Künstliches Organ
Künstliche GliedmaßenBearbeiten
Künstliche Arme und Beine, auch Prothesen genannt, sollen Amputierten ein gewisses Maß an normaler Funktion zurückgeben. Mechanische Vorrichtungen, die es Amputierten ermöglichen, wieder zu gehen oder weiterhin zwei Hände zu benutzen, gibt es wahrscheinlich schon seit dem Altertum; das bekannteste Beispiel ist das einfache Holzbein. Seitdem hat die Entwicklung von Prothesen rasante Fortschritte gemacht. Neue Kunststoffe und andere Materialien wie Kohlefaser haben es ermöglicht, dass Prothesen stärker und leichter geworden sind und weniger zusätzliche Energie für den Betrieb der Gliedmaße benötigt wird. Zusätzliche Materialien haben dazu geführt, dass Prothesen viel realistischer aussehen. Prothesen können grob in obere und untere Gliedmaßen eingeteilt werden und können viele Formen und Größen haben.
Neue Fortschritte bei künstlichen Gliedmaßen umfassen zusätzliche Ebenen der Integration mit dem menschlichen Körper. Elektroden können im Nervengewebe platziert werden, und der Körper kann trainiert werden, die Prothese zu steuern. Diese Technologie wurde sowohl bei Tieren als auch bei Menschen eingesetzt. Die Prothese kann über ein direktes Implantat oder ein Implantat in verschiedene Muskeln vom Gehirn gesteuert werden.
BlaseBearbeiten
Die beiden wichtigsten Methoden zum Ersatz der Blasenfunktion bestehen darin, entweder den Urinfluss umzuleiten oder die Blase an Ort und Stelle zu ersetzen. Bei den Standardmethoden zum Ersatz der Blase wird ein blasenähnlicher Beutel aus Darmgewebe hergestellt. Ab 2017 wurde in der klinischen Forschung versucht, Blasen mit Hilfe von Stammzellen zu züchten, aber dieses Verfahren ist nicht Teil der Medizin.
BrainEdit
Neurale Prothesen sind eine Reihe von Geräten, die eine motorische, sensorische oder kognitive Modalität ersetzen können, die infolge einer Verletzung oder Krankheit geschädigt wurde.
Neurostimulatoren, einschließlich Tiefenhirnstimulatoren, senden elektrische Impulse an das Gehirn, um neurologische und Bewegungsstörungen zu behandeln, darunter die Parkinsonsche Krankheit, Epilepsie, behandlungsresistente Depressionen und andere Erkrankungen wie Harninkontinenz. Anstatt bestehende neuronale Netze zu ersetzen, um die Funktion wiederherzustellen, dienen diese Geräte oft dazu, die Leistung bestehender, schlecht funktionierender Nervenzentren zu unterbrechen, um die Symptome zu beseitigen.
Wissenschaftler schufen 2013 ein Mini-Gehirn, das bis zu den frühen Stadien der fötalen Reifung wichtige neurologische Komponenten entwickelte.
SchwellkörperBearbeiten
Zur Behandlung der erektilen Dysfunktion können beide Schwellkörper durch manuell aufblasbare Penisimplantate irreversibel chirurgisch ersetzt werden. Es handelt sich dabei um einen drastischen therapeutischen Eingriff, der nur für Männer gedacht ist, die unter völliger Impotenz leiden und auf alle anderen Behandlungsmethoden nicht ansprechen. Eine implantierte Pumpe in der Leiste oder im Hodensack kann von Hand betätigt werden, um diese künstlichen Zylinder, die normalerweise als direkter Ersatz für die natürlichen Schwellkörper dimensioniert sind, aus einem implantierten Reservoir zu füllen und so eine Erektion zu erreichen.
EarEdit
In Fällen, in denen eine Person hochgradig taub oder auf beiden Ohren schwerhörig ist, kann ein Cochlea-Implantat chirurgisch eingesetzt werden. Cochlea-Implantate umgehen den größten Teil des peripheren Hörsystems und vermitteln über ein Mikrofon und einige elektronische Komponenten, die sich außerhalb der Haut, in der Regel hinter dem Ohr, befinden, ein Gefühl für den Klang. Die externen Komponenten übertragen ein Signal an eine Reihe von Elektroden in der Cochlea, die wiederum den Cochlea-Nerv stimulieren.
Im Falle eines Außenohrtraumas kann eine Schädelprothese erforderlich sein.
