Umělý orgán
Umělé končetinyUpravit
Umělé ruce a nohy neboli protézy jsou určeny k obnovení určitého stupně normální funkce u osob po amputaci. Mechanická zařízení, která umožňují amputovaným osobám znovu chodit nebo nadále používat obě ruce, se pravděpodobně používala již ve starověku, přičemž nejvýznamnějším z nich je jednoduchá kolíčková noha. Od té doby vývoj umělých končetin rychle pokročil. Nové plasty a další materiály, jako například uhlíková vlákna, umožnily, aby se umělé končetiny staly pevnějšími a lehčími, což omezilo množství dodatečné energie potřebné k provozu končetiny. Další materiály umožnily, aby umělé končetiny vypadaly mnohem realističtěji. Protézy lze zhruba rozdělit na protézy horních a dolních končetin a mohou mít mnoho tvarů a velikostí.
Nové pokroky v oblasti umělých končetin zahrnují další úrovně integrace s lidským tělem. Elektrody mohou být umístěny do nervové tkáně a tělo může být vycvičeno k ovládání protézy. Tato technologie byla použita jak u zvířat, tak u lidí. Protézu lze ovládat mozkem pomocí přímého implantátu nebo implantátu do různých svalů.
Močový měchýřEdit
Dvě hlavní metody náhrady funkce močového měchýře zahrnují buď přesměrování toku moči, nebo náhradu močového měchýře in situ. Standardní metody náhrady močového měchýře zahrnují vytvoření měchýři podobného vaku ze střevní tkáně. Od roku 2017 se v klinickém výzkumu zkoušely metody pěstování močového měchýře pomocí kmenových buněk, ale tento postup nebyl součástí medicíny.
BrainEdit
Neurální protézy jsou řadou zařízení, která mohou nahradit motorickou, senzorickou nebo kognitivní modalitu, jež mohla být poškozena v důsledku úrazu nebo nemoci.
Neurostimulátory, včetně hlubokých mozkových stimulátorů, vysílají elektrické impulsy do mozku za účelem léčby neurologických a pohybových poruch, včetně Parkinsonovy choroby, epilepsie, deprese odolné vůči léčbě a dalších stavů, jako je inkontinence moči. Spíše než k nahrazení stávajících nervových sítí za účelem obnovení funkce slouží tato zařízení často k tomu, že přeruší výstup stávajících špatně fungujících nervových center, aby odstranila příznaky.
Vědci v roce 2013 vytvořili mini mozek, u něhož se klíčové neurologické komponenty vyvinuly až v raných fázích zrání plodu.
Corpora cavernosaEdit
K léčbě erektilní dysfunkce lze obě corpora cavernosa nevratně chirurgicky nahradit ručně nafukovacími penilními implantáty. Jedná se o drastický léčebný zákrok určený pouze mužům trpícím úplnou impotencí, kteří odolali všem ostatním léčebným postupům. Implantovanou pumpou v (tříslech) nebo (šourku) lze ručně manipulovat a plnit tyto umělé válce, které jsou obvykle dimenzovány jako přímá náhrada přirozených corpora cavernosa, z implantovaného rezervoáru za účelem dosažení erekce.
Ušní implantát
V případech, kdy je člověk hluboce hluchý nebo těžce nedoslýchavý na obě uši, může být chirurgicky implantován kochleární implantát. Kochleární implantáty obcházejí většinu periferního sluchového systému a zajišťují vnímání zvuku prostřednictvím mikrofonu a části elektroniky, které se nacházejí mimo kůži, obvykle za uchem. Vnější komponenty přenášejí signál do soustavy elektrod umístěných v hlemýždi, které následně stimulují kochleární nerv.
V případě úrazu vnějšího ucha může být nutná kraniální protéza.
