Umělé plíce. Umělé lidské orgány. Odvykání od mechanické ventilace

Američtí vědci z Yale University pod vedením Laury Niklason udělali průlom: podařilo se jim vytvořit umělou plíci a transplantovat ji potkanům. Samostatně byla vytvořena i plíce, která pracovala autonomně a napodobovala práci skutečného orgánu.

Je třeba říci, že lidské plíce jsou složitý mechanismus. Povrch jedné plíce u dospělého je asi 70 metrů čtverečních, sestavené tak, aby zajistily účinný přenos kyslíku a oxidu uhličitého mezi krví a vzduchem. Plicní tkáň se ale obtížně obnovuje, takže v tuto chvíli je jediným způsobem, jak nahradit poškozené oblasti orgánu, transplantace. Tento postup je velmi riskantní vysoké procento odmítnutí. Podle statistik zůstává deset let po transplantaci naživu pouze 10–20 % pacientů.

Laura Niklason komentuje: "Podařilo se nám navrhnout a vyrobit plíce, které lze transplantovat krysám, účinně transportují kyslík a oxid uhličitý a okysličují hemoglobin v krvi. Toto je jeden z prvních kroků k obnově celých plic u větších zvířat." a nakonec u lidí.“ .

Vědci odstranili buněčné složky z plic dospělé krysy a nechali za sebou větvené struktury plicního traktu a krevních cév, které sloužily jako kostra pro nové plíce. A k růstu plicních buněk jim pomohl nový bioreaktor, který napodobuje proces vývoje plic v embryu. Výsledkem bylo, že vyrostlé buňky byly transplantovány na připravený skafold. Tyto buňky vyplnily extracelulární matrix – tkáňovou strukturu, která zajišťuje mechanickou podporu a transport látek. Tyto umělé plíce, které byly transplantovány krysám na 45 až 120 minut, absorbovaly kyslík a vypuzovaly oxid uhličitý stejně jako skutečné plíce.

Vědcům z Harvardské univerzity se ale podařilo simulovat provoz plic v autonomním režimu v miniaturním zařízení založeném na mikročipu. Poznamenávají, že schopnost těchto plic absorbovat nanočástice ve vzduchu a napodobovat zánětlivou reakci na patogenní mikroby představuje princip, že orgány na mikročipech by mohly v budoucnu nahradit laboratorní zvířata.

Vědci ve skutečnosti vytvořili zařízení pro stěnu alveolů, plicní vezikuly, přes které dochází k výměně plynu s kapilárami. K tomu nasadili na syntetickou membránu na jednu stranu epiteliální buňky z alveolů lidských plic a na druhou stranu buňky plicních cév. Vzduch je dodáván do plicních buněk v zařízení, kapalina simulující krev je dodávána do „cév“ a periodické protahování a stlačování zprostředkovává proces dýchání.

Aby otestovali reakci nových plic na vliv, přinutili ho vědci „inhalovat“ bakterie Escherichia coli spolu se vzduchem, který dopadl na stranu „plíce“. A zároveň ze strany „nádob“ výzkumníci uvolňovali bílé krvinky do proudu kapaliny. Plicní buňky detekovaly přítomnost bakterií a spustily imunitní odpověď: bílé krvinky prošly membránou na druhou stranu a zničily cizí organismy.

Kromě toho vědci přidali nanočástice, včetně typických látek znečišťujících ovzduší, do vzduchu „vdechovaného“ zařízením. Některé typy těchto částic vstoupily do plicních buněk a způsobily zánět a mnohé volně přecházely do „krevního řečiště“. Vědci zároveň zjistili, že mechanický tlak při dýchání výrazně zvyšuje absorpci nanočástic.

Umělé plíce, které jsou dostatečně malé na nošení v batohu, byly již úspěšně testovány na zvířatech. Taková zařízení toho dokážou mnohem víc pohodlnější než život ti lidé, jejichž vlastní plíce z jakéhokoli důvodu nefungují správně. Doposud se pro tyto účely používalo velmi těžkopádné zařízení, ale nové zařízení, které vědci v současnosti vyvíjejí, to může jednou provždy změnit.

