Plămâni artificiali. Organe umane artificiale. Înțărcarea de la ventilația mecanică

Oamenii de știință americani de la Universitatea Yale, conduși de Laura Niklason, au făcut o descoperire: au reușit să creeze un plămân artificial și să-l transplanteze la șobolani. A fost creat și un plămân separat, lucrând autonom și imitând munca unui organ real.

Trebuie spus că plămânul uman este un mecanism complex. Suprafața unui plămân la un adult este de aproximativ 70 metri patrati, asamblate pentru a asigura un transfer eficient de oxigen și dioxid de carbon între sânge și aer. Dar țesutul pulmonar este greu de restaurat, așa că în prezent singura modalitate de a înlocui zonele deteriorate ale organului este transplantul. Această procedură este foarte riscantă din cauza procent mare respingeri. Potrivit statisticilor, la zece ani după transplant, doar 10-20% dintre pacienți rămân în viață.

Laura Niklason comentează: „Am reușit să proiectăm și să fabricăm un plămân care poate fi transplantat la șobolani, transportând eficient oxigenul și dioxidul de carbon și oxigenând hemoglobina în sânge. Acesta este unul dintre primii pași către recrearea întregului plămân la animalele mai mari și în cele din urmă la oameni.”

Oamenii de știință au îndepărtat componentele celulare din plămânii unui șobolan adult, lăsând în urmă structurile ramificate ale tractului pulmonar și vasele de sânge care au servit drept cadru pentru noii plămâni. Și au fost ajutați să crească celule pulmonare de un nou bioreactor care imită procesul de dezvoltare a plămânilor într-un embrion. Ca rezultat, celulele crescute au fost transplantate pe schela pregătită. Aceste celule au umplut matricea extracelulară - o structură tisulară care oferă suport mecanic și transportul substanțelor. Transplantați în șobolani timp de 45 până la 120 de minute, acești plămâni artificiali au absorbit oxigen și au expulzat dioxidul de carbon la fel ca plămânii adevărați.

Dar cercetătorii de la Universitatea Harvard au reușit să simuleze funcționarea plămânului în modul offline într-un dispozitiv în miniatură bazat pe un microcip. Ei observă că capacitatea plămânilor de a absorbi nanoparticulele din aer și de a imita răspunsul inflamator la microbii patogeni reprezintă o dovadă a principiului că organele de pe microcipuri ar putea înlocui animalele de laborator în viitor.

De fapt, oamenii de știință au creat un dispozitiv pentru peretele alveolelor, o veziculă pulmonară prin care are loc schimbul de gaze cu capilarele. Pentru a face acest lucru, au plantat celule epiteliale din alveolele plămânului uman pe o membrană sintetică pe de o parte și celule ale vaselor pulmonare pe de altă parte. Aerul este furnizat celulelor pulmonare din dispozitiv, un lichid care simulează sângele este furnizat „vaselor”, iar întinderea și compresia periodică transmite procesul de respirație.

Pentru a testa reacția noilor plămâni la influență, oamenii de știință l-au forțat să „inhaleze” bacteriile Escherichia coli împreună cu aer, care a căzut pe partea „plămânului”. Și, în același timp, din partea „vaselor”, cercetătorii au eliberat celule albe din sânge în fluxul lichid. Celulele pulmonare au detectat prezența bacteriilor și au lansat un răspuns imun: celulele albe din sânge au traversat membrana spre cealaltă parte și au distrus organismele străine.

În plus, oamenii de știință au adăugat nanoparticule, inclusiv poluanți tipici din aer, în aerul „inhalat” de dispozitiv. Unele tipuri de aceste particule au intrat în celulele pulmonare și au provocat inflamație, iar multe au trecut liber în „fluxul sanguin”. În același timp, cercetătorii au descoperit că presiunea mecanică în timpul respirației îmbunătățește semnificativ absorbția nanoparticulelor.

Plămânii artificiali care sunt suficient de mici pentru a fi transportați într-un rucsac au fost deja testați cu succes pe animale. Astfel de dispozitive pot face mult mai mult mai confortabil decât viața acei oameni ai căror plămâni, indiferent de motiv, nu funcționează corect. Până acum au fost folosite echipamente foarte greoaie în aceste scopuri, dar un nou dispozitiv dezvoltat de oamenii de știință în acest moment poate schimba acest lucru o dată pentru totdeauna.