Thomas Cervantes a jeho kolegové z Massachusettské všeobecné nemocnice sestrojili pomocí 3D tiskárny umělé ucho z ovčí chrupavky. Pomocí mnoha výpočtů a modelů se jim podařilo sestrojit ucho ve tvaru typického lidského ucha. Model, který vytvořil plastický chirurg, museli několikrát upravit, aby umělé ucho mělo křivky a linie jako lidské ucho. Vědci uvedli: „Technologie je nyní vyvíjena pro klinické zkoušky, a proto jsme zvětšili a přepracovali výrazné rysy lešení tak, aby odpovídalo velikosti dospělého lidského ucha a zachovalo estetický vzhled po implantaci.“ Jejich umělé uši nebyly prohlášeny za úspěšné, ale v současné době projekt stále vyvíjejí. Každý rok se narodily tisíce dětí s vrozenou vadou zvanou mikrotie, kdy se vnější ucho plně nevyvíjí. To by mohl být významný krok vpřed v lékařské a chirurgické léčbě mikrotie.
EyeEdit
Dosud nejúspěšnější umělé oko nahrazující funkci je vlastně externí miniaturní digitální kamera s dálkovým jednosměrným elektronickým rozhraním implantovaná na sítnici, zrakový nerv nebo jiná příbuzná místa uvnitř mozku. Současný stav techniky přináší pouze částečné funkce, jako je rozpoznávání úrovní jasu, barevných odstínů a/nebo základních geometrických tvarů, což dokazuje potenciál tohoto konceptu.
Různí výzkumníci prokázali, že sítnice provádí strategické předzpracování obrazu pro mozek. Problém vytvoření zcela funkčního umělého elektronického oka je ještě složitější. Očekává se, že pokroky směřující k řešení složitosti umělého spojení se sítnicí, optickým nervem nebo souvisejícími oblastmi mozku v kombinaci s pokračujícím pokrokem v oblasti počítačové vědy výrazně zlepší výkon této technologie.
HeartEdit
Umělé orgány související s kardiovaskulárním systémem se implantují v případech, kdy je srdce, jeho chlopně nebo jiná část oběhového systému v poruše. Umělé srdce se obvykle používá k překlenutí doby do transplantace srdce nebo k trvalé náhradě srdce v případě, že transplantace srdce není možná. Umělé kardiostimulátory představují další kardiovaskulární zařízení, které může být implantováno tak, aby podle potřeby buď přerušovaně posilovalo (režim defibrilátoru), trvale posilovalo nebo zcela obcházelo přirozený živý kardiostimulátor. Další alternativou jsou komorová asistenční zařízení, která fungují jako mechanická oběhová zařízení, jež částečně nebo zcela nahrazují funkci selhávajícího srdce, aniž by bylo nutné odstranit srdce samotné.
Kromě nich se zkoumají také laboratorně vypěstovaná srdce a 3D bioprintovaná srdce. V současné době jsou vědci omezeni ve schopnosti pěstovat a tisknout srdce kvůli potížím s tím, aby krevní cévy a laboratorně vyrobené tkáně fungovaly soudržně.
LedvinaEdit
Bylo oznámeno, že vědci z Kalifornské univerzity v San Francisku vyvíjejí implantovatelnou umělou ledvinu. Od roku 2018 tito vědci dosáhli s touto technologií významného pokroku, ale stále zjišťují metody, jak zabránit srážení krve spojenému s jejich přístrojem.
Seznam pacientů, kteří čekají na ledvinu, je dlouhý a ledviny jsou ve srovnání s jinými orgány vzácné. Mnoho lidí se operace nemohlo dočkat. Vědci cítí nutkání vyvinout umělou ledvinu, usilovně pracují na tom, aby vyrobili ledvinu, která bude dokonale fungovat a snad dokáže nahradit lidské ledviny. Díky grantům NIB Quantum vývoj umělé ledviny pokročil, spočítali simulaci toku krve, spojili svou práci se vzácnou odborností v oblasti umělé ledviny. „Jak vývojáři této technologie moc dobře vědí, obzvláště frustrující je potýkat se s krevními sraženinami, které mohou jednak ucpat zařízení, čímž se stane nepoužitelným, jednak způsobit nebezpečí pro jiné části těla, kde by byl průtok krve ohrožen,“ uvedla Rosemarie Hunzikerová, ředitelka programu NIB v oblasti tkáňového inženýrství a regenerativní medicíny.
