Naukowcy stworzyli sztuczne płuco. Dotlenienie krwi Radzenie sobie z problemami z oddychaniem bez ryzyka

Amerykańscy naukowcy z Uniwersytetu Yale pod przewodnictwem Laury Niklason dokonali przełomu: udało im się stworzyć sztuczne płuco i przeszczepić je szczurom. Oddzielnie stworzono także płuco, które działa autonomicznie i symuluje pracę prawdziwego narządu.

Trzeba powiedzieć, że ludzkie płuco jest złożonym mechanizmem. Powierzchnia jednego płuca u osoby dorosłej wynosi około 70 metrów kwadratowych i jest rozmieszczona tak, aby umożliwić efektywny transfer tlenu i dwutlenku węgla pomiędzy krwią a powietrzem. Ale tkankę płucną trudno jest przywrócić, dlatego w tej chwili jedynym sposobem na zastąpienie uszkodzonych obszarów narządu jest przeszczep. Procedura ta jest bardzo ryzykowna ze względu na wysoki odsetek odmów. Według statystyk po dziesięciu latach od przeszczepienia przy życiu pozostaje jedynie 10–20% pacjentów.

Laura Niklason komentuje: „Udało nam się zaprojektować i wyprodukować płuco, które można przeszczepić szczurom, skutecznie transportując tlen i dwutlenek węgla oraz dotleniając hemoglobinę we krwi. Jest to jeden z pierwszych kroków w kierunku odtworzenia całego płuca u większych zwierząt i ostatecznie u ludzi.”

Naukowcy usunęli składniki komórkowe z płuc dorosłego szczura, pozostawiając rozgałęzione struktury dróg płucnych i naczyń krwionośnych, które stanowiły szkielet dla nowych płuc. W hodowli komórek płuc pomógł im nowy bioreaktor imitujący proces rozwoju płuc u zarodka. W rezultacie wyhodowane komórki przeszczepiono na przygotowane rusztowanie. Komórki te wypełniły macierz zewnątrzkomórkową – strukturę tkankową zapewniającą mechaniczne wsparcie i transport substancji. Te sztuczne płuca, przeszczepione szczurom na 45 do 120 minut, wchłaniały tlen i wydalały dwutlenek węgla, zupełnie jak prawdziwe.

Jednak naukowcom z Uniwersytetu Harvarda udało się zasymulować pracę płuc w trybie autonomicznym w miniaturowym urządzeniu opartym na mikrochipie. Zauważają, że zdolność tego płuca do wchłaniania nanocząstek z powietrza i naśladowania reakcji zapalnej na drobnoustroje chorobotwórcze stanowi dowód na to, że narządy na mikrochipach mogą w przyszłości zastąpić zwierzęta laboratoryjne.

Właściwie naukowcy stworzyli urządzenie do ściany pęcherzyków płucnych, pęcherzyka płucnego, przez który zachodzi wymiana gazowa z naczyniami włosowatymi. W tym celu posadzili komórki nabłonkowe z pęcherzyków płucnych człowieka na syntetycznej membranie z jednej strony i komórki naczyń płucnych z drugiej. Powietrze dostarczane jest do komórek płuc w urządzeniu, płyn symulujący krew dostarczany jest do „naczyń”, a okresowe rozciąganie i ściskanie przekazuje proces oddychania.

Aby sprawdzić reakcję nowych płuc na wpływ, naukowcy zmusili go do „wdychania” bakterii Escherichia coli wraz z powietrzem, które opadało po „płucnej” stronie. Jednocześnie od strony „naczyń” badacze wypuścili do strumienia cieczy białe krwinki. Komórki płuc wykryły obecność bakterii i uruchomiły odpowiedź immunologiczną: białe krwinki przedostały się przez błonę na drugą stronę i zniszczyły obce organizmy.

Ponadto naukowcy dodali do powietrza „wdychanego” przez urządzenie nanocząstki, w tym typowe zanieczyszczenia powietrza. Niektóre rodzaje tych cząstek przedostały się do komórek płuc i spowodowały stan zapalny, a wiele z nich swobodnie przedostało się do „krwioobiegu”. Jednocześnie naukowcy odkryli, że ciśnienie mechaniczne podczas oddychania znacząco zwiększa wchłanianie nanocząstek.

