Organele artificiale sunt dispozitive concepute pentru a înlocui temporar sau permanent funcțiile organelor native ale primitorului . Poate fi atât permanent, cât și temporar; atât interne (de implantat în corp) cât și externe [1] .
Prin definiție, se înțelege că dispozitivul nu ar trebui să fie permanent legat de o sursă de alimentare staționară sau alte manipulări staționare, cum ar fi schimbarea filtrului sau procedurile de tratament chimic. (Încărcarea rapidă periodică a bateriilor, reumplerea cu substanțe chimice și/sau curățarea/înlocuirea filtrelor cu excepția unui dispozitiv numit organ artificial.) [2] Astfel, aparatul de dializă este un dispozitiv de susținere a vieții de mare succes și critic, înlocuind aproape complet funcțiile rinichilor , dar nu este un organ artificial.
Fabricarea și instalarea organelor artificiale, inițial extrem de laborioase și costisitoare, pot necesita ani de întreținere constantă pe care un organ natural nu are nevoie. [3]
Utilizarea de către om a oricărui organ artificial precede aproape întotdeauna experimentarea extinsă pe animale. [4] [5] [6] Testarea umană este adesea limitată la cei care sunt bolnavi în stadiu terminal sau care nu au fost ajutați de alte tratamente.
Brațele și picioarele artificiale, sau protezele, sunt concepute pentru a restabili funcția membrelor amputate. Dispozitivele mecanice care permit persoanelor amputate să meargă din nou sau să continue să folosească două mâini au fost probabil folosite încă din cele mai vechi timpuri, [7] dintre care cea mai faimoasă era o simplă bucată de lemn. De atunci, dezvoltarea protezelor a progresat rapid. Materialele plastice și alte materiale , cum ar fi fibra de carbon , au permis membrelor artificiale să devină mai puternice și mai ușoare, limitând cantitatea de forță necesară pentru a opera membrul. Materialele suplimentare au permis protezelor să arate mult mai realiste. [8] Protezele pot fi clasificate aproximativ în membre superioare și inferioare și pot lua o varietate de forme și dimensiuni.
Noile progrese în protetică includ niveluri suplimentare de integrare cu corpul uman. Electrozii pot fi plasați în țesutul neural , iar trunchiul poate fi antrenat pentru a controla proteza. Această tehnologie a fost folosită atât la animale, cât și la oameni. [9] Proteza poate fi controlată direct de creier sau de un implant în diverși mușchi. [zece]
Cele două metode principale de înlocuire a funcției vezicii urinare implică fie redirecționarea fluxului de urină, fie înlocuirea completă a vezicii urinare. [11] Metodele standard pentru înlocuirea vezicii urinare includ fabricarea unui sac vezical din țesutul intestinal. [11] Începând cu 2017, s-au făcut încercări de creștere a vezicii urinare folosind celule stem în studii clinice , dar această procedură a fost experimentală . [12] [13]
Neuroprotezele sunt o serie de dispozitive care pot înlocui o capacitate motrică, senzorială sau cognitivă care ar fi putut fi afectată de o leziune sau o boală.
Neurostimulatorii, inclusiv stimulatorii creierului profund, trimit impulsuri electrice către creier pentru a trata tulburările neurologice și de mișcare, inclusiv boala Parkinson , epilepsia, depresia rezistentă la tratament și alte afecțiuni precum incontinența urinară. În loc să înlocuiască rețelele neuronale existente pentru a restabili funcționarea, este mai probabil ca aceste dispozitive să intervină în centrii nervoși care funcționează defectuos pentru a ameliora simptomele . [14] [15] [16]
Oamenii de știință au creat în 2013 un mini-creier care a dezvoltat componente neurologice cheie înainte de stadiile incipiente ale maturizării fetale. [17]
Pentru tratamentul disfuncției erectile, ambii corpi cavernosi pot fi înlocuiți definitiv chirurgical cu implanturi peniane gonflabile . Aceasta este o operație terapeutică radicală, rezervată doar bărbaților care suferă de disfuncție sexuală, care nu sunt potrivite pentru toate celelalte abordări de tratament. O pompă implantată în zona inghinală sau scrot poate fi manipulată manual pentru a umple aceste rezervoare artificiale, care sunt înlocuitori pentru corpul cavernos natural, din rezervorul implantat pentru a obține o erecție. [optsprezece]
Bărbații care au suferit anomalii testiculare ca urmare a malformațiilor congenitale sau a traumatismelor au putut înlocui testiculul deteriorat cu o proteză testiculară. Deși proteza nu restabilește funcția biologică de reproducere, s-a dovedit că dispozitivul îmbunătățește sănătatea mintală a acestor pacienți. [19]
În cazurile în care o persoană este complet surdă sau cu probleme de auz la ambele urechi, un implant cohlear poate fi implantat chirurgical . Implanturile cohleare înconjoară cea mai mare parte a sistemului auditiv periferic, oferind o senzație de sunet printr-un microfon și unele componente electronice care stau în afara pielii, de obicei în spatele urechii. Componentele externe transmit un semnal către o serie de electrozi plasați în carcasă, care la rândul lor stimulează nervul urechii. [douăzeci]
În cazul unei leziuni a urechii externe, poate fi necesară o proteză cranio-facială.