Osoba, jejíž plíce nejsou schopny plnit svou primární funkci, je obvykle připojena ke strojům, které pumpují její krev přes výměník plynu, obohacují ji kyslíkem a odstraňují z ní oxid uhličitý. Samozřejmě, během tohoto procesu je osoba nucena ležet na posteli nebo gauči. A čím déle leží, tím jsou jejich svaly slabší, takže zotavení je nepravděpodobné. Právě proto, aby byli pacienti mobilní, byly vyvinuty kompaktní umělé plíce. Tento problém se stal obzvláště naléhavým v roce 2009, kdy došlo k propuknutí epidemie prasečí chřipka, v důsledku čehož mnoha pacientům selhávaly plíce.

Umělé plíce mohou pacientům nejen pomoci zotavit se z některých plicních infekcí, ale také umožnit pacientům čekat na vhodné dárce plic k transplantaci. Jak víte, fronta může někdy trvat mnoho let. Situaci komplikuje skutečnost, že lidé se selhávajícími plícemi mají zpravidla také značně oslabené srdce, které musí pumpovat krev.

„Vytvořit umělé plíce je mnohem obtížnější úkol než navrhnout umělé srdce. Srdce jednoduše pumpuje krev, zatímco plíce jsou komplexní sítí alviol, ve kterých dochází k procesu výměny plynů. „Dnes neexistuje žádná technologie, která by se co i jen přiblížila účinnosti skutečných plic,“ říká William Federspiel, zaměstnanec University of Pittsburgh.

Tým Williama Federspiela vyvinul umělou plíci, která obsahuje pumpu (na podporu srdce) a výměník plynu, ale zařízení je tak kompaktní, že se snadno vejde do malé tašky nebo batohu. Zařízení je připojeno k trubicím napojeným na oběhový systém člověka, účinně obohacuje krev o kyslík a odstraňuje z ní přebytečný oxid uhličitý. Tento měsíc byly dokončeny úspěšné testy zařízení na čtyřech pokusných ovcích, během kterých byla krev zvířat nasycena kyslíkem různá obdobíčas. Vědci tak postupně prodloužili dobu nepřetržitého provozu zařízení na pět dní.

Alternativní model umělých plic vyvíjejí vědci z Carnegie Mellon University v Pittsburghu. Toto zařízení je určeno především těm pacientům, jejichž srdce je natolik zdravé, aby samostatně pumpovalo krev zevním umělým orgánem. Zařízení je stejným způsobem připojeno k trubicím přímo spojeným se srdcem člověka, poté je připevněno k jeho tělu pomocí pásů. Zatímco obě zařízení vyžadují zdroj kyslíku, jinými slovy, další přenosnou láhev. Na druhou stranu vědci se v současnosti snaží tento problém řešit a docela se jim to daří.

Právě teď vědci testují prototyp umělé plíce, která již nepotřebuje kyslíkovou nádrž. Nová generace zařízení bude podle oficiálního prohlášení ještě kompaktnější a z okolního vzduchu se bude uvolňovat kyslík. Prototyp je v současné době testován na laboratorních potkanech a vykazuje skutečně působivé výsledky. Tajemstvím nového modelu umělých plic je použití ultratenkých (pouhých 20 mikrometrů) trubiček vyrobených z polymerních membrán, které výrazně zvětšují povrch výměny plynů.

Lidské plíce jsou párový orgán umístěný v hrudníku. Jejich hlavní funkcí je dýchání. Pravá plíce má ve srovnání s levou větší objem. To je způsobeno skutečností, že lidské srdce, které je uprostřed hrudníku, je posunuto na levou stranu. Objem plic je v průměru asi 3 litry a mezi profesionálními sportovci více než 8. Velikost jedné ženské plíce zhruba odpovídá třílitrové nádobě zploštělé na jedné straně o hmotnosti 350 g. U mužů tyto parametry jsou 10-15% více.