Mohammadhossein Dabaghi ​​i in. \Biomikrofluidyka 2018

Zespół naukowców z Kanady i Niemiec stworzył zewnętrzne sztuczne płuca dla noworodków urodzonych z problemami układu oddechowego. Nowe płuca zewnętrzne to układ mikrokanalików składający się z dwustronnych porowatych błon, które wzbogacają przepływającą przez nie krew w tlen. Krew przepływa takimi kanałami samodzielnie, co jest ogromnym plusem i pozwala uniknąć wielu problemów związanych z pompami zewnętrznymi – czytamy w artykule w Biomikrofluidyka.

Zespół zaburzeń oddechowych (RDS) występuje u około 60 procent noworodków w 28 tygodniu ciąży i u 15–20 procent w 32–36 tygodniu ciąży. Ponieważ jednak płuca są jednym z narządów rozwijających się pod koniec ciąży, wcześniaki z RDS potrzebują dodatkowej pomocy z zewnątrz, aby natlenić krew, dopóki ich własne płuca nie będą mogły w pełni samodzielnie wykonywać swoich funkcji. Jednocześnie zdarzają się przypadki, gdy wentylacja mechaniczna nie wystarcza, a lekarze zmuszeni są bezpośrednio wzbogacać krew w tlen. W takich przypadkach konieczne jest przepuszczenie krwi dziecka przez specjalne układy membranowe, w których krew jest nasycona tlenem.

Ale w przeciwieństwie do dorosłych noworodki mają zwykle objętość krwi nie większą niż 400–500 mililitrów, co oznacza, że ​​​​aby uniknąć nadmiernego rozcieńczenia krwi i zmniejszenia hematokrytu, niebezpieczne jest użycie więcej niż 30–40 mililitrów krwi do dotlenienia poza organizmem. Fakt ten ogranicza czas, jaki jednostka krwi może spędzić poza organizmem, czyli proces dotlenienia musi zachodzić dość szybko. Ponadto, aby uniknąć zmian ciśnienia, które występują podczas korzystania z pompy perfuzyjnej i mogą spowodować uszkodzenie komórek krwi, w idealnym przypadku serce powinno przepuszczać krew przez układ membran. I choć nie jest to krytyczne, dobrze byłoby, gdyby membrany mogły wzbogacać krew w tlen za pomocą zwykłego powietrza, a nie specjalnie przygotowanej mieszaniny gazów lub czystego tlenu.

Naukowcy starali się spełnić wszystkie te wymagania, wykorzystując koncepcję sztucznego łożyska. Polega na wymianie gazów pomiędzy krwią a źródłem zewnętrznym, bez mieszania krwi dziecka z innymi płynami (wyłącznie poprzez dodanie roztworu soli fizjologicznej w celu utrzymania ilości płynu krążącego w naczyniach krwionośnych). Jednocześnie, ponieważ objętość krwi na zewnątrz ciała nie powinna przekraczać 30 mililitrów, konieczne jest stworzenie struktury, w której przy ustalonej objętości powierzchnia kontaktu krwi z membraną wymiany gazowej jest maksymalna. Najłatwiej to zrobić, wypełniając krwią równoległościan o bardzo małej wysokości, ale taka konstrukcja będzie bardzo niestabilna. To właśnie fakt, że konstrukcja musiała być cienka, ale jednocześnie trwała, a także wykonana z porowatych materiałów, narzucał główne ograniczenia w tworzeniu sztucznych płuc.