O persoană ai cărei plămâni nu își pot îndeplini funcția principală este de obicei atașată la mașini care își pompează sângele printr-un schimbător de gaze, îmbogățindu-l cu oxigen și eliminând dioxidul de carbon din acesta. Desigur, în timpul acestui proces persoana este forțată să se întindă pe pat sau canapea. Și cu cât stau întinși mai mult, cu atât mușchii lor devin mai slabi, ceea ce face ca recuperarea să fie puțin probabilă. Tocmai pentru a face pacienții mobili au fost dezvoltați plămânii artificiali compacti. Problema a devenit deosebit de presantă în 2009, când a apărut un focar gripa porcina, ca urmare a faptului că plămânii multor pacienți au eșuat.

Plămânii artificiali nu numai că pot ajuta pacienții să se recupereze după unele infecții pulmonare, ci îi permit și să aștepte plămânii donatori adecvați pentru transplant. După cum știți, coada poate dura uneori mulți ani. Situația este complicată de faptul că persoanele cu plămâni afectați, de regulă, au și o inimă foarte slăbită, care trebuie să pompeze sânge.

„Crearea plămânilor artificiali este o sarcină mult mai dificilă decât proiectarea unei inimi artificiale. Inima pur și simplu pompează sânge, în timp ce plămânii sunt o rețea complexă de alviole, în cadrul căreia are loc procesul de schimb de gaze. „Astăzi, nu există nicio tehnologie care să se apropie de eficiența plămânilor adevărați”, spune William Federspiel, angajat la Universitatea din Pittsburgh.

Echipa lui William Federspiel a dezvoltat un plămân artificial care include o pompă (pentru a susține inima) și un schimbător de gaze, dar dispozitivul este atât de compact încât poate încăpea cu ușurință într-o geantă mică sau într-un rucsac. Dispozitivul este conectat la tuburi conectate la sistemul circulator uman, îmbogățind eficient sângele cu oxigen și eliminând excesul de dioxid de carbon din acesta. Luna aceasta, testele cu succes ale dispozitivului au fost finalizate pe patru oi experimentale, timp în care sângele animalelor a fost saturat cu oxigen pentru perioade diferite timp. Astfel, oamenii de știință au crescut treptat timpul de funcționare continuă a dispozitivului la cinci zile.

Un model alternativ de plămâni artificiali este dezvoltat de cercetătorii de la Universitatea Carnegie Mellon din Pittsburgh. Acest dispozitiv este destinat în primul rând acelor pacienți a căror inimă este suficient de sănătoasă pentru a pompa în mod independent sânge printr-un organ artificial extern. Dispozitivul este conectat în același mod la tuburi conectate direct la inima unei persoane, după care este atașat de corpul acestuia cu curele. În timp ce ambele dispozitive necesită o sursă de oxigen, cu alte cuvinte, un cilindru portabil suplimentar. Pe de altă parte, oamenii de știință încearcă în prezent să rezolve această problemă și au destul de mult succes.

În acest moment, cercetătorii testează un prototip de plămân artificial care nu mai necesită un rezervor de oxigen. Potrivit declarației oficiale, noua generație a dispozitivului va fi și mai compactă, iar oxigenul va fi eliberat din aerul înconjurător. Prototipul este în prezent testat pe șobolani de laborator și arată rezultate cu adevărat impresionante. Secretul noului model de plămân artificial este utilizarea tuburilor ultrasubțiri (doar 20 de micrometri) din membrane polimerice, care măresc semnificativ suprafața de schimb de gaze.

Plămânii umani sunt un organ pereche situat în piept. Funcția lor principală este respirația. Plămânul drept are un volum mai mare comparativ cu cel stâng. Acest lucru se datorează faptului că inima omului, fiind în mijlocul pieptului, este deplasată în partea stângă. Volumul pulmonar este în medie de aproximativ 3 litri, și printre sportivii profesioniști mai mult de 8. Dimensiunea plămânului unei femei corespunde aproximativ cu un borcan de trei litri turtit pe o parte, cu o masă 350 g. Pentru bărbați, acești parametri sunt 10-15% Mai mult.

