Diapositivo 37

Prótese xenoaórtica biológica BRAILE (Brasil) Prótese xenopericárdica biológica BRAILE (Brasil) Prótese xenopericárdica biológica Mitraflow Synergy (EUA) Prótese xenoaórtica biológica “LABCOR” (EUA) Prótese xenoaórtica biológica russa “KemKor” Enxerto homoaórtico (homoenxerto, aloenxerto).

Diapositivo 38

Conclusão:

A medicina não pára, está em desenvolvimento e num futuro próximo os órgãos artificiais criados poderão substituir completamente os órgãos humanos doentes. Consequentemente, a esperança de vida aumentará. A tecnologia médica permite substituir órgãos humanos total ou parcialmente doentes. Marcapasso cardíaco eletrônico, amplificador de som para surdos, lente de plástico especial - esses são apenas alguns exemplos do uso da tecnologia na medicina. As biopróteses acionadas por fontes de alimentação em miniatura que reagem às biocorrentes no corpo humano também estão se tornando cada vez mais difundidas.

Diapositivo 39

Lista de literatura usada

Galletti PM, Bricher GA, Fundamentos e técnicas de circulação extracorpórea, trad. do inglês, M., 1966. N. A. Super. www.google.kz www.mail.ru www.wikipedia.ru

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A tecnologia médica moderna permite substituir órgãos humanos total ou parcialmente doentes. Marcapasso cardíaco eletrônico, amplificador de som para surdos, lente de plástico especial - esses são apenas alguns exemplos do uso da tecnologia na medicina. As biopróteses acionadas por fontes de alimentação em miniatura que reagem às biocorrentes no corpo humano também estão se tornando cada vez mais difundidas.

Durante operações complexas realizadas no coração, pulmões ou rins, uma assistência inestimável aos médicos é prestada pela “Máquina cardiovascular”, “Pulmão artificial”, “Coração artificial”, “Rim artificial”, que assumem as funções dos órgãos operados e permitir temporariamente seu trabalho.

O “pulmão artificial” é uma bomba pulsante que fornece ar em porções a uma frequência de 40 a 50 vezes por minuto. Um pistão normal não é adequado para isso; partículas de material das peças de atrito ou da vedação podem entrar no fluxo de ar. Aqui, e em outros dispositivos semelhantes, são usados ​​​​foles feitos de metal corrugado ou plástico - foles. O ar purificado levado à temperatura necessária é fornecido diretamente aos brônquios.

A “máquina coração-pulmão” é projetada de maneira semelhante. Suas mangueiras são conectadas cirurgicamente aos vasos sanguíneos. A primeira tentativa de substituir a função do coração por um análogo mecânico foi feita em 1812. Porém, entre os diversos aparelhos fabricados, ainda não existe nenhum que satisfaça completamente os médicos.

Cientistas e designers nacionais desenvolveram vários modelos sob o nome geral de “Pesquisa”. Trata-se de uma prótese cardíaca de quatro câmaras com ventrículos tipo saco projetada para implantação em posição ortotópica.

O modelo distingue entre as metades esquerda e direita, cada uma delas composta por um ventrículo artificial e um átrio artificial. Os componentes do ventrículo artificial são: corpo, câmara de trabalho, válvulas de entrada e saída. O corpo ventricular é feito de borracha de silicone pelo método de estratificação. A matriz é imersa em um polímero líquido, removida e seca - e assim por diante, até que a polpa do coração multicamadas seja criada na superfície da matriz. A câmara de trabalho tem formato semelhante ao corpo. Foi feito de borracha de látex e depois de silicone. Uma característica do projeto da câmara de trabalho são as diferentes espessuras das paredes, nas quais as seções ativas e passivas são diferenciadas. O design é projetado de forma que mesmo com tensão total das áreas ativas, as paredes opostas da superfície de trabalho da câmara não se toquem, eliminando assim lesões nas células sanguíneas.

O designer russo Alexander Drobyshev, apesar de todas as dificuldades, continua a criar novos designs modernos de Poisk, que serão muito mais baratos que os modelos estrangeiros.

Um dos melhores sistemas de coração artificial estrangeiro da atualidade, o Novacor, custa 400 mil dólares. Com ele, você pode esperar um ano inteiro por uma operação em casa. A caixa Novacor contém dois ventrículos de plástico. Em um carrinho separado há um computador de controle de serviço externo, um monitor de controle, que fica na clínica em frente aos médicos. Em casa, com o paciente, há fonte de alimentação, baterias recarregáveis, que são substituídas e recarregadas na rede elétrica. A tarefa do paciente é monitorar o indicador verde das lâmpadas que indicam a carga das baterias.

Os dispositivos renais artificiais estão em operação há bastante tempo e são utilizados com sucesso pelos médicos. Em 1837, enquanto estudava os processos de movimentação de soluções através de membranas semipermeáveis, T. Grechen usou e cunhou pela primeira vez o termo “diálise” (do grego dialisis - separação). Mas só em 1912, com base nesse método, foi construído nos EUA um aparelho, com o qual seus autores realizaram a retirada de salicilatos do sangue de animais em um experimento. No aparelho, que chamaram de “rim artificial”, eram usados ​​tubos de colódio como membrana semipermeável, por onde fluía o sangue do animal, e a parte externa era lavada com solução isotônica de cloreto de sódio. Porém, o colódio utilizado por J. Abel revelou-se um material bastante frágil, e posteriormente outros autores experimentaram outros materiais para diálise, como intestinos de aves, bexigas natatórias de peixes, peritônio de bezerro, junco, papel...

Para prevenir a coagulação do sangue, foi utilizada a hirudina, um polipeptídeo contido na secreção das glândulas salivares da sanguessuga medicinal. Estas duas descobertas foram o protótipo para todos os desenvolvimentos subsequentes no campo da limpeza extrarrenal.

Quaisquer que sejam as melhorias nesta área, o princípio permanece o mesmo. Em qualquer modalidade, o "rim artificial" inclui uma membrana semipermeável, de um lado da qual flui o sangue e do outro lado - uma solução salina. Para prevenir a coagulação do sangue, são utilizados anticoagulantes - medicamentos que reduzem a coagulação do sangue. Nesse caso, as concentrações de íons de baixo peso molecular, uréia, creatinina, glicose e outras substâncias de baixo peso molecular são equalizadas. À medida que a porosidade da membrana aumenta, ocorre a movimentação de substâncias com maior peso molecular. Se adicionarmos a este processo o excesso de pressão hidrostática do sangue ou a pressão negativa da solução de lavagem, então o processo de transferência será acompanhado pelo movimento da água - transferência de massa por convecção. A pressão osmótica também pode ser usada para transferir água adicionando substâncias osmoticamente ativas ao dialisado. Na maioria das vezes, a glicose era usada para esse fim, menos frequentemente a frutose e outros açúcares, e ainda menos frequentemente produtos de outras origens químicas. Ao mesmo tempo, ao introduzir glicose em grandes quantidades, pode-se obter um efeito de desidratação verdadeiramente pronunciado, porém, não é recomendado aumentar a concentração de glicose no dialisante acima de determinados valores devido à possibilidade de desenvolver complicações. Por fim, é possível abandonar completamente a solução de lavagem de membrana (dialisado) e obter a liberação de água e substâncias com ampla faixa de pesos moleculares através da membrana da parte líquida do sangue.

Em 1925, J. Haas realizou a primeira diálise em humanos e, em 1928, também usou heparina, uma vez que o uso prolongado de hirudina estava associado a efeitos tóxicos e seu efeito na própria coagulação sanguínea era instável. A heparina foi usada pela primeira vez para diálise em 1926 em um experimento de H. Nechels e R. Lim.

Como os materiais listados acima revelaram-se de pouca utilidade como base para a criação de membranas semipermeáveis, a busca por outros materiais continuou. E em 1938, o celofane foi utilizado pela primeira vez para hemodiálise, que nos anos seguintes permaneceu por muito tempo a principal matéria-prima para a produção de membranas semipermeáveis.

O primeiro dispositivo de “rim artificial”, adequado para uso clínico amplo, foi criado em 1943 por W. Kolff e H. Burke. Então esses dispositivos foram aprimorados. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento do pensamento técnico nesta área preocupou-se inicialmente em maior medida com a modificação dos dialisadores, e só nos últimos anos começou a afetar significativamente os próprios dispositivos. Como resultado, surgiram dois tipos principais de dialisador. A chamada bobina, onde eram utilizados tubos de celofane, e o plano-paralelo, em que eram utilizadas membranas planas.

Em 1960, F. Kiil projetou uma versão de muito sucesso de um dialisador plano paralelo com placas de polipropileno e, ao longo de vários anos, esse tipo de dialisador e suas modificações se espalharam pelo mundo, ocupando um lugar de liderança entre todos os outros tipos. de dialisadores. Em seguida, o processo de criação de hemodialisadores mais eficientes e de simplificação das técnicas de hemodiálise desenvolveu-se em duas direções principais. O design do próprio dialisador, com os dialisadores descartáveis ​​eventualmente assumindo uma posição dominante, e o uso de novos materiais como membrana semipermeável. O dialisador é o coração do “rim artificial” e, portanto, os principais esforços dos químicos e engenheiros sempre visaram melhorar este elo específico no complexo sistema do aparelho como um todo. Contudo, o pensamento técnico não ignorou o aparelho como tal.

Na década de 1960, surgiu a ideia de utilizar os chamados sistemas centrais, ou seja, dispositivos de “rim artificial”, nos quais o dialisado era preparado a partir de um concentrado - uma mistura de sais, cuja concentração era 30-34 vezes maior do que sua concentração no sangue do paciente.

Uma combinação de técnicas de diálise e recirculação tem sido usada em diversas máquinas de rim artificial, por exemplo, pela empresa americana Travenol. Nesse caso, cerca de 8 litros de dialisante circularam em alta velocidade em um recipiente separado no qual foi colocado o dialisador, no qual foram adicionados 250 mililitros de solução fresca a cada minuto e a mesma quantidade foi jogada no esgoto.

No início, utilizava-se água simples da torneira para hemodiálise, depois, devido à sua contaminação, principalmente por microrganismos, tentaram usar água destilada, mas acabou sendo muito cara e ineficaz. A questão foi radicalmente resolvida após a criação de sistemas especiais para a preparação de água da torneira, que incluíam filtros para purificá-la de impurezas mecânicas, ferro e seus óxidos, silício e outros elementos, resinas de troca iônica para eliminar a dureza da água e a instalação de assim -chamada osmose “reversa”.

Muito esforço tem sido gasto na melhoria dos sistemas de monitoramento de dispositivos renais artificiais. Assim, além de monitorar constantemente a temperatura do dialisado, eles passaram a monitorar constantemente a composição química do dialisado por meio de sensores especiais, com foco na condutividade elétrica geral do dialisado, que muda com a diminuição da concentração de sal e aumenta com o aumento da concentração de sal. . Depois disso, sensores de fluxo seletivos de íons começaram a ser usados ​​em dispositivos renais artificiais, que monitoravam constantemente a concentração de íons. O computador tornou possível controlar o processo introduzindo elementos faltantes em recipientes adicionais ou alterando sua proporção usando o princípio de feedback.

A quantidade de ultrafiltração durante a diálise não depende apenas da qualidade da membrana; em todos os casos, o fator decisivo é a pressão transmembrana. Portanto, sensores de pressão passaram a ser amplamente utilizados em monitores: o grau de vácuo no dialisante, o valor da pressão na entrada e saída do dialisador. A tecnologia moderna por meio de computadores permite programar o processo de ultrafiltração. Saindo do dialisador, o sangue entra na veia do paciente através de um coletor de ar, que permite avaliar a quantidade aproximada de fluxo sanguíneo e a tendência do sangue a coagular. Para prevenir a embolia gasosa, essas armadilhas são equipadas com dutos de ar, com a ajuda dos quais é regulado o nível sanguíneo nelas. Atualmente, em muitos dispositivos, detectores ultrassônicos ou fotoelétricos são colocados em armadilhas de ar, que desligam automaticamente a linha venosa quando o nível de sangue na armadilha cai abaixo de um nível predeterminado.

Recentemente, cientistas criaram dispositivos para ajudar pessoas que perderam a visão - total ou parcialmente.

