Umelé pľúca. Umelé ľudské orgány. Odvykanie od mechanickej ventilácie

Americkí vedci z Yale University pod vedením Laury Niklason urobili prelom: podarilo sa im vytvoriť umelé pľúca a transplantovať ich potkanom. Samostatne boli vytvorené aj pľúca, ktoré pracovali autonómne a napodobňovali prácu skutočného orgánu.

Treba povedať, že ľudské pľúca sú zložitý mechanizmus. Plocha jedného pľúca u dospelého človeka je asi 70 metrov štvorcových, zostavené tak, aby zabezpečili účinný prenos kyslíka a oxidu uhličitého medzi krvou a vzduchom. Pľúcne tkanivo sa však ťažko obnovuje, takže v súčasnosti je jediným spôsobom, ako nahradiť poškodené oblasti orgánu, transplantácia. Tento postup je veľmi riskantný vysoké percento odmietnutia. Podľa štatistík desať rokov po transplantácii zostáva nažive iba 10-20% pacientov.

Laura Niklason hovorí: „Podarilo sa nám navrhnúť a vyrobiť pľúca, ktoré sa dajú transplantovať potkanom, efektívne transportujú kyslík a oxid uhličitý a okysličujú hemoglobín v krvi. Toto je jeden z prvých krokov k obnove celých pľúc u väčších zvierat a v konečnom dôsledku u ľudí“.

Vedci odstránili bunkové zložky z pľúc dospelého potkana a zanechali za sebou vetviace sa štruktúry pľúcneho traktu a krvných ciev, ktoré slúžili ako kostra pre nové pľúca. A vypestovať pľúcne bunky im pomohol nový bioreaktor, ktorý napodobňuje proces vývoja pľúc v embryu. Výsledkom bolo, že pestované bunky boli transplantované na pripravený skafold. Tieto bunky vyplnili extracelulárnu matricu - tkanivovú štruktúru, ktorá zabezpečuje mechanickú podporu a transport látok. Tieto umelé pľúca, ktoré boli transplantované potkanom na 45 až 120 minút, absorbovali kyslík a vypudzovali oxid uhličitý rovnako ako skutočné pľúca.

Vedcom z Harvardskej univerzity sa ale podarilo simulovať fungovanie pľúc v autonómnom režime v miniatúrnom zariadení založenom na mikročipe. Poznamenávajú, že schopnosť týchto pľúc absorbovať nanočastice vo vzduchu a napodobňovať zápalovú reakciu na patogénne mikróby predstavuje dôkaz princípu, že orgány na mikročipoch by mohli v budúcnosti nahradiť laboratórne zvieratá.

Vedci v skutočnosti vytvorili zariadenie pre stenu alveol, pľúcnu vezikulu, cez ktorú dochádza k výmene plynu s kapilárami. Za týmto účelom vysadili na syntetickú membránu na jednej strane epitelové bunky z alveol ľudských pľúc a na druhej strane bunky pľúcnych ciev. Vzduch sa dodáva do pľúcnych buniek v zariadení, kvapalina simulujúca krv sa dodáva do „ciev“ a periodické naťahovanie a stláčanie sprostredkúva dýchací proces.

Aby otestovali reakciu nových pľúc na vplyv, vedci ho prinútili „vdychovať“ baktérie Escherichia coli spolu so vzduchom, ktorý dopadol na „pľúcnu“ stranu. A zároveň zo strany „ciev“ výskumníci uvoľnili biele krvinky do prúdu tekutín. Pľúcne bunky zistili prítomnosť baktérií a spustili imunitnú odpoveď: biele krvinky prešli cez membránu na druhú stranu a zničili cudzie organizmy.

Okrem toho vedci pridali nanočastice vrátane typických látok znečisťujúcich ovzdušie do vzduchu „vdychovaného“ zariadením. Niektoré typy týchto častíc vstúpili do pľúcnych buniek a spôsobili zápal a mnohé voľne prešli do „krvného obehu“. Vedci zároveň zistili, že mechanický tlak počas dýchania výrazne zvyšuje absorpciu nanočastíc.

Umelé pľúca, ktoré sú dostatočne malé na to, aby sa dali nosiť v batohu, už boli úspešne testované na zvieratách. Takéto zariadenia dokážu oveľa viac pohodlnejšie ako život tých ľudí, ktorých vlastné pľúca z akéhokoľvek dôvodu nefungujú správne. Doteraz sa na tieto účely používali veľmi ťažkopádne zariadenia, no nový prístroj, ktorý vedci v súčasnosti vyvíjajú, to môže raz a navždy zmeniť.

