Kunstorgaan
KunstledematenEdit
Kunstarmen en -benen, of prothesen, zijn bedoeld om geamputeerden weer een zekere mate van normale functie te geven. Mechanische hulpmiddelen waarmee geamputeerden weer kunnen lopen of twee handen kunnen blijven gebruiken, zijn waarschijnlijk al sinds de oudheid in gebruik, met als bekendste voorbeeld het eenvoudige wasknijperbeen. Sindsdien heeft de ontwikkeling van kunstledematen een snelle ontwikkeling doorgemaakt. Nieuwe kunststoffen en andere materialen, zoals koolstofvezel, hebben ervoor gezorgd dat kunstledematen sterker en lichter zijn geworden, waardoor er minder extra energie nodig is om het ledemaat te bedienen. Dankzij aanvullende materialen kunnen kunstledematen er veel realistischer uitzien. Prothesen kunnen ruwweg worden gecategoriseerd als bovenste en onderste ledematen en kunnen vele vormen en maten aannemen.
Nieuwe vorderingen op het gebied van kunstledematen omvatten extra niveaus van integratie met het menselijk lichaam. Elektroden kunnen worden geplaatst in zenuwweefsel, en het lichaam kan worden getraind om de prothese te controleren. Deze technologie is zowel bij dieren als bij mensen gebruikt. De prothese kan door de hersenen worden bestuurd met behulp van een rechtstreeks implantaat of implantaat in verschillende spieren.
BlaasEdit
De twee belangrijkste methoden voor het vervangen van de blaasfunctie bestaan uit het omleiden van de urinestraal of het vervangen van de blaas ter plaatse. Standaardmethoden voor het vervangen van de blaas bestaan uit het maken van een blaasachtig zakje van darmweefsel. Vanaf 2017 waren methoden om blazen te kweken met behulp van stamcellen geprobeerd in klinisch onderzoek, maar deze procedure maakte geen deel uit van de geneeskunde.
BrainEdit
Neuraalprothesen zijn een reeks apparaten die een motorische, sensorische of cognitieve modaliteit kunnen vervangen die mogelijk is beschadigd als gevolg van een verwonding of een ziekte.
Neurostimulatoren, waaronder diepe hersenstimulatoren, zenden elektrische impulsen naar de hersenen om neurologische en bewegingsstoornissen te behandelen, waaronder de ziekte van Parkinson, epilepsie, behandelingsresistente depressie, en andere aandoeningen zoals urine-incontinentie. In plaats van bestaande neurale netwerken te vervangen om de functie te herstellen, dienen deze apparaten vaak door de uitvoer van bestaande slecht functionerende zenuwcentra te verstoren om symptomen te elimineren.
Wetenschappers creëerden in 2013 een mini-brein dat belangrijke neurologische componenten ontwikkelde tot de vroege zwangerschapsstadia van foetale rijping.
Corpora cavernosaEdit
Om erectiestoornissen te behandelen, kunnen beide corpora cavernosa onomkeerbaar chirurgisch worden vervangen door handmatig opblaasbare penisimplantaten. Dit is een drastische therapeutische ingreep die alleen bedoeld is voor mannen die lijden aan volledige impotentie en die alle andere behandelingsmethoden hebben weerstaan. Een geïmplanteerde pomp in de lies of het scrotum kan met de hand worden gemanipuleerd om deze kunstmatige cilinders, die normaal gesproken de natuurlijke corpora cavernosa rechtstreeks vervangen, vanuit een geïmplanteerd reservoir te vullen om een erectie te verkrijgen.
EarEdit
In gevallen waarin een persoon aan beide oren ernstig doof of ernstig slechthorend is, kan een cochleair implantaat operatief worden geïmplanteerd. Cochleaire implantaten omzeilen het grootste deel van het perifere auditieve systeem om een geluidsgevoel te bieden via een microfoon en wat elektronica die zich buiten de huid bevinden, meestal achter het oor. De externe componenten zenden een signaal naar een reeks elektroden die in het slakkenhuis zijn geplaatst, dat op zijn beurt de slakkenhuiszenuw stimuleert.
In het geval van een buitenoor trauma, kan een craniofaciale prothese nodig zijn.