Os óculos milagrosos, por exemplo, foram desenvolvidos pela empresa de produção de pesquisa e inovação Rehabilitation com base em tecnologias anteriormente utilizadas apenas em assuntos militares. Como uma visão noturna, o dispositivo opera com base no princípio da localização infravermelha. As lentes pretas foscas dos óculos são, na verdade, placas de acrílico com um dispositivo de localização em miniatura entre elas. Todo o localizador, junto com a armação dos óculos, pesa cerca de 50 gramas - quase o mesmo que os óculos comuns. E são selecionados, como os óculos para videntes, estritamente individualmente, para que sejam confortáveis ​​​​e bonitos. As “lentes” não apenas desempenham suas funções diretas, mas também cobrem defeitos oculares. Entre duas dezenas de opções, cada um pode escolher a mais adequada para si. Usar óculos não é nada difícil: basta colocá-los e ligar a energia. A fonte de energia para eles é uma bateria descarregada do tamanho de um maço de cigarros. O gerador também está localizado aqui no bloco. Os sinais por ele emitidos, ao encontrar um obstáculo, retornam e são captados pelas “lentes receptoras”. Os impulsos recebidos são amplificados, em comparação com o sinal limite, e se houver um obstáculo, uma campainha soa imediatamente - quanto mais alto, quanto mais perto a pessoa se aproxima dele. O alcance do dispositivo pode ser ajustado usando um dos dois intervalos.

O trabalho na criação de uma retina eletrônica está sendo realizado com sucesso por especialistas americanos da NASA e do Centro Principal da Universidade Johns Hopkins.

No início, eles tentaram ajudar as pessoas que ainda tinham alguns resquícios de visão. “Os óculos de televisão foram criados para eles”, escrevem S. Grigoriev e E. Rogov na revista “Young Technician”, onde telas de televisão em miniatura são instaladas em vez de lentes. Câmeras de vídeo igualmente em miniatura localizadas no quadro transmitem para a imagem tudo o que entra no campo de visão de uma pessoa comum. Porém, para deficientes visuais, a imagem também é decifrada por meio de um computador embutido. Tal dispositivo não cria nenhum milagre especial e não torna cegos, dizem os especialistas, mas aproveitará ao máximo as habilidades visuais restantes de uma pessoa e facilitará a orientação.

Por exemplo, se uma pessoa tiver pelo menos parte da retina restante, o computador irá “dividir” a imagem para que a pessoa possa ver o entorno pelo menos com a ajuda das áreas periféricas preservadas.

Segundo os desenvolvedores, esses sistemas ajudarão aproximadamente 2,5 milhões de pessoas que sofrem de deficiência visual. Bem, e aqueles cuja retina está quase completamente perdida? Para eles, os cientistas do centro oftalmológico da Universidade Duke (Carolina do Norte) estão dominando as operações de implantação de uma retina eletrônica. Eletrodos especiais são implantados sob a pele que, quando conectados aos nervos, transmitem imagens ao cérebro. Uma pessoa cega vê uma imagem composta por pontos luminosos individuais, muito semelhantes aos painéis exibidos em estádios, estações de trem e aeroportos. A imagem no “placar” é novamente criada por câmeras de televisão em miniatura montadas em armações de óculos.”

E, finalmente, a última palavra da ciência hoje é uma tentativa de usar a microtecnologia moderna para criar novos centros sensíveis na retina danificada. Essas operações estão sendo realizadas agora na Carolina do Norte pelo professor Rost Propet e seus colegas. Juntamente com especialistas da NASA, eles criaram as primeiras amostras de retina subeletrônica, que é implantada diretamente no olho.

“Nossos pacientes, é claro, nunca poderão admirar as pinturas de Rembrandt”, comenta o professor. “No entanto, eles ainda serão capazes de distinguir entre onde está a porta e onde está a janela, sinais de trânsito e sinalização…”

Funcionários da melhor agência de detetives particulares de Moscou resolverão suas dúvidas profissionalmente.

Daremos continuidade ao projeto especial sobre os problemas do envelhecimento com uma história sobre os mais destacados e famosos pesquisadores que iniciaram o trabalho de criação de órgãos artificiais. A maioria deles continua a trabalhar em novos projetos ambiciosos.

Uma série de artigos concebidos como parte do projeto especial “biomoléculas” da fundação “Science for Life Extension”.

Nesta série consideraremos problemas gerais de envelhecimento de células e organismos, abordagens científicas para longevidade e prolongamento de uma vida saudável, a ligação entre sono e envelhecimento, nutrição e expectativa de vida (vamos voltar à nutrigenômica), falaremos sobre organismos com envelhecimento insignificante, abordaremos os tópicos de (epi)genética do envelhecimento e animação suspensa

É claro que o fenómeno do envelhecimento é tão complexo que é demasiado cedo para falar de sucessos radicais na luta contra ele ou mesmo de uma compreensão clara das suas causas e mecanismos. Mas tentaremos selecionar as informações mais interessantes e sérias sobre as conexões descobertas, objetos modelo, tecnologias desenvolvidas e já disponíveis para a correção de distúrbios relacionados à idade.

Fique atento!

Linda Griffith e Charles Vacanti

Linda Griffith- Professor de Bioengenharia e Engenharia Mecânica. Em 2006, ela recebeu uma bolsa MacArthur, também conhecida como “bolsa genial”. Coautor de trabalho pioneiro sobre o crescimento de cartilagem no formato do ouvido humano. Atualmente desenvolve tecnologias para cultivo de culturas celulares 3D e também participa do projeto “Man on a Chip”.

Charles Vacanti- Professor da Faculdade de Medicina de Harvard. Coautor do trabalho pioneiro sobre o crescimento da cartilagem no formato da orelha humana, bem como do primeiro osso artificial com formato anatômico (para um paciente com lesão no polegar). Estou convencido de que existe uma maneira de transformar células especializadas em um estado-tronco que não utilize modificações genéticas. Sua convicção não foi abalada nem mesmo pelo escândalo com seu ex-aluno de pós-graduação, Haruko Obokata, que fabricou os resultados de um experimento de obtenção de células-tronco. Charles Vacanti sustentou até o último momento que os protocolos de Haruko Obokata deveriam funcionar. Em setembro do ano passado, depois de comprovada a falsificação de dados por um pesquisador japonês, ele entrou em licença acadêmica de um ano. Aparentemente, após a formatura, Charles Vacanti planeja continuar buscando uma forma simples de obter células-tronco.

No final da década de 1990, uma imagem assustadora se tornou viral na Internet - um rato com uma orelha humana nas costas (Fig. 1). A foto foi enviada principalmente por e-mail e as legendas foram perdidas com o tempo. Muitas pessoas não acreditaram que a imagem fosse real, enquanto outras começaram a protestar ativamente contra a engenharia genética, e como resultado, segundo essas pessoas, nasceu o rato feio. A imagem era real. A orelha humana nas costas de um camundongo foi cultivada, é claro, sem o uso de modificações genéticas (mesmo naquela época era claro que os órgãos são formados através da interação complexa de genes multifuncionais, e nenhum “gene da orelha humana” poderia existir ). E o trabalho para o qual o infeliz rato foi obtido foi um dos pioneiros no campo da engenharia de órgãos humanos artificiais.

Figura 1. Famosa fotografia de obra realizada na década de 90. O animal, ao contrário do que supõem muitas pessoas assustadas, não foi submetido a modificação genética, mas serviu apenas como meio no qual a base sintética da orelha foi povoada por células aplicadas a ela. Biorreatores mais adequados para incubar um órgão artificial simplesmente não existiam naquela época.

A orelha, na verdade, tinha apenas forma humana, e as células que a compunham foram retiradas de um bezerro. No entanto, os autores do trabalho, incluindo Linda Griffith e Charles Vacanti, deram o primeiro passo para a criação de estruturas tão assustadoramente complexas como os órgãos humanos. São tão poucos os órgãos doados e há tantos problemas com eles (tanto imunológicos quanto psicológicos), que a timidez antes de criar partes artificiais do corpo humano era simplesmente necessária para superar.

A estratégia utilizada por Linda Griffith e Charles Vacanti ainda é popular na bioengenharia de órgãos artificiais com estruturas complexas. Primeiro, uma estrutura é obtida a partir de um polímero degradável e depois é preenchida com células, que gradativamente corroem a estrutura, dividem-se e ocupam o espaço livre. Uma versão menos “pura” do mesmo método utiliza estruturas de órgãos obtidas de outros animais ou doadores, destrói as suas células e preenche a matriz resultante com as células do receptor. Tal órgão não pode ser considerado totalmente artificial e, ainda assim, é melhor que um doador, pois não contém suas células e não causa rejeição pelo sistema imunológico. Esta versão do método é utilizada quando o andaime é difícil de obter artificialmente devido à sua estrutura ou composição complexa e quando este andaime deve fazer parte do órgão resultante e não ser corroído durante o processo de colonização pelas células.

A colonização do quadro deve ocorrer em condições o mais próximas possível das condições internas do corpo - com temperatura correta e fluxo de soluções nutritivas por suas partes. Hoje em dia são utilizados reatores especiais para isso, que devem ser ajustados ao formato de um órgão específico. E nos primeiros trabalhos da década de 90, camundongos e ratos eram utilizados como biorreatores, nos quais as bases de órgãos povoados de células eram simplesmente implantadas sob a pele. Esses animais pareciam assustadores, mas o objetivo - a primeira cartilagem artificial no formato de uma orelha humana - foi alcançado.

Linda Griffith continuou seu trabalho na área de engenharia de tecidos artificiais. Agora, sob sua liderança, uma cultura tridimensional de células do fígado é mantida em um biorreator especial. Essa cultura está longe de ser um fígado artificial - não é semelhante em estrutura, mas mesmo assim é adequada para estudar drogas e o metabolismo de hepatócitos em condições próximas às naturais. O pesquisador também desenvolve órgãos em chips, inventados em 2010 por Donald Ingber (falaremos dele mais tarde).

Charles Vacanti interessou-se pelo outro lado da questão do cultivo de órgãos artificiais - a pesquisa com células-tronco. O fato é que as células necessárias para o crescimento de um novo órgão nem sempre são convenientes (se é que é possível) para serem retiradas de um doador. Portanto, antes de aprender como fazer crescer estruturas complexas a partir de células adequadas, é mais sensato aprender primeiro como obter essas células adequadas. Charles Vacanti estava interessado em converter células facilmente coletadas de um doador (por exemplo, da superfície da pele) em células do tipo desejado. Para isso, foi necessário aprender a transformar células especializadas em células-tronco – ou seja, capazes de adquirir qualquer especialização. E, claro, é importante para os bioengenheiros que o método de reprogramação de células não seja muito complexo, caso contrário os benefícios de seu uso desaparecerão. Charles Vacanti estava convencido de que o corpo deveria ter uma maneira de transformar as células em um estado-tronco, se necessário - tal habilidade parecia muito vantajosa para ele.

Talvez a solução esteja nas iPSCs – células-tronco pluripotentes induzidas, que podem ser obtidas a partir de células de diversas especializações. Leia sobre os problemas de obtenção e os riscos de utilizá-los nos artigos “ Em busca de células para iPSCs – passo a passo rumo à medicina do futuro" E " Fusível IPSC» , .

O corpo pode precisar de células-tronco se estiver sob estresse extremo, então Charles Vacanti acreditava que o estresse poderia fazer com que as células mudassem para um estado-tronco. O cientista não conseguiu encontrar evidências convincentes desta hipótese. Mas ele conseguiu interessar o estudante japonês Haruko Obokata com suas ideias. Depois de trabalhar no laboratório de Vacanti em Harvard, a jovem investigadora regressou ao Instituto RIKEN, onde continuou a procurar o tipo de stress que faz com que células especializadas se transformem em células estaminais. Através de Haruko Obokata, a história de Charles Vacanti se entrelaçou com o destino de outro notável bioengenheiro, Yoshiki Sasai.

Yoshiki Sasai

Yoshiki Sasai- um excelente bioengenheiro, pioneiro na área de obtenção de miniorganóides por meio da reprodução dos primeiros estágios do desenvolvimento embrionário humano. Reproduziu os estágios iniciais de desenvolvimento do córtex cerebral, bem como do cálice óptico e da glândula pituitária do embrião. No seu laboratório, um jovem investigador, Haruko Obokata, procurava um método simples para transformar células especializadas em células estaminais. Haruko Obokata fabricou dados sobre o sucesso de sua pesquisa. Cansado da atenção da imprensa e das acusações da comunidade científica de controle insuficiente sobre o andamento dos trabalhos sob sua liderança, Yoshiki Sasai se enforcou no corrimão da escada de seu instituto em agosto de 2014.