Aby wymiana gazowa była skuteczna, naukowcy umieścili równolegle do siebie dwie kwadratowe (43x43 milimetry) porowate membrany z polidimetylosiloksanu, umieszczając pomiędzy nimi sieć kwadratowych kolumn o boku milimetra, tworzących wiele prostych, prostopadłych do siebie kanałów, przez które przepływa krew. Oprócz mechanicznego utrzymywania membran kolumny te przyczyniają się również do mieszania krwi, czyniąc ją bardziej jednorodną pod względem składu w całym systemie. Również dla wystarczającej stabilności konstrukcji, braku odkształceń podczas eksploatacji i ograniczenia wpływu defektów, jedna z membran musi być na tyle gruba, aby zapewnić wytrzymałość konstrukcji, ale jednocześnie na tyle cienka, aby możliwa była wymiana gazowa przez to nastąpić. Aby zmniejszyć grubość warstwy polidimetylosiloksanu bez utraty właściwości mechanicznych, badacze włożyli w nią sieć wzmocnionych stalowych pasków.

Ludzkie płuca to sparowany narząd znajdujący się w klatce piersiowej. Ich główną funkcją jest oddychanie. Prawe płuco ma większą objętość w porównaniu do lewego. Wynika to z faktu, że serce człowieka, znajdujące się pośrodku klatki piersiowej, jest przesunięte w lewą stronę. Objętość płuc wynosi średnio ok 3 litry oraz wśród zawodowych sportowców więcej niż 8. Wielkość płuc jednej kobiety odpowiada w przybliżeniu trzylitrowemu słoikowi spłaszczonemu z jednej strony, o masie 350 gr. Dla mężczyzn te parametry są 10-15% więcej.

Formacja i rozwój

Tworzenie się płuc rozpoczyna się o godz 16-18 dzień rozwój embrionalny z wewnętrznej części płata embrionalnego - entoblastu. Od tego momentu aż do mniej więcej drugiego trymestru ciąży rozwija się drzewo oskrzelowe. Tworzenie i rozwój pęcherzyków rozpoczyna się już od połowy drugiego trymestru. Do chwili urodzenia struktura płuc dziecka jest całkowicie identyczna jak u osoby dorosłej. Należy jedynie zauważyć, że przed pierwszym oddechem w płucach noworodka nie ma powietrza. A wrażenia podczas pierwszego wdechu u dziecka są podobne do odczuć osoby dorosłej, która próbuje wdychać wodę.

Wzrost liczby pęcherzyków płucnych trwa do 20-22 lat. Dzieje się to szczególnie silnie w ciągu pierwszego półtora do dwóch lat życia. A po 50 latach rozpoczyna się proces inwolucji, spowodowany zmianami związanymi z wiekiem. Zmniejsza się pojemność płuc i ich wielkość. Po 70 latach dyfuzja tlenu w pęcherzykach płucnych pogarsza się.

Struktura

Lewe płuco składa się z dwóch płatów - górnego i dolnego. Prawy oprócz powyższego ma również płat środkowy. Każdy z nich jest podzielony na segmenty, a te z kolei na wargi. Szkielet płuc składa się z drzewiastych, rozgałęzionych oskrzeli. Każde oskrzele wchodzi do ciała płuc wraz z tętnicą i żyłą. Ale ponieważ te żyły i tętnice pochodzą z krążenia płucnego, wówczas krew nasycona dwutlenkiem węgla przepływa przez tętnice, a krew wzbogacona w tlen przepływa przez żyły. Oskrzela kończą się oskrzelikami w wargach, tworząc w każdym półtora tuzina pęcherzyków płucnych. Zachodzi w nich wymiana gazowa.

Całkowita powierzchnia pęcherzyków, na których zachodzi proces wymiany gazowej, nie jest stała i zmienia się wraz z każdą fazą wdechu i wydechu. Na wydechu jest to 35-40 m2, a na wdechu 100-115 m2.

Zapobieganie

Główną metodą zapobiegania większości chorób jest rzucenie palenia i przestrzeganie zasad bezpieczeństwa podczas pracy w niebezpiecznych branżach. Zaskakujące, ale Rzucenie palenia zmniejsza ryzyko raka płuc o 93%. Regularne ćwiczenia, częste przebywanie na świeżym powietrzu i zdrowa dieta dają niemal każdemu szansę uniknięcia wielu groźnych chorób. Przecież wielu z nich nie jest leczonych, a uratować może je tylko przeszczep płuc.

