Materiais para criação de órgãos artificiais. Sobre a medicina: os órgãos artificiais já estão próximos. Matrizes para órgãos

M. V. Pletnikov
tradução de English Science, 1995,
Vol. 270, N 5234, pp. 230-232.
A criação de órgãos e tecidos artificiais tornou-se um ramo independente da ciência há cerca de dez anos. As primeiras conquistas nesse sentido são a criação de pele artificial e tecido cartilaginoso, cujas amostras já passam pelos primeiros ensaios clínicos em centros de transplante. Uma das últimas conquistas é o desenho de tecido cartilaginoso capaz de regeneração ativa. Este é realmente um grande sucesso, uma vez que o tecido articular danificado não se regenera no corpo. Nas clínicas norte-americanas, mais de 500 mil pacientes com lesões na cartilagem articular são operados anualmente, mas essa intervenção cirúrgica alivia a dor apenas por um curto período e melhora o movimento da articulação. Cientistas da Universidade de Gotemburgo, na Suécia, extraíram condrócitos (células da cartilagem) das articulações de 23 pacientes, cultivaram as células para formar tecido cartilaginoso e depois implantaram-no na articulação do joelho danificada. O resultado foi excelente: em 14 dos 16 pacientes, foi observada substituição quase completa da cartilagem danificada por novo tecido no local da implantação. O crescimento do tecido cartilaginoso, infelizmente, leva muito tempo - várias semanas, então os cientistas estão tentando desenvolver métodos para produzir tecidos artificiais mais rapidamente. Por exemplo, um grupo de experimentadores de uma empresa de biotecnologia” Organogênese“cultivou um filme de pele artificial sobre uma matriz de colágeno natural, que permite o uso quase imediato desse novo tecido na clínica.

Num ensaio clínico, o novo enxerto de pele demonstrou melhorar (em pelo menos 60% em comparação com materiais convencionais) a cicatrização de úlceras venosas e lesões cutâneas. No entanto, a pele e a cartilagem são tecidos constituídos por um ou dois tipos de células e os requisitos para a estrutura da base destinada ao seu cultivo em condições artificiais são relativamente baixos. Com muitos outros órgãos a situação é muito mais complicada. Atualmente estão sendo feitas tentativas de cultivar fígados in vitro. Mas o fígado é um órgão complexo, composto por diferentes tipos de células que limpam as toxinas do sangue, convertem os nutrientes recebidos de fora em uma forma absorvida pelo corpo e desempenham uma série de outras funções. Portanto, criar um fígado artificial requer uma tecnologia muito mais complexa: todos esses diferentes tipos de células devem ser colocados de forma estritamente definida, ou seja, a base em que se baseiam deve ser altamente seletiva.
Para tanto, moléculas que possuem propriedades de adesão celular e reconhecimento intercelular - funções de estabelecimento de conexões intercelulares específicas no corpo - são aplicadas a essa base sintética. A história da criação de tal substrato para células do fígado pode servir como ilustração das vantagens da tecnologia combinada.

Por exemplo, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts conseguiram criar um substrato ao qual apenas células de hepatócitos estão fixadas. É bem sabido que células deste tipo desempenham mais funções metabólicas no corpo do que qualquer outra. Uma dessas funções é a remoção de proteínas danificadas da corrente sanguínea. Os hepatócitos reconhecem essas proteínas por meio de certas sequências de carboidratos, que as “marcam” como defeituosas. Os pesquisadores sintetizaram moléculas com essa sequência de unidades e as “fixaram” a um polímero artificial de poliacrilamida, acreditando que essas “iscas” iriam “atrair” seletivamente os hepatócitos. Na verdade, os hepatócitos reconheceram as marcas e permaneceram na superfície do polímero. No entanto, descobriu-se mais tarde que a poliacrilamida não pode servir como material adequado para um fígado artificial, uma vez que provoca uma forte reação imunológica do corpo. Foi necessário procurar algum outro polímero que não fosse rejeitado pelo organismo, mas ao mesmo tempo não adsorvesse diversas proteínas, que, fixando-se no polímero, começariam imediatamente a atrair todos os tipos de células indiscriminadamente. No final, os esforços dos cientistas foram coroados com algum sucesso. Eles conseguiram sintetizar um substrato de malha feito de óxido de polietileno (PEO), que não causa reação imunológica e não adsorve proteínas. PEO é uma molécula em forma de estrela com raios irradiando em diferentes direções a partir de um núcleo central denso. Quando as moléculas de PEO se unem, as extremidades dos braços de cada “estrela” flutuam livremente na solução aquosa. Ao mesmo tempo, eles carregam grupos hidroxila reativos, aos quais estão ligadas “iscas” de carboidratos para os hepatócitos.