Todos os organismos vivos passam por um longo e difícil caminho de desenvolvimento antes de adquirirem sua estrutura final, muitas vezes muito complexa. Se quisermos obter uma cópia de um órgão artificial, vale lembrar exatamente como esse órgão se forma na natureza. Reproduzir o desenvolvimento embrionário de um órgão é um caminho muito promissor para os bioengenheiros. Foi nesta área que Yoshiki Sasai se tornou famoso pelo seu trabalho. Em 2008, foram publicados os resultados do trabalho de reprodução dos primeiros estágios de desenvolvimento de nada menos que o cérebro humano. E em 2011, pesquisadores japoneses sob a liderança de Sasai obtiveram os rudimentos da glândula pituitária e dos cálices ópticos (Fig. 2). “In vitro” (mais precisamente, numa placa de Petri) é possível cultivar apenas mini-organóides, porque as fases posteriores do seu desenvolvimento requerem um ambiente tridimensional complexo, que, por sua vez, também deve se desenvolver com o crescimento do órgão. No entanto, a seleção de condições que estimulam as células a repetir pelo menos os primeiros estágios do desenvolvimento dos órgãos já fornece muitos dados úteis para a embriologia. Além disso, o desenvolvimento da patologia pode ser rastreado usando miniorganóides cultivados a partir de células com mutações genéticas. E, claro, os miniorganóides são adequados para testar drogas e especialmente para estudar seus efeitos nos estágios iniciais do desenvolvimento do organismo.

Infelizmente para Yoshiki Sasai, o trabalho em outros tópicos também foi realizado sob sua liderança. No início de 2014 na revista Natureza Foi publicado um artigo cujo primeiro autor foi Haruko Obokata e o último autor foi Yoshiki Sasai. O artigo descreveu um método surpreendentemente simples de reprogramar células especializadas em células-tronco - usando uma curta incubação em uma solução de ácido cítrico. As células-tronco obtidas desta forma foram chamadas ESTAR (aquisição de pluripotência desencadeada por estímulo). As células STAP poderiam causar uma verdadeira revolução na medicina regenerativa - com um método tão simples, como descrito por cientistas japoneses, as células-tronco poderiam ser obtidas em grandes quantidades. Infelizmente, nenhum outro pesquisador, exceto Haruko Obokata, conseguiu obter células STAP. Cientistas japoneses foram bombardeados com perguntas de colegas decepcionados e da imprensa, e Haruko Obokata teve que repetir os experimentos em seu próprio laboratório para provar que o método poderia funcionar. Ela falhou. Durante a investigação sob os auspícios do Instituto RIKEN, descobriu-se que Haruko Obokata falsificou os dados da escandalosa publicação, e o chefe do estudo, Yoshiki Sasai, não sabia disso. Em agosto de 2014, o cientista, profundamente afetado pelo escândalo em torno do estudo, suicidou-se. Haruko Obokata não contestou a decisão da comissão de especialistas de fraudar os resultados.

Curiosamente, durante o escândalo, Charles Vacanti (ex-diretor da Haruko Obokata) falou ativamente em defesa dos cientistas japoneses. No final, ele teve que admitir que o artigo havia sido retratado por um bom motivo, mas, apesar disso, não desistiu de sua ideia favorita sobre a possibilidade de obter células-tronco de células especializadas sem modificações genéticas que exigem muito trabalho. Em setembro passado, Charles Vacanti tirou um ano sabático, que acaba de terminar.

Não se sabe se um dia será encontrada uma maneira simples de obter células-tronco. Seja como for, outra direção da pesquisa de Yoshiki Sasai - a obtenção de organoides - revelou-se muito frutífera. Nos anos seguintes, cientistas de diferentes grupos conseguiram obter miniorganóides dos intestinos, estômago e rins. A última conquista nesta área - organoides cardíacos - pertence ao famoso especialista na criação de órgãos artificiais Anthony Atala.

Antonio Atala

Antonio Atala- diretor. Ele aprendeu a produzir bexiga, uretra e vagina artificiais a partir de células dos próprios pacientes. Agora existem dezenas de pessoas em todo o mundo com esses órgãos artificiais, criados sob a liderança de Anthony Atala. Agora, o famoso bioengenheiro está trabalhando na criação de um pênis artificial que sirva para vítimas de acidentes e homens com patologias congênitas do aparelho reprodutor.

Anthony Atala é o diretor de todo o Instituto de Medicina Regenerativa. Sob a liderança do cientista, muitos trabalhos notáveis, cada vez mais complexos, foram realizados nesta área. Anthony Atala está envolvido principalmente na criação de órgãos artificiais do aparelho geniturinário. Ele começou com a coisa mais simples: a bexiga. Essencialmente, a bexiga é apenas um saco de células, e as operações nas quais as bexigas são feitas de tecido intestinal já são realizadas há algum tempo. É claro que esses órgãos têm funções muito diferentes – a parede intestinal absorve nutrientes e a bexiga serve simplesmente como reservatório para a urina antes de ela ser eliminada. Portanto, é claro, eu queria aprender como produzir esse órgão simples a partir de um material mais adequado. Anthony Atala usou o método já mencionado para isso - cultivar células em uma estrutura especial de formato anatômico. Essas bexigas artificiais foram implantadas em vários meninos com patologias deste órgão em 1999. Após 5 anos de observação, Anthony Atala e seus colegas relataram que os órgãos artificiais criaram raízes bem e não causaram complicações aos receptores. Depois disso, o cientista passou para uma tarefa mais complexa - a criação de vaginas artificiais. Ao contrário das bexigas, estes órgãos nunca foram produzidos artificialmente. Ao mesmo tempo, a estrutura da vagina também não é muito complicada - é um tubo feito de células. Em 2005-2009, quatro meninas com patologias raras nas quais o sistema reprodutivo não se desenvolve corretamente foram implantadas com essas vaginas artificiais. Em 2014, o cientista relatou o sucesso de todas as operações, graças às quais os pacientes mais velhos puderam viver uma vida sexual normal. Ao mesmo tempo, cientistas sob a liderança de Anthony Atala aprenderam a obter outro órgão com estrutura tubular - a uretra (uretra). Esses órgãos artificiais foram implantados em cinco meninos, e as operações também foram bem-sucedidas e não causaram complicações.

O próximo na fila era o órgão mais complexo do sistema geniturinário - o pênis. A cirurgia moderna já permite que pacientes que perderam o pênis devido a acidentes sejam recolocados com um órgão doado. A primeira operação desse tipo foi realizada em 2006. No entanto, duas semanas após esta complexa operação, o paciente solicitou a remoção do pênis do doador. Esta decisão parece estranha apenas à primeira vista. O pênis é um dos órgãos que só pode ser doado postumamente, e acostumar-se a viver com o pênis de uma pessoa falecida é claramente mais difícil do que viver com um rim de doador. Por exemplo, o receptor também abandonou o primeiro braço transplantado do mundo logo após a operação. Assim, a engenharia de órgãos externos é, num certo sentido, uma questão ainda mais urgente do que a engenharia de partes vitais do corpo. Afinal, enquanto os cirurgiões receberem apenas órgãos de doadores como material, muitas operações complexas serão em vão. Além dos problemas psicológicos, também existem problemas de compatibilidade imunológica com órgãos doados - os pacientes muitas vezes precisam tomar medicamentos que suprimem a atividade do sistema imunológico para que ele não comece a atacar a parte estranha do corpo.

Um pênis é muito mais difícil de construir do que apenas uma bolha ou tubo de células, pois para o funcionamento desse órgão é necessária a estrutura correta em todo o seu volume. É absolutamente necessário reproduzir o tecido esponjoso dos corpos cavernosos, que incha durante a ereção, bem como a estrutura dos vasos por onde o sangue flui para esse tecido. E, claro, é preciso colocar a uretra nele, que não deve ser pinçada quando os corpos cavernosos incham. É muito difícil reproduzir tal estrutura do zero, por isso Anthony Atala usa as bases de colágeno dos órgãos doados, que são limpas de células por meio de enzimas, para produzir pênis artificiais. Em seguida, é preenchido com células humanas, para as quais o órgão pode posteriormente ser transplantado sem problemas (tais operações ainda não foram realizadas). Segundo Anthony Atala, por mais grave que seja a lesão no pênis, pelo fato desse órgão continuar dentro da pelve, sempre é possível retirar células de uma pessoa para fazer crescer uma nova.

Os pénis artificiais humanos ainda estão em desenvolvimento - antes de poderem ser transplantados para receptores, têm de passar por muitos testes complexos. Mas já existem resultados bem-sucedidos para coelhos - animais com pênis obtidos pelo método de Anthony Atala acasalam e têm descendentes com sucesso. Porém, passar de coelhos para humanos não foi tão fácil - para obter um órgão maior, não basta simplesmente aumentar proporcionalmente o número de células, o tempo de incubação e outros parâmetros. Além disso, à medida que o volume de um órgão aumenta, os requisitos para sua estrutura interna tornam-se maiores - afinal, cada célula de um organismo vivo deve estar localizada a uma distância não superior a 200 micrômetros do capilar mais próximo (que é aproximadamente igual à espessura de um fio de cabelo humano). Portanto, é sempre mais difícil fazer crescer um órgão grande e volumétrico do que um órgão plano (como um fragmento de pele), tubular (como uma uretra artificial) ou em forma de saco (como uma bexiga).

Os interesses de Anthony Atala não se limitam ao aparelho geniturinário. Seu laboratório está trabalhando na produção de tecidos artificiais de fígado, coração e pulmões. Em 2011, durante a conferência TED, o famoso cientista empolgou o público ao demonstrar um protótipo de rim artificial obtido por impressão 3D. A palavra-chave que muitos não prestaram atenção foi “protótipo” - o rim artificial tinha o formato correto, e também provou que por meio da impressão 3D era possível obter algo pelo menos superficialmente semelhante ao objeto desejado. Mas a estrutura do protótipo do rim não chegava nem perto da complexidade de um órgão real, absolutamente necessário para que um rim desempenhe sua função. Esse órgão deve ser constituído pelos túbulos mais finos, emaranhados de vasos, para excretar apenas as substâncias desnecessárias com a urina e devolver ao sangue tudo o que é útil. Os bioengenheiros ainda não conseguiram abordar tal complexidade e, claro, não teria sido possível alcançá-lo em 2011. No entanto, aparentemente, é o método de bioimpressão que eventualmente permitirá aos cientistas obter exatamente as estruturas biológicas de que necessitam. Este método foi desenvolvido e está sendo desenvolvido ativamente por outro famoso bioengenheiro - Gabor Forgacs.

Gabor Forgacs

Gabor Forgacs- famoso bioengenheiro e empresário científico. Sob sua liderança, foi criada a primeira bioimpressora 3D comercial, na qual já foram impressas amostras de diversos tecidos. Junto com seu filho Andras, fundou a empresa Modern Meadow, produzindo couro artificial e carne artificial para consumo humano.

Em 1996, Gabor Forgács chamou a atenção para um fato há muito conhecido dos cientistas - as células formadas durante a divisão do embrião podem se mover ao longo dele, mas, ao chegarem ao destino final, ficam juntas com outras células. Isso o levou à ideia de que as células poderiam ser usadas como unidades elementares de construção - se você escolher as condições certas, as células, dispostas nas estruturas desejadas, se unirão. No entanto, a ideia de que uma impressora especial pudesse ser usada para tal arranjo de células não lhe ocorreu.

Thomas Boland foi o primeiro a pensar em imprimir objetos biológicos. Ele modificou uma impressora convencional de forma que fosse possível imprimir materiais biológicos, como proteínas ou bactérias. O dispositivo não era adequado para impressão 3D. A ideia, porém, revelou-se acertada e, com o tempo, levou ao desenvolvimento de bioimpressoras capazes de imprimir estruturas tridimensionais complexas.

Forgac demorou muito para desenvolver sua ideia de células autocolantes em uma tecnologia para a produção de tecidos artificiais tridimensionais. Também foram necessários vários anos para desenvolver uma impressora capaz de utilizar esta tecnologia. O dispositivo tinha que ser bastante preciso e delicado em relação à “tinta” celular sensível. A empresa de Forgac conseguiu criar tal dispositivo, denominado Organovo, apenas em 2009. Em 2010, esta primeira bioimpressora imprimiu um recipiente humano e, o que foi importante para Forgács desde o início, sem quaisquer andaimes adicionais. Graças a isso, há confiança de que o órgão não conterá absolutamente nada que cause rejeição imunológica no receptor (se o órgão for cultivado a partir de suas próprias células).