Przeszczep

Pierwszą na świecie operację przeszczepienia płuc wykonał w 1948 roku nasz lekarz Demichow. Od tego czasu liczba takich operacji na świecie przekroczyła 50 tys. Złożoność tej operacji jest nawet nieco bardziej skomplikowana niż przeszczep serca. Faktem jest, że płuca, oprócz głównej funkcji oddychania, pełnią także dodatkową funkcję - produkcję immunoglobulin. A jego zadaniem jest zniszczenie wszystkiego, co obce. A w przypadku przeszczepionych płuc takim ciałem obcym może okazać się całe ciało biorcy. Dlatego po przeszczepieniu pacjent ma obowiązek do końca życia przyjmować leki immunosupresyjne. Kolejnym czynnikiem komplikującym jest trudność w zachowaniu płuc dawcy. Oddzielone od ciała „żyją” nie dłużej niż 4 godziny. Można przeszczepić jedno lub dwa płuca. Zespół operacyjny składa się z 35-40 wysoko wykwalifikowanych lekarzy. Prawie 75% przeszczepów przeprowadza się z powodu zaledwie trzech chorób:
POChP
Mukowiscydoza
Zespół Hammana-Richa

Koszt takiej operacji na Zachodzie to około 100 tysięcy euro. Przeżycie pacjentów wynosi 60%. W Rosji takie operacje są wykonywane bezpłatnie, a przeżywa tylko co trzeci odbiorca. A jeśli na całym świecie przeprowadza się rocznie ponad 3000 przeszczepów, to w Rosji jest ich tylko 15–20. Dość silny spadek cen narządów dawców w Europie i Stanach Zjednoczonych zaobserwowano w aktywnej fazie wojny w Jugosławii. Wielu analityków przypisuje to działalności Hashima Thaci polegającej na sprzedaży żywych Serbów w celu uzyskania organów. Co swoją drogą potwierdziła Carla Del Ponte.

Sztuczne płuca – panaceum czy science fiction?

W 1952 roku w Anglii przeprowadzono pierwszą na świecie operację z użyciem ECMO. ECMO nie jest urządzeniem ani urządzeniem, ale całym kompleksem nasycającym krew pacjenta tlenem poza jego ciałem i usuwającym z niego dwutlenek węgla. Ten niezwykle złożony proces mógłby w zasadzie służyć za rodzaj sztucznego płuca. Jedynie pacjent był przykuty do łóżka i często nieprzytomny. Jednak dzięki zastosowaniu ECMO prawie 80% pacjentów przeżywa sepsę, a ponad 65% pacjentów z poważnym uszkodzeniem płuc. Same kompleksy ECMO są bardzo drogie, np. w Niemczech jest ich tylko 5, a koszt zabiegu to około 17 tysięcy dolarów.

W 2002 roku Japonia ogłosiła, że ​​testuje urządzenie podobne do ECMO, tyle że wielkości dwóch paczek papierosów. Sprawa nie poszła dalej niż testy. Po 8 latach amerykańscy naukowcy z Instytutu Yale stworzyli niemal kompletne sztuczne płuco. Został wykonany w połowie z materiałów syntetycznych, a w połowie z żywych komórek tkanki płucnej. Urządzenie zostało przetestowane na szczurze i w odpowiedzi na wprowadzenie patologicznych bakterii wytworzyło specyficzną immunoglobulinę.

I dosłownie rok później, w 2011 roku, już w Kanadzie naukowcy zaprojektowali i przetestowali urządzenie, które zasadniczo różniło się od powyższych. Sztuczne płuco całkowicie imitujące ludzkie. Naczynia silikonowe o grubości do 10 mikronów, powierzchni przepuszczającej gaz podobnej do ludzkiego narządu. Co najważniejsze, urządzenie to w przeciwieństwie do innych nie wymagało czystego tlenu i było w stanie wzbogacić krew tlenem z powietrza. I nie potrzebuje zewnętrznych źródeł energii do działania. Można go wszczepić w klatkę piersiową. Próby na ludziach planowane są na rok 2020.