Vznik a vývoj

Nárůst počtu alveolů pokračuje až do 20-22 let. K tomu dochází zvláště silně v prvním roce a půl až dvou letech života. A po 50 letech začíná proces involuce, způsobený změnami souvisejícími s věkem. Snižuje se kapacita plic a jejich velikost. Po 70 letech se difúze kyslíku v alveolech zhoršuje.

Struktura

Celková plocha alveol, na kterých probíhá proces výměny plynů, není konstantní a mění se s každou fází nádechu a výdechu. Při výdechu je to 35-40 m2 a při nádechu 100-115 m2.

Prevence

Transplantace

Náklady na takovou operaci na Západě jsou asi 100 tisíc eur. Přežití pacientů je 60 %. V Rusku se takové operace provádějí zdarma a přežije jen každý třetí příjemce. A pokud se po celém světě ročně provede více než 3000 transplantací, pak v Rusku je to jen 15-20. Poměrně silný pokles cen dárcovských orgánů v Evropě a Spojených státech byl pozorován během aktivní fáze války v Jugoslávii. Mnoho analytiků to připisuje podnikání Hashima Thaciho, který prodává živé Srby na orgány. Což mimochodem potvrdila Carla Del Ponte.

Umělé plíce – všelék nebo sci-fi?

V roce 2002 Japonsko oznámilo, že testuje zařízení podobné ECMO, pouze o velikosti dvou krabiček cigaret. Věc nešla dál než k testování. Po 8 letech vytvořili američtí vědci z Yale Institute téměř kompletní umělé plíce. Byl vyroben z poloviny ze syntetických materiálů a z poloviny z živých buněk plicní tkáně. Zařízení bylo testováno na potkanech a produkovalo specifický imunoglobulin v reakci na zavlečení patologických bakterií.

A doslova o rok později, v roce 2011, již v Kanadě vědci navrhli a otestovali zařízení, které se zásadně lišilo od výše uvedeného. Umělá plíce, která zcela napodobovala tu lidskou. Silikonové cévy o tloušťce až 10 mikronů, povrchová plocha propustná pro plyny podobná lidskému orgánu. A co je nejdůležitější, toto zařízení na rozdíl od jiných nevyžadovalo čistý kyslík a dokázalo obohatit krev kyslíkem ze vzduchu. A ke svému fungování nepotřebuje zdroje energie třetích stran. Může být implantován do hrudníku. Pokusy na lidech jsou plánovány na rok 2020.

Ale zatím jsou to všechno jen vývoj a experimentální vzorky. A letos vědci z University of Pittsburgh oznámili zařízení PAAL. Jedná se o stejný ECMO komplex, jen o velikosti fotbalového míče. K obohacení krve potřebuje čistý kyslík a ten lze použít pouze ambulantně, ale pacient zůstává mobilní. A dnes je to nejlepší alternativa k lidským plicím.

Závažné poruchy dýchání vyžadují okamžitou pomoc ve formě nucené ventilace. Ať už je selhání samotných plic nebo dýchacích svalů naprostou nutností pro připojení komplexního zařízení k nasycení krve kyslíkem. Různé modely zařízení umělá ventilace plíce - nedílné vybavení intenzivní péče nebo resuscitačních služeb, nezbytné pro udržení života pacientů, u kterých se rozvinuly akutní respirační poruchy.

V nouzových situacích je takové vybavení samozřejmě důležité a nezbytné. Jako prostředek pravidelné a dlouhodobé terapie však bohužel není bez nevýhod. Například:

• potřeba neustálého pobytu v nemocnici;
• trvalé riziko zánětlivých komplikací způsobených použitím pumpy k přívodu vzduchu do plic;
• omezení v kvalitě života a nezávislosti (nehybnost, neschopnost normálně jíst, potíže s řečí atd.).

