’un bébé est complètement identique à celle d’un adulte. Il convient seulement de noter qu'avant la première respiration, il n'y a pas d'air dans les poumons d'un nouveau-né. Et les sensations lors de la première respiration d'un bébé s'apparentent aux sensations d'un adulte qui essaie d'inhaler de l'eau.

L'augmentation du nombre d'alvéoles se poursuit jusqu'à 20-22 ans. Cela se produit particulièrement fortement au cours des deux premières années et demie de la vie. Et après 50 ans, le processus d'involution commence, provoqué par des changements liés à l'âge. La capacité et la taille des poumons diminuent. Après 70 ans, la diffusion de l'oxygène dans les alvéoles s'aggrave.

Structure

Le poumon gauche est constitué de deux lobes : supérieur et inférieur. Celui de droite, en plus de celui ci-dessus, a également un lobe médian. Chacun d'eux est divisé en segments, et ceux-ci, à leur tour, en labules. Le squelette pulmonaire est constitué de bronches ramifiées en forme d’arbre. Chaque bronche pénètre dans le corps pulmonaire avec une artère et une veine. Mais comme ces veines et artères proviennent de la circulation pulmonaire, alors le sang saturé de dioxyde de carbone circule dans les artères et le sang enrichi en oxygène circule dans les veines. Les bronches se terminent par des bronchioles dans les labules, formant chacune une douzaine d'alvéoles. Des échanges gazeux s'y produisent.

La surface totale des alvéoles sur laquelle se produit le processus d'échange gazeux n'est pas constante et change à chaque phase d'inspiration et d'expiration. À l'expiration, il est de 35 à 40 m² et à l'inspiration, de 100 à 115 m².

La prévention

La principale méthode de prévention de la plupart des maladies consiste à arrêter de fumer et à suivre les règles de sécurité lorsque l'on travaille dans des industries dangereuses. Étonnamment, mais Arrêter de fumer réduit le risque de cancer du poumon de 93 %. L'exercice régulier, l'exposition fréquente à l'air frais et une alimentation saine permettent à presque tout le monde d'éviter de nombreuses maladies dangereuses. Après tout, beaucoup d’entre eux ne sont pas soignés et seule une transplantation pulmonaire peut les sauver.

Transplantation

La première opération de transplantation pulmonaire au monde a été réalisée en 1948 par notre médecin Demikhov. Depuis lors, le nombre de ces opérations dans le monde a dépassé les 50 000. La complexité de cette opération est encore un peu plus compliquée qu'une transplantation cardiaque. Le fait est que les poumons, en plus de la fonction principale de respiration, ont également une fonction supplémentaire : la production d'immunoglobulines. Et sa tâche est de détruire tout ce qui est extraterrestre. Et pour les poumons transplantés, un tel corps étranger peut s’avérer être le corps entier du receveur. Par conséquent, après la transplantation, le patient doit prendre des médicaments immunosuppresseurs à vie. La difficulté de préserver les poumons du donneur est un autre facteur de complication. Séparés du corps, ils « vivent » au maximum 4 heures. Vous pouvez transplanter un ou deux poumons. L'équipe opérationnelle est composée de 35 à 40 médecins hautement qualifiés. Près de 75 % des greffes concernent seulement trois maladies :
BPCO
Fibrose kystique
Syndrome de Hamman-Rich

Le coût d'une telle opération en Occident est d'environ 100 mille euros. La survie des patients est de 60 %. En Russie, ces opérations sont effectuées gratuitement et seul un destinataire sur trois survit. Et si plus de 3 000 transplantations sont réalisées chaque année dans le monde, alors en Russie, il n'y en a que 15 à 20. Une baisse assez forte des prix des organes donneurs en Europe et aux États-Unis a été observée pendant la phase active de la guerre en Yougoslavie. De nombreux analystes attribuent cela au commerce de Hashim Thaci consistant à vendre des Serbes vivants pour obtenir des organes. Ce qui a d'ailleurs été confirmé par Carla Del Ponte.

Poumons artificiels : panacée ou science-fiction ?

En 1952, la première opération au monde utilisant l'ECMO a été réalisée en Angleterre. L'ECMO n'est pas un appareil ou un appareil, mais tout un complexe permettant de saturer le sang du patient en oxygène en dehors de son corps et d'en éliminer le dioxyde de carbone. Ce processus extrêmement complexe pourrait, en principe, servir de sorte de poumon artificiel. Seul le patient était alité et souvent inconscient. Mais avec l'utilisation de l'ECMO, près de 80 % des patients survivent au sepsis, et en cas de lésions pulmonaires graves, plus de 65 % des patients survivent. Les complexes ECMO eux-mêmes sont très chers, et par exemple en Allemagne, il n'y en a que 5 et le coût de la procédure est d'environ 17 000 dollars.