Formare și dezvoltare

Creșterea numărului de alveole continuă până la 20-22 de ani. Acest lucru se întâmplă mai ales în primul an și jumătate până la doi ani de viață. Iar după 50 de ani începe procesul de involuție, cauzat de schimbările legate de vârstă. Capacitatea pulmonară și dimensiunea scad. După 70 de ani, difuzia oxigenului în alveole se înrăutățește.

Structura

Suprafața totală a alveolelor pe care are loc procesul de schimb de gaze nu este constantă și se modifică cu fiecare fază de inhalare și expirare. La expirare este de 35-40 mp, iar la inhalare este de 100-115 mp.

Prevenirea

Transplantul

Costul unei astfel de operațiuni în Occident este de aproximativ 100 de mii de euro. Supraviețuirea pacientului este de 60%. În Rusia, astfel de operațiuni sunt efectuate gratuit și doar fiecare al treilea destinatar supraviețuiește. Și dacă peste 3.000 de transplanturi sunt efectuate anual în întreaga lume, atunci în Rusia sunt doar 15-20. O scădere destul de puternică a prețurilor pentru organele donatoare în Europa și Statele Unite a fost observată în timpul fazei active a războiului din Iugoslavia. Mulți analiști atribuie acest lucru afacerii lui Hashim Thaci de a vinde sârbi vii pentru organe. Ceea ce, de altfel, a fost confirmat de Carla Del Ponte.

Plămâni artificiali - panaceu sau science fiction?

În 2002, Japonia a anunțat că testează un dispozitiv similar cu ECMO, doar de dimensiunea a două pachete de țigări. Problema nu a mers mai departe decât testarea. După 8 ani, oamenii de știință americani de la Institutul Yale au creat un plămân artificial aproape complet. A fost făcută jumătate din materiale sintetice și jumătate din celule vii ale țesutului pulmonar. Dispozitivul a fost testat pe un șobolan și a produs o imunoglobulină specifică ca răspuns la introducerea bacteriilor patologice.

Și literalmente un an mai târziu, în 2011, deja în Canada, oamenii de știință au proiectat și testat un dispozitiv care era fundamental diferit de cel de mai sus. Un plămân artificial care a imitat complet pe unul uman. Vase de silicon cu grosimea de până la 10 microni, o suprafață permeabilă la gaz asemănătoare cu un organ uman. Cel mai important, acest dispozitiv, spre deosebire de altele, nu necesita oxigen pur și era capabil să îmbogățească sângele cu oxigen din aer. Și nu are nevoie de surse de energie terțe pentru a funcționa. Poate fi implantat în piept. Testele pe oameni sunt planificate pentru 2020.

Dar deocamdată toate acestea sunt doar dezvoltări și mostre experimentale. Și anul acesta, oamenii de știință de la Universitatea din Pittsburgh au anunțat dispozitivul PAAL. Acesta este același complex ECMO, doar de dimensiunea unei mingi de fotbal. Pentru a îmbogăți sângele, are nevoie de oxigen pur și poate fi folosit doar în ambulatoriu, dar pacientul rămâne mobil. Și astăzi, aceasta este cea mai bună alternativă la plămânii umani.

Tulburările severe de respirație necesită asistență de urgență sub formă de ventilație forțată. Indiferent dacă insuficiența plămânilor înșiși sau a mușchilor respiratori este o necesitate absolută de a conecta echipamente complexe pentru a satura sângele cu oxigen. Modele diverse dispozitive ventilatie artificiala plămâni - un echipament integral al serviciilor de terapie intensivă sau de resuscitare, necesar pentru menținerea vieții pacienților care au dezvoltat tulburări respiratorii acute.

În situații de urgență, un astfel de echipament este, desigur, important și necesar. Cu toate acestea, ca mijloc de terapie obișnuită și pe termen lung, acesta, din păcate, nu este lipsit de dezavantaje. De exemplu:

• nevoia de spitalizare constantă;
• risc permanent de complicații inflamatorii cauzate de utilizarea unei pompe pentru alimentarea cu aer a plămânilor;
• restricții în calitatea vieții și independență (imobilitate, incapacitatea de a mânca normal, dificultăți de vorbire etc.).