Foi demonstrado que quando os hepatócitos de rato são adicionados a tal solução, eles imediatamente se ligam aos carboidratos e se fixam ao substrato da malha, enquanto os fibroblastos adicionados à solução não se depositam no polímero. Assim, os cientistas tiveram a sorte de resolver um dos maiores problemas da criação de órgãos artificiais: a construção de um aceitador celular altamente específico. A próxima etapa foi a formação de uma estrutura tridimensional do substrato da malha. Um fígado saudável consiste em uma massa de células penetradas por uma complexa rede de vasos sanguíneos. Para que o fígado funcione adequadamente, diferentes tipos de células devem estar dispostos uns em relação aos outros em uma determinada ordem. Tendo desenvolvido um método de colocação de um polímero (ácido poliático) sobre uma base de papel fino sob controle de computador, que permite posteriormente projetar uma arquitetura tridimensional de órgão, os pesquisadores estão agora lutando com o problema de conectar moléculas de PEO que carregam “iscas” à estrutura tridimensional do novo polímero. No futuro, eles esperam anexar outros tipos de marcadores ao polímero, como anticorpos que atraem células que formam os ductos biliares. Por fim, propõe-se a utilização de aminoácidos - glutamina, aspártico e arginina - para formar uma camada endotelial específica do fígado. Assim, gradualmente, passo a passo, os cientistas esperam criar um fígado artificial completo. Andaimes híbridos também provaram ser bons em experimentos com fibras nervosas em “crescimento”. Nesse caso, o Teflon revelou-se especialmente eficaz como substrato - um material totalmente inofensivo ao corpo. A ligação de uma malha de Teflon com moléculas de laminina através de átomos de níquel modificados por gás ionizado é, segundo os pesquisadores, uma base muito promissora sobre a qual pode ocorrer o crescimento dos processos das células nervosas. A laminina, neste caso, desempenha a função de regular e direcionar o crescimento dos nervos. O próximo passo para a aplicação clínica do crescimento induzido de nervos destinados ao transplante deveria ser a produção de tubos-guia especiais que pudessem ser colocados no corpo ao longo das fibras nervosas danificadas. O Teflon também tem sido usado há muito tempo em vasos sanguíneos artificiais. No entanto, até agora apenas vasos largos (mais de 6 mm de diâmetro) são produzidos a partir dele, uma vez que vasos de menor diâmetro estão obstruídos com plaquetas e células musculares lisas 1-2 anos após a implantação. Isso não aconteceria se a estrutura das paredes do vaso implantado fosse semelhante ao epitélio de revestimento de veias e artérias reais.

O problema pode ser resolvido aplicando células epiteliais naturais ao polímero, formando um revestimento liso das paredes internas dos vasos sanguíneos, ao qual não aderem plaquetas e células musculares lisas. A criação desse epitélio artificial é o principal problema no desenho dos vasos sanguíneos. A propósito, uma adesão semelhante de células e, como resultado, bloqueio dos vasos sanguíneos, ocorre no próprio corpo devido a alterações ateroscleróticas no epitélio. Ao resolver esse problema, bem como ao tentar causar o crescimento direcionado das fibras nervosas, os cientistas utilizam os “serviços” das proteínas de adesão intercelular e da matriz extracelular: fibronectina e laminina. Entre os órgãos e tecidos que atualmente estão sendo intensamente estudados para fins de sua reconstrução biotecnológica estão também o tecido ósseo, tendões, intestinos, válvulas cardíacas, medula óssea e traqueia. Além de trabalhar na criação de órgãos e tecidos artificiais do corpo humano, os cientistas continuam a desenvolver métodos para implantar células produtoras de insulina no corpo de pessoas com diabetes e células nervosas que sintetizam o neurotransmissor dopamina no corpo de pessoas que sofrem de Parkinson. doença, o que salvará os pacientes das tediosas injeções diárias.