En 2002, le Japon a annoncé qu'il testait un dispositif similaire à l'ECMO, de la taille de deux paquets de cigarettes. L'affaire n'est pas allée plus loin que les tests. Après 8 ans, des scientifiques américains de l'Institut Yale ont créé un poumon artificiel presque complet. Il était fabriqué pour moitié à partir de matériaux synthétiques et pour moitié à partir de cellules vivantes de tissus pulmonaires. Le dispositif a été testé sur un rat et a produit une immunoglobuline spécifique en réponse à l’introduction de bactéries pathologiques.

Et littéralement un an plus tard, en 2011, déjà au Canada, des scientifiques ont conçu et testé un appareil fondamentalement différent de celui ci-dessus. Un poumon artificiel qui imite complètement un poumon humain. Récipients en silicone jusqu'à 10 microns d'épaisseur, une surface perméable aux gaz semblable à un organe humain. Plus important encore, cet appareil, contrairement à d’autres, ne nécessitait pas d’oxygène pur et était capable d’enrichir le sang en oxygène de l’air. Et il n’a pas besoin de sources d’énergie tierces pour fonctionner. Il peut être implanté dans la poitrine. Des essais sur l’homme sont prévus pour 2020.

Mais pour l’instant, ce ne sont que des développements et des échantillons expérimentaux. Et cette année, des scientifiques de l'Université de Pittsburgh ont annoncé le dispositif PAAL. Il s’agit du même complexe ECMO, seulement de la taille d’un ballon de football. Pour enrichir le sang, il a besoin d'oxygène pur, et celui-ci ne peut être utilisé qu'en ambulatoire, mais le patient reste mobile. Et aujourd’hui, c’est la meilleure alternative aux poumons humains.

Le fait que souffler de l'air dans les poumons puisse réanimer une personne est connu depuis l'Antiquité, mais des dispositifs auxiliaires à cet effet n'ont commencé à être produits qu'au Moyen Âge. En 1530, Paracelse a utilisé pour la première fois un conduit buccal avec un soufflet en cuir conçu pour attiser un feu dans une cheminée. Treize ans plus tard, Vésaleus publie son ouvrage « Sur la structure du corps humain », dans lequel il démontre les avantages de la ventilation des poumons par un tube inséré dans la trachée. Et en 2013, des chercheurs de la Case Western Reserve University ont créé un prototype de poumon artificiel. L'appareil utilise de l'air atmosphérique purifié et ne nécessite pas d'oxygène concentré. La structure de l'appareil ressemble à un poumon humain avec des capillaires et des alvéoles en silicone et fonctionne avec une pompe mécanique. Les tubes en biopolymère imitent la ramification des bronches en bronchioles. À l'avenir, il est prévu d'améliorer l'appareil en ce qui concerne les contractions myocardiques. Un appareil mobile peut très probablement remplacer un ventilateur de transport.

Les dimensions du poumon artificiel vont jusqu'à 15x15x10 centimètres ; ils veulent rapprocher ses dimensions le plus possible de celles de l'organe humain. L'immense surface de la membrane de diffusion gazeuse permet d'augmenter de 3 à 5 fois l'efficacité de l'échange d'oxygène.

Le dispositif est actuellement testé sur des porcs, mais des tests ont déjà montré son efficacité dans le traitement de l'insuffisance respiratoire. L’introduction d’un poumon artificiel contribuera à éliminer le besoin de ventilateurs de transport plus massifs fonctionnant avec des bouteilles d’oxygène explosives.

Le poumon artificiel permet d'activer un patient autrement confiné dans une unité de soins intensifs au chevet ou dans un ventilateur de transport. Et avec l'activation, les chances de guérison et l'état psychologique augmentent.

Les patients en attente d'une greffe de poumon d'un donneur doivent généralement passer beaucoup de temps à l'hôpital sur un appareil d'oxygénation artificielle, à l'aide duquel vous ne pouvez que vous allonger dans un lit et regarder l'appareil respirer à votre place.

Le projet d’un poumon artificiel, capable de réaliser une insuffisance respiratoire prothétique, donne à ces patients une chance de se rétablir rapidement.

Le kit de poumon artificiel portable comprend le poumon lui-même et une pompe à sang. Le fonctionnement autonome est conçu pour une durée maximale de trois mois. La petite taille de l'appareil lui permet de remplacer le ventilateur de transport des services médicaux d'urgence.

