При всей своей мистической силе сердце - довольно простая вещь. Это насос - кровь в крови. И это сделало его не таким сложным для копирования.
Но легкие это другое дело. Никто никогда не посоветует вам «следовать за своими легкими» или оплакивать «сломанное легкое», что является позором. Потому что это один сложный орган.
Мало кто понимает это так же хорошо, как Уильям Федершпиль, исследователь биоинженерии и профессор Университета Питтсбурга. Последние 20 лет он работал над созданием искусственного легкого. Это был вызов, признает он.
«Технология для пациентов с легочной недостаточностью значительно уступает технологии для людей с сердечной недостаточностью», - говорит он. «Это сводится к довольно простому факту: довольно легко спроектировать небольшой насос, который может перекачивать кровь при скорости потока, которую делает сердце.
«Но легкие - это просто невероятный орган для обмена газа между атмосферой и кровью, которая течет через ваши легкие. Нет такой технологии, которая когда-либо была бы в состоянии приблизиться к тому, что может сделать человеческое легкое ».
Легкое в рюкзаке
Тем не менее, Федершпиль и его исследовательская группа становятся ближе. Они уже изобрели устройство под названием «Система респираторной помощи при гемолунге» (RAS), которое выполняет так называемый «дыхательный диализ», удаляя углекислый газ из крови пациента. Он производится питтсбургским стартапом Federspiel, основанным под названием ALung Technologies, и может пройти испытания в клинических испытаниях в США в конце этого года или в начале 2018 года. Он уже был одобрен для использования в Европе, Канаде и Австралии.
Теперь они продвигаются вперед на гораздо меньшем устройстве, на которое они подали заявку на патент, только это разработано для повышения уровня кислорода в крови человека. Кроме того, в начале этого года исследователи получили грант в размере 2, 35 млн. Долларов США от Национального института здравоохранения (NIH) на разработку версии своего искусственного легкого для детей.
Проще говоря, последние исследования Федершпиля направлены на очищение механического легкого, которое функционирует вне тела, но достаточно маленькое, чтобы его можно было носить в рюкзаке или кобуре. Он будет связан с полой веной пациента - большой веной, несущей кровь в сердце - через канюлю или трубку, вставленную в яремную вену в горле. Ему или ей все равно нужно будет дышать кислородом из переносного резервуара.
Это, отмечает Федершпиль, позволит человеку быть более мобильным в больнице, а не быть прикованным к кровати. Это очень важно, потому что если пациенты не могут двигаться, их мышцы становятся слабее, и их шансы на выздоровление от серьезной инфекции легких уменьшаются. Устройство считается особенно полезным для пациентов, ожидающих трансплантации легких, таких как люди с муковисцидозом.
«Мы не собираемся прямо сейчас, чтобы они могли покинуть больницу с одной из этих систем, - говорит он, - но, по крайней мере, в больнице они смогут встать и ходить».
Проклятие сгустков
Были и другие недавние прорывы в воссоздании легких человека. В прошлом году ученые из Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико объявили, что они создали миниатюрное устройство из полимеров, которое функционирует как легкое и предназначено для имитации реакции органа на наркотики, токсины и другие элементы окружающей среды в тестовых целях.
В Чешской Республике ученые из Технологического университета Брно заявили, что они разработали 3D-версию легкого, которая может симулировать такие состояния, как астма и другие хронические проблемы с легкими, и которая позволит врачам более точно определять, как они лечить заболевания легких.
Оба этих проекта, однако, предназначены для того, чтобы помочь исследователям узнать больше о состояниях и методах лечения, в то время как исследования Федершпиля, а также аналогичная работа, проводимая поблизости в Питтсбурге в Университете Карнеги-Меллона, в большей степени направлены на то, чтобы помочь пациентам улучшить их долгосрочный прогноз.,
Новое устройство, предназначенное для повышения уровня кислорода в крови, должно поддерживать более тяжелый кровоток, чем устройство, которое снижает содержание углекислого газа. Итак, как указывает Федершпиль, перед ним стоит задача разобраться с тем, что часто случается с кровью, когда она течет по искусственной поверхности - она сгущается.
Все это связано со сложным газообменом, который является ключом к функционированию легких, и с тем, как он имитируется в устройстве. «Газообменная установка [в устройстве] состоит из большого количества полимерных трубок, которые примерно в два раза толще человеческого волоса», - объясняет он. «Они проницаемы для газа, поэтому, когда кровь течет снаружи этих трубок, мы пропускаем 100% кислорода через внутренние части трубок. Кислород проникает в кровь путем диффузии, а углекислый газ выходит из крови в газовый поток, протекающий через устройство ».
Проблема в том, что проходящая кровь вступает в контакт с относительно большой искусственной поверхностью, увеличивая вероятность образования сгустков. Это большая причина, почему на данный момент нереально рассмотреть возможность имплантации таких устройств в легкие внутри тела пациента. Их, вероятно, нужно будет заменять каждые несколько месяцев.
Федершпиль говорит, что недавно его команда смогла без проблем протестировать новое устройство на овцах в течение пяти дней. Овцы используются потому, что их сердечно-сосудистая система похожа на человеческую. Но он и его команда также работают с компанией над созданием специальных покрытий, которые, как они надеются, значительно уменьшат свертываемость. Это также позволило бы врачам значительно снизить уровень антикоагулянтных препаратов, которые пациенты должны будут принимать.
Следующим шагом, по его словам, является 30-дневное испытание на животных, в котором сравниваются результаты устройств как с покрытием, так и без него. По его оценкам, клинические испытания на людях еще могут пройти через четыре-пять лет.
Но Федершпиль не сдерживается преднамеренным темпом создания устройства, которое работает так же, как и человеческое легкое. Он прекрасно понимает, насколько это может быть требовательно.
«Искусственное легкое все еще должно функционировать как человеческое легкое», - говорит он. «Когда я говорю об этом, первое, что я говорю, это то, что легкие - это невероятный орган».
