Znanstvenici su stvorili umjetna pluća. Oksigenacija krvi Suočavanje s problemima disanja bez rizika

Američki znanstvenici sa Sveučilišta Yale, predvođeni Laurom Niklason, napravili su iskorak: uspjeli su stvoriti umjetna pluća i presaditi ih štakorima. Pluća su također stvorena zasebno, radeći autonomno i oponašajući rad pravog organa.

Mora se reći da su ljudska pluća složen mehanizam. Površina jednog pluća kod odrasle osobe iznosi oko 70 četvornih metara, raspoređenih tako da omogućuju učinkovit prijenos kisika i ugljičnog dioksida između krvi i zraka. Ali plućno tkivo je teško obnoviti, tako da je trenutno jedini način zamjene oštećenih dijelova organa transplantacija. Ovaj postupak je vrlo riskantan zbog visokog postotka odbijanja. Prema statistikama, deset godina nakon transplantacije samo 10-20% pacijenata preživi.

Laura Niklason komentira: “Uspjeli smo dizajnirati i proizvesti pluća koja se mogu transplantirati u štakore, koja učinkovito prenose kisik i ugljični dioksid i oksigeniraju hemoglobin u krvi. Ovo je jedan od prvih koraka prema ponovnom stvaranju cijelih pluća kod većih životinja a u konačnici i kod ljudi.” .

Znanstvenici su uklonili stanične komponente iz pluća odraslog štakora, ostavljajući za sobom razgranate strukture plućnog trakta i krvnih žila koje su služile kao okvir za nova pluća. A u uzgoju plućnih stanica pomogao im je novi bioreaktor koji oponaša proces razvoja pluća u embriju. Kao rezultat toga, uzgojene stanice su transplantirane na pripremljenu skelu. Te su stanice ispunile izvanstanični matriks – strukturu tkiva koja osigurava mehaničku potporu i transport tvari. Presađena u štakore na 45 do 120 minuta, ova su umjetna pluća upijala kisik i izbacivala ugljični dioksid baš kao i prava.

No istraživači sa Sveučilišta Harvard uspjeli su simulirati rad pluća u autonomnom načinu rada u minijaturnom uređaju temeljenom na mikročipu. Primjećuju da sposobnost ovih pluća da apsorbiraju nanočestice u zraku i oponašaju upalni odgovor na patogene mikrobe predstavlja dokaz načela da bi organi na mikročipovima mogli zamijeniti laboratorijske životinje u budućnosti.

Zapravo, znanstvenici su stvorili uređaj za stijenku alveola, plućne vezikule kroz koje se odvija izmjena plinova s ​​kapilarama. Da bi to učinili, posadili su epitelne stanice iz alveola ljudskih pluća na sintetičku membranu s jedne strane i stanice plućnih žila s druge strane. Zrak se dovodi u plućne stanice u uređaju, tekućina koja simulira krv dovodi se u "posude", a periodično istezanje i kompresija prenosi proces disanja.

Kako bi testirali reakciju novih pluća na utjecaj, znanstvenici su ga prisilili da "udahne" bakteriju Escherichia coli zajedno sa zrakom koji je pao na stranu "pluća". I u isto vrijeme, sa strane "žila", istraživači su pustili bijele krvne stanice u tekućinu. Stanice pluća otkrile su prisutnost bakterija i pokrenule imunološki odgovor: bijele krvne stanice prešle su membranu na drugu stranu i uništile strane organizme.

Osim toga, znanstvenici su dodali nanočestice, uključujući tipične zagađivače zraka, u zrak koji "udiše" uređaj. Neke vrste ovih čestica ušle su u stanice pluća i izazvale upalu, a mnoge su slobodno prešle u “krvotok”. Istodobno, istraživači su otkrili da mehanički pritisak tijekom disanja značajno pojačava apsorpciju nanočestica.

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

Tim znanstvenika iz Kanade i Njemačke napravio je vanjska umjetna pluća za novorođenčad rođenu s respiratornim problemima. Nova vanjska pluća sustav su mikrokanala koji se sastoje od dvostrano poroznih membrana koje obogaćuju krv koja kroz njih teče kisikom. Krv teče kroz takve kanale sama, što je veliki plus i pomaže u izbjegavanju mnogih problema povezanih s vanjskim pumpama, navodi se u članku u Biomikrofluidika.