Sistemul inovator vă permite să eliminați toate aceste dificultăți, îmbunătățind simultan procesul de saturație a sângelui cu oxigen. plămân artificial iLA, a cărui utilizare în resuscitare, terapeutică și reabilitare este oferită astăzi de clinicile din Germania.

Faceți față tulburărilor de respirație fără riscuri

Sistemul iLA este o dezvoltare fundamental diferită. Acțiunea sa este extrapulmonară și complet neinvazivă. Tulburările de respirație pot fi depășite fără ventilație forțată. Schema de saturație a oxigenului din sânge este caracterizată de următoarele inovații promițătoare:

• lipsa pompei de aer;
• absența dispozitivelor invazive („implantate”) în plămâni și căile respiratorii.

Pacienții care au plămânul artificial iLA instalat nu sunt legați de un dispozitiv staționar și de un pat de spital, se pot mișca normal, pot comunica cu alte persoane și pot mânca și bea în mod independent.

Cel mai important avantaj: nu este nevoie să puneți un pacient într-o comă artificială cu suport de respirație artificială. Utilizarea dispozitivelor standard de ventilație mecanică necesită în multe cazuri o „închidere” comatoasă a pacientului. Pentru ce? Pentru ameliorarea efectelor fiziologice ale depresiei respiratorii a plămânilor. Din păcate, este un fapt: ventilatoarele deprimă plămânii. Pompa furnizează aer în interior sub presiune. Ritmul de alimentare cu aer reproduce ritmul respirațiilor. Dar în timpul inhalării naturale, plămânii se extind, drept urmare presiunea din ei scade. Și la intrarea artificială (alimentare cu aer forțat), presiunea, dimpotrivă, crește. Acesta este factorul opresiv: plămânii sunt într-un mod stresant, ceea ce provoacă o reacție inflamatorie, care în cazuri deosebit de severe poate fi transmisă și la alte organe - de exemplu, ficatul sau rinichii.

Acesta este motivul pentru care doi factori sunt de importanță capitală și egală în utilizarea dispozitivelor de suport respirator cu pompă: urgența și prudența.

Sistemul iLA, în timp ce extinde gama de beneficii în suportul respirator artificial, elimină pericolele asociate.

Cum funcționează un aparat de saturare a oxigenului din sânge?

Numele „plămân artificial” are o semnificație specială în acest caz, deoarece sistemul iLA funcționează complet autonom și nu este un plus funcțional la plămânii proprii a pacientului. De fapt, acesta este primul plămân artificial din lume în adevăratul sens al cuvântului (nu o pompă pulmonară). Nu plămânii sunt ventilați, ci sângele însuși. Un sistem membranar este folosit pentru a satura sângele cu oxigen și pentru a elimina dioxidul de carbon. Apropo, în clinicile germane sistemul se numește ventilator cu membrană (iLA Membranventilator). Sângele este furnizat sistemului în mod natural, prin forța de comprimare a mușchiului inimii (și nu printr-o pompă cu membrană, ca într-un aparat inimă-plămân). Schimbul de gaze are loc în straturile membranare ale aparatului aproximativ în același mod ca și în alveolele plămânilor. Sistemul funcționează într-adevăr ca un „al treilea plămân”, ameliorând organele respiratorii bolnave ale pacientului.

Aparatul de schimb membranar (însuși „plămânul artificial”) este compact, măsurând 14 pe 14 centimetri. Pacientul poartă dispozitivul cu el. Sângele intră în el printr-un port cateter - o conexiune specială la artera femurală. Pentru a conecta dispozitivul, nu este necesară nicio intervenție chirurgicală: portul este introdus în arteră la fel ca un ac de seringă. Conexiunea se face in zona inghinala designul special al portului nu limiteaza mobilitatea si nu provoaca deloc inconveniente pacientului.

Sistemul poate fi folosit fără întrerupere pentru o perioadă destul de lungă de timp, până la o lună.

Indicații pentru utilizarea iLA

În principiu, acestea sunt orice tulburări de respirație, în special cele cronice. Beneficiile unui plămân artificial sunt cele mai evidente în următoarele cazuri:

• boala pulmonară obstructivă cronică;
• sindromul de insuficiență respiratorie acută;
• leziuni respiratorii;
• așa-numita fază de înțărcare: înțărcarea ventilatorului;
• sprijin pacientului înainte de transplantul pulmonar.