Până în prezent, cel mai de succes înlocuitor al funcției ochiului este o cameră digitală externă miniaturizată cu o interfață electronică unidirecțională la distanță implantată în retină, nervul optic sau alte zone relevante din creier. Stadiul actual al tehnicii oferă doar funcționalitate parțială, cum ar fi recunoașterea nivelurilor de luminozitate, a modelelor de culoare și/sau a formelor geometrice de bază, demonstrând potențialul conceptului. [21]
Diferiți cercetători au demonstrat că retina realizează preprocesarea strategică a imaginii pentru creier. Problema creării unui ochi electronic artificial complet funcțional este și mai dificilă. Progresele în conectarea artificială la retină, nervul optic sau zonele conexe ale creierului, combinate cu progresele actuale în informatică, sunt de așteptat să îmbunătățească semnificativ performanța acestei tehnologii.
Organele artificiale cardiovasculare sunt implantate în cazurile în care inima , valvele sale sau o altă parte a sistemului circulator sunt afectate ireversibil. O inimă artificială este de obicei folosită pentru a aștepta temporar un transplant de inimă sau dacă înlocuirea permanentă a inimii nu este posibilă. Stimulatoarele cardiace artificiale sunt un dispozitiv cardiovascular care poate fi implantat pentru creșterea intermitentă ( mod defibrilator ), creșterea continuă sau ocolirea completă a stimulatorului cardiac viu natural al inimii, după cum este necesar. Dispozitivele de suport ventricular sunt o altă alternativă, acționând ca dispozitive circulatorii mecanice care înlocuiesc parțial sau complet funcția insuficienței cardiace fără a îndepărta inima în sine. [22]
În plus, sunt cercetate inimile de laborator și inimile bioprintate 3D. În prezent, oamenii de știință sunt limitati în capacitatea lor de a crește și de a imprima inimi din cauza dificultății de a face ca vasele de sânge și țesuturile să lucreze împreună. [23] [24] [25]
Sa raportat că oamenii de știință de la Universitatea din California din San Francisco dezvoltă un rinichi artificial implantabil. [26] Din 2018, acești oameni de știință au făcut progrese semnificative, dar încă caută modalități de a preveni coagularea sângelui asociată cu implantul lor. [27]
HepaLife dezvoltă un dispozitiv hepatic bioartificial pentru a trata insuficiența hepatică folosind celule stem. Ficatul artificial este destinat să servească drept ajutor pentru a permite ficatului să se recupereze sau în așteptarea unui ficat donator. Acest lucru este posibil doar prin faptul că utilizează celule hepatice reale ( hepatocite ) și apoi nu este un substitut permanent. [28]
Cercetătorii din Japonia au descoperit că un amestec de celule progenitoare hepatice umane (diferite de celulele stem pluripotente induse de om) și alte două tipuri de celule pot forma în mod spontan structuri tridimensionale numite „muguri hepatici”. [29]
Un plămân artificial este un dispozitiv implantat care oxigenează sângele și elimină dioxidul de carbon din sânge. Un plămân artificial este proiectat să preia unele dintre funcțiile unui plămân biologic. Diferă de o mașină inimă-plămân prin faptul că este externă și proiectată să îndeplinească funcția pulmonară pentru perioade lungi de timp, mai degrabă decât pe o bază temporară. [treizeci]
Oxigenarea cu membrană extracorporală (ECMO) poate fi utilizată pentru a reduce stresul semnificativ asupra țesutului pulmonar și cardiac nativ. În ECMO, unul sau mai multe catetere sunt plasate în pacient și o pompă este utilizată pentru a forța sângele în jurul fibrelor membranare goale care fac schimb de oxigen și dioxid de carbon cu sângele. La fel ca ECMO, Extracorporeal CO2 Removal (ECCO2R) are o structură similară, dar beneficiază în primul rând pacientul prin eliminarea dioxidului de carbon, mai degrabă decât prin oxigenare, pentru a oferi relaxare și vindecare ușoară. [31]
Baza pentru dezvoltarea ovarului artificial a fost pusă la începutul anilor 1990. [32]
Pacienții de vârstă reproductivă care dezvoltă cancer sunt adesea supuși chimioterapiei sau radioterapiei, care dăunează ovocitelor și duce la menopauză precoce. Un ovar uman artificial a fost dezvoltat la Universitatea Brown [33] folosind microțesuturi auto-organizate create folosind noua tehnologie 3D a plăcilor Petri. Într-un studiu finanțat și realizat de NIH în 2017, oamenii de știință au reușit să imprime ovare 3D și să le implanteze în șoareci sterili. [34] [6] Ovarul artificial va fi folosit pentru a maturiza ovocite imature în sticlă și pentru a dezvolta un sistem pentru a studia efectul toxinelor din mediu asupra foliculogenezei .