Para transformar as células em um análogo da tinta da impressora, elas são colocadas em um gel especial que não permite que as células grudem antes do tempo. A impressora imprime, via de regra, não com células únicas, mas com seus aglomerados esféricos - esferóides(embora o método permita a utilização de células individuais para impressão, o que é necessário para algumas estruturas), cuja ideia também pertence a Gabor Forgacs. Cada camada impressa de células é separada por uma camada de gel e o órgão finalizado é enviado para amadurecer em uma incubadora. Ao mesmo tempo, o gel usado para impressão se dissolve e sua rede vascular se desenvolve dentro do órgão - os capilares mais finos crescem a partir dos vasos. Isto é muito conveniente para os bioengenheiros, porque eles ainda não sabem como produzir embarcações tão pequenas. Além disso, se um órgão for transplantado para um receptor, a vasculatura do hospedeiro certamente penetrará na nova parte do corpo. No entanto, esta prática é mais adequada para animais do que para humanos - no caso dele, é muito perigoso confiar no fato de que os próprios vasos necessários crescerão no órgão. Além disso, é absolutamente impossível esperar que os próprios vasos cresçam conforme necessário no caso de órgãos com estrutura complexa, como os rins já discutidos. Portanto, só podemos esperar melhorar a precisão da impressão 3D no futuro.

A bioimpressão 3D continua a desenvolver-se em todo o mundo: em 2010, pela primeira vez, foi possível imprimir um fragmento de pele e, em 2014, uma válvula cardíaca (Fig. 3) e um fragmento de tecido hepático. Esses tecidos são perfeitos para testes preliminares de protótipos de medicamentos, e o couro também é ideal para testes de cosméticos (a L’Oreal, por exemplo, já utiliza couro artificial impresso pela Organovo para testes). Tais testes são mais fáceis de organizar do que os testes em animais, que requerem aprovação de comissões de bioética. Além disso, os testes em órgãos e pele humanos, embora cultivados em laboratório, fornecem resultados mais fiáveis ​​sobre o efeito de um produto no corpo humano do que estudos em animais de laboratório.

O desenvolvimento da impressão 3D na Rússia é descrito no artigo “ Órgãos do laboratório» .

A última conquista em bioimpressão no momento é um fragmento de tecido nervoso humano com neurônios precisamente posicionados, obtido este ano sob a liderança do bioengenheiro australiano Gordon Wells (o mesmo caso quando é necessário imprimir tecido com células individuais, em vez de esferóides) .

Gabor Forgács não foi apenas pioneiro na impressão 3D de órgãos humanos para pessoas doentes ou sobreviventes de acidentes. Ele também foi o primeiro a compreender que tecidos e órgãos artificiais podem ser úteis para todas as pessoas, sem exceção. Alguns produtos de origem animal – como a carne e o couro – são tão bons que é difícil criar substitutos completos para eles. Mas agora, graças à bioengenharia, podem ser produzidos de forma ética – sem matar animais. Gabor Forgacs foi o primeiro a pensar que já sabíamos o suficiente para cultivar um bife artificial ou um pedaço de pele. Eles são muito mais fáceis de obter do que muitos órgãos artificiais que os cientistas estão tentando desenvolver, e a necessidade de carne e pele é muito maior do que a de órgãos humanos. Além disso, a mudança para carne e couro de origem artificial teria um efeito benéfico na situação ambiental - afinal, os biorreatores não atropelam vastas pastagens e não emitem na atmosfera uma quantidade de metano que possa aumentar significativamente o efeito estufa.

É por isso que a segunda empresa de Forgács, que fundou com o seu filho Andras, a Modern Meadow, cultiva carne e couro em condições de laboratório. Um aspecto importante das atividades da empresa é a otimização de métodos, já que hoje as cópias artificiais de produtos de origem animal são bastante caras. Outro problema é que o público desconfia dos alimentos cultivados em laboratório. De acordo com uma pesquisa de 2014, apenas 20% dos americanos estariam dispostos a experimentar carne produzida em laboratório. Portanto, o próprio Forgach tenta provar às pessoas que seus produtos são seguros, inclusive por meio de seu próprio exemplo. Por exemplo, na conferência TedMed de 2011, Forgacs cozinhou pessoalmente e depois comeu carne cultivada em laboratório. Além disso, o bioengenheiro garante que os seus laboratórios estão abertos a potenciais clientes e todos podem ver como é feita a salsicha, enquanto “os matadouros nunca convidam visitantes para ver o seu trabalho”.

Gabor Forgács percebeu que a biotecnologia carece de proezas tecnológicas - muitos dos métodos utilizados nas tentativas de reproduzir a estrutura complexa dos órgãos eram de natureza antiquada. A biologia continua não sendo uma ciência muito exata, mas ao criar órgãos artificiais para pessoas vivas, segundo Forgacs, é inaceitável contar com o fato de que a estrutura correta se formará de alguma forma. As bioimpressoras 3D estão seguindo as tendências da época e realizando sonhos de controle preciso sobre o que parece completamente caótico e misterioso - a vida. E apenas uma direção da bioengenharia é talvez ainda mais avançada tecnologicamente e futurista – órgãos em chips.

Donald Ingber

Donald Ingber- um biólogo famoso por sua visão de engenharia dos objetos vivos, graças à qual o cientista fez diversas descobertas no campo da biologia celular (por exemplo, sobre a influência das influências mecânicas na atividade genética). Autor da ideia de “órgão em chip” - o sistema celular mais simples localizado em uma placa de tamanho padrão e reproduzindo as principais funções do órgão simulado. Ele criou muitos órgãos em chips e agora está trabalhando na combinação de dez desses órgãos em um “humano em um chip”.

Antes do início dos anos 2000, Donald Ingber estudou a biologia do câncer – os parâmetros que influenciam o desenvolvimento de tumores e metástases de células cancerígenas. Ao mesmo tempo, o cientista olhou para a célula viva como um engenheiro. A abordagem do cientista à pesquisa em biologia celular foi influenciada, curiosamente, por uma escultura incomum que Donald Ingber viu em meados dos anos 70. A escultura foi desenhada segundo o princípio da tensegridade. Tais estruturas consistem em vigas fortes que não se tocam graças a um sistema de cabos tensionados. Toda a estrutura é suportada por tensões precisamente equilibradas dos elementos flexíveis. Donald Ingber sugeriu que a estrutura de uma célula viva poderia ser mantida graças aos mesmos princípios. Na verdade, ele conseguiu mostrar, por exemplo, que as forças mecânicas aplicadas à superfície de uma célula podem afetar a forma do seu núcleo e até mesmo a expressão dos genes. Uma compreensão profunda de como as forças mecânicas afetam a estrutura e a função celular ajudou o cientista a avançar em sua pesquisa sobre a biologia do câncer.

Provavelmente, esse desejo de introduzir a pesquisa celular em um plano “mecânico” mais compreensível levou Donald Ingber à ideia de órgãos em chips. Um órgão em um chip é um registro que não é maior que um cartão de crédito. A placa contém células povoadas por certos tipos de células. As células são conectadas por canais que simulam o fluxo sanguíneo ou a troca de fluido tecidual entre grupos de células orgânicas. É claro que tal dispositivo não reflete a forma de um órgão natural, mas da forma mais compacta e controlada ele modela a própria essência de seu trabalho. A atividade vital das células de um órgão em um chip deve ser mantida colocando o chip em um reator especial, que conduz soluções nutritivas através dos canais do chip sob a pressão correta e mantém certa temperatura e conteúdo de gases dissolvidos nesses líquidos. .

A vantagem mais importante dos órgãos em chips corresponde às tendências tecnológicas: é a modularidade – a capacidade de fazer diferentes combinações de tais dispositivos. Chips que representam diferentes órgãos podem ser interligados para estudar a influência desses órgãos uns sobre os outros, simular o movimento de micróbios patogênicos através de vários sistemas do corpo ou estudar o que acontece com as moléculas da droga quando ela entra no corpo.

O primeiro dispositivo desse tipo – um dispositivo leve em um chip – foi desenvolvido por Donald Ingber e seus colegas em 2010. Os canais deste dispositivo são divididos em duas partes por uma membrana porosa, de um lado da qual existe uma camada de células pulmonares e, do outro, uma camada de células da parede dos vasos. Na parte dos canais onde estavam localizadas as células dos vasos, o sangue circula, e a parte onde estão localizadas as células pulmonares fica cheia de ar. Orifícios especiais conduzem a ambas as partes dos canais; drogas ou, por exemplo, microorganismos patogênicos podem ser adicionados lá para simular sua entrada no pulmão a partir do ar ou através da corrente sanguínea.

Desde então, os chips têm sido capazes de reproduzir o funcionamento dos rins, fígado e intestinos com microbioma e peristaltismo (Fig. 4). Particularmente interessante para a investigação clínica foi o desenvolvimento de um chip que reflecte a estrutura da barreira hematoencefálica. Os desenvolvedores reproduziram as junções estreitas entre as células vasculares cerebrais e o arranjo das células gliais - características pelas quais muitas moléculas do sangue não conseguem penetrar facilmente no cérebro. Ao testar protótipos de medicamentos, é muito útil descobrir se eles são capazes de atravessar a barreira hematoencefálica e, em caso afirmativo, com que eficiência. Além disso, o chip foi capaz de reproduzir a estrutura do nicho hematopoiético da medula óssea, o que é extremamente útil para o estudo de doenças em que o desenvolvimento normal das células sanguíneas é perturbado.

Figura 4. “Gent on a chip”. A . Diagrama do dispositivo. Uma membrana porosa flexível revestida com células epiteliais intestinais está localizada horizontalmente no centro do microcanal, flanqueada por câmaras de vácuo. b . Fotografia de um “gut on a chip” consistindo de um elastômero PDMS transparente (elastômero de polidimetilsiloxano). Na direção das setas, a bomba derrama líquidos vermelhos e azuis nos compartimentos inferior e superior do microcanal, respectivamente, para visualizá-los.

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JSC "Universidade Médica de Astana"

Departamento: Biofísica Médica e Segurança da Vida

Tópico: “Órgãos artificiais”

Astana 2014

A ideia de substituir órgãos doentes por saudáveis ​​​​surgiu nos humanos há vários séculos. Mas métodos imperfeitos de cirurgia e anestesiologia não permitiram que o plano fosse concretizado. No mundo moderno, o transplante de órgãos ocupou o seu devido lugar no tratamento dos estágios terminais de muitas doenças. Milhares de vidas humanas foram salvas. Mas surgiram problemas do outro lado. Uma escassez catastrófica de doadores de órgãos, incompatibilidade imunológica e milhares de pessoas em listas de espera por um ou outro órgão que nunca foram operados.

Cientistas de todo o mundo estão cada vez mais pensando em criar órgãos artificiais que possam substituir os reais em suas funções, e algum sucesso tem sido alcançado nesse sentido. Conhecemos rins, pulmões, corações, pele, ossos, articulações, retinas, implantes cocleares artificiais.

Órgãos artificiais

O uso de órgãos artificiais remonta a 1982, quando um homem de 61 anos chamado Barney Clark, ex-dentista, foi o primeiro a receber o coração artificial Jarvik-7. O equipamento que manteve Clark vivo era grande e pesado, mas fez o seu trabalho, mantendo o sangue fluindo pelo corpo de Clark por 112 dias até que ele morreu devido a coágulos sanguíneos e outras complicações.

O Jarvik-7 ainda é usado como dispositivo temporário para prolongar a vida de pessoas com doenças cardíacas até que possam receber um transplante de coração. No entanto, logo se tornou óbvio que esta máquina não era adequada para uso permanente. É demasiado complexo, demasiado incontrolável e demasiado ineficiente para ser prático, mas abriu efectivamente a porta a toda uma gama de novos órgãos artificiais, muitos dos quais, embora ainda em desenvolvimento, oferecem grande esperança para prolongar a vida humana.

Comparado a outros órgãos, como o fígado e o pâncreas, o coração é uma máquina relativamente simples. Ele não precisa digerir produtos químicos, produzir enzimas ou filtrar fluidos – ele só precisa bombear o sangue. Dados os erros cometidos na criação do primeiro coração artificial, os investigadores estão agora a trabalhar para melhorar a última geração de máquinas cardíacas artificiais, a fim de criar uma bomba em miniatura que seja suficientemente pequena para ser implantada no corpo sem a necessidade de um grande sistema. apoiar. Além disso, eles abandonaram em grande parte a ideia de criar um coração mecânico completo, concentrando-se, em vez disso, na criação de dispositivos que ajudem os pacientes com insuficiência cardíaca a viver até que um substituto adequado seja encontrado para o coração com insuficiência cardíaca.