Thomas Cervantes en zijn collega’s, die van het Massachusetts General Hospital zijn, bouwden een kunstmatig oor van schapenkraakbeen met behulp van een 3D-printer. Met veel berekeningen en modellen slaagden ze erin een oor te bouwen in de vorm van een typisch menselijk oor. Gemodelleerd door een plastisch chirurg, moesten ze verschillende keren aanpassen zodat het kunstmatige oor curves en lijnen kan hebben net als een menselijk oor. De onderzoekers zeiden: “De technologie is nu in ontwikkeling voor klinische proeven, en daarom hebben we de prominente kenmerken van de steiger opgeschaald en opnieuw ontworpen om de grootte van een volwassen menselijk oor te evenaren en het esthetische uiterlijk na implantatie te behouden.” Hun kunstoren zijn niet aangekondigd als succesvol, maar ze zijn nog steeds bezig met de ontwikkeling van het project. Elk jaar worden duizenden kinderen geboren met een aangeboren misvorming genaamd microtia, waarbij het uitwendige oor zich niet volledig ontwikkelt. Dit zou een belangrijke stap voorwaarts kunnen zijn in de medische en chirurgische behandeling van microtia.
EyeEdit
Het meest succesvolle functievervangende kunstmatige oog tot nu toe is in feite een externe miniatuur digitale camera met een elektronische interface in één richting die op afstand wordt geïmplanteerd op het netvlies, de oogzenuw, of op andere gerelateerde plaatsen in de hersenen. De huidige stand van de techniek levert slechts gedeeltelijke functionaliteit op, zoals het herkennen van helderheidsniveaus, kleurvlakken, en/of geometrische basisvormen, hetgeen het potentieel van het concept bewijst.
Verschillende onderzoekers hebben aangetoond dat het netvlies strategische beeldvoorbewerking uitvoert voor de hersenen. Het probleem van het creëren van een volledig functioneel kunstmatig elektronisch oog is nog complexer. Vooruitgang bij het aanpakken van de complexiteit van de kunstmatige verbinding met het netvlies, de oogzenuw, of verwante hersengebieden, gecombineerd met voortdurende vooruitgang in de computerwetenschap, zal naar verwachting de prestaties van deze technologie drastisch verbeteren.
HartEdit
Kunstorganen in verband met hart en bloedvaten worden geïmplanteerd in gevallen waarin het hart, de kleppen ervan, of een ander deel van de bloedsomloop in stoornis is. Het kunsthart wordt meestal gebruikt om de tijd tot harttransplantatie te overbruggen, of om het hart permanent te vervangen wanneer harttransplantatie onmogelijk is. Kunstmatige pacemakers zijn een ander cardiovasculair hulpmiddel dat kan worden geïmplanteerd om de natuurlijke levende pacemaker zo nodig met tussenpozen te versterken (defibrillatormodus), continu te versterken of volledig te vervangen. Ventriculaire hulpmiddelen zijn een ander alternatief en fungeren als mechanische bloedsomloopapparaten die de functie van een falend hart gedeeltelijk of volledig vervangen, zonder dat het hart zelf hoeft te worden verwijderd.
Naast deze hulpmiddelen wordt ook onderzoek gedaan naar laboratoriumgekweekte harten en 3D-bioprinten van harten. Momenteel zijn wetenschappers beperkt in hun vermogen om harten te kweken en te printen vanwege problemen om bloedvaten en in het lab gemaakte weefsels samenhangend te laten functioneren.
NierEdit
Het is gemeld dat wetenschappers van de Universiteit van Californië, San Francisco, een implanteerbare kunstmatige nier aan het ontwikkelen zijn. Vanaf 2018 hebben deze wetenschappers aanzienlijke vooruitgang geboekt met de technologie, maar zijn ze nog steeds bezig met het identificeren van methoden om de bloedstolling te voorkomen die gepaard gaat met hun machine.
De lijst van de patiënten die wachten op nieren is lang, en nieren zijn zeldzaam in vergelijking met andere organen. Veel mensen konden niet wachten op hun operaties. Wetenschappers voelen de drang om een kunstnier te ontwikkelen, ze hebben hard gewerkt om een nier te maken die perfect kan functioneren, en hopelijk menselijke nieren kan vervangen. Dankzij de NIBIB Quantum-begunstigden is de ontwikkeling van kunstnieren gevorderd, ze hebben een simulatie berekend van hoe bloed stroomt, ze hebben hun werk gecombineerd met een zeldzame expertise in kunstnieren. “Zoals de ontwikkelaars van deze technologie maar al te goed weten, is het vooral frustrerend om te maken te hebben met bloedstolsels, die zowel het apparaat kunnen verstoppen, waardoor het nutteloos wordt, als gevaren kunnen veroorzaken voor andere delen van het lichaam waar de bloedstroom in gevaar zou komen,” zei Rosemarie Hunziker, directeur van het NIBIB-programma in Tissue Engineering and Regenerative Medicine.
