Organo artificiale
Arti artificialiModifica
Le braccia e le gambe artificiali, o protesi, sono destinate a ripristinare un grado di funzione normale per gli amputati. Dispositivi meccanici che permettono agli amputati di camminare di nuovo o di continuare ad usare due mani sono stati probabilmente in uso fin dai tempi antichi, il più notevole è la semplice gamba di legno. Da allora, lo sviluppo di arti artificiali è progredito rapidamente. Nuove plastiche e altri materiali, come la fibra di carbonio, hanno permesso agli arti artificiali di diventare più forti e più leggeri, limitando la quantità di energia extra necessaria per far funzionare l’arto. Ulteriori materiali hanno permesso agli arti artificiali di avere un aspetto molto più realistico. Le protesi possono essere approssimativamente classificate come arti superiori e inferiori e possono avere molte forme e dimensioni.
I nuovi progressi negli arti artificiali includono ulteriori livelli di integrazione con il corpo umano. Gli elettrodi possono essere inseriti nel tessuto nervoso e il corpo può essere addestrato a controllare la protesi. Questa tecnologia è stata usata sia negli animali che negli esseri umani. La protesi può essere controllata dal cervello usando un impianto diretto o un impianto in vari muscoli.
VescicaModifica
I due metodi principali per sostituire la funzione della vescica implicano o il reindirizzamento del flusso di urina o la sostituzione della vescica in situ. I metodi standard per sostituire la vescica comportano la creazione di una sacca simile alla vescica dal tessuto intestinale. A partire dal 2017 i metodi per far crescere la vescica usando cellule staminali sono stati tentati nella ricerca clinica, ma questa procedura non fa parte della medicina.
BrainEdit
Le protesi neurali sono una serie di dispositivi che possono sostituire una modalità motoria, sensoriale o cognitiva che potrebbe essere stata danneggiata a seguito di una lesione o di una malattia.
I neurostimolatori, compresi gli stimolatori cerebrali profondi, inviano impulsi elettrici al cervello per trattare disturbi neurologici e del movimento, tra cui il morbo di Parkinson, l’epilessia, la depressione resistente al trattamento, e altre condizioni come l’incontinenza urinaria. Piuttosto che sostituire le reti neurali esistenti per ripristinare la funzione, questi dispositivi spesso servono interrompendo l’output dei centri nervosi esistenti malfunzionanti per eliminare i sintomi.
Gli scienziati nel 2013 hanno creato un mini cervello che ha sviluppato componenti neurologici chiave fino alle prime fasi gestazionali della maturazione fetale.
Corpora cavernosaModifica
Per trattare la disfunzione erettile, entrambi i corpi cavernosi possono essere irreversibilmente sostituiti chirurgicamente con impianti penienieri gonfiabili manualmente. Si tratta di un drastico intervento terapeutico destinato solo agli uomini che soffrono di impotenza completa e che hanno resistito a tutti gli altri approcci terapeutici. Una pompa impiantata nell’inguine o nello scroto può essere manipolata a mano per riempire questi cilindri artificiali, normalmente dimensionati per sostituire direttamente i corpi cavernosi naturali, da un serbatoio impiantato al fine di ottenere un’erezione.
EarEdit
Nei casi in cui una persona è profondamente sorda o gravemente dura d’orecchio in entrambe le orecchie, un impianto cocleare può essere impiantato chirurgicamente. Gli impianti cocleari bypassano la maggior parte del sistema uditivo periferico per fornire un senso del suono attraverso un microfono e alcuni componenti elettronici che risiedono al di fuori della pelle, generalmente dietro l’orecchio. I componenti esterni trasmettono un segnale a una serie di elettrodi posti nella coclea, che a sua volta stimola il nervo cocleare.
Nel caso di un trauma all’orecchio esterno, può essere necessaria una protesi craniofacciale.