Osoba, ktorej pľúca nie sú schopné vykonávať svoju primárnu funkciu, je zvyčajne pripojená k strojom, ktoré pumpujú jej krv cez výmenník plynov, obohacujú ju kyslíkom a odstraňujú z nej oxid uhličitý. Samozrejme, počas tohto procesu je osoba nútená ležať na posteli alebo gauči. A čím dlhšie ležia, tým sú ich svaly slabšie, takže zotavenie je nepravdepodobné. Práve preto, aby boli pacienti mobilní, boli vyvinuté kompaktné umelé pľúca. Problém sa stal obzvlášť naliehavým v roku 2009, keď došlo k prepuknutiu choroby prasacia chrípka, v dôsledku čoho mnohým pacientom zlyhali pľúca.

Umelé pľúca môžu nielen pomôcť pacientom zotaviť sa z niektorých pľúcnych infekcií, ale tiež umožňujú pacientom čakať na vhodné darcovské pľúca na transplantáciu. Ako viete, front môže niekedy trvať mnoho rokov. Situáciu komplikuje skutočnosť, že ľudia so zlyhávajúcimi pľúcami majú spravidla aj značne oslabené srdce, ktoré musí pumpovať krv.

„Vytvorenie umelých pľúc je oveľa náročnejšia úloha ako navrhnutie umelého srdca. Srdce jednoducho pumpuje krv, zatiaľ čo pľúca sú komplexnou sieťou alviol, v rámci ktorej prebieha proces výmeny plynov. „Dnes neexistuje žiadna technológia, ktorá by sa čo i len priblížila k účinnosti skutočných pľúc,“ hovorí William Federspiel, zamestnanec Univerzity v Pittsburghu.

Tím Williama Federspiela vyvinul umelé pľúca, ktoré obsahujú pumpu (na podporu srdca) a plynový výmenník, no zariadenie je také kompaktné, že sa bez problémov zmestí do malej tašky či batohu. Zariadenie je napojené na hadičky napojené na obehový systém človeka, účinne obohacujú krv kyslíkom a odstraňujú z nej prebytočný oxid uhličitý. Tento mesiac boli dokončené úspešné testy zariadenia na štyroch experimentálnych ovciach, počas ktorých bola krv zvierat nasýtená kyslíkom rôzne obdobiačas. Vedci tak postupne zvýšili dobu nepretržitej prevádzky zariadenia na päť dní.

Alternatívny model umelých pľúc vyvíjajú vedci z Carnegie Mellon University v Pittsburghu. Toto zariadenie je určené predovšetkým tým pacientom, ktorých srdce je dostatočne zdravé na to, aby samostatne pumpovalo krv cez vonkajší umelý orgán. Zariadenie je rovnakým spôsobom pripojené k trubiciam priamo pripojeným k srdcu osoby, po ktorej je pripevnené k telu pomocou pásov. Zatiaľ čo obe zariadenia vyžadujú zdroj kyslíka, inými slovami, prídavnú prenosnú fľašu. Na druhej strane vedci sa v súčasnosti snažia tento problém vyriešiť a celkom sa im to darí.

Práve teraz výskumníci testujú prototyp umelých pľúc, ktoré už nevyžadujú kyslíkovú nádrž. Nová generácia zariadenia bude podľa oficiálneho vyjadrenia ešte kompaktnejšia a z okolitého vzduchu sa bude uvoľňovať kyslík. Prototyp sa momentálne testuje na laboratórnych potkanoch a vykazuje skutočne pôsobivé výsledky. Tajomstvom nového modelu umelých pľúc je použitie ultratenkých (len 20 mikrometrových) trubíc vyrobených z polymérových membrán, ktoré výrazne zväčšujú povrch výmeny plynov.

Ľudské pľúca sú párový orgán umiestnený v hrudníku. Ich hlavnou funkciou je dýchanie. Pravé pľúca majú väčší objem v porovnaní s ľavými. Je to spôsobené tým, že ľudské srdce, ktoré je v strede hrudníka, je posunuté na ľavú stranu. Objem pľúc je v priemere asi 3 litre a medzi profesionálnymi športovcami viac ako 8. Veľkosť pľúc jednej ženy približne zodpovedá trojlitrovej nádobe sploštenej na jednej strane s hmotnosťou 350 g. U mužov sú tieto parametre 10-15% viac.