O exemplo mais impressionante de tal dispositivo de assistência cardíaca é o dispositivo de assistência ventricular esquerda (LVAD). Este dispositivo, que está em uso há vários anos, é alimentado por uma pequena bateria que é colocada no corpo, no abdômen. Com sua ajuda, o dispositivo bombeia o sangue para fora do ventrículo esquerdo. Um LVAD dá tempo extra para pacientes cardíacos que aguardam cirurgia de transplante.

O próximo passo, dizem os cientistas, será criar um coração artificial que será totalmente implantado no corpo, sem a necessidade de uma grande fonte de energia, e que possa funcionar exatamente como um coração real. Um dos principais problemas de um coração artificial é a forma como ele bombeia o sangue. Máquinas anteriores, como o Jarvik-7, dependiam de um sistema de diafragma para bombear o sangue. No entanto, os cientistas afirmam ter encontrado uma forma mais confiável e avançada - por meio de minúsculos motores instalados dentro do dispositivo por meio de um ímã.

Esse coração artificial, um órgão experimental chamado Streamliner, foi desenvolvido no McGowan Center. Este dispositivo leve é ​​implantado no abdômen e bombeia o sangue através do coração e das artérias naturais usando um par de tubos. A energia vem de uma embreagem indutiva que transfere energia de uma bobina conectada a uma pequena bateria usada no cinto para uma segunda bobina e bateria implantada logo abaixo da pele. Tal sistema proporcionaria ao usuário liberdade quase completa – algo que Barney Clark nunca teve. No entanto, o Streamliner não estará disponível tão cedo; Ainda levará muitos meses para desenvolvê-lo, e somente depois disso os testes começarão, dizem seus criadores.

Criar um coração artificial é uma brincadeira de criança em comparação com a criação de órgãos mais complexos, como o fígado, os rins ou o pâncreas. Esses órgãos são frequentemente chamados de “órgãos inteligentes” devido às funções complexas que desempenham, e seus substitutos mecânicos quase certamente precisarão conter tecido orgânico para que funcionem adequadamente. Por que? A ciência ainda tem um longo caminho a percorrer antes de poder criar substitutos de órgãos mecânicos que possam funcionar exatamente como os reais.

A maioria das pesquisas que visam a criação de órgãos bioquímicos "inteligentes" envolve o cultivo artificial de células orgânicas retiradas de uma pessoa ou animal e, em seguida, a colocação desse tecido em um chamado biorreator - uma caixa ou cilindro, no qual as condições são criadas usando um suprimento constante de oxigênio e os nutrientes necessários para manter a vida e a função dos tecidos. Na maioria dos casos, estes estudos colocam agora o biorreator numa grande máquina que bombeia sangue através de tubos. O uso de biorreatores totalmente implantáveis ​​será possível por pelo menos dez anos, dizem os cientistas médicos, embora dispositivos temporários que podem ser usados ​​no corpo possam aparecer um pouco mais cedo.

Um dos órgãos artificiais mais necessários é o rim. Atualmente, dezenas de milhares de pessoas devem ser submetidas regularmente a diálise, um procedimento prejudicial e demorado, para sobreviver. E a diálise é um procedimento imperfeito. Rins saudáveis ​​filtram os resíduos de uréia do sangue e fornecem ao corpo nutrientes importantes, como açúcares e sais derivados desses resíduos filtrados. Infelizmente, os mecanismos pelos quais a diálise é realizada hoje simplesmente não conseguem realizar a segunda tarefa.

Sua solução, dizem os cientistas, é possível com a ajuda de um rim biológico artificial, que seria um tecido especialmente cultivado e colocado em um dispositivo mecânico. Este tipo de órgão artificial poderia realizar todas as funções de um rim real, eliminando assim a necessidade da diálise tradicional para a maioria das pessoas.

Pesquisadores da Universidade de Michigan estão atualmente tentando desenvolver tal órgão. Eles cultivaram células tubulares proximais retiradas de rins de porco e as entrelaçaram com fibras extremamente finas colocadas dentro de um cartucho de filtro. Este cartucho está contido em um mecanismo que filtra o sangue do paciente e devolve nutrientes essenciais que de outra forma seriam perdidos. Este sistema foi testado com sucesso em cães e, no momento em que este livro estava sendo preparado para publicação, os pesquisadores aguardavam permissão para realizar testes em humanos.

implantação de órgão artificial

Muito provavelmente, o biorim desenvolvido na Universidade de Michigan será usado como um paliativo, um dispositivo que permitirá que pessoas com insuficiência renal aguda vivam até que um órgão real possa ser encontrado para transplante. Porém, seus criadores afirmam que o surgimento de um aparelho menor e mais avançado é apenas uma questão de tempo. Tal dispositivo, embora não tão avançado quanto um rim real, poderia reduzir o tempo de diálise em até 50%, e talvez até tornar possível passar completamente sem ele.

Pâncreas

Um pâncreas artificial é um dispositivo ainda mais complexo que um rim artificial. Mas o esforço vale a pena, dizem os proponentes, porque tal dispositivo poderia melhorar significativamente a saúde e a qualidade de vida de milhões de pessoas com diabetes dependente de insulina.

Pessoas com diabetes dependente de insulina devem verificar regularmente os níveis de açúcar no sangue e injetar-se insulina para manter a doença sob controle. Uma das maiores desvantagens deste tratamento é que é impossível saber exatamente quanta insulina um paciente precisa injetar. Na maioria dos casos, os pacientes têm que fazer suas próprias suposições. Isto leva a flutuações constantes nos níveis de glicose, que se acredita ser a causa de muitas das complicações comuns associadas ao diabetes, incluindo doenças cardíacas e problemas de visão.

Um pâncreas artificial ideal seria capaz de “adivinhar” os níveis de glicose com base na resposta do corpo, a fim de determinar exatamente quando e quanta insulina necessita. Atualmente em desenvolvimento está um dispositivo chamado PancreAssist, que está sendo desenvolvido por cientistas biomédicos em Lexington, Massachusetts. Este sistema monitora a química do corpo e determina a quantidade de insulina necessária e a administra exatamente quando necessária.

O PancreAssist é um dispositivo que consiste num invólucro de plástico, uma membrana tubular implantável, rodeada por “ilhas” de células produtoras de insulina retiradas de um porco. À medida que o sangue do usuário flui pelo tubo, essas ilhas detectam o nível de glicose no sangue e começam a produzir insulina, que no momento certo entra na corrente sanguínea através da membrana.

A membrana também desempenha um papel importante na proteção dessas ilhotas dos sistemas de defesa natural do corpo, que entrariam em ação imediatamente, se possível. Se tudo correr bem, os testes clínicos deste dispositivo em humanos poderão começar nos próximos anos, dizem os cientistas.

Um órgão igualmente importante, mas ainda mais complexo, é o fígado. Localizado na região superior direita do abdômen, desempenha um papel importante na absorção de nutrientes pelo organismo. O fígado converte o excesso de glicose em glicogênio, que armazena e depois reconverte em glicose quando necessário. O fígado também decompõe o excesso de aminoácidos em uréia, ajuda o corpo a metabolizar a gordura e desempenha uma série de outras funções. Quando o fígado é danificado por uma doença (hepatite C) ou como resultado do abuso de álcool, ele não consegue funcionar adequadamente. A insuficiência hepática geralmente significa morte.

O fígado é um órgão transplantável, mas o número de pessoas que necessitam de um transplante de órgão de doador excede em muito o número de órgãos de doadores, portanto, há uma extrema necessidade de tal órgão artificial. A criação de um fígado artificial que pudesse funcionar durante toda a vida poderia ajudar inúmeros pacientes que sofrem de insuficiência hepática aguda e estão em situação de desamparo. No entanto, tal órgão não aparecerá em breve. Uma maneira melhor e mais confiável de sair dessa situação pode ser um sistema biológico artificial que possa realizar a maioria das funções do fígado por um curto período de tempo, suficiente para que o órgão doente se recupere por conta própria.

Alguns especialistas acreditam que, na maioria dos casos, uma semana seria suficiente para restaurar o fígado danificado ao ponto em que ele pudesse funcionar quase normalmente.

Não é nenhuma surpresa que diversas empresas estejam trabalhando arduamente para criar tais sistemas. Estes incluem a Sere Biomedical, que, em colaboração com especialistas do Cedar-Sinai Medical Center em Los Angeles, desenvolveu um sistema experimental denominado “Hepat Assist”. Este sistema, que foi criado a partir de células retiradas do fígado de porco, remove toxinas do sangue da mesma forma que um protótipo de rim artificial biológico, dizem os pesquisadores. Um cartucho de plástico, coberto por dentro com células cultivadas artificialmente, é inserido em um grande mecanismo que purifica o sangue que passa por ele. Na melhor das hipóteses, os pacientes usarão a máquina por aproximadamente seis horas diárias durante uma semana, tempo suficiente para o fígado se reparar.

Os órgãos artificiais biológicos são apenas uma abordagem que os cientistas estão a tentar utilizar na sua procura de formas de prolongar a vida de pessoas cujos corpos, por qualquer razão, se recusam a funcionar. Outra abordagem mais ficção científica do que realidade neste aspecto, mas ainda digna de discussão, é o conceito associado ao “xenotransplante”, que se baseia na ideia de transplantar órgãos obtidos de outras espécies para pessoas doentes.

O problema de o corpo do receptor rejeitar um órgão novo e estranho poderia ser evitado através da introdução de genes humanos nestes órgãos, que então não seriam capazes de desencadear a resposta imunitária natural do corpo, dizem os cientistas.

Conclusão

Órgãos artificiais são dispositivos concebidos para substituir activamente, temporária ou permanentemente, a função perdida de um protótipo natural (no entanto, esta função ainda não pode ser completamente substituída, especialmente se um protótipo específico, como um pulmão, fígado, rim ou pâncreas, tiver um complexo de funções complexas). Uma prótese funcional não deve ser identificada com um órgão artificial - um dispositivo que reproduz passivamente a principal função perdida de um protótipo natural devido à sua forma ou característica de design.

Um órgão artificial ideal deve atender aos seguintes parâmetros:

Pode ser implantado no corpo humano;

Não tem comunicação com o meio ambiente;

Feito de material leve, durável e altamente biocompatível;

Durável, suporta cargas pesadas;

Simula totalmente as funções de um análogo natural

Lista de literatura usada

1. http://meduniver.com/Medical/Xirurgia/815.html\

2. http://transplantation.eurodoctor.ru/artificialorgan/

3. http://help-help.ru/old/239/

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A tecnologia médica moderna permite substituir órgãos humanos total ou parcialmente doentes. Um marca-passo cardíaco eletrônico, um amplificador de som para pessoas com surdez e uma lente feita de plástico especial são apenas alguns exemplos do uso da tecnologia na medicina. As biopróteses acionadas por fontes de alimentação em miniatura que reagem às biocorrentes no corpo humano também estão se tornando cada vez mais difundidas.

Durante operações complexas realizadas no coração, pulmões ou rins, uma assistência inestimável aos médicos é prestada pela “Máquina cardiovascular”, “Pulmão artificial”, “Coração artificial”, “Rim artificial”, que assumem as funções dos órgãos operados e permitir temporariamente seu trabalho.

O “pulmão artificial” é uma bomba pulsante que fornece ar em porções a uma frequência de 40 a 50 vezes por minuto. Um pistão normal não é adequado para isso: partículas de material das peças de atrito ou da vedação podem entrar no fluxo de ar. Aqui e em outros dispositivos semelhantes, são usados ​​​​foles feitos de metal corrugado ou plástico - foles. O ar purificado levado à temperatura necessária é fornecido diretamente aos brônquios.

A “máquina coração-pulmão” é projetada de maneira semelhante. Suas mangueiras são conectadas cirurgicamente aos vasos sanguíneos.

A primeira tentativa de substituir a função do coração por um análogo mecânico foi feita em 1812. Porém, entre os diversos aparelhos fabricados, ainda não existe nenhum que satisfaça completamente os médicos.

Cientistas e designers nacionais desenvolveram vários modelos sob o nome geral de “Pesquisa”. Trata-se de uma prótese cardíaca de quatro câmaras com ventrículos tipo saco projetada para implantação em posição ortotópica.