Mohammadhosein Dabaghi ​​​​et.al. \Bimicrofluidics 2018

O echipă de oameni de știință din Canada și Germania a creat plămâni artificiali externi pentru nou-născuții născuți cu probleme respiratorii. Nou plămânii exteriori sunt un sistem de microcanale format din membrane poroase cu două fețe care îmbogățesc sângele care curge prin ele cu oxigen. Sângele curge singur prin astfel de canale, ceea ce este un plus uriaș și ajută la evitarea multor probleme asociate cu pompele externe, potrivit unui articol din Biomicrofluidica.

Sindromul de detresă respiratorie (SDR) apare la aproximativ 60% dintre nou-născuți la 28 de săptămâni de gestație și la 15-20% la 32-36 săptămâni. Cu toate acestea, deoarece plămânii sunt unul dintre organele care se dezvoltă la sfârșitul sarcinii, copiii prematuri cu RDS au nevoie de ajutor extern suplimentar pentru a oxigena sângele până când proprii plămâni își pot îndeplini pe deplin funcțiile pe cont propriu. În același timp, există cazuri în care ventilația mecanică nu este suficientă, iar medicii sunt nevoiți să îmbogățească sângele cu oxigen direct. În astfel de cazuri, este necesar să conduceți sângele copilului prin sisteme speciale de membrană, în care sângele este saturat cu oxigen.

Dar, spre deosebire de adulți, nou-născuții au de obicei un volum de sânge de cel mult 400-500 de mililitri, ceea ce înseamnă că pentru a evita diluarea excesivă a sângelui și scăderea hematocritului, este periculos să folosiți mai mult de 30-40 de mililitri de sânge. pentru oxigenare în afara corpului. Acest fapt limitează timpul pe care o unitate de sânge îl poate petrece în afara corpului, adică procesul de oxigenare trebuie să aibă loc destul de repede. În plus, pentru a evita schimbările de presiune care apar atunci când se folosește o pompă de perfuzie și care pot deteriora celulele sanguine, în mod ideal inima ar trebui să miște sângele prin sistemul membranar. Și, deși acest lucru nu este critic, ar fi bine dacă membranele ar putea îmbogăți sângele cu oxigen folosind aer obișnuit, și nu un amestec special preparat de gaze sau oxigen pur.

Oamenii de știință au încercat să satisfacă toate aceste cerințe folosind conceptul de placentă artificială. Presupune schimbul de gaze între sânge și sursă externă fără a amesteca sângele copilului cu alte lichide (adăugând doar o soluție salină pentru a menține cantitatea de lichid care circulă în vasele de sânge). În același timp, deoarece volumul de sânge în afara corpului nu trebuie să depășească 30 de mililitri, este necesar să se creeze o structură în care, la un volum fix, zona de contact a sângelui cu membrana de schimb gazos este maximă. Cel mai simplu mod de a face acest lucru este să umpleți cu sânge un paralelipiped cu înălțime foarte mică, dar o astfel de structură va fi foarte instabilă. Faptul că structura trebuie să fie subțire, dar în același timp durabilă și, de asemenea, din materiale poroase, a impus principalele restricții privind crearea plămânilor artificiali.

Pentru un schimb eficient de gaze, oamenii de știință au plasat două membrane de polidimetilsiloxan poroase pătrate (43x43 milimetri) paralele între ele, plasând între ele o rețea de coloane pătrate cu latura de un milimetru, formând multe canale drepte perpendiculare între ele prin care curge sângele. Pe lângă reținerea mecanică a membranelor, aceste coloane au contribuit și la amestecarea sângelui, făcându-l mai omogen ca compoziție în întregul sistem. De asemenea, pentru o stabilitate suficientă a structurii, absența deformării în timpul funcționării și reducerea influenței defectelor, una dintre membrane trebuie să fie suficient de groasă pentru a asigura rezistența structurii, dar în același timp suficient de subțire pentru ca schimbul de gaze să poată apar prin ea. Pentru a reduce grosimea stratului de polidimetilsiloxan fără a pierde proprietățile mecanice, cercetătorii au introdus în el o rețea de benzi de oțel armat.