Organe artificiel
Membres artificielsEdit
Les bras et jambes artificiels, ou prothèses, sont destinés à restaurer un degré de fonction normale aux personnes amputées. Les dispositifs mécaniques permettant aux amputés de remarcher ou de continuer à utiliser leurs deux mains existent probablement depuis l’Antiquité, le plus notable étant la simple jambe de bois. Depuis lors, le développement des membres artificiels a progressé rapidement. De nouveaux plastiques et d’autres matériaux, tels que la fibre de carbone, ont permis aux membres artificiels de devenir plus solides et plus légers, limitant ainsi la quantité d’énergie supplémentaire nécessaire au fonctionnement du membre. D’autres matériaux ont permis aux membres artificiels d’avoir un aspect beaucoup plus réaliste. Les prothèses peuvent être grossièrement catégorisées en membres supérieurs et inférieurs et peuvent prendre de nombreuses formes et tailles.
Les nouvelles avancées dans les membres artificiels incluent des niveaux supplémentaires d’intégration avec le corps humain. Des électrodes peuvent être placées dans le tissu nerveux, et le corps peut être entraîné à contrôler la prothèse. Cette technologie a été utilisée à la fois chez les animaux et chez les humains. La prothèse peut être contrôlée par le cerveau à l’aide d’un implant direct ou d’un implant dans divers muscles.
VessieEdit
Les deux principales méthodes de remplacement de la fonction vésicale consistent à rediriger le flux urinaire ou à remplacer la vessie in situ. Les méthodes standard de remplacement de la vessie consistent à façonner une poche ressemblant à une vessie à partir de tissu intestinal. En 2017, des méthodes de culture de vessies à l’aide de cellules souches avaient été tentées en recherche clinique, mais cette procédure ne faisait pas partie de la médecine.
BrainEdit
Les prothèses neurales sont une série de dispositifs qui peuvent remplacer une modalité motrice, sensorielle ou cognitive qui pourrait avoir été endommagée à la suite d’une blessure ou d’une maladie.
Les neurostimulateurs, y compris les stimulateurs cérébraux profonds, envoient des impulsions électriques au cerveau afin de traiter les troubles neurologiques et du mouvement, y compris la maladie de Parkinson, l’épilepsie, la dépression résistante au traitement et d’autres conditions telles que l’incontinence urinaire. Plutôt que de remplacer les réseaux neuronaux existants pour restaurer la fonction, ces dispositifs servent souvent à perturber la sortie des centres nerveux existants qui fonctionnent mal pour éliminer les symptômes.
En 2013, des scientifiques ont créé un mini-cerveau qui a développé des composants neurologiques clés jusqu’aux premiers stades de maturation du fœtus.
Corps caverneuxModification
Pour traiter les dysfonctionnements érectiles, les deux corps caverneux peuvent être remplacés chirurgicalement de manière irréversible par des implants péniens gonflables manuellement. Il s’agit d’une chirurgie thérapeutique drastique destinée uniquement aux hommes souffrant d’impuissance totale qui ont résisté à toutes les autres approches thérapeutiques. Une pompe implantée dans (l’aine) ou (le scrotum) peut être manipulée à la main pour remplir ces cylindres artificiels, normalement dimensionnés pour être des remplacements directs des corps caverneux naturels, à partir d’un réservoir implanté afin d’obtenir une érection.
EarEdit
Dans les cas où une personne est profondément sourde ou sévèrement malentendante des deux oreilles, un implant cochléaire peut être implanté chirurgicalement. Les implants cochléaires contournent la majeure partie du système auditif périphérique pour fournir une sensation de son via un microphone et quelques composants électroniques qui résident à l’extérieur de la peau, généralement derrière l’oreille. Les composants externes transmettent un signal à un réseau d’électrodes placé dans la cochlée, qui stimule à son tour le nerf cochléaire.
Dans le cas d’un traumatisme de l’oreille externe, une prothèse craniofaciale peut être nécessaire.