O modelo distingue entre as metades esquerda e direita, cada uma delas composta por um ventrículo artificial e um átrio artificial.

Os componentes do ventrículo artificial são: corpo, câmara de trabalho, válvulas de entrada e saída. O corpo ventricular é feito de borracha de silicone pelo método de estratificação. A matriz é imersa em um polímero líquido, removida e seca - e assim por diante, até que a polpa do coração multicamadas seja criada na superfície da matriz.

A câmara de trabalho tem formato semelhante ao corpo. Foi feito de borracha de látex e depois de silicone. Uma característica do projeto da câmara de trabalho são as diferentes espessuras das paredes, nas quais as seções ativas e passivas são diferenciadas. O design é projetado de forma que mesmo com tensão total das áreas ativas, as paredes opostas da superfície de trabalho da câmara não se toquem, eliminando assim lesões nas células sanguíneas.

O designer russo Alexander Drobyshev, apesar de todas as dificuldades, continua a criar novos designs modernos de Poisk, que serão muito mais baratos que os modelos estrangeiros.

Um dos melhores sistemas de coração artificial estrangeiro da atualidade, o Novacor, custa 400 mil dólares. Com ele, você pode esperar um ano inteiro por uma operação em casa.

A caixa Novacor contém dois ventrículos de plástico. Em um carrinho separado está o serviço externo: um computador de controle, um monitor de controle, que fica na clínica na frente dos médicos. Em casa com o paciente - fonte de alimentação, baterias recarregáveis, que são substituídas e recarregadas na rede elétrica. A tarefa do paciente é monitorar o indicador verde das lâmpadas que indicam a carga das baterias.

Os dispositivos renais artificiais estão em operação há bastante tempo e são utilizados com sucesso pelos médicos.

Em 1837, enquanto estudava os processos de movimentação de soluções através de membranas semipermeáveis, T. Grechen usou e cunhou pela primeira vez o termo “diálise” (do grego dialisis - separação). Mas só em 1912, com base nesse método, foi construído nos EUA um aparelho, com o qual seus autores realizaram a retirada de salicilatos do sangue de animais em um experimento. No aparelho, que chamaram de “rim artificial”, eram usados ​​tubos de colódio como membrana semipermeável, por onde fluía o sangue do animal, e a parte externa era lavada com solução isotônica de cloreto de sódio. Porém, o colódio utilizado por J. Abel revelou-se um material bastante frágil, e posteriormente outros autores experimentaram outros materiais para diálise, como intestinos de pássaros, bexiga natatória de peixes, peritônio de bezerros, juncos e papel .

Para prevenir a coagulação do sangue, foi utilizada a hirudina, um polipeptídeo contido na secreção das glândulas salivares da sanguessuga medicinal. Estas duas descobertas foram o protótipo para todos os desenvolvimentos subsequentes no campo da limpeza extrarrenal.

Quaisquer que sejam as melhorias que possam ser feitas nesta área, o princípio permanece o mesmo. Em qualquer modalidade, o “rim artificial” inclui os seguintes elementos: uma membrana semipermeável, de um lado da qual flui o sangue, e do outro lado – uma solução salina. Para prevenir a coagulação do sangue, são utilizados anticoagulantes - medicamentos que reduzem a coagulação do sangue. Nesse caso, as concentrações de íons de baixo peso molecular, uréia, creatinina, glicose e outras substâncias de baixo peso molecular são equalizadas. À medida que a porosidade da membrana aumenta, ocorre a movimentação de substâncias com maior peso molecular. Se adicionarmos a este processo o excesso de pressão hidrostática do sangue ou a pressão negativa da solução de lavagem, então o processo de transferência será acompanhado pelo movimento da água - transferência de massa por convecção. A pressão osmótica também pode ser usada para transferir água adicionando substâncias osmoticamente ativas ao dialisado. Na maioria das vezes, a glicose era usada para esse fim, menos frequentemente a frutose e outros açúcares, e ainda menos frequentemente produtos de outras origens químicas. Ao mesmo tempo, ao introduzir glicose em grandes quantidades, pode-se obter um efeito de desidratação realmente pronunciado, porém, não é recomendado aumentar a concentração de glicose no dialisante acima de determinados valores devido à possibilidade de desenvolver complicações.

Por fim, você pode abandonar completamente a solução que lava a membrana (dialisante) e fazer sair pela membrana a parte líquida do sangue: água e substâncias com ampla faixa de pesos moleculares.

Em 1925, J. Haas realizou a primeira diálise em humanos e, em 1928, também usou heparina, uma vez que o uso prolongado de hirudina estava associado a efeitos tóxicos e seu efeito na própria coagulação sanguínea era instável. A heparina foi usada pela primeira vez para diálise em 1926 em um experimento de H. Nechels e R. Lim.

Como os materiais listados acima revelaram-se de pouca utilidade como base para a criação de membranas semipermeáveis, a busca por outros materiais continuou e, em 1938, o celofane foi utilizado pela primeira vez para hemodiálise, que nos anos seguintes por muito tempo tempo continuou sendo a principal matéria-prima para a produção de membranas semipermeáveis.

O primeiro dispositivo de “rim artificial”, adequado para uso clínico amplo, foi criado em 1943 por W. Kolff e H. Burke. Então esses dispositivos foram aprimorados. Ao mesmo tempo, o desenvolvimento do pensamento técnico nesta área preocupou-se inicialmente em maior medida com a modificação dos dialisadores, e só nos últimos anos começou a afetar significativamente os próprios dispositivos.

Como resultado, surgiram dois tipos principais de dialisadores, o chamado dialisador de bobina, que utilizava tubos de celofane, e o dialisador plano-paralelo, que utilizava membranas planas.

Em 1960, F. Kiil projetou uma versão de muito sucesso do dialisador plano paralelo com placas de polipropileno e, ao longo de vários anos, esse tipo de dialisador e suas modificações se espalharam pelo mundo, ocupando um lugar de liderança entre todos os outros tipos. de dialisadores.

Depois, o processo de criação de hemodialisadores mais eficientes e de simplificação da tecnologia de hemodiálise desenvolveu-se em duas direções principais: o design do próprio dialisador, com os dialisadores descartáveis ​​eventualmente assumindo uma posição dominante, e o uso de novos materiais como membrana semipermeável.

O dialisador é o coração do “rim artificial” e, portanto, os principais esforços de químicos e engenheiros sempre visaram melhorar esse elo específico no complexo sistema do dispositivo como um todo. Contudo, o pensamento técnico não ignorou o aparelho como tal.

Na década de 1960, surgiu a ideia de utilizar os chamados sistemas centrais, ou seja, dispositivos de “rim artificial”, nos quais o dialisado era preparado a partir de um concentrado - uma mistura de sais, cuja concentração era 30-34 vezes maior do que sua concentração no sangue do paciente.

Uma combinação de técnicas de diálise e recirculação tem sido usada em diversas máquinas de rim artificial, por exemplo, pela empresa americana Travenol. Nesse caso, cerca de 8 litros de dialisante circularam em alta velocidade em um recipiente separado no qual o dialisador foi colocado e no qual foram adicionados 250 mililitros de solução fresca a cada minuto e a mesma quantidade foi jogada no esgoto.

No início, utilizava-se água simples da torneira para hemodiálise, depois, devido à sua contaminação, principalmente por microrganismos, tentaram usar água destilada, mas acabou sendo muito cara e improdutiva. A questão foi radicalmente resolvida após a criação de sistemas especiais para a preparação de água da torneira, que incluíam filtros para purificá-la de impurezas mecânicas, ferro e seus óxidos, silício e outros elementos, resinas de troca iônica para eliminar a dureza da água e a instalação de assim -chamada osmose “reversa”.

Muito esforço tem sido gasto na melhoria dos sistemas de monitoramento de dispositivos renais artificiais. Assim, além de monitorar constantemente a temperatura do dialisado, eles passaram a monitorar constantemente a composição química do dialisado por meio de sensores especiais, com foco na condutividade elétrica geral do dialisado, que muda com a diminuição da concentração de sal e aumenta com o aumento da concentração de sal. .

A partir daí, sensores de fluxo seletivos de íons passaram a ser utilizados em dispositivos de “rim artificial”, que monitoravam constantemente a concentração de íons. O computador tornou possível controlar o processo introduzindo elementos faltantes em recipientes adicionais ou alterando sua proporção usando o princípio de feedback.

A quantidade de ultrafiltração durante a diálise não depende apenas da qualidade da membrana; em todos os casos, o fator decisivo é a pressão transmembrana, por isso os sensores de pressão tornaram-se amplamente utilizados em monitores: o grau de vácuo no dialisado, a pressão no entrada e saída do dialisador. A tecnologia moderna por meio de computadores permite programar o processo de ultrafiltração.

Saindo do dialisador, o sangue entra na veia do paciente através de um coletor de ar, que permite avaliar a quantidade aproximada de fluxo sanguíneo e a tendência do sangue a coagular. Para prevenir a embolia gasosa, essas armadilhas são equipadas com dutos de ar, com a ajuda dos quais é regulado o nível sanguíneo nelas. Atualmente, em muitos dispositivos, detectores ultrassônicos ou fotoelétricos são colocados em armadilhas de ar, que desligam automaticamente a linha venosa quando o nível de sangue na armadilha cai abaixo de um nível predeterminado.

Recentemente, cientistas criaram dispositivos para ajudar pessoas que perderam a visão - total ou parcialmente.

Os óculos milagrosos, por exemplo, foram desenvolvidos pela empresa de pesquisa e desenvolvimento “Rehabilitation” com base em tecnologias anteriormente utilizadas apenas em assuntos militares. Como uma visão noturna, o dispositivo opera com base no princípio da localização infravermelha. Os óculos pretos foscos são, na verdade, placas de plexiglass com um dispositivo de localização em miniatura entre eles. Todo o localizador, junto com a armação dos óculos, pesa cerca de 50 gramas - quase o mesmo que os óculos comuns. E são selecionados, como os óculos para videntes, estritamente individualmente, para que sejam confortáveis ​​​​e bonitos. As “lentes” não apenas desempenham suas funções diretas, mas também cobrem defeitos oculares. Entre duas dezenas de opções, cada um pode escolher a mais adequada para si.

Usar óculos não é nada difícil: basta colocá-los e ligar a energia. A fonte de energia para eles é uma bateria descarregada do tamanho de um maço de cigarros. O gerador também está localizado aqui no bloco.

Os sinais por ele emitidos, ao encontrar um obstáculo, retornam e são captados pelas “lentes receptoras”. Os impulsos recebidos são amplificados, em comparação com um sinal de limiar, e se houver um obstáculo, uma campainha soa imediatamente - quanto mais alto, quanto mais perto a pessoa se aproxima dele. O alcance do dispositivo pode ser ajustado usando um dos dois intervalos.

O trabalho na criação de uma retina eletrônica está sendo realizado com sucesso por especialistas americanos da NASA e do Centro Principal da Universidade Johns Hopkins.

No início, eles tentaram ajudar as pessoas que ainda tinham alguns resquícios de visão. “Os óculos de televisão foram criados para eles”, escrevem S. Grigoriev e E. Rogov na revista “Young Technician”, onde telas de televisão em miniatura são instaladas em vez de lentes. Câmeras de vídeo igualmente em miniatura localizadas no quadro transmitem para a imagem tudo o que entra no campo de visão de uma pessoa comum. Porém, para deficientes visuais, a imagem também é decifrada por meio de um computador embutido. Tal dispositivo não cria nenhum milagre especial e não torna cegos, dizem os especialistas, mas aproveitará ao máximo as habilidades visuais restantes de uma pessoa e facilitará a orientação.

Por exemplo, se uma pessoa tiver pelo menos parte da retina restante, o computador irá “dividir” a imagem para que a pessoa possa ver o entorno pelo menos com a ajuda das áreas periféricas preservadas.

Segundo os desenvolvedores, esses sistemas ajudarão aproximadamente 2,5 milhões de pessoas que sofrem de deficiência visual. Bem, e aqueles cuja retina está quase completamente perdida? Para eles, os cientistas do centro oftalmológico da Universidade Duke (Carolina do Norte) estão dominando as operações de implantação de uma retina eletrônica. Eletrodos especiais são implantados sob a pele que, quando conectados aos nervos, transmitem imagens ao cérebro. Uma pessoa cega vê uma imagem composta por pontos luminosos individuais, muito semelhantes aos painéis exibidos em estádios, estações de trem e aeroportos. A imagem no “placar” é novamente criada por câmeras de televisão em miniatura montadas em armações de óculos.”

