Kunstige organer er anordninger designet til midlertidigt eller permanent at erstatte funktionerne i modtagerens oprindelige organer . Kan være både permanent og midlertidig; både internt (skal implanteres i kroppen) og eksternt [1] .
Per definition er det meningen, at enheden ikke skal være permanent bundet til en stationær strømforsyning eller andre stationære manipulationer såsom filterskift eller kemiske behandlingsprocedurer. (Periodisk hurtig genopladning af batterier, genopfyldning af kemikalier og/eller rengøring/udskiftning af filtre bortset fra en enhed kaldet et kunstigt organ.) [2] Dialysemaskinen er således en meget vellykket og kritisk livsstøtteanordning, den erstatter næsten fuldstændigt nyrernes funktioner , men det er ikke et kunstigt organ.
Fremstillingen og installationen af kunstige organer, i starten ekstremt besværlig og kostbar, kan kræve mange års konstant vedligeholdelse, som et naturligt organ ikke kræver. [3]
Menneskelig brug af ethvert kunstigt organ går næsten altid forud for omfattende dyreforsøg. [4] [5] [6] Menneskelig testning er ofte begrænset til dem, der er uhelbredeligt syge, eller som ikke er blevet hjulpet af andre behandlinger.
Kunstige arme og ben, eller proteser, er designet til at genoprette funktion til amputerede lemmer. Mekaniske anordninger, der tillader amputerede at gå igen eller fortsætte med at bruge to hænder, har sandsynligvis været i brug siden oldtiden, [7] hvoraf den mest berømte var et simpelt stykke træ. Siden da er udviklingen af proteser gået stærkt. Plast og andre materialer , såsom kulfiber , har gjort det muligt for kunstige lemmer at blive stærkere og lettere, hvilket begrænser mængden af kraft, der kræves for at betjene lemmen. Yderligere materialer gjorde det muligt for proteserne at se meget mere realistiske ud. [8] Proteser kan groft klassificeres i øvre og nedre lemmer og kan antage en række forskellige former og størrelser.
Nye fremskridt inden for proteser omfatter yderligere niveauer af integration med den menneskelige krop. Elektroder kan placeres i neuralt væv, og stammen kan trænes til at styre protesen. Denne teknologi er blevet brugt i både dyr og mennesker. [9] Protesen kan styres direkte af hjernen eller af et implantat i forskellige muskler. [ti]
De to hovedmetoder til udskiftning af blærefunktion involverer enten omdirigering af urinstrømmen eller fuldstændig blæreudskiftning. [11] Standardmetoder til blæreerstatning omfatter fremstilling af en blæresæk fra tarmvæv. [11] Fra 2017 blev der gjort forsøg på at dyrke blæren ved hjælp af stamceller i kliniske undersøgelser , men denne procedure var eksperimentel . [12] [13]
Neuroproteser er en række anordninger, der kan erstatte en motorisk, sensorisk eller kognitiv evne, der kan være blevet beskadiget af skade eller sygdom.
Neurostimulatorer, herunder dybe hjernestimulatorer, sender elektriske impulser til hjernen for at behandle neurologiske lidelser og bevægelsesforstyrrelser, herunder Parkinsons sygdom , epilepsi, behandlingsresistent depression og andre tilstande såsom urininkontinens. I stedet for at erstatte eksisterende neurale netværk for at genoprette funktionen, er disse enheder mere tilbøjelige til at gribe ind i funktionsfejl i nervecentre for at lindre symptomer . [14] [15] [16]
Forskere i 2013 skabte en mini-hjerne, der udviklede centrale neurologiske komponenter før de tidlige stadier af fostermodning. [17]
Til behandling af erektil dysfunktion kan begge corpora cavernosa permanent kirurgisk erstattes med oppustelige penisimplantater . Dette er en radikal terapeutisk operation, kun forbeholdt mænd, der lider af seksuel dysfunktion, som ikke er egnet til alle andre behandlingsmetoder. En implanteret pumpe i lysken eller pungen kan manuelt manipuleres til at fylde disse kunstige reservoirer, som er erstatninger for naturlig corpus cavernosum, fra det implanterede reservoir for at opnå en erektion. [atten]
Mænd , der har lidt testikelabnormiteter som følge af fødselsdefekter eller traumer, har været i stand til at erstatte den beskadigede testikel med en testikelprotese. Selvom protesen ikke genopretter den biologiske reproduktive funktion, har enheden vist sig at forbedre disse patienters mentale sundhed. [19]
I tilfælde, hvor en person er helt døv eller hørehæmmet på begge ører, kan et cochleært implantat implanteres kirurgisk . Cochleaimplantater omslutter det meste af det perifere auditive system og giver en fornemmelse af lyd gennem en mikrofon og noget elektronik, der sidder uden for huden, normalt bag øret. Eksterne komponenter sender et signal til en række elektroder placeret i skallen, hvilket igen stimulerer ørenerven. [tyve]
I tilfælde af en skade på det ydre øre kan en kraniofacial protese være påkrævet.