Thomas Cervantes und seine Kollegen vom Massachusetts General Hospital haben mit einem 3D-Drucker ein künstliches Ohr aus Schafsknorpel hergestellt. Mit vielen Berechnungen und Modellen gelang es ihnen, ein Ohr zu bauen, das die Form eines typischen menschlichen Ohrs hat. Das von einem plastischen Chirurgen modellierte Modell musste mehrmals angepasst werden, damit das künstliche Ohr die gleichen Kurven und Linien wie ein menschliches Ohr aufweist. Die Forscher sagten: „Die Technologie wird jetzt für klinische Versuche entwickelt, und deshalb haben wir die markanten Merkmale des Gerüsts vergrößert und neu gestaltet, um die Größe eines erwachsenen menschlichen Ohrs zu erreichen und das ästhetische Aussehen nach der Implantation zu erhalten.“ Der Erfolg der künstlichen Ohren wurde noch nicht bekannt gegeben, aber das Projekt befindet sich noch in der Entwicklung. Jedes Jahr werden Tausende von Kindern mit einer angeborenen Fehlbildung namens Mikrotie geboren, bei der sich das äußere Ohr nicht vollständig entwickelt. Dies könnte ein großer Fortschritt in der medizinischen und chirurgischen Mikrotie-Behandlung sein.
EyeEdit
Das bisher erfolgreichste funktionsersetzende künstliche Auge ist eigentlich eine externe Miniatur-Digitalkamera mit einer ferngesteuerten unidirektionalen elektronischen Schnittstelle, die auf der Netzhaut, dem Sehnerv oder an anderen entsprechenden Stellen im Gehirn implantiert wird. Der derzeitige Stand der Technik bietet nur eine Teilfunktionalität, wie z.B. die Erkennung von Helligkeitsstufen, Farbflächen und/oder geometrischen Grundformen, was das Potenzial des Konzepts beweist.
Verschiedene Forscher haben gezeigt, dass die Retina eine strategische Bildvorverarbeitung für das Gehirn durchführt. Das Problem, ein vollständig funktionsfähiges künstliches elektronisches Auge zu schaffen, ist noch komplexer. Fortschritte bei der Bewältigung der Komplexität der künstlichen Verbindung zur Netzhaut, zum Sehnerv oder zu verwandten Hirnbereichen in Verbindung mit den laufenden Fortschritten in der Informatik dürften die Leistung dieser Technologie drastisch verbessern.
HeartEdit
Kardiovaskulär bedingte künstliche Organe werden in Fällen implantiert, in denen das Herz, seine Klappen oder ein anderer Teil des Kreislaufsystems gestört ist. Das Kunstherz wird in der Regel eingesetzt, um die Zeit bis zur Herztransplantation zu überbrücken oder um das Herz dauerhaft zu ersetzen, falls eine Herztransplantation nicht möglich ist. Künstliche Herzschrittmacher sind ein weiteres kardiovaskuläres Gerät, das implantiert werden kann, um den natürlichen Herzschrittmacher je nach Bedarf entweder intermittierend zu unterstützen (Defibrillatormodus), kontinuierlich zu verstärken oder vollständig zu umgehen. Eine weitere Alternative sind ventrikuläre Unterstützungssysteme, die als mechanische Kreislaufsysteme die Funktion eines versagenden Herzens teilweise oder vollständig ersetzen, ohne dass das Herz selbst entfernt werden muss.
Darüber hinaus wird auch an im Labor gezüchteten Herzen und 3D-biologisch gedruckten Herzen geforscht. Derzeit sind Wissenschaftler in ihrer Fähigkeit, Herzen zu züchten und zu drucken, eingeschränkt, da es schwierig ist, Blutgefäße und im Labor hergestelltes Gewebe zusammenhängend funktionieren zu lassen.
NiereEdit
Es wurde berichtet, dass Wissenschaftler an der University of California, San Francisco, eine implantierbare künstliche Niere entwickeln. Im Jahr 2018 haben diese Wissenschaftler bedeutende Fortschritte mit der Technologie gemacht, sind aber immer noch dabei, Methoden zu finden, um die Blutgerinnung in Verbindung mit ihrer Maschine zu verhindern.
Die Liste der Patienten, die auf eine Niere warten, ist lang, und Nieren sind im Vergleich zu anderen Organen selten. Viele Menschen können ihre Operationen nicht mehr abwarten. Wissenschaftler haben den Drang, eine künstliche Niere zu entwickeln, und arbeiten hart daran, eine Niere herzustellen, die perfekt funktioniert und hoffentlich menschliche Nieren ersetzen kann. Dank der NIBIB-Quantum-Stipendiaten kam die Entwicklung der künstlichen Niere voran, sie berechneten eine Simulation des Blutflusses und kombinierten ihre Arbeit mit einem seltenen Fachwissen über künstliche Nieren. „Wie die Entwickler dieser Technologie nur zu gut wissen, ist es besonders frustrierend, sich mit Blutgerinnseln herumzuschlagen, die sowohl das Gerät verstopfen und damit unbrauchbar machen können, als auch Gefahren für andere Teile des Körpers verursachen, in denen der Blutfluss beeinträchtigt wird“, sagte Rosemarie Hunziker, Direktorin des NIBIB-Programms für Tissue Engineering und regenerative Medizin.