Umělá ledvina by umožňovala nepřetržitou filtraci krve, což by pomohlo snížit počet onemocnění ledvin a zvýšit kvalitu života pacientů.
JátraUpravit
Játra:
HepaLife vyvíjí zařízení pro bioumělá játra určené k léčbě jaterního selhání s využitím kmenových buněk. Umělá játra jsou navržena tak, aby sloužila jako podpůrné zařízení, které buď umožňuje regeneraci jater při jejich selhání, nebo překlenuje jaterní funkce pacienta do doby, než bude k dispozici transplantace. Je to možné pouze díky tomu, že využívá skutečné jaterní buňky (hepatocyty), a ani v tomto případě se nejedná o trvalou náhradu.
Výzkumníci z Japonska zjistili, že směs lidských jaterních prekurzorů (diferencovaných z lidských indukovaných pluripotentních kmenových buněk ) a dvou dalších typů buněk může spontánně vytvářet trojrozměrné struktury označované jako „jaterní pupeny“.“
PlíceUpravit
Umělé plíce, z nichž některé jsou téměř plně funkční, slibují v blízké budoucnosti velký úspěch. Na tomto typu zdravotnického zařízení v současné době pracuje společnost MC3 z Ann Arbor.
Extrakorporální membránová oxygenace (ECMO) může být použita k významnému odlehčení původní plicní tkáně a srdce. Při ECMO se do pacienta zavede jeden nebo více katétrů a pomocí čerpadla proudí krev přes dutá membránová vlákna, která si s krví vyměňují kyslík a oxid uhličitý. Podobně jako ECMO má i extrakorporální odstraňování CO2 (ECCO2R) podobné uspořádání, ale pacientovi prospívá hlavně odstraňováním oxidu uhličitého, nikoliv okysličováním, s cílem umožnit plicím odpočinek a uzdravení.
OvariaEdit
Základy pro vývoj umělých vaječníků byly položeny na počátku 90. let 20. století.
Pacientky v reprodukčním věku, které onemocní rakovinou, často podstupují chemoterapii nebo radioterapii, což poškozuje oocyty a vede k předčasné menopauze. Na Brownově univerzitě byl vyvinut umělý lidský vaječník se samočinně sestavenými mikrotkáněmi vytvořenými pomocí nové technologie trojrozměrných Petriho misek. Ve studii financované a provedené NIH v roce 2017 se vědcům podařilo vytisknout 3-D vaječníky a implantovat je sterilním myším. V budoucnu vědci doufají, že se jim to podaří zopakovat u větších zvířat i u lidí. Umělé vaječníky budou použity pro účely in vitro zrání nezralých oocytů a pro vývoj systému pro studium vlivu toxinů z prostředí na folikulogenezi.
PankreasEdit
Umělá slinivka břišní se používá k náhradě endokrinní funkce zdravé slinivky u diabetiků a dalších pacientů, kteří ji potřebují. Může být použita ke zlepšení substituční léčby inzulínem, dokud není kontrola glykémie prakticky normální, jak je patrné ze zamezení komplikací hyperglykémie, a může také ulehčit léčbu osobám závislým na inzulínu. Přístupy zahrnují použití inzulinové pumpy pod kontrolou uzavřené smyčky, vývoj bio-umělé slinivky břišní sestávající z biokompatibilní fólie zapouzdřených beta buněk nebo použití genové terapie.
Červené krvinkyEdit
Umělé červené krvinky (RBC) jsou v projektech již asi 60 let, ale zájem o ně začal být až v době krize s krví dárců kontaminovanou HIV. Umělé RBC budou stoprocentně závislé na nanotechnologiích. Úspěšný umělý RBC by měl být schopen zcela nahradit lidský RBC, což znamená, že může plnit všechny funkce, které plní lidský RBC.
První umělý RBC, který vyrobili Chang a Poznanski v roce 1968, byl vyroben tak, aby přenášel kyslík a oxid uhličitý, také plnil antioxidační funkce.