Inovativní systém umožňuje odstranit všechny tyto obtíže a současně zlepšit proces saturace krve kyslíkem. umělé plíce iLA, jehož resuscitační, terapeutické a rehabilitační využití dnes nabízejí kliniky v Německu.

Zvládání poruchy dýchání bez rizika

Systém iLA je zásadně odlišný vývoj. Jeho působení je mimoplicní a zcela neinvazivní. Poruchy dýchání lze překonat bez nucené ventilace. Schéma saturace krve kyslíkem se vyznačuje následujícími slibnými inovacemi:

• nedostatek vzduchového čerpadla;
• nepřítomnost invazivních („implantovaných“) zařízení v plicích a dýchacích cestách.

Pacienti, kteří mají nainstalovanou umělou plíci iLA, nejsou připoutáni ke stacionárnímu zařízení a nemocničnímu lůžku, mohou se normálně pohybovat, komunikovat s ostatními lidmi a samostatně jíst a pít.

Nejdůležitější výhoda: není nutné uvádět pacienta do umělého kómatu s podporou umělého dýchání. Použití standardních mechanických ventilačních přístrojů v mnoha případech vyžaduje „vypnutí“ pacienta v komatu. Proč? Ke zmírnění fyziologických účinků respirační deprese plic. Bohužel je to fakt: ventilátory tlumí plíce. Čerpadlo dodává vzduch dovnitř pod tlakem. Rytmus přívodu vzduchu reprodukuje rytmus dechů. Ale při přirozené inhalaci se plíce roztahují, v důsledku čehož v nich klesá tlak. A na umělém vstupu (nucený přívod vzduchu) se tlak naopak zvyšuje. To je ten utlačující faktor: plíce jsou ve stresovém režimu, což způsobuje zánětlivou reakci, která se ve zvlášť těžkých případech může přenést na další orgány – například játra nebo ledviny.

To je důvod, proč jsou dva faktory prvořadé a stejně důležité při používání pumpových respiračních podpůrných zařízení: naléhavost a opatrnost.

Systém iLA, zatímco rozšiřuje škálu výhod v umělé podpoře dýchání, eliminuje související nebezpečí.

Jak funguje stroj na saturaci krve kyslíkem?

Název „umělé plíce“ má v tomto případě zvláštní význam, protože systém iLA funguje zcela autonomně a není funkčním doplňkem vlastních plic pacienta. Ve skutečnosti se jedná o první umělou plíci na světě v pravém slova smyslu (nikoli plicní pumpu). Neventilují se plíce, ale samotná krev. K nasycení krve kyslíkem a odstranění oxidu uhličitého se používá membránový systém. Mimochodem, na německých klinikách se tomuto systému říká membránový ventilátor (iLA Membranventilator). Krev je do systému dodávána přirozeně, silou komprese srdečního svalu (a nikoli membránovou pumpou, jako u přístroje srdce-plíce). Výměna plynů probíhá v membránových vrstvách aparátu přibližně stejným způsobem jako v plicních sklípcích. Systém skutečně funguje jako „třetí plíce“ a ulevuje nemocným dýchacím orgánům pacienta.

Přístroj pro výměnu membrán (samotná „umělá plíce“) je kompaktní, měří 14 x 14 centimetrů. Pacient nosí přístroj s sebou. Krev se do něj dostává katétrovým portem – speciálním napojením na stehenní tepnu. K připojení zařízení není nutný žádný chirurgický zákrok: port se zavádí do tepny podobně jako jehla injekční stříkačky. Připojení se provádí v oblasti třísel, speciální konstrukce portu neomezuje pohyblivost a nezpůsobuje pacientovi vůbec žádné potíže.

Systém lze používat bez přerušení po poměrně dlouhou dobu, až jeden měsíc.

Indikace pro použití iLA

V zásadě se jedná o jakékoli poruchy dýchání, zejména chronické. Výhody umělé plíce jsou nejzřetelnější v následujících případech:

• chronická obstrukční plicní nemoc;
• syndrom akutní dechové tísně;
• poranění dýchacích cest;
• tzv. odvykací fáze: odstavení od ventilátoru;
• podpora pacienta před transplantací plic.