Ale na razie to wszystko tylko opracowania i próbki eksperymentalne. W tym roku naukowcy z Uniwersytetu w Pittsburghu ogłosili urządzenie PAAL. To ten sam kompleks ECMO, tylko wielkości piłki nożnej. Aby wzbogacić krew, potrzebuje czystego tlenu i można go stosować wyłącznie w warunkach ambulatoryjnych, ale pacjent pozostaje mobilny. A dziś jest to najlepsza alternatywa dla ludzkich płuc.

Fakt, że wdychanie powietrza do płuc może ożywić człowieka, był znany od czasów starożytnych, ale urządzenia pomocnicze do tego zaczęto produkować dopiero w średniowieczu. W 1530 roku Paracelsus po raz pierwszy użył przewodu ustnego ze skórzanymi miechami, przeznaczonego do podsycania ognia w kominku. Trzynaście lat później Vesaleus opublikował swoją pracę „O strukturze ludzkiego ciała”, w której uzasadnił korzyści płynące z wentylacji płuc przez rurkę wprowadzoną do tchawicy. W 2013 roku naukowcy z Case Western Reserve University stworzyli prototyp sztucznego płuca. Urządzenie wykorzystuje oczyszczone powietrze atmosferyczne i nie wymaga stężonego tlenu. Urządzenie budową przypomina ludzkie płuco z silikonowymi kapilarami i pęcherzykami płucnymi i działa na zasadzie pompy mechanicznej. Rurki biopolimerowe imitują rozgałęzienie oskrzeli w oskrzeliki. W przyszłości planowane jest udoskonalenie urządzenia pod kątem skurczów mięśnia sercowego. Urządzenie mobilne najprawdopodobniej może zastąpić respirator transportowy.

Wymiary sztucznego płuca wynoszą do 15 x 15 x 10 centymetrów; chcą, aby jego wymiary były jak najbardziej zbliżone do ludzkiego narządu. Ogromna powierzchnia membrany dyfuzyjnej gazu zapewnia 3-5-krotny wzrost efektywności wymiany tlenu.

Urządzenie jest obecnie testowane na świniach, ale badania wykazały już jego skuteczność w leczeniu niewydolności oddechowej. Wprowadzenie sztucznego płuca pomoże wyeliminować potrzebę stosowania masywniejszych respiratorów transportowych, które działają z wybuchowymi butlami z tlenem.

Sztuczne płuco umożliwia aktywację pacjenta, który w przeciwnym razie przebywałby na oddziale intensywnej terapii lub pod respiratorem transportowym. A wraz z aktywacją wzrasta szansa na wyzdrowienie i stan psychiczny.

Pacjenci oczekujący na przeszczep płuc dawcy zazwyczaj muszą spędzić dużo czasu w szpitalu na aparacie do sztucznego natleniania, przy użyciu którego można jedynie leżeć w łóżku i patrzeć, jak maszyna za ciebie oddycha.

Projekt sztucznego płuca, zdolnego do protetycznej niewydolności oddechowej, daje tym pacjentom szansę na szybki powrót do zdrowia.

Przenośny zestaw do sztucznego płuca zawiera samo płuco i pompę krwi. Autonomiczna praca jest zaprojektowana na okres do trzech miesięcy. Niewielkie rozmiary urządzenia pozwalają na zastąpienie respiratora transportowego służb ratownictwa medycznego.

Praca płuc opiera się na przenośnej pompie, która wzbogaca krew w gazy powietrzne.

Niektóre osoby (zwłaszcza noworodki) nie wymagają długotrwałego dostarczania wysokoskoncentrowanego tlenu ze względu na jego właściwości utleniające.

Innym niestandardowym odpowiednikiem wentylacji mechanicznej stosowanej w przypadku ciężkich uszkodzeń rdzenia kręgowego jest przezskórna elektryczna stymulacja nerwów przeponowych („stymulacja przepony”). Opracowano przezopłucnowy masaż płuc według V.P. Smolnikowa - wywołujący stan pulsującej odmy opłucnowej.