Til dato er den mest succesrige erstatning for øjets funktion et eksternt miniaturiseret digitalkamera med en fjernbetjent ensrettet elektronisk grænseflade implanteret i nethinden, synsnerven eller andre relevante områder i hjernen. Den nuværende state of the art giver kun delvis funktionalitet såsom genkendelse af lysstyrkeniveauer, farvemønstre og/eller grundlæggende geometriske former, hvilket beviser konceptets potentiale. [21]
Forskellige forskere har påvist, at nethinden udfører strategisk billedforbehandling for hjernen. Problemet med at skabe et fuldt funktionelt kunstigt elektronisk øje er endnu vanskeligere. Fremskridt i kunstig forbindelse til nethinden, synsnerven eller beslægtede områder af hjernen, kombineret med nuværende fremskridt inden for datalogi, forventes i høj grad at forbedre ydeevnen af denne teknologi.
Kardiovaskulære kunstige organer implanteres i tilfælde, hvor hjertet , dets ventiler eller en anden del af kredsløbssystemet er irreversibelt beskadiget. Et kunstigt hjerte bruges typisk til midlertidigt at vente på en hjertetransplantation, eller hvis permanent hjerteudskiftning ikke er mulig. Kunstige pacemakere er en kardiovaskulær enhed, der kan implanteres til intermitterende forstærkning ( defibrillatortilstand ), kontinuerlig forstærkning eller fuldstændig bypass af hjertets naturlige levende pacemaker efter behov. Ventrikulære støtteanordninger er et andet alternativ, der fungerer som mekaniske kredsløbsanordninger, der delvist eller fuldstændigt erstatter funktionen af hjertesvigt uden at fjerne selve hjertet. [22]
Derudover forskes der i laboratoriehjerter og 3D-bioprintede hjerter. I øjeblikket er videnskabsmænd begrænset i deres evne til at vokse og printe hjerter på grund af vanskeligheden ved at få blodkar og væv til at arbejde sammen. [23] [24] [25]
Det blev rapporteret, at forskere fra University of California i San Francisco er ved at udvikle en implanterbar kunstig nyre. [26] Siden 2018 har disse videnskabsmænd gjort betydelige fremskridt, men de leder stadig efter måder at forhindre blodpropper forbundet med deres implantat. [27]
HepaLife udvikler en biokunstig leveranordning til behandling af leversvigt ved hjælp af stamceller. Den kunstige lever er beregnet til at tjene som en hjælp til at lade leveren komme sig eller mens man venter på en donorlever. Dette er kun muliggjort af det faktum, at det bruger rigtige leverceller ( hepatocytter ) og er så ikke en permanent erstatning. [28]
Forskere i Japan har fundet ud af, at en blanding af humane leverstamceller (forskellige fra menneskeinducerede pluripotente stamceller) og to andre celletyper spontant kan danne tredimensionelle strukturer kaldet "hepatiske knopper". [29]
En kunstig lunge er en implanteret enhed, der ilter blodet og fjerner kuldioxid fra blodet. En kunstig lunge er designet til at påtage sig nogle af funktionerne i en biologisk lunge. Den adskiller sig fra en hjerte-lunge-maskine ved, at den er ekstern og designet til at udføre lungefunktion i længere perioder i stedet for på midlertidig basis. [tredive]
Ekstrakorporal membran-iltning (ECMO) kan bruges til at lindre betydelig stress på hjemmehørende lunge- og hjertevæv. I ECMO placeres et eller flere katetre i patienten, og en pumpe bruges til at tvinge blod rundt om hule membranfibre, der udveksler ilt og kuldioxid med blodet. Ligesom ECMO har Extracorporeal CO2 Removal (ECCO2R) en lignende struktur, men gavner primært patienten ved at fjerne kuldioxid frem for iltning for at give nem afslapning og heling. [31]
Grunden til udviklingen af den kunstige æggestok blev lagt i begyndelsen af 1990'erne. [32]
Patienter i den fødedygtige alder, som udvikler kræft, gennemgår ofte kemoterapi eller strålebehandling, som beskadiger oocytterne og fører til tidlig overgangsalder. En kunstig menneskelig æggestok blev udviklet ved Brown University [33] ved hjælp af selvorganiserende mikrovæv skabt ved hjælp af ny 3D petriskål-teknologi. I en undersøgelse finansieret og udført af NIH i 2017, lykkedes det forskerne at printe 3D-æggestokke og implantere dem i sterile mus. [34] [6] Den kunstige æggestok vil blive brugt til at modne umodne oocytter i glas og udvikle et system til at studere virkningen af miljøgifte på follikulogenese .