Een kunstnier zou het mogelijk maken het bloed continu te filteren, wat zou helpen de ziekte van nierpatiënten te verminderen en de kwaliteit van leven van patiënten te verhogen.
LeverEdit
HepaLife ontwikkelt een bioartificieel leverapparaat, bedoeld voor de behandeling van leverfalen met behulp van stamcellen. De kunstlever is ontworpen om te dienen als ondersteunend apparaat, hetzij om de lever te laten regenereren na falen, hetzij om de leverfuncties van de patiënt te overbruggen totdat transplantatie beschikbaar is. Het wordt alleen mogelijk gemaakt door het feit dat het echte levercellen (hepatocyten) gebruikt, en zelfs dan is het geen permanente vervanging.
Onderzoekers uit Japan ontdekten dat een mengsel van menselijke leverprecursorcellen (gedifferentieerd uit menselijke geïnduceerde pluripotente stamcellen ) en twee andere celtypen spontaan driedimensionale structuren kunnen vormen, die “leverknoppen” worden genoemd.”
LongenEdit
De kunstlongen, waarvan sommige bijna volledig functioneren, beloven in de nabije toekomst een groot succes te worden. Een bedrijf uit Ann Arbor, MC3, werkt momenteel aan dit soort medische hulpmiddelen.
Extracorporeale membraan oxygenatie (ECMO) kan worden gebruikt om het eigen longweefsel en het hart aanzienlijk te ontlasten. Bij ECMO worden een of meer katheters in de patiënt geplaatst en wordt een pomp gebruikt om bloed over holle membraanvezels te laten stromen, die zuurstof en kooldioxide met het bloed uitwisselen. Extracorporale CO2-verwijdering (ECCO2R) is vergelijkbaar met ECMO, maar komt de patiënt vooral ten goede door kooldioxide te verwijderen in plaats van zuurstof te geven, met als doel de longen te laten ontspannen en genezen.
EierstokkenEdit
De basis voor de ontwikkeling van de kunstmatige eierstok werd gelegd in het begin van de jaren 1990.
Patiënten in de vruchtbare leeftijd die kanker krijgen, krijgen vaak chemotherapie of bestralingstherapie, waardoor de eicellen beschadigd raken en tot een vervroegde menopauze leiden. Aan de Brown University is een kunstmatige menselijke eierstok ontwikkeld met zelfassemblerende microweefsels die zijn gemaakt met behulp van nieuwe 3-D petrischaaltechnologie. In een studie gefinancierd en uitgevoerd door de NIH in 2017, waren wetenschappers succesvol in het printen van 3-D eierstokken en het implanteren ervan in steriele muizen. In de toekomst hopen wetenschappers dit te kunnen repliceren bij grotere dieren en ook bij mensen. De kunstmatige eierstok zal worden gebruikt voor het in vitro rijpen van onrijpe oöcyten en de ontwikkeling van een systeem om het effect van milieutoxines op de folliculogenese te bestuderen.
PancreasEdit
Een kunstmatige pancreas wordt gebruikt om de endocriene functionaliteit van een gezonde pancreas te vervangen voor diabetespatiënten en andere patiënten die dat nodig hebben. Het kan worden gebruikt om de insulinevervangende therapie te verbeteren totdat de glykemische controle praktisch normaal is, zoals blijkt uit het vermijden van de complicaties van hyperglykemie, en het kan ook de last van de therapie voor de insuline-afhankelijke verlichten. Benaderingen omvatten het gebruik van een insulinepomp onder gesloten luscontrole, de ontwikkeling van een biokunstmatige pancreas bestaande uit een biocompatibele plaat van ingekapselde betacellen, of het gebruik van gentherapie.
Rode bloedcellenEdit
Kunstmatige rode bloedcellen (RBC’s) worden al zo’n 60 jaar gebruikt, maar er kwam steeds meer belangstelling voor toen de HIV-crisis uitbrak met besmet donorbloed. Kunstmatige RBC’s zullen voor 100% afhankelijk zijn van nanotechnologie. Een succesvolle kunstmatige RBC moet de menselijke RBC volledig kunnen vervangen, wat betekent dat hij alle functies kan uitvoeren die een menselijke RBC doet.
