Ondanks al zijn mystieke krachten is het hart vrij eenvoudig. Het is een pomp - bloed erin, bloed eruit. En dat maakt het niet zo moeilijk om te kopiëren.
Maar de longen zijn iets anders. Niemand zal je ooit adviseren om "Volg je longen" of te beklagen over een "gebroken long", wat jammer is. Omdat het een ingewikkeld orgel is.
Weinigen begrijpen dit zo goed als William Federspiel, een bio-engineering onderzoeker en professor aan de Universiteit van Pittsburgh. De afgelopen 20 jaar heeft hij gewerkt aan het ontwerpen van een kunstmatige long. Het was een uitdaging, geeft hij toe.
"De technologie voor patiënten met longfalen is ver achter de technologie voor mensen met hartfalen", zegt hij. “Het komt neer op een vrij simpel feit: het is vrij eenvoudig om een kleine pomp te ontwerpen die bloed kan pompen met de stroomsnelheid van het hart.
“Maar de long is gewoon een ongelooflijk orgaan voor het uitwisselen van gas tussen de atmosfeer en het bloed dat door je longen stroomt. Er is geen technologie die ooit in de buurt is gekomen van wat de menselijke long kan doen. "
Long in een rugzak
Dat gezegd hebbende, komen Federspiel en zijn onderzoeksteam dichterbij. Ze hebben al een apparaat uitgevonden, het Hemolung Respiratory Assist System (RAS) genaamd, dat de zogenaamde "respiratoire dialyse" uitvoert en kooldioxide uit het bloed van een patiënt verwijdert. Het wordt geproduceerd door een Pittsburgh-startup Federspiel opgericht genaamd ALung Technologies en kan eind dit jaar of begin 2018 worden getest in Amerikaanse klinische proeven. Het is al goedgekeurd voor gebruik in Europa, Canada en Australië.
Nu gaan ze vooruit op een veel kleiner apparaat, waarvoor ze een patent hebben aangevraagd, alleen deze is ontworpen om het zuurstofniveau in het bloed van een persoon te verhogen. Ook ontvingen de onderzoekers eerder dit jaar een subsidie van $ 2, 35 miljoen van de National Institutes of Health (NIH) om een versie van hun kunstmatige long voor kinderen te ontwikkelen.
Simpel gezegd, het laatste onderzoek van Federspiel is gericht op het verfijnen van een mechanische long die buiten het lichaam functioneert, maar die klein genoeg is om in een rugzak of holster te worden gedragen. Het zou verbonden zijn met de vena cava van de patiënt - een grote ader die bloed naar het hart vervoert - via een canule of buis die in de halsader in de keel is ingebracht. Hij of zij zou nog steeds zuurstof uit een draagbare tank moeten inademen.
Dit, merkt Federspiel op, zou de persoon mobieler maken in het ziekenhuis in plaats van opgesloten te worden in een bed. Dat is van cruciaal belang, want als patiënten niet kunnen bewegen, worden hun spieren zwakker en nemen hun kansen om te herstellen van een ernstige longinfectie af. Het apparaat wordt gezien als bijzonder gunstig voor patiënten die wachten op een longtransplantatie, zoals mensen met cystische fibrose.
"We zijn nu niet van plan dat ze het ziekenhuis zouden kunnen verlaten met een van deze systemen, " zegt hij, "maar in het ziekenhuis zouden ze tenminste kunnen opstaan en rondlopen."
De vloek van stolsels
Er zijn andere recente doorbraken geweest in het recreëren van menselijke longen. Vorig jaar kondigden wetenschappers van het Los Alamos National Laboratory in New Mexico aan dat ze een miniatuurapparaat hebben gemaakt van polymeren dat functioneert als een long, en is ontworpen om de reactie van het orgel op medicijnen, toxines en andere milieu-elementen na te bootsen voor testdoeleinden.
In Tsjechië zeiden wetenschappers van de Brno University of Technology dat ze een 3D-geprinte versie van een long hebben ontwikkeld die aandoeningen zoals astma en andere chronische pulmonale problemen kan simuleren, en waarmee artsen meer precisie kunnen geven aan hoe ze behandel longaandoeningen.
Beide projecten zijn echter bedoeld om onderzoekers te helpen meer te leren over aandoeningen en behandelingen, terwijl het onderzoek van Federspiel - evenals vergelijkbaar werk in de buurt in Pittsburgh aan de Carnegie Mellon University - meer gericht is op het helpen van patiënten bij het verbeteren van hun langetermijnprognose .
Het nieuwe apparaat - het apparaat dat is ontworpen om het zuurstofgehalte in het bloed te verhogen - moet een zwaardere bloedstroom ondersteunen dan de machine die kooldioxide verlaagt. Dus, zoals Federspiel opmerkt, staat het voor de uitdaging om te gaan met wat er vaak gebeurt met bloed wanneer het over een door de mens gemaakt oppervlak stroomt - het stolt.
Het heeft allemaal te maken met de geavanceerde gasuitwisseling die essentieel is voor de longfunctie en hoe het in het apparaat wordt nagebootst. "De gasuitwisselingseenheid [in het apparaat] bestaat uit een groot aantal polymeerbuizen die ongeveer twee keer zo dik zijn als een mensenhaar, " legt hij uit. “Ze zijn permeabel voor gas, dus als er bloed stroomt aan de buitenkant van deze buizen, voeren we 100 procent zuurstof door de binnenkant van de buizen. De zuurstof stroomt door diffusie in het bloed en koolstofdioxide stroomt uit het bloed naar de gasstroom die door het apparaat stroomt. "
Het probleem is dat het passerende bloed in contact komt met een relatief groot kunstmatig oppervlak, waardoor de kans op stolsels groter wordt. Het is een grote reden waarom het op dit moment niet realistisch is om te overwegen om longapparatuur zoals deze in het lichaam van een patiënt te implanteren. Ze moeten waarschijnlijk om de paar maanden worden vervangen.
Federspiel zegt dat zijn team onlangs het nieuwe apparaat zonder problemen vijf dagen op schapen heeft kunnen testen. Schapen worden gebruikt omdat hun cardiovasculaire systemen vergelijkbaar zijn met die van mensen. Maar hij en zijn team werken ook samen met een bedrijf om speciale coatings te ontwikkelen waarvan ze hopen dat ze de stolling aanzienlijk zullen verminderen. Dat zou artsen ook in staat stellen het niveau van antistollingsmiddelen die patiënten zouden moeten nemen aanzienlijk te verlagen.
De volgende stap, zegt hij, is een 30-daagse dierproef die de resultaten van apparaten zou vergelijken, zowel met de coating als zonder. Hij schat dat klinische proeven bij mensen nog vier tot vijf jaar duren.
Maar Federspiel wordt niet afgeschrikt door het opzettelijke tempo van het maken van een apparaat dat net zo goed werkt als de menselijke long. Hij is zich terdege bewust van hoe veeleisend dat kan zijn.
"Een kunstmatige long moet nog steeds functioneren als de menselijke long", zegt hij. "Als ik hierover praat, is het eerste wat ik zeg de long een ongelooflijk orgaan."