Formovanie a vývoj

Nárast počtu alveol pokračuje až do 20-22 rokov. Stáva sa to obzvlášť výrazne v prvom roku a pol až dvoch rokoch života. A po 50 rokoch začína proces involúcie spôsobený zmenami súvisiacimi s vekom. Kapacita a veľkosť pľúc klesá. Po 70 rokoch sa difúzia kyslíka v alveolách zhoršuje.

Štruktúra

Celková plocha alveol, na ktorej prebieha proces výmeny plynov, nie je konštantná a mení sa s každou fázou nádychu a výdychu. Pri výdychu je to 35-40 m2 a pri vdýchnutí je to 100-115 m2.

Prevencia

Transplantácia

Náklady na takúto operáciu na Západe sú asi 100-tisíc eur. Prežitie pacientov je 60 %. V Rusku sa takéto operácie vykonávajú bezplatne a prežije len každý tretí príjemca. A ak sa ročne vykoná viac ako 3 000 transplantácií na celom svete, potom v Rusku je ich len 15-20. Pomerne silný pokles cien darcovských orgánov v Európe a Spojených štátoch bol zaznamenaný počas aktívnej fázy vojny v Juhoslávii. Mnohí analytici to pripisujú obchodu Hashima Thaciho s predajom živých Srbov na orgány. Čo, mimochodom, potvrdila aj Carla Del Ponte.

Umelé pľúca – všeliek alebo sci-fi?

V roku 2002 Japonsko oznámilo, že testuje zariadenie podobné ECMO, len s veľkosťou dvoch balení cigariet. Vec nezašla ďalej ako k testovaniu. Po 8 rokoch vytvorili americkí vedci z Yale Institute takmer kompletné umelé pľúca. Bola vyrobená z polovice zo syntetických materiálov a z polovice zo živých buniek pľúcneho tkaniva. Zariadenie bolo testované na potkanoch a produkovalo špecifický imunoglobulín ako odpoveď na zavedenie patologických baktérií.

A doslova o rok neskôr, v roku 2011, už v Kanade vedci navrhli a otestovali zariadenie, ktoré sa zásadne líšilo od vyššie uvedeného. Umelé pľúca, ktoré úplne napodobňovali ľudské. Silikónové cievy s hrúbkou až 10 mikrónov, povrchová plocha prepúšťajúca plyny podobná ľudskému orgánu. Najdôležitejšie je, že toto zariadenie na rozdiel od iných nevyžadovalo čistý kyslík a dokázalo obohatiť krv o kyslík zo vzduchu. A na fungovanie nepotrebuje zdroje energie tretích strán. Môže byť implantovaný do hrudníka. Skúšky na ľuďoch sú plánované na rok 2020.

Ale zatiaľ sú to všetko len vývoj a experimentálne vzorky. A tento rok vedci z University of Pittsburgh oznámili zariadenie PAAL. Ide o ten istý ECMO komplex, len o veľkosti futbalovej lopty. Na obohatenie krvi potrebuje čistý kyslík a ten sa dá použiť len ambulantne, ale pacient zostáva mobilný. A dnes je to najlepšia alternatíva k ľudským pľúcam.

Ťažké poruchy dýchania vyžadujú núdzovú pomoc vo forme nútenej ventilácie. Či už zlyhanie samotných pľúc alebo dýchacieho svalstva je absolútnou nevyhnutnosťou pripojiť zložité zariadenia na nasýtenie krvi kyslíkom. Rôzne modely zariadení umelé vetranie pľúca - integrálna výbava intenzívnej starostlivosti alebo resuscitačných služieb nevyhnutná na udržanie života pacientov, u ktorých sa rozvinuli akútne respiračné poruchy.

V núdzových situáciách je takéto vybavenie samozrejme dôležité a nevyhnutné. Ako prostriedok pravidelnej a dlhodobej terapie však, žiaľ, nie je bez nevýhod. Napríklad:

• potreba neustáleho pobytu v nemocnici;
• trvalé riziko zápalových komplikácií spôsobených použitím pumpy na prívod vzduchu do pľúc;
• obmedzenia v kvalite života a nezávislosti (nehybnosť, neschopnosť normálne jesť, ťažkosti s rečou atď.).