Vědci pracují na novém druhu umělého RBC, který je o jednu padesátinu větší než lidský RBC. Jsou vyrobeny z přečištěných proteinů lidského hemoglobinu, které byly potaženy syntetickým polymerem. Díky speciálním materiálům umělé RBC mohou zachycovat kyslík, když je pH krve vysoké, a uvolňovat kyslík, když je pH krve nízké. Polymerní povlak také zabraňuje reakci hemoglobinu s oxidem dusnatým v krevním řečišti, čímž zabraňuje nebezpečnému zúžení cév. Doktor Allan Doctor uvedl, že umělé krvetvorné buňky může používat kdokoli s jakoukoli krevní skupinou, protože povlak je imunitně neutrální.
VarlataEdit
Muži, kteří utrpěli abnormality varlat v důsledku vrozených vad nebo úrazu, mohli poškozené varle nahradit varletní protézou. Ačkoli protéza neobnovuje biologickou reprodukční funkci, bylo prokázáno, že zařízení zlepšuje duševní zdraví těchto pacientů.
ThymusEdit
Implantovatelný přístroj, který by plnil funkci thymu, neexistuje. Vědcům se však podařilo vypěstovat brzlík z přeprogramovaných fibroblastů. Vyjádřili naději, že by tento přístup mohl jednoho dne nahradit nebo doplnit transplantaci brzlíku u novorozenců.
V roce 2017 vyvinuli vědci z Kalifornské univerzity v Los Angeles umělý brzlík, který sice zatím není implantabilní, ale je schopen plnit všechny funkce skutečného brzlíku.
Umělý brzlík by hrál důležitou roli v imunitním systému, využíval by krevní kmenové buňky k produkci většího množství T-buněk, které by tělu pomáhaly v boji s infekcemi, také by tělu poskytl schopnost likvidovat rakovinné buňky. Vzhledem k tomu, že když lidé zestárnou, jejich brzlík nefunguje dobře, byl by umělý brzlík dobrou volbou, jak nahradit starý, špatně fungující brzlík.
Myšlenka využití T buněk v boji proti infekcím existuje již delší dobu, ale teprve nedávno byla navržena myšlenka využití zdroje T buněk, umělého brzlíku. „Víme, že klíčem k vytvoření konzistentní a bezpečné zásoby T-buněk bojujících proti rakovině by bylo řídit proces tak, aby se v transplantovaných buňkách deaktivovaly všechny T-buněčné receptory s výjimkou receptorů bojujících proti rakovině,“ řekl Dr. Gay Crooks z UCLA. Vědci také zjistili, že T-lymfocyty produkované umělým brzlíkem mají různorodou škálu T-lymfocytárních receptorů a pracují podobně jako T-lymfocyty produkované normálním brzlíkem. Vzhledem k tomu, že mohou pracovat stejně jako lidský brzlík, mohou umělé brzlíky dodávat tělu konzistentní množství T buněk pro pacienty, kteří potřebují léčbu.
TracheaEdit
Oblast umělých brzlíků prošla díky práci Paola Macchiariniho v Karolinském institutu i jinde v letech 2008 až zhruba 2014 obdobím velkého zájmu a vzrušení, o kterém se psalo na prvních stránkách novin a v televizi. V roce 2014 se objevily obavy z jeho práce a do roku 2016 byl propuštěn a bylo odvoláno vysoké vedení Karolinské univerzity, včetně lidí, kteří se podíleli na udělení Nobelovy ceny.
V roce 2017 se ukázalo, že inženýrství průdušnice – duté trubice vystlané buňkami – je náročnější, než se původně předpokládalo; k výzvám patří obtížná klinická situace lidí, kteří se představují jako kliničtí kandidáti a kteří již zpravidla prošli několika zákroky; vytvoření implantátu, který se může plně vyvinout a integrovat s hostitelem a zároveň odolávat dýchacím silám, jakož i rotačnímu a podélnému pohybu, kterému je průdušnice vystavena.