Sindrom respiratornog distresa (RDS) pojavljuje se u približno 60 posto novorođenčadi u 28. tjednu trudnoće, au 15-20 posto u 32.-36. tjednu. Međutim, budući da su pluća jedan od organa koji se razvijaju kasno u trudnoći, nedonoščad s RDS-om treba dodatnu vanjsku pomoć za oksigenaciju krvi dok njihova vlastita pluća ne budu u potpunosti samostalno obavljala svoje funkcije. Istodobno, postoje slučajevi kada mehanička ventilacija nije dovoljna, a liječnici su prisiljeni izravno obogatiti krv kisikom. U takvim slučajevima potrebno je protjerati bebinu krv kroz posebne membranske sustave u kojima je krv zasićena kisikom.

No, za razliku od odraslih, novorođenčad obično nema veći volumen krvi od 400-500 mililitara, što znači da je opasno koristiti više od 30-40 mililitara krvi kako bi se izbjeglo prekomjerno razrjeđivanje krvi i smanjenje hematokrita. za oksigenaciju izvan tijela. Ova činjenica ograničava vrijeme koje jedinica krvi može provesti izvan tijela, odnosno proces oksigenacije mora se odvijati prilično brzo. Osim toga, kako bi se izbjegle promjene tlaka koje se javljaju pri korištenju perfuzijske pumpe i mogu oštetiti krvne stanice, srce bi idealno trebalo pokretati krv kroz membranski sustav. I, iako to nije kritično, bilo bi dobro da membrane obogaćuju krv kisikom pomoću običnog zraka, a ne posebno pripremljene mješavine plinova ili čistog kisika.

Sve te zahtjeve znanstvenici su pokušali zadovoljiti pomoću koncepta umjetne placente. Uključuje izmjenu plinova između krvi i vanjskog izvora, bez miješanja djetetove krvi s drugim tekućinama (samo dodavanjem fiziološke otopine kako bi se održala količina tekućine koja cirkulira u krvnim žilama). Istodobno, budući da volumen krvi izvan tijela ne smije prelaziti 30 mililitara, potrebno je stvoriti strukturu u kojoj je, pri fiksnom volumenu, područje kontakta krvi s membranom za izmjenu plina maksimalno. Najlakši način da to učinite je da paralelopiped vrlo male visine ispunite krvlju, ali će takva struktura biti vrlo nestabilna. Upravo je činjenica da konstrukcija mora biti tanka, ali istovremeno izdržljiva, a također i izrađena od poroznih materijala, nametnula glavna ograničenja pri stvaranju umjetnih pluća.

Za učinkovitu izmjenu plina znanstvenici su postavili dvije četvrtaste (43x43 milimetra) porozne polidimetilsiloksanske membrane paralelno jednu s drugom, postavljajući između njih mrežu četvrtastih stupova sa stranicom od milimetra, tvoreći mnogo ravnih kanala okomitih jedan na drugi kroz koje teče krv. Osim mehaničkog zadržavanja membrana, ovi su stupovi pridonijeli i miješanju krvi, čineći je homogenijom u sastavu u cijelom sustavu. Također, za dovoljnu stabilnost konstrukcije, odsutnost deformacija tijekom rada i smanjenje utjecaja nedostataka, jedna od membrana mora biti dovoljno debela da osigura čvrstoću konstrukcije, ali u isto vrijeme dovoljno tanka kako bi se omogućila izmjena plinova. dogoditi kroz njega. Kako bi smanjili debljinu sloja polidimetilsiloksana bez gubitka mehaničkih svojstava, istraživači su u njega umetnuli mrežu armiranih čeličnih traka.

Ljudska pluća su parni organ koji se nalazi u prsima. Njihova glavna funkcija je disanje. Desno plućno krilo ima veći volumen u odnosu na lijevo. To je zbog činjenice da je ljudsko srce, koje se nalazi u sredini prsnog koša, pomaknuto na lijevu stranu. Volumen pluća je u prosjeku oko 3 litre, i među profesionalnim sportašima više od 8. Veličina pluća jedne žene otprilike odgovara staklenci od tri litre spljoštenoj s jedne strane, s masom 350 g. Za muškarce, ovi parametri su 10-15% više.

Formiranje i razvoj

Stvaranje pluća počinje u 16-18 dana embrionalni razvoj iz unutarnjeg dijela embrionalnog režnja – entoblasta. Od tog trenutka do otprilike drugog tromjesečja trudnoće razvija se bronhijalno stablo. Formiranje i razvoj alveola počinje već od sredine drugog tromjesečja. Do trenutka rođenja, struktura pluća bebe potpuno je identična onoj odrasle osobe. Treba samo napomenuti da prije prvog udisaja u plućima novorođenčeta nema zraka. A osjećaji tijekom prvog udaha za bebu slični su osjećajima odrasle osobe koja pokušava udahnuti vodu.