E, finalmente, a última palavra da ciência hoje é uma tentativa de usar a microtecnologia moderna para criar novos centros sensíveis na retina danificada. Essas operações estão sendo realizadas agora na Carolina do Norte pelo professor Rost Propet e seus colegas. Juntamente com especialistas da NASA, eles criaram as primeiras amostras de retina subeletrônica, que é implantada diretamente no olho.

“Nossos pacientes, é claro, nunca poderão admirar as pinturas de Rembrandt”, comenta o professor. “No entanto, eles ainda serão capazes de distinguir onde está a porta e onde está a janela, sinais de trânsito e placas…”

 100 grandes maravilhas da tecnologia

Universidade Politécnica Estadual de São Petersburgo

TRABALHO DO CURSO

Disciplina: Materiais médicos

Assunto: Pulmão artificial

São Petersburgo

Lista de símbolos, termos e abreviaturas 3

1. Introdução. 4

2. Anatomia do sistema respiratório humano.

2.1. Vias aéreas. 4

2.2. Pulmões. 5

2.3. Ventilação pulmonar. 5

2.4. Alterações no volume pulmonar. 6

3. Ventilação artificial. 6

3.1. Métodos básicos de ventilação artificial. 7

3.2. Indicações para uso de ventilação pulmonar artificial. 8

3.3. Monitorar a adequação da ventilação artificial.

3.4. Complicações durante ventilação artificial. 9

3.5. Características quantitativas dos modos de ventilação pulmonar artificial. 10

4. Ventilador. 10

4.1. O princípio de funcionamento de um ventilador. 10

4.2. Requisitos médicos e técnicos para o ventilador. onze

4.3. Esquemas para fornecer uma mistura de gases a um paciente.

5. Máquina coração-pulmão. 13

5.1. Oxigenadores de membrana. 14

5.2. Indicações para oxigenação por membrana extracorpórea. 17

5.3. Canulação para oxigenação por membrana extracorpórea. 17

6. Conclusão. 18

Lista de literatura usada.

Lista de símbolos, termos e abreviaturas

ALV – ventilação pulmonar artificial.

PA – pressão arterial.

PEEP é pressão expiratória final positiva.

AIK – máquina de circulação sanguínea artificial.

ECMO - oxigenação por membrana extracorpórea.

VVECMO - oxigenação por membrana extracorpórea venovenosa.

VAECMO – oxigenação por membrana extracorpórea venoarterial.

A hipovolemia é uma diminuição do volume sanguíneo circulante.

Isso geralmente se refere mais especificamente a uma diminuição no volume do plasma sanguíneo.

A hipoxemia é uma diminuição no conteúdo de oxigênio no sangue como resultado de distúrbios circulatórios, aumento da demanda de oxigênio pelos tecidos, diminuição das trocas gasosas nos pulmões durante doenças pulmonares, diminuição do conteúdo de hemoglobina no sangue, etc.

A hipercapnia é um aumento da pressão parcial (e do conteúdo) de CO2 no sangue arterial (e no corpo).

A intubação é a inserção de um tubo especial na laringe pela boca para eliminar problemas respiratórios devido a queimaduras, algumas lesões, espasmos graves da laringe, difteria da laringe e seus edemas agudos e de rápida resolução, como os alérgicos.

A traqueostomia é uma fístula traqueal formada artificialmente, trazida para a região externa do pescoço, para respirar, contornando a nasofaringe.

Uma cânula de traqueostomia é inserida na traqueostomia.

Pneumotórax é uma condição caracterizada pelo acúmulo de ar ou gás na cavidade pleural.

1. Introdução.

O sistema respiratório humano garante a entrada de ácido no corpo e a remoção de gases carbonatados. O transporte de gases e outras substâncias or-ga-low desnecessárias é realizado com a ajuda do sistema sanguíneo ve-nos-noy.

A função do sistema respiratório é reduzida apenas a fornecer ao sangue uma quantidade suficiente de ki -slo-ro-sim e remover dele o gás ácido carbônico. Restauração Khi-mi-che-skoe de mo-le-ku-lyar-no-go ki-slo-ro-da com serviço de água ob-ra-zo-va-ni-em -vive para os mais pequenos com base de uma nova fonte de energia. Sem ela, a vida não pode continuar por mais do que alguns segundos.

Restauração da acidez formação so-put-st-vu-et de CO2.

O ácido ácido incluído no CO2 não provém do ácido ácido molecular. O uso de O2 e a produção de CO2 estão interligados -li-che-ski-mi re-ak-tion-mi; Theo-re-ti-che-ski, cada um deles dura algum tempo.

Troca de O2 e CO2 entre a organização e o meio ambiente em nome da respiração. Nos processos vivos mais elevados de respiração, há processos blah-go-da-rya-próximo-depois-va-tel-novos.

1. Troca de gases entre o ambiente e os pulmões, geralmente chamada de “ventilação pulmonar”.

Troca de chamada de gás entre al-ve-o-la-mi dos pulmões e do sangue (le-hoch-noe breath-ha-nie).

3. Troca de chamada de gás entre visão de sangue e tecido-nya-mi. Os gases movem-se dentro dos tecidos para locais de demanda (para O2) e de locais de produção (para CO2) (respiração precisa adesiva).

Qualquer um desses processos causa dificuldades para respirar e representa um perigo para a vida - e não para uma pessoa.

2.

Anatomia do sistema respiratório humano.

O sistema respiratório é composto de tecidos e órgãos que fornecem circulação das veias pulmonares e respiração leve. As vias aéreas-nasais incluem: nariz, cavidade nasal, garganta, garganta, traquéia, brônquios e brônquios.

Os pulmões são compostos de sacos bron-chi-ol e al-ve-o-lar, bem como de art-ter-rii, ka-pil-la-drov e veias le-goch-no-go círculo de sangue. Ao elemento do sistema ko-st-but-our-she, conectado com a respiração, desde as costelas, entre os músculos costais, diafragma e músculos respiratórios auxiliares.

Caminhos de respiração aérea.

O nariz e a cavidade do no-sa servem como fonte de ka-na-la-mi para o ar, no qual ele aquece, hidrata e filtra. Todas as suas narinas estão cobertas de muco. Numerosos cabelos femininos, bem como cílios femininos fornecidos com epi-te-li-al-nye e bo-ka- As pequenas células servem para limpar o ar das partículas sólidas.

Na parte superior da região ficam as células olfativas.

Gor-tan fica entre o tra-he-ey e a raiz da língua. A cavidade da montanha não é apenas dois armazéns de conchas mucosas, nem completamente semelhantes na linha média. O espaço entre esses armazéns é uma lacuna protegida por uma cartilagem de plástico - over-gor-tan-no-one.

A traqueia começa na extremidade inferior da montanha e desce até a cavidade torácica, onde se divide em segundo brônquio direito e esquerdo; sua parede está conectada com tecido e cartilagem unidos.

Freqüentemente, as partes que acompanham o alimento são substituídas por um ligamento fibroso. O brônquio direito geralmente é curto e largo à esquerda. Entrando nos pulmões, os brônquios principais se dividem gradualmente em tubos cada vez menores (bronquíolos), sendo que os menores, alguns dos quais, os brônquios finais, são o próximo elemento das vias respiratórias. Das montanhas aos últimos canos de bron-chi-ol, você está revestido de epi-te-li-em cintilante.

2.2.

Em geral, os pulmões têm a aparência de estruturas bem formadas em forma de lábio, em forma de arroz, situadas em ambos po-lo-vi-nah tórax po-los-ti. O menor elemento estrutural dos pulmões é um lobo que consiste no bronquíolo final, levando ao bron-khio-lu pulmonar e ao me-shok al-ve-o-lar-ny. As paredes do le-goch-noy bron-khio-ly e da bolsa al-ve-o-lyar-no-go formam o canto-lub-le-niya - al-ve-o-ly . Essa estrutura dos pulmões aumenta sua superfície respiratória, que é 50 a 100 vezes maior que a superfície do corpo.

As paredes do al-ve-ol são compostas por uma camada de células epi-te-li-al-nyh e ao redor do le-goch-ny-mi ka-pil -la-ra-mi. A superfície interna do al-ve-o-ly é coberta com uma substância top-but-st-but-active com volume surf-fact-tan-. Al-ve-o-la separada, intimamente unida a estruturas vizinhas, não tem forma - tamanho certo, multifacetada e dimensões aproximadas de até 250 mícrons.

É aconselhável considerar que a superfície geral é al-ve-ol, através da qual o gás é drenado -men, ex-po-nen-tsi-al-but for-vi-sit do peso do corpo. Com a idade, ocorre uma diminuição da área no topo do al-ve-ol.

Cada coisa leve está ok-ru-mas um saco - enxame de cuspe. A linha externa (parietal) da pleura está ligada à superfície interna da parede torácica e o diafragma -me, a linha interna (visceral) cobre o pulmão.

A lacuna entre o li-st-ka-mi é chamada de espaço pleural. Quando o tórax se move, a folha interna geralmente desliza facilmente ao longo da externa. A pressão na região pleural é sempre menor que at-mo-sphere-no-go (from-ri-tsa-tel-noe).

Órgãos artificiais: o homem pode tudo

Em condições de repouso, a pressão pleural interna de uma pessoa é em média 4,5 torr mais baixa do que as at-mo-spheres -no-go (-4,5 torr). Espaço interpleural entre os pulmões no meio; contém tra-hea, bócio (timo) e um coração com grande so-su-da-mi, linfa-fa-ti-Che-knots e pi-sche-water.

A artéria pulmonar não drena o sangue do coração direito, ela se divide nos ramos direito e esquerdo, que são os direitos aos pulmões.

Esses ramos da arte-ter-ry, seguindo o bron-ha-mi, fornecem leveza às grandes estruturas e criam ka-drank-la-ry, op-le-derreter paredes-ki al-ve-ol. Espírito do ar em al-ve-o-le from-de-len de sangue em ka-pil-la-re wall-koy al-ve-o-ly, wall-koy ka-pil-la-ra e em alguns casos, entre a camada exata entre eles.

Dos capilares, o sangue flui para pequenas veias, que eventualmente se unem e formam. As veias pulmonares incham, levando o sangue ao átrio esquerdo.

Bron-chi-al-ar-ter-rii de um grande círculo também trazem sangue para os pulmões, ou seja, fornecem bron-chi e bron-chio -ly, lim-fa-ti-che-knots, paredes de sangue- ve-nas-sous-coletes e pleu-ru.

A maior parte desse sangue vai para as veias brônquicas e, de lá, para as veias não pareadas (direita) e meio não pareadas (à esquerda). Uma quantidade muito pequena de sangue arteri-al bron-hi-al-no flui para as veias pulmonares.

10 órgãos artificiais para criar uma pessoa real

Orquestração(Alemão: Orchestrion) é o nome de vários instrumentos musicais cujo princípio de funcionamento é semelhante ao órgão e à gaita.

Originalmente, uma orquestra era um órgão portátil projetado pelo Abade Vogler em 1790. Continha cerca de 900 tubos, 4 manuais com 63 teclas cada e 39 pedais. O “revolucionismo” da orquestra de Vogler consistiu no uso ativo de tons combinados, o que permitiu reduzir significativamente o tamanho dos tubos labiais do órgão.

Em 1791, o mesmo nome foi dado a um instrumento criado por Thomas Anton Kunz em Praga. Este instrumento foi equipado com tubos de órgão e cordas semelhantes a piano. A orquestra de Kunz tinha 2 manuais de 65 teclas e 25 pedais, tinha 21 registros, 230 cordas e 360 ​​flautas.

No início do século XIX, sob o nome de orquestração (também orquestra) surgiram vários instrumentos mecânicos automáticos, adaptados para imitar o som de uma orquestra.

O instrumento parecia um armário, dentro do qual era colocada uma mola ou mecanismo pneumático, que era acionado ao lançar uma moeda. A disposição das cordas ou flautas do instrumento foi escolhida de forma que certas peças musicais soassem durante o funcionamento do mecanismo. O instrumento ganhou popularidade especial na década de 1920 na Alemanha.

Mais tarde, a orquestração foi suplantada por toca-discos.