De eerste kunstmatige RBC, gemaakt door Chang en Poznanski in 1968, was gemaakt om zuurstof en kooldioxide te transporteren, ook anti-oxidant functies.
Wetenschappers werken aan een nieuw soort kunstmatige RBC, die eenvijfde van de grootte van een menselijke RBC heeft. Ze worden gemaakt van gezuiverde menselijke hemoglobine-eiwitten die zijn gecoat met een synthetisch polymeer. Dankzij de speciale materialen van de kunstmatige RBC kunnen zij zuurstof opvangen wanneer de pH-waarde van het bloed hoog is, en zuurstof afgeven wanneer de pH-waarde van het bloed laag is. De polymeercoating voorkomt ook dat de hemoglobine reageert met stikstofmonoxide in de bloedbaan, waardoor gevaarlijke vernauwing van de bloedvaten wordt voorkomen. Allan Doctor, MD, verklaarde dat de kunstmatige RBC kan worden gebruikt door iedereen, met elk bloedtype omdat de coating immuun stil is.
TestesEdit
Mannen die testiculaire afwijkingen hebben opgelopen door geboorteafwijkingen of verwondingen zijn in staat geweest de beschadigde testikel te vervangen door een testiculaire prothese. Hoewel de prothese de biologische voortplantingsfunctie niet herstelt, is aangetoond dat het apparaat de geestelijke gezondheid van deze patiënten verbetert.
ThymusEdit
Een implanteerbare machine die de functie van een thymus vervult, bestaat niet. Onderzoekers zijn er echter in geslaagd een thymus te kweken uit hergeprogrammeerde fibroblasten. Ze spraken de hoop uit dat de aanpak op een dag neonatale thymustransplantatie zou kunnen vervangen of aanvullen.
In 2017 ontwikkelden onderzoekers van UCLA een kunstmatige thymus die, hoewel nog niet implanteerbaar, in staat is om alle functies van een echte thymus uit te voeren.
De kunstmatige thymus zou een belangrijke rol spelen in het immuunsysteem, het zou bloedstamcellen gebruiken om meer T-cellen te produceren, wat het lichaam zou helpen infecties te bestrijden, het zou het lichaam ook het vermogen geven om kankercellen te elimineren. Aangezien wanneer mensen oud worden, hun thymus niet goed meer werkt, zou een kunstmatige thymus een goede keuze zijn om een oude, niet goed functionerende thymus te vervangen.
Het idee om T-cellen te gebruiken om infecties te bestrijden bestaat al een tijdje, maar tot voor kort is het idee om een T-celbron te gebruiken, een kunstmatige thymus voorgesteld. “We weten dat de sleutel tot het creëren van een consistente en veilige aanvoer van kankerbestrijdende T-cellen zou zijn om het proces zodanig te controleren dat alle T-celreceptoren in de getransplanteerde cellen worden gedeactiveerd, behalve de kankerbestrijdende receptoren,” zei Dr. Gay Crooks van UCLA. De wetenschapper ontdekte ook dat de T-cellen die door de kunstmatige thymus werden geproduceerd, een uiteenlopende reeks van T-celreceptoren droegen en op dezelfde manier werkten als de T-cellen die door een normale thymus werden geproduceerd. Omdat ze kunnen werken als menselijke thymus, kunnen kunstmatige thymus een consistente hoeveelheid T-cellen aan het lichaam leveren voor de patiënten die behandelingen nodig hebben.
TracheaEdit
Het gebied van kunstmatige trachea’s ging door een periode van grote belangstelling en opwinding met het werk van Paolo Macchiarini aan het Karolinska Instituut en elders van 2008 tot ongeveer 2014, met voorpagina-aandacht in kranten en op televisie. In 2014 werden er zorgen geuit over zijn werk en in 2016 was hij ontslagen en was het management op hoog niveau bij Karolinska ontslagen, waaronder mensen die betrokken waren bij de Nobelprijs.
Tegen 2017 bleek het engineeren van een luchtpijp – een holle buis bekleed met cellen – een grotere uitdaging dan oorspronkelijk gedacht; uitdagingen zijn onder meer de moeilijke klinische situatie van mensen die zich presenteren als klinische kandidaten, die over het algemeen al meerdere procedures hebben doorlopen; het creëren van een implantaat dat volledig ontwikkeld kan worden en kan integreren met de gastheer terwijl het bestand is tegen ademhalingskrachten, evenals de roterende en longitudinale beweging die de luchtpijp ondergaat.