Povećanje broja alveola nastavlja se do 20-22 godine. To se događa posebno snažno u prvih godinu i pol do dvije godine života. A nakon 50 godina počinje proces involucije, uzrokovan promjenama vezanim uz dob. Kapacitet pluća i njihova veličina se smanjuju. Nakon 70 godina pogoršava se difuzija kisika u alveolama.

Struktura

Lijevo pluće sastoji se od dva režnja - gornjeg i donjeg. Desna, osim navedenog, ima i srednji režanj. Svaki od njih podijeljen je na segmente, a oni pak na labule. Kostur pluća sastoji se od razgranatih bronha poput stabla. Svaki bronh ulazi u tijelo pluća zajedno s arterijom i venom. No budući da su te vene i arterije iz plućne cirkulacije, tada kroz arterije teče krv zasićena ugljičnim dioksidom, a kroz vene krv obogaćena kisikom. Bronhi završavaju bronhiolama u labulama, tvoreći tucet i pol alveola u svakoj. U njima se odvija izmjena plinova.

Ukupna površina alveola na kojoj se odvija proces izmjene plinova nije konstantna i mijenja se sa svakom fazom udisaja i izdisaja. Na izdisaj je 35-40 m2, a na udisaj 100-115 m2.

Prevencija

Glavna metoda prevencije većine bolesti je prestanak pušenja i pridržavanje sigurnosnih pravila pri radu u opasnim industrijama. Začudo, ali Prestanak pušenja smanjuje rizik od raka pluća za 93%. Redovita tjelovježba, često izlaganje svježem zraku i zdrava prehrana gotovo svakome daju priliku izbjeći mnoge opasne bolesti. Uostalom, mnogi od njih se ne liječe, a može ih spasiti samo transplantacija pluća.

Transplantacija

Prvu operaciju presađivanja pluća u svijetu izveo je 1948. naš liječnik Demikhov. Od tada je broj takvih operacija u svijetu premašio 50 tisuća. Složenost ove operacije čak je nešto kompliciranija od transplantacije srca. Činjenica je da pluća, osim glavne funkcije disanja, imaju i dodatnu funkciju - proizvodnju imunoglobulina. A njegov zadatak je uništiti sve strano. A za transplantirana pluća, takvo strano tijelo može biti cijelo tijelo primatelja. Stoga je nakon transplantacije pacijent dužan doživotno uzimati imunosupresivne lijekove. Teškoća očuvanja donorskih pluća je još jedan komplicirajući čimbenik. Odvojeni od tijela, oni "žive" ne više od 4 sata. Možete presaditi jedno ili dva pluća. Operativni tim sastoji se od 35-40 visokokvalificiranih liječnika. Gotovo 75% transplantacija događa se zbog samo tri bolesti:
KOPB
Cistična fibroza
Hamman-Richov sindrom

Cijena takve operacije na Zapadu je oko 100 tisuća eura. Preživljenje pacijenata je 60%. U Rusiji se takve operacije izvode besplatno, a tek svaki treći primatelj preživi. I ako se u cijelom svijetu godišnje obavi više od 3000 transplantacija, onda ih je u Rusiji samo 15-20. Prilično snažan pad cijena donorskih organa u Europi i Sjedinjenim Državama zabilježen je tijekom aktivne faze rata u Jugoslaviji. Mnogi analitičari to pripisuju poslovima Hashima Thacija o prodaji živih Srba za organe. Što je, usput, potvrdila i Carla Del Ponte.

Umjetna pluća - panaceja ili znanstvena fantastika?

Godine 1952. u Engleskoj je izvedena prva operacija u svijetu pomoću ECMO-a. ECMO nije uređaj ili uređaj, već cijeli kompleks za zasićenje krvi pacijenta kisikom izvan njegovog tijela i uklanjanje ugljičnog dioksida iz njega. Ovaj iznimno složen proces bi, u principu, mogao poslužiti kao svojevrsna umjetna pluća. Samo se bolesnik našao prikovan za krevet i često bez svijesti. Ali uz korištenje ECMO-a, gotovo 80% pacijenata preživi sepsu, a više od 65% pacijenata s ozbiljnom ozljedom pluća. Sami ECMO kompleksi su vrlo skupi, a primjerice u Njemačkoj ih ima samo 5, a cijena zahvata je oko 17 tisuća dolara.