Thomas Cervantes e i suoi colleghi, che sono del Massachusetts General Hospital, hanno costruito un orecchio artificiale dalla cartilagine di pecora con una stampante 3D. Con molti calcoli e modelli, sono riusciti a costruire un orecchio a forma di un tipico orecchio umano. Modellato da un chirurgo plastico, hanno dovuto regolare diverse volte in modo che l’orecchio artificiale possa avere curve e linee proprio come un orecchio umano. I ricercatori hanno detto: “La tecnologia è ora in fase di sviluppo per i test clinici, e quindi abbiamo scalato e ridisegnato le caratteristiche prominenti dell’impalcatura per corrispondere alle dimensioni di un orecchio umano adulto e per preservare l’aspetto estetico dopo l’impianto”. Le loro orecchie artificiali non sono state annunciate come successo, ma stanno ancora sviluppando il progetto. Ogni anno, migliaia di bambini sono nati con una deformità congenita chiamata microtia, dove l’orecchio esterno non si sviluppa completamente. Questo potrebbe essere un importante passo avanti nel trattamento medico e chirurgico della microtia.
EyeEdit
L’occhio artificiale che sostituisce le funzioni di maggior successo finora è in realtà una telecamera digitale esterna in miniatura con un’interfaccia elettronica unidirezionale remota impiantata nella retina, nel nervo ottico o in altri luoghi correlati all’interno del cervello. Lo stato attuale dell’arte produce solo una funzionalità parziale, come il riconoscimento dei livelli di luminosità, delle strisce di colore, e/o delle forme geometriche di base, dimostrando il potenziale del concetto.
Vari ricercatori hanno dimostrato che la retina esegue la pre-elaborazione strategica delle immagini per il cervello. Il problema di creare un occhio elettronico artificiale completamente funzionale è ancora più complesso. I progressi nell’affrontare la complessità della connessione artificiale alla retina, al nervo ottico o alle aree cerebrali correlate, combinati con i progressi in corso nell’informatica, dovrebbero migliorare drasticamente le prestazioni di questa tecnologia.
HeartEdit
Gli organi artificiali cardiovascolari vengono impiantati nei casi in cui il cuore, le sue valvole o un’altra parte del sistema circolatorio sono in disordine. Il cuore artificiale è tipicamente usato per colmare il tempo per il trapianto di cuore, o per sostituire permanentemente il cuore nel caso in cui il trapianto di cuore sia impossibile. I pacemaker artificiali rappresentano un altro dispositivo cardiovascolare che può essere impiantato per aumentare in modo intermittente (modalità defibrillatore), per aumentare continuamente o per bypassare completamente il pacemaker cardiaco naturale vivente, secondo necessità. I dispositivi di assistenza ventricolare sono un’altra alternativa, agendo come dispositivi circolatori meccanici che sostituiscono parzialmente o completamente la funzione di un cuore malato, senza la rimozione del cuore stesso.
Oltre a questi, si stanno studiando anche cuori cresciuti in laboratorio e cuori bio-stampati in 3D. Attualmente, gli scienziati sono limitati nella loro capacità di coltivare e stampare cuori a causa delle difficoltà nell’ottenere vasi sanguigni e tessuti fatti in laboratorio per funzionare in modo coeso.
ReneModifica
È stato riportato che gli scienziati dell’Università della California, San Francisco, stanno sviluppando un rene artificiale impiantabile. A partire dal 2018, questi scienziati hanno fatto progressi significativi con la tecnologia, ma stanno ancora identificando i metodi per prevenire la coagulazione del sangue associata alla loro macchina.
La lista dei pazienti che stanno aspettando i reni è lunga, e i reni sono rari rispetto ad altri organi. Molte persone non potevano aspettare i loro interventi. Gli scienziati sentono l’urgenza di sviluppare un rene artificiale, hanno lavorato duramente per fare un rene che possa funzionare perfettamente, e si spera possa sostituire i reni umani. Grazie ai borsisti del NIBIB Quantum, lo sviluppo del rene artificiale è avanzato, hanno calcolato una simulazione di come scorre il sangue, hanno combinato il loro lavoro con una rara competenza nel rene artificiale. “Come gli sviluppatori di questa tecnologia sanno fin troppo bene, è particolarmente frustrante avere a che fare con coaguli di sangue, che possono sia tappare il dispositivo, rendendolo inutile, e causare pericoli per altre parti del corpo dove il flusso di sangue sarebbe compromesso”, ha detto Rosemarie Hunziker, direttore del programma NIBIB in ingegneria dei tessuti e medicina rigenerativa.