En kunstig bugspytkirtel bruges til at erstatte den endokrine funktion af en sund bugspytkirtel for diabetikere og andre patienter, der har brug for det. Det kan bruges til at forbedre insulinerstatningsterapi , indtil den glykæmiske kontrol er tæt på normal, hvilket ses ved at undgå komplikationerne ved hyperglykæmi, og det kan også lette behandlingsbyrden for den insulinafhængige. Mulige tilgange omfatter brugen af en styret insulinpumpe, udviklingen af en bio-kunstig bugspytkirtel bestående af et biokompatibelt ark af indkapslede betaceller eller brugen af genterapi. [35] [36]
Der er intet implantat, der udfører thymuskirtlens funktion. Imidlertid var forskerne i stand til at dyrke thymus fra omprogrammerede fibroblaster . De udtrykte håb om, at denne tilgang en dag kunne erstatte eller supplere neonatal thymustransplantation . [37]
Siden 2017 har forskere ved UCLA udviklet en kunstig thymus, der, selvom den endnu ikke kan implanteres, er i stand til at udføre alle funktionerne af en rigtig thymus. [38]
Området med kunstige luftrør har været under høj bevågenhed takket være Paolo Macchiarinis arbejde på Karolinska Instituttet og andre steder fra 2008 til 2014, med forsidedækning i aviser og tv. Der blev rejst bekymringer over hans præstationer i 2014, og i 2016 var han blevet fyret, og den øverste ledelse ved Karolinska Universitetet var blevet fyret, herunder personer involveret i Nobelprisen. [39] [40]
Fra og med 2017 har udviklingen af luftrøret - et hult rør med celler - vist sig at være sværere end først antaget. Udfordringer omfatter den vanskelige kliniske situation for mennesker, der fungerer som kliniske kandidater, som typisk allerede har gennemgået flere procedurer; skabe et implantat, der fuldt ud kan udvikle sig og integrere med værten, mens det modstår åndedrætskræfter samt rotations- og langsgående bevægelse af luftrøret. [41] Et særligt problem er valget af metoder til vitalisering af et implantat fremstillet af kunstigt eller naturligt materiale, da brugen af celler fra forskellige kilder enten kan stimulere migrationen af værtsceller ind i volumen af implantatmaterialet, eller til at spredningen af donorceller befolket på materialet. [42]
Det er også muligt at designe og installere et kunstigt organ for at give dets ejer evner, som ikke findes i naturen. Der forskes i områderne syn, hukommelse og informationsbehandling. Nogle igangværende forskning er fokuseret på at genoprette korttidshukommelsen hos ulykkesofre og langtidshukommelsen hos patienter med demens.
Et område med succes kom, da Kevin Warwick udførte en række eksperimenter for at udvide sit nervesystem via internettet for at styre en robotarm og den første direkte elektroniske kommunikation mellem nervesystemerne hos to mennesker. [43]
Dette kan også omfatte den nuværende praksis med at implantere subkutane chips til identifikation og lokaliseringsformål (såsom RFID-tags). [44]
Organchips er enheder, der indeholder hule mikrokar fyldt med celler, der efterligner væv og/eller organer som et mikrofluidisk system, der kan give nøgleoplysninger om kemiske og elektriske signaler. [45]
Disse oplysninger kan skabe forskellige applikationer, såsom at skabe "menneskelige modeller i glas" for både sunde og syge organer, fremme lægemidler i toksicitetsscreening og erstatte dyreforsøg. [45]
Brugen af 3D-cellekulturteknologier gør det muligt for forskere at genskabe den komplekse ECM, der findes i levende dyr, for at efterligne menneskelige reaktioner på menneskelige lægemidler og sygdomme. Organer på chips bliver brugt til at reducere fejlfrekvensen i udviklingen af nye lægemidler; mikroteknologi gør det muligt at modellere mikromiljøet som et organ.