Thomas Cervantes et ses collègues, qui sont du Massachusetts General Hospital, ont construit une oreille artificielle à partir de cartilage de mouton par une imprimante 3D. Avec beaucoup de calculs et de modèles, ils ont réussi à construire une oreille ayant la forme d’une oreille humaine typique. Modelés par un chirurgien plastique, ils ont dû procéder à plusieurs ajustements pour que l’oreille artificielle puisse présenter des courbes et des lignes comme une oreille humaine. Les chercheurs ont déclaré : « La technologie est maintenant en cours de développement pour des essais cliniques, et nous avons donc mis à l’échelle et redessiné les principales caractéristiques de l’échafaudage pour qu’il corresponde à la taille d’une oreille humaine adulte et pour préserver l’aspect esthétique après l’implantation. » Le succès de leurs oreilles artificielles n’a pas été annoncé, mais le projet est toujours en cours de développement. Chaque année, des milliers d’enfants sont nés avec une malformation congénitale appelée microtie, où l’oreille externe ne se développe pas complètement. Ce projet pourrait constituer une avancée majeure dans le traitement médical et chirurgical de la microtie.
Édition des yeux
L’œil artificiel remplaçant une fonction le plus réussi jusqu’à présent est en fait une caméra numérique miniature externe avec une interface électronique unidirectionnelle à distance implantée sur la rétine, le nerf optique ou d’autres emplacements connexes à l’intérieur du cerveau. L’état actuel de la technique ne donne que des fonctionnalités partielles, telles que la reconnaissance des niveaux de luminosité, des taches de couleur et/ou des formes géométriques de base, ce qui prouve le potentiel du concept.
Divers chercheurs ont démontré que la rétine effectue un prétraitement stratégique des images pour le cerveau. Le problème de la création d’un œil électronique artificiel complètement fonctionnel est encore plus complexe. Les avancées visant à s’attaquer à la complexité de la connexion artificielle à la rétine, au nerf optique ou aux zones cérébrales connexes, combinées aux progrès continus en informatique, devraient améliorer considérablement les performances de cette technologie.
Cœur artificiel
Les organes artificiels liés au système cardiovasculaire sont implantés dans les cas où le cœur, ses valves ou une autre partie du système circulatoire sont en désordre. Le cœur artificiel est généralement utilisé pour faire le pont jusqu’à la transplantation cardiaque, ou pour remplacer définitivement le cœur au cas où la transplantation cardiaque serait impossible. Les stimulateurs cardiaques artificiels représentent un autre dispositif cardiovasculaire qui peut être implanté pour augmenter de façon intermittente (mode défibrillateur), continue ou pour contourner complètement le stimulateur cardiaque naturel vivant, selon les besoins. Les dispositifs d’assistance ventriculaire sont une autre alternative, agissant comme des dispositifs circulatoires mécaniques qui remplacent partiellement ou complètement la fonction d’un cœur défaillant, sans le retrait du cœur lui-même.
En plus de ces dispositifs, des cœurs cultivés en laboratoire et des cœurs bioprimés en 3D font également l’objet de recherches. Actuellement, les scientifiques sont limités dans leur capacité à cultiver et à imprimer des cœurs en raison des difficultés à faire fonctionner de manière cohésive les vaisseaux sanguins et les tissus fabriqués en laboratoire.
ReinEdit
Il a été rapporté que les scientifiques de l’Université de Californie, San Francisco, développent un rein artificiel implantable. En 2018, ces scientifiques ont fait des avancées significatives avec la technologie, mais sont encore en train d’identifier des méthodes pour prévenir la coagulation du sang associée à leur machine.
La liste des patients qui attendent un rein est longue, et les reins sont rares par rapport aux autres organes. De nombreuses personnes n’ont pas pu attendre leur intervention chirurgicale. Les scientifiques ressentent l’urgence de développer un rein artificiel, ils ont travaillé dur afin de fabriquer un rein qui puisse fonctionner parfaitement, et qui, espérons-le, pourra remplacer les reins humains. Grâce aux boursiers NIBIB Quantum, le développement du rein artificiel a progressé, ils ont calculé une simulation de la façon dont le sang circule, ils ont combiné leur travail avec une expertise rare en matière de rein artificiel. « Comme les développeurs de cette technologie ne le savent que trop bien, il est particulièrement frustrant de faire face à des caillots sanguins, qui peuvent à la fois boucher le dispositif, le rendant inutile, et causer des dangers pour d’autres parties du corps où la circulation sanguine serait compromise », a déclaré Rosemarie Hunziker, directrice du programme NIBIB en ingénierie tissulaire et médecine régénérative.