Em meados do século XX, quase ninguém conseguia acreditar seriamente na criação de órgãos artificiais; era algo saído da ficção científica. Hoje em dia, estão a ser realizados trabalhos activos de investigação na área designada pelas autoridades, cujos resultados já podemos observar, no entanto, permanecem muitos problemas relacionados com a complexidade técnica de implementação desta ideia. Vejamos o problema usando o exemplo da criação de um coração artificial.

Um dos principais desafios é obter tecido tridimensional da parede do coração com apenas um ou dois dedos de espessura. Já podemos obter monocamadas de células e cultivar esses tecidos. O problema é fazer crescer simultaneamente um leito vascular junto com o tecido muscular, através do qual esse tecido muscular receberá oxigênio e nutrientes e os produtos metabólicos serão excretados. Sem leito vascular, sem suprimento adequado, as células da camada espessa morrerão. Em uma camada fina, eles podem se alimentar devido à difusão de nutrientes e oxigênio, mas em uma camada espessa, a difusão não é mais suficiente e as camadas profundas das células morrerão. Agora podemos fazer cerca de três camadas de células cardíacas que podem sobreviver.

Falando em implantes promissores, devemos lembrar que o leito vascular do implante precisará estar conectado ao leito vascular que já existe em outra parte do coração do receptor, ou seja, é necessário fazer crescer um leito vascular de uma determinada anatomia . Fazer crescer um coração inteiro com suas muitas seções, células e seu próprio sistema de condução é uma tarefa multicelular muito complexa. Uma réplica exata de um coração humano pode ser produzida em aproximadamente 7 a 10 anos em laboratórios bem equipados nos países desenvolvidos. O coração não é uma glândula que produz hormônios, é uma bomba. Precisamos que o sangue seja bombeado e não seja ferido durante o bombeamento. O trauma sanguíneo é precisamente o problema das bombas externas usadas durante a cirurgia cardíaca. Quando foram desenvolvidos, a principal dificuldade era que os glóbulos vermelhos e outros elementos do sangue eram danificados por essas bombas.

Os desenvolvimentos modernos nos materiais podem levar à criação de um coração mecânico que pode ser costurado para que possa desempenhar com calma as funções do coração biológico que a natureza dá aos humanos.

Se falamos de sistemas importados em geral, então o coração aqui não é o objeto mais conveniente. Faz mais sentido promover experiências em tecidos hepáticos ou renais. Por exemplo, as tiras de fígado sobrevivem facilmente por si mesmas e voltam a crescer com relativa facilidade. Dar a uma pessoa cujo fígado é cirrótico uma nova parte do fígado que pode começar a se regenerar e crescer por conta própria é um uso de energia muito mais inteligente.

Nos próximos 5 a 10 anos, ficará claro se vale a pena gastar tempo e esforço no desenvolvimento de um novo coração ou se será mais fácil fornecer a uma pessoa um coração mecânico, cujos exemplos de uso bem-sucedido já existem. no momento.

O problema com as opções existentes de coração artificial é que, para fazer o mesmo trabalho, eles precisam bater 100 mil vezes por dia e 35 milhões de vezes por ano, por isso se desgastam rapidamente. Se estivéssemos falando de um carro, o problema poderia ser facilmente resolvido - trocar o óleo e as velas, mas no caso do coração nem tudo é tão simples.

A singularidade do novo dispositivo usado pelos médicos do Texas Heart Institute, em Houston, é que ele bombeia sangue continuamente e o pulso humano é palpável. Ajuda a controlar coágulos sanguíneos e sangramentos e oferece mais opções para pessoas com insuficiência cardíaca avançada que antes tinham apenas duas opções: um coração artificial ou uma longa espera na lista de espera por um transplante de órgão. O dispositivo resultante oferece uma terceira opção para pacientes com insuficiência cardíaca aguda.

Para avaliar o progresso no desenvolvimento e aplicação de órgãos artificiais, também podemos recorrer à experiência de cientistas e médicos ocidentais.