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

Tým vědců z Kanady a Německa vytvořil externí umělé plíce pro novorozence narozené s dýchacími problémy. Nový vnější plíce jsou systémem mikrokanálů skládajících se z oboustranných porézních membrán, které obohacují krev, která jimi protéká, kyslík. Krev protéká takovými kanály sama o sobě, což je obrovské plus a pomáhá vyhnout se mnoha problémům spojeným s externími pumpami, jak uvádí článek v Biomikrofluidika.

Syndrom respirační tísně (RDS) se vyskytuje přibližně u 60 procent novorozenců ve 28. týdnu gestace a u 15–20 procent ve 32.–36. týdnu. Protože jsou však plíce jedním z orgánů, které se vyvíjejí v pozdním těhotenství, potřebují předčasně narozené děti s RDS další vnější pomoc k okysličení krve, dokud jejich vlastní plíce nebudou moci plně vykonávat své funkce samy. Existují přitom případy, kdy mechanická ventilace nestačí a lékaři jsou nuceni obohacovat krev kyslíkem přímo. V takových případech je nutné řídit krev dítěte speciálními membránovými systémy, ve kterých je krev nasycena kyslíkem.

Ale na rozdíl od dospělých mají novorozenci obvykle objem krve ne více než 400–500 mililitrů, což znamená, že aby se zabránilo nadměrnému zředění krve a snížení hematokritu, je nebezpečné použít více než 30–40 mililitrů krve. pro okysličení mimo tělo. Tato skutečnost omezuje dobu, kterou může jednotka krve strávit mimo tělo, to znamená, že proces okysličení musí proběhnout poměrně rychle. Kromě toho, aby nedošlo ke změnám tlaku, ke kterým dochází při použití perfuzní pumpy a které mohou poškodit krevní buňky, srdce by mělo v ideálním případě pohybovat krví přes membránový systém. A i když to není kritické, bylo by dobré, kdyby membrány mohly obohacovat krev kyslíkem pomocí obyčejného vzduchu, a ne speciálně připravené směsi plynů nebo čistého kyslíku.

Všechny tyto požadavky se vědci snažili uspokojit pomocí konceptu umělé placenty. Jde o výměnu plynů mezi krví a vnější zdroj bez smíchání krve dítěte s jinými tekutinami (pouze do ní přidat fyziologický roztok, aby se udrželo množství tekutiny cirkulující v krevních cévách). Současně, protože objem krve mimo tělo by neměl přesáhnout 30 mililitrů, je nutné vytvořit strukturu, ve které je při pevném objemu maximální oblast kontaktu krve s membránou pro výměnu plynů. Nejjednodušší způsob, jak to udělat, je naplnit kvádr s velmi malou výškou krví, ale taková struktura bude velmi nestabilní. Právě to, že konstrukce musí být tenká, ale zároveň odolná a navíc vyrobená z porézních materiálů, kladla na vznik umělých plic hlavní omezení.

Pro účinnou výměnu plynů vědci umístili dvě čtvercové (43x43 milimetry) porézní polydimethylsiloxanové membrány paralelně k sobě a umístili mezi ně síť čtvercových sloupců o straně milimetru, které tvoří mnoho přímých kanálů kolmých na sebe, kterými proudí krev. Kromě mechanického zadržování membrán tyto kolony také přispívaly k promíchávání krve, díky čemuž je v celém systému homogennější ve složení. Také pro dostatečnou stabilitu konstrukce, absenci deformací během provozu a snížení vlivu defektů musí být jedna z membrán dostatečně tlustá, aby zajistila pevnost konstrukce, ale zároveň dostatečně tenká, aby mohla výměna plynů dojít přes něj. Aby se zmenšila tloušťka polydimethylsiloxanové vrstvy bez ztráty mechanických vlastností, vložili do ní vědci síť vyztužených ocelových pásů.