Un rene artificiale permetterebbe il sangue filtrare continuamente, che contribuirebbe a ridurre la malattia renale malattia e aumentare la qualità della vita dei pazienti.
FegatoModifica
HepaLife sta sviluppando un dispositivo di fegato bioartificiale destinato al trattamento dell’insufficienza epatica utilizzando cellule staminali. Il fegato artificiale è progettato per servire come un dispositivo di supporto, permettendo al fegato di rigenerarsi in caso di insufficienza, o per fare da ponte tra le funzioni epatiche del paziente fino a quando il trapianto è disponibile. È reso possibile solo dal fatto che utilizza vere cellule epatiche (epatociti), e anche in questo caso, non è un sostituto permanente.
Ricercatori giapponesi hanno scoperto che una miscela di cellule precursori del fegato umano (differenziate da cellule staminali pluripotenti indotte umane) e altri due tipi di cellule possono formare spontaneamente strutture tridimensionali soprannominate “gemme epatiche”.”
PolmoniModifica
Con alcuni quasi completamente funzionali, i polmoni artificiali promettono di essere un grande successo nel prossimo futuro. Una società MC3 di Ann Arbor sta attualmente lavorando su questo tipo di dispositivo medico.
L’ossigenazione a membrana extracorporea (ECMO) può essere usata per togliere un carico significativo dal tessuto polmonare nativo e dal cuore. Nell’ECMO, uno o più cateteri vengono inseriti nel paziente e una pompa viene utilizzata per far fluire il sangue su fibre di membrana cave, che scambiano ossigeno e anidride carbonica con il sangue. Simile all’ECMO, la rimozione extracorporea di CO2 (ECCO2R) ha una configurazione simile, ma beneficia principalmente il paziente attraverso la rimozione di anidride carbonica, piuttosto che l’ossigenazione, con l’obiettivo di consentire ai polmoni di rilassarsi e guarire.
OvaieModifica
Il lavoro di base per lo sviluppo dell’ovaia artificiale è stato posto nei primi anni ’90.
I pazienti in età riproduttiva che sviluppano il cancro spesso ricevono la chemioterapia o la radioterapia, che danneggia gli ovociti e porta alla menopausa precoce. Un’ovaia umana artificiale è stata sviluppata alla Brown University con microtessuti auto-assemblati creati usando una nuova tecnologia 3-D su piastra di Petri. In uno studio finanziato e condotto dal NIH nel 2017, gli scienziati sono riusciti a stampare ovaie 3-D e a impiantarle in topi sterili. In futuro, gli scienziati sperano di replicare questo in animali più grandi e nell’uomo. L’ovaio artificiale sarà utilizzato per la maturazione in vitro di ovociti immaturi e lo sviluppo di un sistema per studiare l’effetto delle tossine ambientali sulla follicologenesi.
PancreasModifica
Un pancreas artificiale è usato per sostituire la funzionalità endocrina di un pancreas sano per i pazienti diabetici e altri che lo richiedono. Può essere usato per migliorare la terapia di sostituzione dell’insulina fino a quando il controllo glicemico è praticamente normale, come evidente dall’evitare le complicazioni dell’iperglicemia, e può anche alleviare il peso della terapia per l’insulino-dipendente. Gli approcci includono l’uso di una pompa di insulina sotto controllo a circuito chiuso, lo sviluppo di un pancreas bio-artificiale costituito da un foglio biocompatibile di cellule beta incapsulate, o utilizzando la terapia genica.
Globuli rossiModifica
I globuli rossi artificiali (RBC) sono già in progetto da circa 60 anni, ma hanno iniziato ad ottenere interesse quando la crisi del sangue di donatori contaminati da HIV. Gli RBC artificiali dipenderanno al 100% dalla nanotecnologia. Un RBC artificiale di successo dovrebbe essere in grado di sostituire totalmente il RBC umano, il che significa che può svolgere tutte le funzioni che fa un RBC umano.