Godine 2002. Japan je objavio da testira uređaj sličan ECMO-u, samo veličine dvije kutije cigareta. Stvar nije otišla dalje od testiranja. Nakon 8 godina američki znanstvenici s instituta Yale stvorili su gotovo potpuna umjetna pluća. Napravljen je pola od sintetičkih materijala, a pola od živih stanica plućnog tkiva. Uređaj je testiran na štakoru i proizveo je specifični imunoglobulin kao odgovor na unošenje patoloških bakterija.

I doslovno godinu dana kasnije, 2011., već u Kanadi, znanstvenici su dizajnirali i testirali uređaj koji je bio bitno drugačiji od gore navedenog. Umjetna pluća koja su u potpunosti oponašala ljudska. Silikonske posude debljine do 10 mikrona, plinopropusna površina slična ljudskom organu. Što je najvažnije, ovaj uređaj, za razliku od drugih, nije zahtijevao čisti kisik i mogao je obogatiti krv kisikom iz zraka. I za rad mu nisu potrebni izvori energije trećih strana. Može se ugraditi u prsa. Ispitivanja na ljudima planirana su za 2020.

Ali za sada su to samo razvojni i eksperimentalni uzorci. I ove su godine znanstvenici sa Sveučilišta u Pittsburghu najavili uređaj PAAL. Ovo je isti ECMO kompleks, samo veličine nogometne lopte. Za obogaćivanje krvi potreban mu je čisti kisik, a može se koristiti samo ambulantno, ali pacijent ostaje pokretan. A danas je ovo najbolja alternativa ljudskim plućima.

Da upuhivanje zraka u pluća može oživjeti čovjeka poznato je od davnina, ali su se pomoćni uređaji za to počeli proizvoditi tek u srednjem vijeku. Godine 1530. Paracelsus je prvi put upotrijebio usni kanal s kožnim mijehom dizajniranim za raspirivanje vatre u kaminu. Trinaest godina kasnije, Vesaleus je objavio svoje djelo "O strukturi ljudskog tijela", u kojem je potkrijepio dobrobiti ventilacije pluća kroz cijev umetnutu u dušnik. A 2013. istraživači sa Sveučilišta Case Western Reserve stvorili su prototip umjetnih pluća. Uređaj koristi pročišćeni atmosferski zrak i ne zahtijeva koncentrirani kisik. Struktura uređaja nalikuje ljudskim plućima sa silikonskim kapilarama i alveolama, a radi na mehaničku pumpu. Biopolimerne cijevi oponašaju grananje bronha u bronhiole. U budućnosti se planira poboljšati uređaj s obzirom na kontrakcije miokarda. Mobilni uređaj najvjerojatnije može zamijeniti transportni ventilator.

Dimenzije umjetnog pluća su do 15x15x10 centimetara, a dimenzije se žele što više približiti ljudskom organu. Ogromno područje plinske difuzijske membrane osigurava 3-5 puta povećanje učinkovitosti izmjene kisika.

Uređaj se trenutno testira na svinjama, no testovi su već pokazali njegovu učinkovitost u liječenju zatajenja disanja. Uvođenje umjetnih pluća pomoći će eliminirati potrebu za masivnijim transportnim ventilatorima koji rade s eksplozivnim bocama s kisikom.

Umjetna pluća omogućuju aktiviranje pacijenta koji je inače vezan za jedinicu intenzivne njege uz krevet ili transportni ventilator. A s aktivacijom povećavaju se šanse za oporavak i psihičko stanje.

Pacijenti koji čekaju na transplantaciju donorskih pluća obično moraju dugo vremena provesti u bolnici na aparatu za umjetnu oksigenaciju, uz pomoć kojeg možete samo ležati u krevetu i gledati kako aparat diše umjesto vas.

Projekt umjetnih pluća, sposobnih za protetsko zatajenje dišnog sustava, ovim pacijentima daje priliku za brzi oporavak.

Prijenosni komplet za umjetna pluća uključuje sama pluća i krvnu pumpu. Autonomni rad je dizajniran do tri mjeseca. Mala veličina uređaja omogućuje zamjenu transportnog ventilatora hitne medicinske pomoći.

Rad pluća temelji se na prijenosnoj pumpi koja obogaćuje krv zračnim plinovima.