Un rein artificiel permettrait de filtrer le sang en continu, ce qui aiderait à réduire les maladies rénales et à augmenter la qualité de vie des patients.
FoieEdit
HepaLife développe un dispositif de foie bioartificiel destiné au traitement de l’insuffisance hépatique en utilisant des cellules souches. Le foie artificiel est conçu pour servir de dispositif de soutien, soit en permettant au foie de se régénérer en cas de défaillance, soit en assurant le relais des fonctions hépatiques du patient jusqu’à ce qu’une transplantation soit disponible. Il n’est rendu possible que par le fait qu’il utilise de véritables cellules hépatiques (hépatocytes), et même dans ce cas, il ne s’agit pas d’un substitut permanent.
Des chercheurs japonais ont découvert qu’un mélange de cellules précurseurs du foie humain (différenciées à partir de cellules souches pluripotentes induites humaines ) et de deux autres types de cellules peut former spontanément des structures tridimensionnelles surnommées « bourgeons hépatiques ». »
PoumonsEdit
Avec certains presque entièrement fonctionnels, les poumons artificiels promettent d’être un grand succès dans un avenir proche. Une société d’Ann Arbor, MC3, travaille actuellement sur ce type de dispositif médical.
L’oxygénation par membrane extracorporelle (ECMO) peut être utilisée pour soulager considérablement le tissu pulmonaire et le cœur natifs. Dans l’ECMO, un ou plusieurs cathéters sont placés dans le patient et une pompe est utilisée pour faire circuler le sang sur des fibres de membranes creuses, qui échangent de l’oxygène et du dioxyde de carbone avec le sang. Similaire à l’ECMO, l’élimination extracorporelle de CO2 (ECCO2R) a une installation similaire, mais bénéficie principalement au patient par l’élimination du dioxyde de carbone, plutôt que par l’oxygénation, dans le but de permettre aux poumons de se détendre et de guérir.
OvairesEdit
Les bases du développement de l’ovaire artificiel ont été posées au début des années 1990.
Les patients en âge de procréer qui développent un cancer reçoivent souvent une chimiothérapie ou une radiothérapie, ce qui endommage les ovocytes et entraîne une ménopause précoce. Un ovaire humain artificiel a été mis au point à l’université Brown avec des microtissus auto-assemblés créés à l’aide d’une nouvelle technologie de boîte de Pétri en 3D. Dans une étude financée et menée par le NIH en 2017, les scientifiques ont réussi à imprimer des ovaires en 3-D et à les implanter dans des souris stériles. À l’avenir, les scientifiques espèrent reproduire ce procédé chez des animaux plus grands ainsi que chez l’homme. L’ovaire artificiel sera utilisé à des fins de maturation in vitro d’ovocytes immatures et pour le développement d’un système permettant d’étudier l’effet des toxines environnementales sur la folliculogenèse.
PancréasModifier
Un pancréas artificiel est utilisé pour substituer la fonctionnalité endocrine d’un pancréas sain pour les diabétiques et autres patients qui en ont besoin. Il peut être utilisé pour améliorer la thérapie de remplacement de l’insuline jusqu’à ce que le contrôle glycémique soit pratiquement normal, comme le montre l’évitement des complications de l’hyperglycémie, et il peut également alléger le fardeau de la thérapie pour les personnes insulinodépendantes. Les approches comprennent l’utilisation d’une pompe à insuline sous contrôle en boucle fermée, le développement d’un pancréas bio-artificiel constitué d’une feuille biocompatible de cellules bêta encapsulées, ou l’utilisation de la thérapie génique.
Globules rougesModifier
Les globules rouges (RBC) artificiels sont déjà en projet depuis une soixantaine d’années, mais ils ont commencé à susciter de l’intérêt lors de la crise du sang de donneur contaminé par le VIH. Les globules rouges artificiels dépendront à 100% de la nanotechnologie. Un RBC artificiel réussi devrait être capable de remplacer totalement le RBC humain, ce qui signifie qu’il peut remplir toutes les fonctions que remplit un RBC humain.