Inovatívny systém umožňuje odstrániť všetky tieto ťažkosti a súčasne zlepšiť proces saturácie krvi kyslíkom. umelé pľúca iLA, ktorého resuscitačné, terapeutické a rehabilitačné využitie dnes ponúkajú kliniky v Nemecku.

Zvládnutie poruchy dýchania bez rizika

Systém iLA je zásadne odlišný vývoj. Jeho pôsobenie je mimopľúcne a úplne neinvazívne. Poruchy dýchania je možné prekonať bez núteného vetrania. Schéma saturácie krvi kyslíkom sa vyznačuje nasledujúcimi sľubnými inováciami:

• nedostatok vzduchového čerpadla;
• absencia invazívnych („implantovaných“) zariadení v pľúcach a dýchacích cestách.

Pacienti, ktorí majú nainštalované umelé pľúca iLA, nie sú pripútaní k stacionárnemu zariadeniu a nemocničnej posteli, môžu sa normálne pohybovať, komunikovať s inými ľuďmi, jesť a piť samostatne.

Najdôležitejšia výhoda: nie je potrebné uvádzať pacienta do umelej kómy s podporou umelého dýchania. Použitie štandardných mechanických ventilačných zariadení si v mnohých prípadoch vyžaduje „vypnutie“ pacienta v kóme. Prečo? Na zmiernenie fyziologických účinkov útlmu dýchania pľúc. Bohužiaľ, je to fakt: ventilátory stláčajú pľúca. Čerpadlo dodáva vzduch do vnútra pod tlakom. Rytmus prívodu vzduchu reprodukuje rytmus dychov. Ale počas prirodzenej inhalácie sa pľúca rozširujú, v dôsledku čoho sa tlak v nich znižuje. A pri umelom vstupe (nútený prívod vzduchu) sa tlak naopak zvyšuje. Toto je utláčajúci faktor: pľúca sú v stresovom režime, čo spôsobuje zápalovú reakciu, ktorá sa v obzvlášť závažných prípadoch môže preniesť na iné orgány - napríklad pečeň alebo obličky.

To je dôvod, prečo sú dva faktory prvoradé a rovnako dôležité pri používaní zariadení na podporu dýchania s pumpou: naliehavosť a opatrnosť.

Systém iLA, zatiaľ čo rozširuje škálu výhod v umelej podpore dýchania, eliminuje súvisiace nebezpečenstvá.

Ako funguje stroj na saturáciu krvi kyslíkom?

Názov „umelé pľúca“ má v tomto prípade osobitný význam, pretože systém iLA funguje úplne autonómne a nie je funkčným doplnkom k vlastným pľúcam pacienta. V skutočnosti ide o prvé umelé pľúca na svete v pravom zmysle slova (nie pľúcna pumpa). Neventilujú sa pľúca, ale samotná krv. Na nasýtenie krvi kyslíkom a odstránenie oxidu uhličitého sa používa membránový systém. Mimochodom, na nemeckých klinikách sa tento systém nazýva membránový ventilátor (iLA Membranventilator). Krv je dodávaná do systému prirodzene, silou kompresie srdcového svalu (a nie membránovou pumpou, ako v prístroji srdce-pľúca). Výmena plynov prebieha v membránových vrstvách prístroja približne rovnakým spôsobom ako v pľúcnych alveolách. Systém skutočne funguje ako „tretie pľúca“, ktoré uľavujú chorým dýchacím orgánom pacienta.

Prístroj na výmenu membrán (samotné „umelé pľúca“) je kompaktný s rozmermi 14 x 14 centimetrov. Pacient nosí prístroj so sebou. Krv sa do nej dostáva cez katéterový port - špeciálne spojenie so stehennou tepnou. Na pripojenie zariadenia nie je potrebný žiadny chirurgický zákrok: port sa vloží do tepny podobne ako ihla injekčnej striekačky. Spojenie sa uskutočňuje v oblasti slabín, špeciálna konštrukcia portu neobmedzuje pohyblivosť a nespôsobuje pacientovi žiadne nepríjemnosti.

Systém je možné používať bez prerušenia pomerne dlhú dobu, až jeden mesiac.

Indikácie pre použitie iLA

V zásade ide o akékoľvek poruchy dýchania, najmä chronické. Výhody umelých pľúc sú najzreteľnejšie v nasledujúcich prípadoch:

• chronická obštrukčná choroba pľúc;
• syndróm akútneho respiračného zlyhania;
• poranenia dýchacích ciest;
• takzvaná odvykacia fáza: odstavenie ventilátora;
• podpora pacienta pred transplantáciou pľúc.