Eine künstliche Niere würde es ermöglichen, das Blut kontinuierlich zu filtrieren, was dazu beitragen würde, Nierenerkrankungen zu verringern und die Lebensqualität der Patienten zu erhöhen.
LeberBearbeiten
HepaLife entwickelt eine bioartifizielle Leber zur Behandlung von Leberversagen unter Verwendung von Stammzellen. Die künstliche Leber soll als unterstützende Vorrichtung dienen, die es der Leber ermöglicht, sich bei Versagen zu regenerieren oder die Leberfunktionen des Patienten zu überbrücken, bis eine Transplantation möglich ist. Sie wird nur dadurch möglich, dass echte Leberzellen (Hepatozyten) verwendet werden, und selbst dann ist sie kein dauerhafter Ersatz.
Forscher aus Japan fanden heraus, dass eine Mischung aus menschlichen Lebervorläuferzellen (differenziert aus menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen) und zwei anderen Zelltypen spontan dreidimensionale Strukturen bilden kann, die als „Leberknospen“ bezeichnet werden.“
LungeBearbeiten
Künstliche Lungen, von denen einige schon fast voll funktionsfähig sind, versprechen in naher Zukunft einen großen Erfolg zu werden. Das in Ann Arbor ansässige Unternehmen MC3 arbeitet derzeit an dieser Art von Medizinprodukt.
Die extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) kann eingesetzt werden, um das native Lungengewebe und das Herz erheblich zu entlasten. Bei der ECMO werden ein oder mehrere Katheter in den Patienten gelegt und eine Pumpe verwendet, um Blut über hohle Membranfasern fließen zu lassen, die Sauerstoff und Kohlendioxid mit dem Blut austauschen. Die extrakorporale CO2-Entfernung (ECCO2R) ist ähnlich aufgebaut wie die ECMO, kommt dem Patienten aber hauptsächlich durch die Entfernung von Kohlendioxid zugute und nicht durch die Sauerstoffzufuhr mit dem Ziel, die Lunge zu entspannen und zu heilen.
EierstöckeBearbeiten
Die Grundlagen für die Entwicklung des künstlichen Eierstocks wurden in den frühen 1990er Jahren gelegt.
Patientinnen im fortpflanzungsfähigen Alter, die an Krebs erkrankt sind, erhalten häufig eine Chemo- oder Strahlentherapie, die die Eizellen schädigt und zu einer frühen Menopause führt. An der Brown University wurde ein künstlicher menschlicher Eierstock entwickelt, der aus selbst zusammengesetzten Mikrogeweben besteht, die mit Hilfe einer neuartigen 3-D-Petrischalen-Technologie hergestellt wurden. In einer vom NIH finanzierten und 2017 durchgeführten Studie gelang es Wissenschaftlern, 3-D-Eierstöcke zu drucken und sie sterilen Mäusen zu implantieren. In der Zukunft hoffen die Wissenschaftler, dies bei größeren Tieren und auch beim Menschen zu wiederholen. Der künstliche Eierstock soll für die In-vitro-Reifung unreifer Eizellen und die Entwicklung eines Systems zur Untersuchung der Auswirkungen von Umweltgiften auf die Follikulogenese verwendet werden.
PankreasBearbeiten
Eine künstliche Bauchspeicheldrüse wird verwendet, um die endokrine Funktion einer gesunden Bauchspeicheldrüse für Diabetiker und andere Patienten zu ersetzen, die sie benötigen. Sie kann dazu dienen, die Insulinersatztherapie zu verbessern, bis die Blutzuckereinstellung praktisch normal ist, was sich in der Vermeidung von Komplikationen der Hyperglykämie zeigt, und sie kann auch die Belastung der Therapie für Insulinabhängige verringern. Zu den Ansätzen gehören die Verwendung einer Insulinpumpe mit geschlossenem Regelkreis, die Entwicklung einer biokünstlichen Bauchspeicheldrüse, die aus einer biokompatiblen Folie mit eingekapselten Betazellen besteht, oder die Gentherapie.
Rote BlutkörperchenBearbeiten
Künstliche rote Blutkörperchen (RBC) befinden sich bereits seit etwa 60 Jahren in der Entwicklung, aber erst seit der Krise um HIV-verseuchtes Spenderblut sind sie von Interesse. Künstliche Erythrozyten werden zu 100 % von der Nanotechnologie abhängig sein. Ein erfolgreiches künstliches Erythrozytensystem sollte in der Lage sein, das menschliche Erythrozytensystem vollständig zu ersetzen, d.h. es kann alle Funktionen eines menschlichen Erythrozytensystems übernehmen.
Das erste künstliche Erythrozytensystem wurde 1968 von Chang und Poznanski hergestellt und diente dem Transport von Sauerstoff und Kohlendioxid sowie antioxidativen Funktionen.