Le premier RBC artificiel, fabriqué par Chang et Poznanski en 1968, était fait pour transporter l’oxygène et le dioxyde de carbone, également des fonctions antioxydantes.
Les scientifiques travaillent sur un nouveau type de RBC artificiel, qui a un cinquantième de la taille d’un RBC humain. Ils sont fabriqués à partir de protéines d’hémoglobine humaine purifiée qui ont été recouvertes d’un polymère synthétique. Grâce aux matériaux spéciaux des GR artificiels, ils peuvent capter l’oxygène lorsque le pH du sang est élevé, et libérer de l’oxygène lorsque le pH du sang est faible. L’enrobage de polymère empêche également l’hémoglobine de réagir avec l’oxyde nitrique présent dans la circulation sanguine, évitant ainsi une dangereuse constriction des vaisseaux sanguins. Allan Doctor, MD, a déclaré que le RBC artificiel peut être utilisé par n’importe qui, avec n’importe quel groupe sanguin, car le revêtement est immunosilencieux.
TestesEdit
Les hommes qui ont subi des anomalies testiculaires à cause de malformations congénitales ou de blessures ont pu remplacer le testicule endommagé par une prothèse testiculaire. Bien que la prothèse ne rétablisse pas la fonction biologique de reproduction, il a été démontré que le dispositif améliore la santé mentale de ces patients.
TymusEdit
Une machine implantable qui remplit la fonction d’un thymus n’existe pas. Cependant, des chercheurs ont réussi à faire pousser un thymus à partir de fibroblastes reprogrammés. Ils ont exprimé l’espoir que cette approche pourrait un jour remplacer ou compléter la transplantation néonatale de thymus.
Depuis 2017, des chercheurs de l’UCLA ont développé un thymus artificiel qui, bien qu’il ne soit pas encore implantable, est capable de remplir toutes les fonctions d’un vrai thymus.
Le thymus artificiel jouerait un rôle important dans le système immunitaire, il utiliserait les cellules souches sanguines pour produire plus de cellules T, ce qui aiderait le corps à combattre les infections, il accorderait également au corps la capacité d’éliminer les cellules cancéreuses. Puisque lorsque les gens deviennent vieux, leur thymus ne fonctionne pas bien, un thymus artificiel serait un bon choix pour remplacer un vieux thymus qui ne fonctionne pas bien.
L’idée d’utiliser les cellules T pour lutter contre les infections existe depuis un certain temps, mais jusqu’à récemment, l’idée d’utiliser une source de cellules T, un thymus artificiel est proposée. « Nous savons que la clé pour créer un approvisionnement constant et sûr de cellules T combattant le cancer serait de contrôler le processus de manière à désactiver tous les récepteurs de cellules T dans les cellules transplantées, à l’exception des récepteurs combattant le cancer », a déclaré le Dr Gay Crooks de l’UCLA. Le scientifique a également constaté que les cellules T produites par le thymus artificiel portaient une gamme diversifiée de récepteurs de cellules T et fonctionnaient de manière similaire aux cellules T produites par un thymus normal. Puisqu’ils peuvent fonctionner comme le thymus humain, les thymus artificiels peuvent fournir une quantité constante de cellules T au corps pour les patients qui ont besoin de traitements.
TrachéeEdit
Le domaine des trachées artificielles a connu une période de grand intérêt et d’excitation avec le travail de Paolo Macchiarini à l’Institut Karolinska et ailleurs de 2008 à environ 2014, avec une couverture en première page des journaux et à la télévision. Des préoccupations ont été soulevées au sujet de son travail en 2014 et, en 2016, il avait été licencié et des cadres de haut niveau de Karolinska avaient été renvoyés, y compris des personnes impliquées dans le prix Nobel.
En 2017, l’ingénierie d’une trachée – un tube creux tapissé de cellules – s’est avérée plus difficile qu’on ne le pensait à l’origine ; les défis comprennent la situation clinique difficile des personnes qui se présentent comme candidats cliniques, qui ont généralement déjà subi de multiples procédures ; la création d’un implant qui peut devenir pleinement développé et s’intégrer à l’hôte tout en résistant aux forces respiratoires, ainsi qu’au mouvement rotatif et longitudinal que subit la trachée.