Veja também

Notas

Literatura

• Orquestrion // Instrumentos musicais: enciclopédia. - M.: Deka-VS, 2008. - S. 428-429. - 786 páginas.
• Orquestra // Grande Enciclopédia Russa. Volume 24. - M., 2014. - P. 421.
• Mirek A.M. Orquestra de Vogler // Manual do circuito harmônico. - M.: Alfred Mirek, 1992. - P. 4-5. - anos 60.
• Orquestrion // Dicionário enciclopédico musical. - M.: Enciclopédia Soviética, 1990. - P. 401. - 672 p.
• Orquestra // Enciclopédia musical. - M.: Enciclopédia Soviética, 1978. - T. 4. - P. 98-99. - 976 p.
• Herbert Juttemann: Orquestra de Schwarzwald: Programa Instrumente, Firmen und Fertigungs.

  Bergkirchen: 2004. ISBN 3-932275-84-5.

CC© wikiredia.ru

Um experimento realizado na Universidade de Granada foi o primeiro em que foi criada uma pele artificial com derme à base de biomaterial aragose-fibrina. Até agora, outros biomateriais como colágeno, fibrina, ácido poliglicólico, quitosana, etc.

Foi criada uma pele mais estável e com funcionalidade semelhante à da pele humana normal.

Intestino artificial

Em 2006, cientistas ingleses notificaram o mundo sobre a criação de um intestino artificial capaz de reproduzir com precisão as reações físicas e químicas que ocorrem durante o processo de digestão.

O órgão é feito de plástico e metal especiais que não quebram nem corroem.

Esta foi a primeira vez na história que foi feito um trabalho para demonstrar como células-tronco pluripotentes humanas em uma placa de Petri poderiam ser montadas em tecido corporal com a arquitetura tridimensional e o tipo de conexões encontradas na carne naturalmente desenvolvida.

O tecido intestinal artificial pode tornar-se a opção terapêutica número 1 para pessoas que sofrem de enterocolite necrosante, doença inflamatória intestinal e síndrome do intestino curto.

Durante a pesquisa, uma equipe de cientistas liderada pelo Dr. James Wells usou dois tipos de células pluripotentes: células-tronco humanas embrionárias e células induzidas obtidas pela reprogramação de células da pele humana.

As células embrionárias são chamadas de pluripotentes porque são capazes de se transformar em qualquer um dos 200 tipos diferentes de células do corpo humano.

As células induzidas são adequadas para “pentear” o genótipo de um doador específico, sem risco de rejeição adicional e complicações associadas. Esta é uma nova invenção da ciência, por isso ainda não está claro se as células adultas induzidas têm o mesmo potencial que as células embrionárias.

O tecido intestinal artificial foi liberado em duas formas, montado a partir de dois tipos diferentes de células-tronco.

Demorou muito tempo e esforço para transformar células individuais em tecido intestinal.

Os cientistas colheram o tecido usando produtos químicos e também proteínas chamadas fatores de crescimento. Num tubo de ensaio, a matéria viva crescia da mesma forma que num embrião humano em desenvolvimento.

Órgãos artificiais

Primeiro, obtém-se o chamado endoderma, de onde crescem o esôfago, o estômago, os intestinos e os pulmões, além do pâncreas e do fígado. Mas os médicos deram a ordem para que o endoderma se desenvolvesse apenas nas células primárias do intestino. Demorou 28 dias para que eles alcançassem resultados visíveis. O tecido amadureceu e adquiriu a funcionalidade de absorção e secreção característica de um trato digestivo humano saudável. Ele também contém células-tronco específicas, que agora serão muito mais fáceis de trabalhar.

Sangue artificial

Nem sempre há doadores de sangue suficientes - as clínicas russas recebem hemoderivados apenas 40% do normal.

Para realizar uma operação cardíaca com sistema de circulação artificial, é necessário o sangue de 10 doadores. Existe a possibilidade de que o sangue artificial ajude a resolver o problema - os cientistas já começaram a montá-lo, como um construtor. Plasma sintético, glóbulos vermelhos e plaquetas foram criados. Mais um pouco e podemos nos tornar Exterminadores!

Plasma– um dos principais componentes do sangue, sua parte líquida. O “plasma plástico”, criado na Universidade de Sheffield (Reino Unido), pode desempenhar todas as funções do plasma real e é absolutamente seguro para o corpo. Ele contém produtos químicos que podem transportar oxigênio e nutrientes. Hoje, o plasma artificial destina-se a salvar vidas em situações extremas, mas num futuro próximo poderá ser usado em qualquer lugar.

Bem, isso é impressionante. Embora seja um pouco assustador imaginar que o plástico líquido, ou melhor, o plasma plástico, está fluindo dentro de você. Afinal, para se transformar em sangue, ele ainda precisa ser preenchido com glóbulos vermelhos, leucócitos e plaquetas. Especialistas da Universidade da Califórnia (EUA) decidiram ajudar seus colegas britânicos com o “maldito designer”.

Eles desenvolveram completamente sintético glóbulos vermelhos feito de polímeros capazes de transportar oxigênio e nutrientes dos pulmões para órgãos e tecidos e vice-versa, ou seja, desempenhar a função principal de hemácias reais.

Além disso, eles podem entregar medicamentos às células. Os cientistas estão confiantes de que nos próximos anos todos os ensaios clínicos com glóbulos vermelhos artificiais serão concluídos e eles poderão ser usados ​​para transfusão.

É verdade, depois de diluí-los em plasma - natural ou sintético.

Não querendo ficar atrás dos seus colegas californianos, plaquetas desenvolvido por cientistas da Case Western Reserve University, Ohio. Para ser mais preciso, não se trata exatamente de plaquetas, mas de seus auxiliares sintéticos, também constituídos por um material polimérico. Sua principal tarefa é criar um ambiente eficaz para a união das plaquetas, o que é necessário para estancar o sangramento.

Agora as clínicas usam massa plaquetária para isso, mas obtê-la é um processo trabalhoso e bastante longo. É necessário encontrar doadores e selecionar rigorosamente as plaquetas, que também ficam armazenadas por no máximo 5 dias e são suscetíveis a infecções bacterianas.

O advento das plaquetas artificiais elimina todos esses problemas. Portanto, a invenção será uma boa ajuda e permitirá que os médicos não tenham medo de sangrar.

Sangue real e artificial. O que é melhor?

O termo “sangue artificial” é um pouco impróprio. O sangue real executa um grande número de tarefas. O sangue artificial só pode realizar alguns deles até agora. Se for criado sangue artificial completo que possa substituir completamente o sangue real, este será um verdadeiro avanço na medicina.

O sangue artificial desempenha duas funções principais:

1) aumenta o volume das células sanguíneas

2) desempenha funções de enriquecimento de oxigênio.

Embora o agente estimulador de células sanguíneas seja usado há muito tempo em hospitais, a oxigenoterapia ainda está em desenvolvimento e em ensaios clínicos.

3. Supostas vantagens e desvantagens do sangue artificial

Ossos artificiais

Médicos do Imperial College London afirmam que conseguiram criar um material pseudoósseo que é mais semelhante em composição aos ossos reais e tem chances mínimas de rejeição.

Os novos materiais ósseos artificiais consistem, na verdade, em três compostos químicos que simulam o trabalho de células ósseas reais.

Médicos e especialistas em próteses de todo o mundo estão agora desenvolvendo novos materiais que poderiam servir como um substituto completo para o tecido ósseo do corpo humano.

No entanto, até o momento, os cientistas criaram apenas materiais semelhantes a ossos, que ainda não foram transplantados, em vez de ossos reais, mesmo quebrados.

O principal problema com esses materiais pseudoósseos é que o corpo não os reconhece como tecido ósseo “nativo” e não se adapta a eles. Como resultado, processos de rejeição em larga escala podem começar no corpo de um paciente com ossos transplantados, o que, na pior das hipóteses, pode até levar a uma falha em grande escala no sistema imunológico e à morte do paciente.

Pulmão artificial

Cientistas americanos da Universidade de Yale, liderados por Laura Niklason, fizeram um grande avanço: conseguiram criar um pulmão artificial e transplantá-lo em ratos.

Também foi criado um pulmão separadamente, funcionando de forma autônoma e simulando o funcionamento de um órgão real.

Deve ser dito que o pulmão humano é um mecanismo complexo.

A área de superfície de um pulmão em um adulto é de cerca de 70 metros quadrados, disposta para permitir a transferência eficiente de oxigênio e dióxido de carbono entre o sangue e o ar. Mas o tecido pulmonar é difícil de restaurar, por isso, no momento, a única maneira de substituir as áreas danificadas do órgão é um transplante. Este procedimento é muito arriscado devido ao alto percentual de rejeições.

Segundo as estatísticas, dez anos após o transplante, apenas 10-20% dos pacientes permanecem vivos.

O “pulmão artificial” é uma bomba pulsante que fornece ar em porções a uma frequência de 40 a 50 vezes por minuto. Um pistão normal não é adequado para isso; partículas de material das peças de atrito ou da vedação podem entrar no fluxo de ar. Aqui, e em outros dispositivos semelhantes, são usados ​​​​foles feitos de metal corrugado ou plástico - foles.

O ar purificado levado à temperatura necessária é fornecido diretamente aos brônquios.

Mudar de mão? Sem problemas!..

Mãos artificiais

Mãos artificiais no século XIX.

foram divididos em “mãos trabalhadoras” e “mãos cosméticas”, ou bens de luxo.

Para o pedreiro ou operário, limitavam-se a aplicar no antebraço ou no ombro uma atadura feita de manga de couro com reforço, à qual era fixada uma ferramenta correspondente à profissão do operário - um alicate, um anel, um gancho, etc.

As mãos artificiais cosméticas, dependendo da ocupação, estilo de vida, grau de escolaridade e outras condições, eram mais ou menos complexas.

A mão artificial poderia ter o formato de uma mão natural, calçada com uma elegante luva de pelica, capaz de realizar trabalhos delicados; escrever e até embaralhar cartas (como a famosa mão do General Davydov).

Se a amputação não atingisse a articulação do cotovelo, então com a ajuda de um braço artificial era possível restaurar a função do membro superior; mas se a parte superior do ombro fosse amputada, o trabalho com a mão só seria possível através de aparelhos volumosos, muito complexos e exigentes.

Além deste último, os membros superiores artificiais consistiam em duas mangas de couro ou metal para o braço e antebraço, que eram articuladas de forma móvel acima da articulação do cotovelo por meio de talas de metal. A mão era feita de madeira leve e fixamente fixada ao antebraço ou móvel.

Havia molas nas juntas de cada dedo; das pontas dos dedos saem cordões intestinais, que eram conectados atrás da articulação do punho e continuavam na forma de dois cordões mais fortes, um dos quais, passando ao longo dos rolos pela articulação do cotovelo, era preso a uma mola na parte superior do ombro , enquanto o outro, também movendo-se sobre um bloco, terminava livremente em um ilhó.

Quando a articulação do cotovelo era flexionada voluntariamente, os dedos fechavam-se neste aparelho e ficavam completamente fechados se o ombro fosse dobrado em ângulo reto.

Para encomendar mãos artificiais, bastava indicar as medidas de comprimento e volume do coto, bem como da mão sã, e explicar a técnica e a finalidade a que deveriam servir.

As mãos protéticas devem ter todas as propriedades necessárias, por exemplo, a função de fechar e abrir a mão, segurar e soltar qualquer coisa das mãos, e a prótese deve ter um visual que copie o membro perdido com a maior precisão possível.

Existem próteses de mão ativas e passivas.

Os passivos apenas copiam a aparência da mão, enquanto os ativos, que se dividem em bioelétricos e mecânicos, desempenham muito mais funções. A mão mecânica é uma réplica bastante precisa de uma mão real, então qualquer pessoa com uma amputação será capaz de relaxar perto das pessoas e pegar e soltar um objeto.

A bandagem, que é fixada na cintura escapular, faz com que a mão se mova.

A prótese bioelétrica funciona graças a eletrodos que leem a corrente produzida pelos músculos durante a contração, o sinal é transmitido ao microprocessador e a prótese se movimenta.

Pernas artificiais

Para uma pessoa com danos físicos nas extremidades inferiores, próteses de pernas de alta qualidade são, obviamente, importantes.

A escolha correta de uma prótese, que substituirá e poderá até restaurar muitas funções que eram características do membro, dependerá do nível de amputação do membro.

Existem próteses para jovens e idosos, bem como para crianças, atletas e aqueles que, apesar da amputação, levam uma vida igualmente ativa. Uma prótese de alta qualidade consiste em um sistema de pé, articulações de joelho e adaptadores feitos de material de alta qualidade com maior resistência.

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