Cientistas da Case Western Reserve University conseguiram criar um pulmão artificial que, ao contrário de outros sistemas semelhantes, utiliza ar em vez de oxigênio puro. O dispositivo copia completamente o órgão respiratório. Seu design inclui análogos de vasos sanguíneos feitos de borracha de silicone respirável. Como vasos reais, eles se ramificam e variam em tamanho: os mais finos têm cerca de um quarto da espessura de um fio de cabelo humano.

Cirurgiões do Hospital Universitário Karolinska, em Estocolmo, realizaram a primeira operação do mundo para transplantar uma traqueia sintética criada a partir das células-tronco do próprio paciente. Essa tecnologia permite prescindir de doador e evitar o risco de rejeição de tecidos, sendo que a produção de um órgão é bastante rápida e leva de dois dias a uma semana.

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 temas 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 complexa interação 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 de urina antes de ela ser excretada. 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 modela a própria essência de seu trabalho da forma mais compacta e controlada. 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 de Biofísica Médica e Segurança da Vida

Ensaio

Sobre o tema: Órgãos artificiais

Concluído por: Nurpeisova D.

Grupo:144 OM

Verificado por: Maslikova E.I.

Astana 2015

Introdução

1. Rim artificial

2. Coração artificial

3. Intestino artificial

4. Couro sintético

5. Sangue artificial

6. Pulmão artificial

7. Ossos artificiais

Conclusão

Lista de literatura usada

Introdução

O rápido desenvolvimento das tecnologias médicas e o uso cada vez mais ativo das mais recentes conquistas das ciências afins tornam possível hoje resolver problemas que pareciam impossíveis há apenas alguns anos. Inclusive no campo da criação de órgãos artificiais que podem substituir cada vez mais com sucesso seus protótipos naturais.

Além disso, o mais surpreendente nisso é que tais fatos, que há poucos anos poderiam ter se tornado a base do roteiro do próximo blockbuster de Hollywood, hoje atraem a atenção do público por apenas alguns dias. A conclusão é bastante óbvia: não está longe o dia em que mesmo as ideias mais fantásticas sobre as possibilidades de substituição de órgãos e sistemas naturais por seus análogos artificiais deixarão de ser uma espécie de abstração. Isto significa que um dia poderá haver pessoas que terão mais implantes deste tipo do que partes do seu próprio corpo.

O transplante de órgãos incorpora o desejo eterno das pessoas de aprender como “consertar” o corpo humano.

1. Rim artificial

Um dos órgãos artificiais mais necessários é o rim. Atualmente, centenas de milhares de pessoas no mundo devem receber regularmente tratamento de hemodiálise para viver. “Agressão da máquina” sem precedentes, necessidade de seguir dieta alimentar, tomar medicamentos, limitar a ingestão de líquidos, perda de desempenho, liberdade, conforto e diversas complicações de órgãos internos acompanham esta terapia.Em 1925, J. Haas realizou a primeira diálise em humanos, e em 1928 ele também usou heparina, uma vez que o uso prolongado de hirudina estava associado a efeitos tóxicos e seu efeito na própria coagulação do sangue 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.

Dialisador - 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.

Em 2010, uma máquina de hemodiálise implantada no corpo do paciente foi desenvolvida nos Estados Unidos. O dispositivo, desenvolvido na Universidade da Califórnia, em São Francisco, tem aproximadamente o tamanho de um rim humano. O implante, além do tradicional sistema de microfiltro, contém um biorreator com cultura de células tubulares renais capazes de desempenhar as funções metabólicas do rim. O dispositivo não requer fonte de alimentação e funciona com base na pressão arterial do paciente. Este biorreator imita o princípio do funcionamento dos rins pelo fato da cultura das células tubulares renais estar localizada em um carreador polimérico e proporcionar a reabsorção reversa de água e nutrientes, como ocorre normalmente. Isso pode aumentar significativamente a eficiência da diálise e até mesmo eliminar completamente a necessidade de transplante renal de um doador.

Hemodializador

Caso contrário, um rim artificial é um dispositivo para substituir temporariamente a função excretora dos rins. O rim artificial é utilizado para liberar o sangue de produtos metabólicos, corrigir o equilíbrio eletrolítico-água e ácido-base na insuficiência renal aguda e crônica, bem como para remover substâncias tóxicas dialisáveis em caso de intoxicação e excesso de água em caso de edema.