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

Tím vedcov z Kanady a Nemecka vytvoril vonkajšie umelé pľúca pre novorodencov narodených s dýchacími problémami. Nový vonkajšie pľúca sú sústavou mikrokanálov, ktoré pozostávajú z obojstranných poréznych membrán, ktoré obohacujú krv cez ne prúdiacu kyslík. Krv preteká takýmito kanálmi sama o sebe, čo je obrovské plus a pomáha vyhnúť sa mnohým problémom spojeným s externými pumpami, ako sa uvádza v článku v Biomikrofluidiká.

Syndróm respiračnej tiesne (RDS) sa vyskytuje približne u 60 percent novorodencov v 28. týždni tehotenstva a u 15 až 20 percent v 32. až 36. týždni. Keďže však pľúca sú jedným z orgánov, ktoré sa vyvíjajú neskoro v tehotenstve, predčasne narodené deti s RDS potrebujú dodatočnú vonkajšiu pomoc na okysličenie krvi, kým ich vlastné pľúca nebudú môcť plne vykonávať svoje funkcie samy. Zároveň existujú prípady, keď mechanická ventilácia nestačí a lekári sú nútení obohacovať krv kyslíkom priamo. V takýchto prípadoch je potrebné poháňať krv dieťaťa cez špeciálne membránové systémy, v ktorých je krv nasýtená kyslíkom.

Na rozdiel od dospelých však novorodenci zvyčajne nemajú objem krvi väčší ako 400 – 500 mililitrov, čo znamená, že na zabránenie nadmernému zriedeniu krvi a zníženiu hematokritu je nebezpečné použiť viac ako 30 – 40 mililitrov krvi. na okysličenie mimo tela. Táto skutočnosť obmedzuje čas, ktorý môže jednotka krvi stráviť mimo tela, to znamená, že proces okysličovania musí nastať pomerne rýchlo. Okrem toho, aby sa predišlo zmenám tlaku, ku ktorým dochádza pri použití perfúznej pumpy a môžu poškodiť krvinky, srdce by malo v ideálnom prípade premiestňovať krv cez membránový systém. A hoci to nie je kritické, bolo by dobré, keby membrány mohli obohacovať krv kyslíkom pomocou obyčajného vzduchu, a nie špeciálne pripravenej zmesi plynov alebo čistého kyslíka.

Všetky tieto požiadavky sa vedci snažili uspokojiť pomocou konceptu umelej placenty. Ide o výmenu plynov medzi krvou a externý zdroj bez zmiešania krvi dieťaťa s inými tekutinami (iba pridanie fyziologického roztoku, aby sa udržalo množstvo tekutiny cirkulujúcej v krvných cievach). Zároveň, keďže objem krvi mimo tela by nemal presiahnuť 30 mililitrov, je potrebné vytvoriť štruktúru, v ktorej je pri pevnom objeme maximálna oblasť kontaktu krvi s membránou na výmenu plynov. Najjednoduchší spôsob, ako to urobiť, je vyplniť rovnobežnosten s veľmi malou výškou krvou, ale takáto štruktúra bude veľmi nestabilná. Práve skutočnosť, že štruktúra musí byť tenká, ale zároveň odolná a tiež vyrobená z poréznych materiálov, kládla hlavné obmedzenia na vytvorenie umelých pľúc.

Na efektívnu výmenu plynov vedci umiestnili dve štvorcové (43 x 43 milimetrov) porézne polydimetylsiloxánové membrány paralelne k sebe, pričom medzi ne umiestnili sieť štvorcových stĺpcov so stranou milimetra, ktoré tvoria mnoho priamych kanálov kolmých na seba, cez ktoré preteká krv. Okrem mechanického zadržania membrán tieto kolóny tiež prispeli k premiešaniu krvi, vďaka čomu bola v celom systéme homogénnejšia. Taktiež pre dostatočnú stabilitu konštrukcie, absenciu deformácií počas prevádzky a zníženie vplyvu defektov musí byť jedna z membrán dostatočne hrubá, aby zabezpečila pevnosť konštrukcie, ale zároveň dostatočne tenká na to, aby mohla výmena plynov dôjsť cez to. Aby sa zmenšila hrúbka polydimetylsiloxánovej vrstvy bez straty mechanických vlastností, vedci do nej vložili sieť vystužených oceľových pásov.