Un pancreas artificial este folosit pentru a înlocui funcția endocrină a unui pancreas sănătos pentru diabetici și alți pacienți care au nevoie de el. Poate fi utilizat pentru a îmbunătăți terapia de substituție cu insulină până când controlul glicemic este aproape de normal, așa cum se vede în evitarea complicațiilor hiperglicemiei și poate, de asemenea, să ușureze povara terapiei pentru persoanele dependente de insulină. Abordările posibile includ utilizarea unei pompe de insulină controlate, dezvoltarea unui pancreas bio-artificial constând dintr-o foaie biocompatibilă de celule beta încapsulate sau utilizarea terapiei genice. [35] [36]
Nu există implant care să îndeplinească funcția glandei timus. Cu toate acestea, cercetătorii au reușit să crească timusul din fibroblaste reprogramate . Ei și-au exprimat speranța că această abordare ar putea într-o zi să înlocuiască sau să completeze transplantul de timus neonatal . [37]
Din 2017, cercetătorii de la UCLA au dezvoltat un timus artificial care, deși nu este încă implantabil, este capabil să îndeplinească toate funcțiile unui timus real. [38]
Domeniul traheei artificiale a fost supus unei atenții deosebite datorită muncii lui Paolo Macchiarini la Institutul Karolinska și în alte părți din 2008 până în 2014, cu acoperire pe prima pagină în ziare și televiziune. Au fost ridicate îngrijorări cu privire la performanța sa în 2014, iar până în 2016 a fost concediat și conducerea de la Universitatea Karolinska a fost concediată, inclusiv persoane implicate cu Premiul Nobel. [39] [40]
Din 2017, dezvoltarea traheei - un tub gol cu celule - s-a dovedit a fi mai dificilă decât se credea inițial. Provocările includ situația clinică dificilă a persoanelor care servesc ca candidați clinici, care au fost deja supuse mai multor proceduri; crearea unui implant care se poate dezvolta pe deplin și se poate integra cu gazda, rezistând în același timp forțelor respiratorii, precum și mișcării de rotație și longitudinală a traheei. [41] O problemă deosebită este alegerea metodelor de vitalizare a unui implant obținut din material artificial sau natural, deoarece utilizarea celulelor din diverse surse poate fie să stimuleze migrarea celulelor gazdă în volumul materialului implantului, fie să proliferarea celulelor donatoare populate pe material. [42]
De asemenea, este posibil să proiectați și să instalați un organ artificial pentru a oferi proprietarului său abilități care nu se găsesc în natură. Se fac cercetări în domeniile vederii, memoriei și procesării informațiilor. Unele cercetări în curs se concentrează pe restabilirea memoriei pe termen scurt la victimele accidentelor și a memoriei pe termen lung la pacienții cu demență.
Un domeniu de succes a venit atunci când Kevin Warwick a efectuat o serie de experimente pentru a-și extinde sistemul nervos prin internet pentru a controla un braț robot și prima comunicare electronică directă între sistemele nervoase a două persoane. [43]
Aceasta poate include și practica actuală de implantare a cipurilor subcutanate în scopuri de identificare și localizare (cum ar fi etichetele RFID). [44]
Cipurile de organe sunt dispozitive care conțin microvase goale umplute cu celule care imită țesuturile și/sau organele ca un sistem microfluidic care poate furniza informații cheie despre semnalele chimice și electrice. [45]
Aceste informații ar putea crea diverse aplicații, cum ar fi crearea de „modele umane în sticlă” atât pentru organe sănătoase, cât și pentru cele bolnave, avansarea medicamentelor în screening-ul toxicității și înlocuirea testării pe animale. [45]
Utilizarea tehnologiilor de cultură celulară 3D le permite oamenilor de știință să recreeze complexul ECM găsit la animalele vii pentru a imita răspunsurile umane la medicamentele și bolile umane. Organele de pe cipuri sunt folosite pentru a reduce ratele de eșec în dezvoltarea de noi medicamente; microingineria permite modelarea micromediului ca organ.