Função

A principal função é limpar o sangue de diversas substâncias tóxicas, incluindo produtos metabólicos. Ao mesmo tempo, o volume de sangue no corpo permanece constante.

2. Coração artificial

O coração é um órgão muscular oco. Seu peso em um adulto é de 250 a 300 gramas. Contraindo-se, o coração funciona como uma bomba, empurrando o sangue pelos vasos e garantindo seu movimento contínuo. Quando o coração para, a morte ocorre porque o fornecimento de nutrientes aos tecidos é interrompido, bem como a liberação de tecidos dos produtos da decomposição.

Da criação Ania do “coração” do nosso tempo.

O criador do coração artificial foi V.P. Demikhov em 1937. Com o tempo, este dispositivo passou por enormes transformações em tamanho e métodos de uso. Um coração artificial é um dispositivo mecânico que assume temporariamente a função da circulação sanguínea se o coração do paciente não puder fornecer totalmente ao corpo uma quantidade suficiente de sangue. Sua desvantagem significativa é a necessidade de recarga constante da rede elétrica.

Em 2009, uma prótese cardíaca total implantável em humanos ainda não havia sido criada. Várias clínicas líderes de cirurgia cardíaca realizam substituições parciais bem-sucedidas de componentes orgânicos por artificiais. A partir de 2010, existem protótipos de próteses cardíacas inteiras implantáveis artificialmente eficazes em humanos. prótese artificial implantável

Atualmente, a prótese cardíaca é considerada uma medida temporária para permitir que um paciente com patologia cardíaca grave sobreviva até um transplante cardíaco.

Modelo de coração .

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 as lâmpadas indicadoras verdes que indicam a carga das baterias.

3. Couro sintético

Estágio de desenvolvimento: pesquisadores prestes a criar uma pele real

Criada em 1996, a pele artificial é usada para transplante em pacientes cuja pele foi gravemente danificada por queimaduras graves. O método envolve a ligação do colágeno derivado da cartilagem animal ao glicosaminoglicano (GAG) para desenvolver um padrão de matriz extracelular que fornece a base para uma nova pele. Em 2001, foi criado couro artificial autocurável com base neste método.

Outro avanço no campo da criação de pele artificial foi o desenvolvimento de cientistas ingleses que descobriram um método incrível de regeneração da pele. As células geradoras de colágeno criadas em laboratório reproduzem células humanas reais que previnem o envelhecimento da pele. Com a idade, o número dessas células diminui e a pele começa a ficar enrugada. Células artificiais injetadas diretamente nas rugas começam a produzir colágeno e a pele começa a se recuperar.

Em 2010 - Cientistas da Universidade de Granada criaram pele humana artificial usando engenharia de tecidos baseada no biomaterial aragose-fibrina.

A pele artificial foi enxertada em camundongos e apresentou ótimos resultados em termos de desenvolvimento, meiose e funcionalidade. Esta descoberta permitirá encontrar aplicações clínicas, bem como a utilização em testes laboratoriais de tecidos, o que, por sua vez, evitará a utilização de animais de laboratório. Além disso, a descoberta pode ser usada para desenvolver novas abordagens para o tratamento de patologias cutâneas.

O estudo foi conduzido por Jose Maria Jimenez Rodriguez do Grupo de Pesquisa em Engenharia de Tecidos da Faculdade de Histologia da Universidade de Granada, sob a direção dos professores Miguel Alaminos Mingorance, Antonio Campos Munoz e Jose Miguel Labrador Molina (Labrador Molina).

Os pesquisadores primeiro selecionaram células que mais tarde seriam usadas para criar pele artificial. O desenvolvimento da cultura foi então analisado in vitro e finalmente o controle de qualidade foi realizado através da inoculação de tecido em camundongos. Várias técnicas de microscopia de imunofluorescência foram desenvolvidas para esse fim. Eles permitiram aos cientistas avaliar fatores como a proliferação celular, a presença de marcadores de diferenciação morfológica, a expressão de citocreatina, involucrina e filagrina; angiogênese e crescimento de pele artificial no corpo do receptor.

Para os experimentos, os pesquisadores colheram pequenos pedaços de pele humana por biópsia de pacientes de cirurgia plástica do Hospital Universitário Virgen de las Nieves, em Granada. Naturalmente, com o consentimento dos pacientes.