Sztuczne płuca, które są na tyle małe, że można je nosić w plecaku, zostały już z sukcesem przetestowane na zwierzętach. Takie urządzenia mogą sprawić, że życie osób, których płuca z jakiegoś powodu nie funkcjonują prawidłowo, będzie znacznie wygodniejsze. Do tej pory wykorzystywano do tych celów bardzo uciążliwy sprzęt, jednak nowe urządzenie, nad którym pracują naukowcy, może raz na zawsze to zmienić.

Osoba, której płuca nie są w stanie wykonywać swojej podstawowej funkcji, jest zwykle podłączona do maszyn, które pompują jej krew przez wymiennik gazowy, wzbogacając ją w tlen i usuwając z niej dwutlenek węgla. Oczywiście podczas tego procesu osoba zmuszona jest położyć się na łóżku lub kanapie. Im dłużej leżą, tym słabsze stają się ich mięśnie, przez co powrót do zdrowia jest mało prawdopodobny. Właśnie po to, aby zapewnić pacjentom mobilność, opracowano kompaktowe sztuczne płuca. Problem stał się szczególnie palący w 2009 roku, kiedy wybuchła epidemia świńskiej grypy, w wyniku której wielu pacjentów cierpiało na niewydolność płuc.

Sztuczne płuca mogą nie tylko pomóc pacjentom w wyzdrowieniu po niektórych infekcjach płuc, ale także umożliwić pacjentom oczekiwanie na płuca odpowiedniego dawcy do przeszczepienia. Jak wiadomo, kolejka potrafi czasem trwać wiele lat. Sytuację komplikuje fakt, że osoby z niewydolnymi płucami z reguły mają także znacznie osłabione serce, które musi pompować krew.

„Stworzenie sztucznych płuc jest zadaniem znacznie trudniejszym niż zaprojektowanie sztucznego serca. Serce po prostu pompuje krew, natomiast płuca stanowią złożoną sieć pęcherzyków płucnych, w obrębie których zachodzi proces wymiany gazowej. „Dzisiaj nie ma technologii, która mogłaby nawet zbliżyć się do wydajności prawdziwych płuc” – mówi William Federspiel, pracownik Uniwersytetu w Pittsburghu.

Zespół Williama Federspiela opracował sztuczne płuco, które zawiera pompę (podtrzymującą serce) i wymiennik gazowy, ale urządzenie jest tak kompaktowe, że z łatwością zmieści się w małej torbie lub plecaku. Urządzenie połączone jest z rurkami podłączonymi do układu krążenia człowieka, skutecznie wzbogacając krew w tlen i usuwając z niej nadmiar dwutlenku węgla. W tym miesiącu zakończono pomyślnie testy urządzenia na czterech doświadczalnych owcach, podczas których krew zwierząt nasycano tlenem przez różne okresy czasu. W ten sposób naukowcy stopniowo zwiększali czas ciągłej pracy urządzenia do pięciu dni.

Naukowcy z Carnegie Mellon University w Pittsburghu opracowują alternatywny model sztucznych płuc. Urządzenie to przeznaczone jest przede wszystkim dla pacjentów, których serce jest na tyle zdrowe, że może samodzielnie pompować krew przez zewnętrzny sztuczny narząd. Urządzenie podłącza się w ten sam sposób do rurek bezpośrednio podłączonych do serca człowieka, po czym mocuje się je do jego ciała za pomocą pasów. Obydwa urządzenia wymagają natomiast źródła tlenu, czyli dodatkowej przenośnej butli. Z drugiej strony naukowcy obecnie próbują rozwiązać ten problem i udaje im się to.

Obecnie naukowcy testują prototypowe sztuczne płuco, które nie wymaga już zbiornika z tlenem. Według oficjalnego komunikatu nowa generacja urządzenia będzie jeszcze bardziej kompaktowa, a tlen będzie uwalniany z otaczającego powietrza. Prototyp jest obecnie testowany na szczurach laboratoryjnych i wykazuje naprawdę imponujące wyniki. Sekretem nowego modelu sztucznego płuca jest zastosowanie ultracienkich (tylko 20 mikrometrów) rurek wykonanych z membran polimerowych, które znacznie zwiększają powierzchnię wymiany gazowej.