Il primo RBC artificiale, fatto da Chang e Poznanski nel 1968, era fatto per trasportare ossigeno e anidride carbonica, anche funzioni antiossidanti.
Gli scienziati stanno lavorando su un nuovo tipo di RBC artificiale, che è un cinquantesimo delle dimensioni di un RBC umano. Sono fatti da proteine di emoglobina umana purificate che sono state rivestite con un polimero sintetico. Grazie ai materiali speciali delle RBC artificiali, esse possono catturare l’ossigeno quando il pH del sangue è alto, e rilasciare l’ossigeno quando il pH del sangue è basso. Il rivestimento polimerico impedisce anche all’emoglobina di reagire con l’ossido nitrico nel flusso sanguigno, prevenendo così la pericolosa costrizione dei vasi sanguigni. Allan Doctor, MD, ha dichiarato che l’RBC artificiale può essere usato da chiunque, con qualsiasi tipo di sangue perché il rivestimento è immune.
TestesEdit
Gli uomini che hanno subito anomalie testicolari per difetti di nascita o lesioni sono stati in grado di sostituire il testicolo danneggiato con una protesi testicolare. Anche se la protesi non ripristina la funzione riproduttiva biologica, il dispositivo ha dimostrato di migliorare la salute mentale di questi pazienti.
TimoModifica
Non esiste una macchina impiantabile che svolga la funzione di un timo. Tuttavia, i ricercatori sono stati in grado di far crescere un timo da fibroblasti riprogrammati. Hanno espresso la speranza che l’approccio potrebbe un giorno sostituire o integrare il trapianto di timo neonatale.
A partire dal 2017, i ricercatori della UCLA hanno sviluppato un timo artificiale che, anche se non ancora impiantabile, è in grado di svolgere tutte le funzioni di un vero timo.
Il timo artificiale avrebbe un ruolo importante nel sistema immunitario, userebbe le cellule staminali del sangue per produrre più cellule T, che aiuterebbero il corpo a combattere le infezioni, garantirebbe anche al corpo la capacità di eliminare le cellule tumorali. Poiché quando le persone diventano vecchie, il loro timo non funziona bene, un timo artificiale sarebbe una buona scelta per sostituire un timo vecchio e non funzionante.
L’idea di usare le cellule T per combattere le infezioni esiste da tempo, ma fino a poco tempo fa, l’idea di usare una fonte di cellule T, un timo artificiale viene proposta. “Sappiamo che la chiave per creare una fornitura coerente e sicura di cellule T che combattono il cancro sarebbe quella di controllare il processo in modo da disattivare tutti i recettori delle cellule T nelle cellule trapiantate, tranne i recettori che combattono il cancro”, ha detto il dottor Gay Crooks della UCLA. Lo scienziato ha anche scoperto che le cellule T prodotte dal timo artificiale portavano una gamma diversificata di recettori di cellule T e lavoravano in modo simile alle cellule T prodotte da un timo normale. Dal momento che possono funzionare come il timo umano, il timo artificiale può fornire una quantità costante di cellule T al corpo per i pazienti che hanno bisogno di trattamenti.
TracheaModifica
Il campo delle trachee artificiali ha attraversato un periodo di grande interesse ed eccitazione con il lavoro di Paolo Macchiarini al Karolinska Institute e altrove dal 2008 al 2014 circa, con copertura in prima pagina sui giornali e in televisione. Le preoccupazioni sono state sollevate circa il suo lavoro nel 2014 e nel 2016 è stato licenziato e i dirigenti di alto livello al Karolinska sono stati licenziati, comprese le persone coinvolte nel Premio Nobel.
A partire dal 2017 l’ingegneria di una trachea – un tubo cavo rivestito di cellule – si è dimostrata più impegnativa di quanto si pensasse inizialmente; le sfide includono la difficile situazione clinica delle persone che si presentano come candidati clinici, che generalmente sono già state sottoposte a procedure multiple; la creazione di un impianto che possa svilupparsi completamente e integrarsi con l’ospite mentre resiste alle forze respiratorie, così come il movimento rotazionale e longitudinale a cui è sottoposta la trachea.