Je možné dať človeku umelé pľúca? Fyzici vytvorili vonkajšie umelé pľúca pre novorodencov. Predpokladané výhody a nevýhody umelej krvi

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 alebo 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 pokusných 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 človeka, potom je pripevnené k jeho 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.

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 nakoniec 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 k rastu pľúcnych buniek 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. Transplantované do potkanov na 45-120 minút, tieto umelé pľúca absorbovali kyslík a vypudzovali oxid uhličitý, rovnako ako skutočné.

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.

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 - integrálne vybavenie intenzívnej starostlivosti alebo resuscitačných služieb, nevyhnutné na udržanie života pacientov, u ktorých sa vyvinuli 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 stláčania 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.

To, že fúkanie vzduchu do pľúc dokáže človeka oživiť, je známe už v staroveku, no pomocné zariadenia na to sa začali vyrábať až v stredoveku. V roku 1530 Paracelsus prvýkrát použil ústny kanál s koženým mechom na rozdúchavanie ohňa v krbe. O trinásť rokov neskôr Vesaleus publikoval svoju prácu „O štruktúre ľudského tela“, v ktorej zdôvodnil výhody ventilácie pľúc pomocou trubice vloženej do priedušnice. A v roku 2013 vedci z Case Western Reserve University vytvorili prototyp umelých pľúc. Zariadenie využíva čistený atmosférický vzduch a nevyžaduje koncentrovaný kyslík. Štruktúra prístroja pripomína ľudské pľúca so silikónovými kapilárami a alveolami a funguje na mechanickej pumpe. Biopolymérové ​​trubičky napodobňujú vetvenie priedušiek na bronchioly. V budúcnosti sa plánuje zlepšenie prístroja s odkazom na kontrakcie myokardu. Mobilné zariadenie s vysokou pravdepodobnosťou môže nahradiť transportný ventilátor.

Rozmery umelých pľúc sú až 15x15x10 centimetrov chcú jej rozmery čo najviac priblížiť ľudskému orgánu. Obrovská plocha membrány na difúziu plynu poskytuje 3-5 násobné zvýšenie účinnosti výmeny kyslíka.

Zariadenie sa v súčasnosti testuje na ošípaných, ale testy už preukázali jeho účinnosť pri liečbe zlyhania dýchania. Zavedenie umelých pľúc pomôže eliminovať potrebu masívnejších transportných ventilátorov, ktoré pracujú s výbušnými kyslíkovými fľašami.

Umelé pľúca umožňujú aktivovať pacienta inak odkázaného na lôžkovú jednotku intenzívnej starostlivosti alebo transportný ventilátor. A s aktiváciou sa zvyšuje šanca na zotavenie a psychický stav.

Pacienti, ktorí čakajú na darcovskú transplantáciu pľúc, musia väčšinou stráviť dlhý čas v nemocnici na umelom okysličovacom prístroji, pomocou ktorého môžete len ležať na lôžku a sledovať, ako prístroj dýcha za vás.

Projekt umelých pľúc, schopných protetického zlyhania dýchania, dáva týmto pacientom šancu na rýchle uzdravenie.

Prenosná súprava umelých pľúc obsahuje samotné pľúca a krvnú pumpu. Autonómna prevádzka je navrhnutá až na tri mesiace. Malé rozmery prístroja umožňujú nahradiť transportný ventilátor záchrannej zdravotnej služby.

Práca pľúc je založená na prenosnej pumpe, ktorá obohacuje krv vzdušnými plynmi.

Niektorí ľudia (najmä novorodenci) nevyžadujú dlhodobý prísun vysoko koncentrovaného kyslíka pre jeho oxidačné vlastnosti.

Ďalším neštandardným analógom mechanickej ventilácie používanej pri ťažkom poškodení miechy je transkutánna elektrická stimulácia bránicových nervov („phrenicus stimulation“). Bola vyvinutá transpleurálna masáž pľúc podľa V.P. Smolnikova - vytvorenie stavu pulzujúceho pneumotoraxu v pleurálnych dutinách.