При всичките си мистични сили сърцето е доста просто нещо. Това е помпа - кръв, кръв. И това направи не толкова трудното копиране.
Но белите дробове са друг въпрос. Никой никога няма да ви посъветва да „Следвате дробовете си“ или да опишете „счупен бял дроб“, което е жалко. Защото това е един сложен орган.
Малко хора разбират това, както и Уилям Федерспиел, изследовател по биоинженеринг и професор в Университета в Питсбърг. През последните 20 години или повече той работи върху проектирането на изкуствен бял дроб. Това е предизвикателство, признава той.
„Технологията за пациенти с белодробна недостатъчност изостава от технологията за хора със сърдечна недостатъчност“, казва той. „Това се свежда до доста прост факт: Доста лесно е да се проектира малка помпа, която да изпомпва кръв при дебита на сърцето.
„Но белият дроб е просто невероятен орган за обмен на газ между атмосферата и кръвта, която тече през белите ви дробове. Няма технология, която някога да е била в състояние да се доближи до това, което може да направи човешкият бял дроб. "
Белия дроб в раница
Въпреки това Федерспиел и неговият изследователски екип се приближават. Те вече са измислили устройство, наречено Hemolung Respiratory Assist System (RAS), което изпълнява описаното като „дихателна диализа“, премахвайки въглеродния диоксид от кръвта на пациента. Произвежда се от стартиращия в Питсбърг Federspiel, наречен ALung Technologies, и може да премине тестове в клинични изпитвания в САЩ в края на тази година или в началото на 2018 г. Вече е одобрен за употреба в Европа, Канада и Австралия.
Сега те се движат напред на много по-малко устройство, за което са кандидатствали за патент, само това е проектирано да повишава нивата на кислород в кръвта на човек. Също така, по-рано тази година, изследователите получиха безвъзмездна помощ от 2, 35 милиона долара от Националните здравни институти (NIH) за разработване на версия на техния изкуствен бял дроб за деца.
Най-просто казано, най-новото изследване на Federspiel е фокусирано върху усъвършенстване на механичен бял дроб, който функционира извън тялото, но това е достатъчно малко, за да бъде пренесено в раница или кобур. Той би бил свързан с кава на вената на пациента - голяма вена, носеща кръв в сърцето - чрез канюла или тръба, вкарана в яремната вена в гърлото. Той или тя все още ще трябва да диша кислород от преносим резервоар.
Това, отбелязва Федерспиел, би позволило на човека да бъде по-мобилен в болницата, вместо да бъде затворен в легло. Това е критично важно, защото ако пациентите не могат да се движат, мускулите им стават по-слаби и шансовете им да се възстановят от сериозна белодробна инфекция намаляват. Счита се, че устройството е особено полезно за пациенти, които чакат белодробна трансплантация, като хора с муковисцидоза.
"В момента не възнамеряваме да могат да напуснат болницата с една от тези системи", казва той, "но поне в болницата те ще могат да станат и да се разходят."
Проклятието на съсиреци
Има и други неотдавнашни пробиви в пресъздаването на човешки бели дробове. Миналата година учени от Националната лаборатория в Лос Аламос в Ню Мексико обявиха, че са създали миниатюрно устройство, изработено от полимери, което функционира като бял дроб и е проектирано да имитира реакцията на органа към лекарства, токсини и други елементи на околната среда за тестови цели.
В Чешката република учени от Технологичния университет в Бърно заявиха, че са разработили 3D-отпечатана версия на белия дроб, която може да симулира състояния като астма и други хронични белодробни проблеми и това ще позволи на лекарите да внесат по-голяма точност в това как лечение на белодробни състояния.
И двата проекта обаче имат за цел да помогнат на изследователите да научат повече за условията и лечението, докато изследванията на Федерспиел - както и подобна работа, която се извършва наблизо в Питсбърг в Университета в Карнеги Мелън - е насочена повече към подпомагане на пациентите да подобрят дългосрочната си прогноза,
Новото устройство - това, предназначено да повишава нивата на кислород в кръвта - трябва да поддържа по-тежък кръвен поток от машината, която понижава въглеродния двуокис. Така, както Федерспиел посочва, той е изправен пред предизвикателството да се справи с това, което често се случва с кръвта, когато тече над човешка повърхност - тя се съсирва.
Всичко е свързано със сложния обмен на газ, който е ключов за функцията на белите дробове и как е имитиран в устройството. „Блокът за обмен на газ [в устройството] е съставен от голям брой полимерни тръби, които са около два пъти по-големи от дебелината на човешката коса“, обяснява той. „Те са пропускливи за газ, така че когато кръвта тече от външната страна на тези тръби, ние пренасяме 100 процента кислород през вътрешността на епруветките. Кислородът се движи в кръвта чрез дифузия, а въглеродният диоксид се премества от кръвта в газовия поток, преминаващ през устройството. "
Проблемът е, че преминаващата през кръвта влиза в контакт със сравнително голяма изкуствена повърхност, което увеличава шанса да се образуват съсиреци. Това е голяма причина, поради която в този момент не е реалистично да се помисли за имплантиране на белодробни устройства като това в тялото на пациента. Те вероятно ще трябва да бъдат заменени на всеки няколко месеца.
Федерспиел казва, че наскоро екипът му успя да тества новото устройство на овце за пет дни без никакви проблеми. Използват се овце, тъй като сърдечно-съдовите им системи са подобни на хората. Но той и неговият екип също работят с компания за разработване на специални покрития, които се надяват значително да намалят съсирването. Това също би позволило на лекарите да намалят значително нивото на антикоагулаторните лекарства, които пациентите трябва да приемат.
Следващата стъпка, според него, е 30-дневно изпитване на животни, което би сравнило резултатите на устройствата както с покритието, така и без него. Той изчислява, че клиничните изпитвания върху хора все още могат да бъдат от четири до пет години.
Но Федерспиел не се възпира от умишленото темпо на създаване на устройство, което работи както и на белия дроб на човека. Той добре знае колко взискателно може да бъде това.
„Изкуственият бял дроб все още трябва да функционира като човешкия дроб“, казва той. "Когато говоря за това, първото нещо, което казвам, е белият дроб е невероятен орган."