Nekim ljudima (osobito novorođenčadi) nije potrebna dugotrajna opskrba visoko koncentriranim kisikom zbog njegovih oksidacijskih svojstava.

Još jedan nestandardni analog mehaničke ventilacije koji se koristi za teške ozljede leđne moždine je transkutana električna stimulacija freničnih živaca ("frenikus stimulacija"). Razvijena je transpleuralna masaža pluća prema V.P. Smolnikovu - stvaranje stanja pulsirajućeg pneumotoraksa u pleuralnim šupljinama.

Umjetna pluća koja su dovoljno mala da se mogu nositi u ruksaku već su uspješno testirana na životinjama. Takvi uređaji mogu živote onih ljudi čija vlastita pluća iz bilo kojeg razloga ne funkcioniraju kako treba učiniti znatno ugodnijim. Do sada se u te svrhe koristila vrlo glomazna oprema, no novi uređaj koji znanstvenici upravo razvijaju to može jednom zauvijek promijeniti.

Osoba čija pluća ne mogu obavljati svoju primarnu funkciju obično je priključena na strojeve koji pumpaju njihovu krv kroz izmjenjivač plina, obogaćujući je kisikom i uklanjajući iz nje ugljični dioksid. Naravno, tijekom ovog procesa osoba je prisiljena ležati na krevetu ili kauču. A što dulje leže, mišići im postaju slabiji, pa je oporavak malo vjerojatan. Upravo kako bi pacijenti bili pokretljivi razvijena su kompaktna umjetna pluća. Problem je postao posebno aktualan 2009. godine, kada je izbila svinjska gripa, zbog čega su mnogi pacijenti patili od zatajenja pluća.

Umjetna pluća ne samo da mogu pomoći pacijentima u oporavku od nekih plućnih infekcija, već i omogućiti pacijentima da čekaju na odgovarajuća pluća donora za transplantaciju. Kao što znate, red čekanja ponekad može trajati mnogo godina. Situacija je komplicirana činjenicom da ljudi s otkazujućim plućima u pravilu imaju i jako oslabljeno srce koje mora pumpati krv.

“Stvaranje umjetnih pluća mnogo je teži zadatak od dizajna umjetnog srca. Srce jednostavno pumpa krv, dok su pluća složena mreža alviola, unutar kojih se odvija proces izmjene plinova. “Danas ne postoji tehnologija koja se čak može približiti učinkovitosti pravih pluća”, kaže William Federspiel, zaposlenik na Sveučilištu u Pittsburghu.

Tim Williama Federspiela razvio je umjetna pluća koja uključuju pumpu (za podršku srcu) i izmjenjivač plina, no uređaj je toliko kompaktan da lako stane u malu torbu ili ruksak. Uređaj je spojen na cijevi povezane s ljudskim krvožilnim sustavom, učinkovito obogaćujući krv kisikom i uklanjajući iz nje višak ugljičnog dioksida. Ovog mjeseca dovršena su uspješna testiranja uređaja na četiri pokusne ovce, tijekom kojih je krv životinja bila zasićena kisikom u različitim vremenskim razdobljima. Tako su znanstvenici postupno povećali vrijeme neprekidnog rada uređaja na pet dana.

Alternativni model umjetnih pluća razvijaju istraživači sa Sveučilišta Carnegie Mellon u Pittsburghu. Ovaj uređaj namijenjen je prvenstveno onim pacijentima čije je srce dovoljno zdravo da samostalno pumpa krv kroz vanjski umjetni organ. Uređaj je na isti način spojen na cijevi izravno povezane sa srcem osobe, nakon čega se pojasevima pričvršćuje za njegovo tijelo. Dok oba uređaja zahtijevaju izvor kisika, drugim riječima, dodatni prijenosni cilindar. S druge strane, znanstvenici trenutno pokušavaju riješiti ovaj problem i u tome prilično uspijevaju.

Upravo sada istraživači testiraju prototip umjetnih pluća za koje više nije potreban spremnik kisika. Prema službenom priopćenju, nova generacija uređaja bit će još kompaktnija, a kisik će se oslobađati iz okolnog zraka. Prototip se trenutno testira na laboratorijskim štakorima i pokazuje doista impresivne rezultate. Tajna novog modela umjetnih pluća je korištenje ultratankih (samo 20 mikrometara) cijevi izrađenih od polimernih membrana koje značajno povećavaju površinu izmjene plinova.