Wissenschaftler arbeiten an einer neuen Art von künstlichen Erythrozyten, die ein Fünfzigstel der Größe eines menschlichen Erythrozytensystems haben. Sie werden aus gereinigten menschlichen Hämoglobinproteinen hergestellt, die mit einem synthetischen Polymer beschichtet wurden. Dank der speziellen Materialien der künstlichen Erythrozyten können sie Sauerstoff aufnehmen, wenn der pH-Wert des Blutes hoch ist, und Sauerstoff abgeben, wenn der pH-Wert des Blutes niedrig ist. Die Polymerbeschichtung verhindert auch, dass das Hämoglobin mit Stickstoffmonoxid im Blutkreislauf reagiert und so eine gefährliche Verengung der Blutgefäße verhindert. Allan Doctor, MD, erklärte, dass die künstlichen Erythrozyten von jedem Menschen und jeder Blutgruppe verwendet werden können, da die Beschichtung immun ist.
HodenEdit
Männer, die durch Geburtsfehler oder Verletzungen Hodenanomalien erlitten haben, konnten den beschädigten Hoden durch eine Hodenprothese ersetzen. Obwohl die Prothese die biologische Fortpflanzungsfunktion nicht wiederherstellt, hat sich gezeigt, dass das Gerät die psychische Gesundheit dieser Patienten verbessert.
ThymusEdit
Eine implantierbare Maschine, die die Funktion eines Thymus übernimmt, gibt es nicht. Forschern ist es jedoch gelungen, einen Thymus aus umprogrammierten Fibroblasten zu züchten. Sie äußerten die Hoffnung, dass dieser Ansatz eines Tages die neonatale Thymustransplantation ersetzen oder ergänzen könnte.
Im Jahr 2017 entwickelten Forscher an der UCLA einen künstlichen Thymus, der zwar noch nicht implantierbar ist, aber alle Funktionen eines echten Thymus übernehmen kann.
Der künstliche Thymus würde eine wichtige Rolle im Immunsystem spielen, er würde Blutstammzellen nutzen, um mehr T-Zellen zu produzieren, die dem Körper bei der Bekämpfung von Infektionen helfen würden, und er würde dem Körper auch die Fähigkeit verleihen, Krebszellen zu eliminieren. Da der Thymus im Alter nicht mehr gut funktioniert, wäre ein künstlicher Thymus eine gute Wahl, um einen alten, nicht mehr gut funktionierenden Thymus zu ersetzen.
Die Idee, T-Zellen zur Bekämpfung von Infektionen zu verwenden, gibt es schon länger, aber erst vor kurzem wurde die Verwendung einer T-Zellen-Quelle, eines künstlichen Thymus, vorgeschlagen. „Wir wissen, dass der Schlüssel zur Schaffung einer konsistenten und sicheren Versorgung mit krebsbekämpfenden T-Zellen darin besteht, den Prozess so zu steuern, dass alle T-Zell-Rezeptoren in den transplantierten Zellen deaktiviert werden, mit Ausnahme der krebsbekämpfenden Rezeptoren“, so Dr. Gay Crooks von der UCLA. Die Wissenschaftler fanden auch heraus, dass die vom künstlichen Thymus produzierten T-Zellen eine Vielzahl von T-Zell-Rezeptoren trugen und ähnlich wie die von einem normalen Thymus produzierten T-Zellen funktionierten. Da sie wie ein menschlicher Thymus arbeiten können, können künstliche Thymuszellen dem Körper eine gleichbleibende Menge an T-Zellen für die Patienten liefern, die Behandlungen benötigen.
TracheaEdit
Das Gebiet der künstlichen Tracheen erlebte mit der Arbeit von Paolo Macchiarini am Karolinska-Institut und anderswo von 2008 bis etwa 2014 eine Phase großen Interesses und großer Aufregung, über die in Zeitungen und im Fernsehen berichtet wurde. Im Jahr 2014 wurden Bedenken über seine Arbeit laut, und 2016 wurde er entlassen und hochrangige Führungskräfte des Karolinska-Instituts wurden entlassen, darunter auch Personen, die am Nobelpreis beteiligt waren.
Ab 2017 erwies sich die Entwicklung einer Luftröhre – eines hohlen, mit Zellen ausgekleideten Rohrs – als schwieriger als ursprünglich angenommen. Zu den Herausforderungen gehören die schwierige klinische Situation von Menschen, die als klinische Kandidaten in Frage kommen und in der Regel bereits mehrere Eingriffe hinter sich haben, die Schaffung eines Implantats, das sich vollständig entwickeln und in den Wirt integrieren kann, während es den Atemkräften standhält, sowie die Dreh- und Längsbewegungen, denen die Luftröhre unterliegt.