Para criar pele artificial, foi utilizada fibrina humana a partir do plasma de doadores saudáveis. Os pesquisadores então adicionaram ácido tranexâmico (para prevenir a fibrinólise), cloreto de cálcio (para evitar a coagulação da fibrina) e 0,1% de aragose. Estes substitutos foram enxertados nas costas de ratos nus para observar o seu desenvolvimento in vivo.

O couro criado em laboratório apresentou bom nível de biocompatibilidade. Não foi observada rejeição, deiscência ou infecção. Além disso, a pele de todos os animais do estudo apresentou granulação seis dias após a implantação. A cicatrização foi concluída nos vinte dias seguintes.

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.

4. 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. 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.

5. Cr artificialah

Nem sempre há doadores de sangue suficientes - as clínicas 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.

Criação de "sangue"

O plasma é 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 glóbulos vermelhos totalmente sintéticos feitos de polímeros que podem transportar oxigênio e nutrientes dos pulmões para órgãos e tecidos e vice-versa, ou seja, desempenhar a função básica dos glóbulos vermelhos 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 de seus colegas californianos, as plaquetas artificiais foram desenvolvidas por cientistas da Case Western Reserve University, em 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 nas clínicas eles 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.

Real ou sangue 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.

Supostas vantagens e desvantagens do sangue artificial

Dignidade Imperfeições

sem risco de efeitos colaterais de infecção por vírus

compatibilidade com qualquer toxicidade de grupo sanguíneo

durante a transfusão

a produção em condições de laboratório é cara

relativa facilidade de armazenamento

6. 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.

7. Ossos artificiais

Médicos do Imperial College de Londres afirmam que conseguiram produzir material ósseo com composição mais semelhante aos ossos reais e com 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.

Próteses cerebrais

As próteses cerebrais são uma tarefa muito difícil, mas viável. Hoje é possível introduzir um chip especial no cérebro humano, que será responsável pela memória de curto prazo e pelas sensações espaciais. Esse chip se tornará um elemento indispensável para indivíduos que sofrem de doenças neurodegenerativas. As próteses cerebrais ainda estão sendo testadas, mas os resultados da pesquisa mostram que a humanidade tem todas as chances de substituir partes do cérebro no futuro.

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 bandagem 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. Se quiser manter os dedos cerrados enquanto o ombro está estendido, este ilhó fica pendurado em um botão na parte superior do ombro. 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. Normalmente, na escolha de uma prótese, é dada muita atenção à atividade física futura do paciente e ao seu peso corporal.

Com a ajuda de uma prótese de alta qualidade, a pessoa poderá viver como antes, praticamente sem desconforto, e até fazer reparos domésticos, adquirir materiais para telhados e realizar outros tipos de trabalhos elétricos.

Na maioria das vezes, todas as partes individuais da prótese são feitas dos materiais mais duráveis, por exemplo, titânio ou liga de aço.

Se uma pessoa pesa até 75 kg, são selecionadas para ela próteses mais leves feitas de outras ligas. Existem pequenos módulos projetados especificamente para crianças de 2 a 12 anos. Para muitas pessoas amputadas, o surgimento de empresas protéticas e ortopédicas que fabricam próteses personalizadas para braços e pernas, produzem espartilhos, palmilhas e dispositivos ortopédicos tornou-se uma verdadeira salvação.

Conclusão

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.

Assim, os órgãos artificiais são de grande importância na medicina moderna.

Listaliteratura usada

1. Rim artificial e sua aplicação clínica, M., 1961; Fritz KW, Hämodialyse, Stuttg., 1966..

2. Buresh J. Métodos de pesquisa eletrofisiológica. Medina. M., 1973.

3. Transplante de órgãos e tecidos em centro científico multidisciplinar, Moscou, 2011, 420 pp., ed. M.Sh. Khubutia.

4. Rejeição do coração transplantado. Moscou, 2005, 240 pp. Coautores: V. I. Shumakov e O. P. Shevchenko.

5. . Galletti PM, Bricher GA, Fundamentos e técnicas de circulação extracorpórea, trad. do inglês, M., 1966

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Órgãos humanos artificiais

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.

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.

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 em frente aos 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 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, 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 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.

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.

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 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, 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 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 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.

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