Le travail des poumons repose sur une pompe portable qui enrichit le sang avec les gaz de l'air.

Certaines personnes (en particulier les nouveau-nés) n’ont pas besoin d’un apport à long terme en oxygène hautement concentré en raison de ses propriétés oxydantes.

Un autre analogue non standard de la ventilation mécanique utilisé dans les lésions médullaires graves est la stimulation électrique transcutanée des nerfs phréniques (« stimulation phrenicus »). Un massage pulmonaire transpleural a été développé selon V.P. Smolnikov - créant un état de pneumothorax pulsé dans les cavités pleurales.

Des poumons artificiels suffisamment petits pour être transportés dans un sac à dos ont déjà été testés avec succès sur des animaux. De tels dispositifs peuvent rendre la vie beaucoup plus confortable pour les personnes dont les poumons, pour une raison quelconque, ne fonctionnent pas correctement. Jusqu'à présent, des équipements très encombrants étaient utilisés à ces fins, mais un nouveau dispositif actuellement développé par les scientifiques peut changer cela une fois pour toutes.

Une personne dont les poumons sont incapables de remplir leur fonction principale est généralement connectée à des machines qui pompent leur sang à travers un échangeur de gaz, l'enrichissant en oxygène et en éliminant le dioxyde de carbone. Bien entendu, au cours de ce processus, la personne est obligée de s’allonger sur un lit ou un canapé. Et plus ils s’allongent longtemps, plus leurs muscles s’affaiblissent, ce qui rend la récupération peu probable. C’est précisément pour rendre les patients mobiles que des poumons artificiels compacts ont été développés. Le problème est devenu particulièrement urgent en 2009, lorsqu'il y a eu une épidémie de grippe porcine, à la suite de laquelle de nombreux patients ont souffert d'insuffisance pulmonaire.

Les poumons artificiels peuvent non seulement aider les patients à se remettre de certaines infections pulmonaires, mais également permettre aux patients d'attendre des poumons de donneurs appropriés pour une transplantation. Comme vous le savez, la file d'attente peut parfois durer plusieurs années. La situation est compliquée par le fait que les personnes souffrant d'insuffisance pulmonaire ont généralement également un cœur très affaibli, qui doit pomper le sang.

« Créer des poumons artificiels est une tâche bien plus difficile que concevoir un cœur artificiel. Le cœur pompe simplement le sang, tandis que les poumons constituent un réseau complexe d'alvioles au sein duquel se produit le processus d'échange gazeux. "Aujourd'hui, aucune technologie ne peut même se rapprocher de l'efficacité des vrais poumons", déclare William Federspiel, employé de l'Université de Pittsburgh.

L'équipe de William Federspiel a développé un poumon artificiel qui comprend une pompe (pour soutenir le cœur) et un échangeur de gaz, mais l'appareil est si compact qu'il peut facilement se glisser dans un petit sac ou un sac à dos. L'appareil est connecté à des tubes connectés au système circulatoire humain, enrichissant efficacement le sang en oxygène et en éliminant l'excès de dioxyde de carbone. Ce mois-ci, des tests réussis de l’appareil ont été réalisés sur quatre moutons expérimentaux, au cours desquels le sang des animaux a été saturé d’oxygène pendant différentes périodes. Ainsi, les scientifiques ont progressivement augmenté la durée de fonctionnement continu de l'appareil jusqu'à cinq jours.

Un modèle alternatif de poumons artificiels est en cours de développement par des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon de Pittsburgh. Cet appareil est principalement destiné aux patients dont le cœur est suffisamment sain pour pomper indépendamment le sang à travers un organe artificiel externe. L’appareil est relié de la même manière à des tubes directement reliés au cœur de la personne, après quoi il est attaché à son corps à l’aide de ceintures. Alors que les deux appareils nécessitent une source d’oxygène, autrement dit une bouteille portable supplémentaire. D’un autre côté, les scientifiques tentent actuellement de résoudre ce problème, et ils y parviennent assez bien.

À l’heure actuelle, les chercheurs testent un prototype de poumon artificiel qui ne nécessite plus de réservoir d’oxygène. Selon le communiqué officiel, la nouvelle génération de l'appareil sera encore plus compacte et l'oxygène sera libéré de l'air ambiant. Le prototype est actuellement testé sur des rats de laboratoire et donne des résultats vraiment impressionnants. Le secret du nouveau modèle de poumon artificiel réside dans l'utilisation de tubes ultrafins (seulement 20 micromètres) constitués de membranes polymères, qui augmentent considérablement la surface d'échange gazeux.