Órgano artificial
Un órgano artificial es un dispositivo o tejido de órgano hecho por el hombre que se implanta o integra en un ser humano (en interfaz con tejido vivo) para reemplazar un órgano natural, para duplicar o aumentar una función o funciones específicas. para que el paciente pueda volver a su vida normal lo antes posible. La función reemplazada no tiene que estar relacionada con el soporte vital, pero a menudo lo está. Por ejemplo, los huesos y articulaciones de reemplazo, como los que se encuentran en los reemplazos de cadera, también podrían considerarse órganos artificiales.
Implicado por definición, es que el dispositivo no debe estar conectado continuamente a una fuente de alimentación estacionaria u otros recursos estacionarios, como filtros o unidades de procesamiento químico. (La recarga rápida periódica de las baterías, el reabastecimiento de productos químicos y/o la limpieza/reemplazo de los filtros excluiría a un dispositivo de ser llamado órgano artificial). Por lo tanto, una máquina de diálisis, aunque es un dispositivo de soporte vital muy exitoso y de importancia crítica que casi por completo reemplaza las funciones de un riñón, no es un órgano artificial.
Propósito
La construcción e instalación de órganos artificiales, un proceso inicialmente costoso y que requiere mucha investigación, puede implicar muchos años de servicios de mantenimiento continuos que no necesita un órgano natural:
- proporcionar soporte vital para prevenir la muerte inminente mientras espera un trasplante (por ejemplo, el corazón artificial);
- mejorar drásticamente la capacidad del paciente para el cuidado propio (por ejemplo, el extremidad artificial);
- mejorar la capacidad del paciente para interactuar socialmente (por ejemplo, implante coclear); o
- mejorar la calidad de vida de un paciente mediante la restauración cosmética después de la cirugía del cáncer o un accidente.
El uso de cualquier órgano artificial por parte de humanos casi siempre está precedido por extensos experimentos con animales. Las pruebas iniciales en humanos se limitan con frecuencia a aquellos que ya se enfrentan a la muerte o que han agotado todas las demás posibilidades de tratamiento.
Ejemplos
Miembros artificiales
Los brazos y piernas artificiales, o prótesis, están destinados a restaurar un grado de función normal a las personas amputadas. Los dispositivos mecánicos que permiten a los amputados volver a caminar o continuar usando las dos manos probablemente se hayan utilizado desde la antigüedad, siendo el más notable la pata de palo simple. Desde entonces, el desarrollo de miembros artificiales ha progresado rápidamente. Los nuevos plásticos y otros materiales, como la fibra de carbono, han permitido que las extremidades artificiales se vuelvan más fuertes y livianas, lo que limita la cantidad de energía adicional necesaria para operar la extremidad. Los materiales adicionales han permitido que las extremidades artificiales se vean mucho más realistas. Las prótesis se pueden clasificar aproximadamente como de extremidades superiores e inferiores y pueden tener muchas formas y tamaños.
Los nuevos avances en miembros artificiales incluyen niveles adicionales de integración con el cuerpo humano. Los electrodos se pueden colocar en el tejido nervioso y el cuerpo se puede entrenar para controlar la prótesis. Esta tecnología se ha utilizado tanto en animales como en humanos. La prótesis puede ser controlada por el cerebro mediante un implante directo o un implante en varios músculos.
Vejiga
Los dos métodos principales para reemplazar la función de la vejiga implican redirigir el flujo de orina o reemplazar la vejiga in situ. Los métodos estándar para reemplazar la vejiga implican fabricar una bolsa similar a una vejiga a partir de tejido intestinal. A partir de 2017, se habían intentado métodos para hacer crecer vejigas utilizando células madre en la investigación clínica, pero este procedimiento no formaba parte de la medicina.
Cerebro
Las prótesis neurales son una serie de dispositivos que pueden sustituir una modalidad motora, sensorial o cognitiva que se haya dañado como consecuencia de una lesión o una enfermedad.
Los neuroestimuladores, incluidos los estimuladores cerebrales profundos, envían impulsos eléctricos al cerebro para tratar trastornos neurológicos y del movimiento, como la enfermedad de Parkinson, la epilepsia, la depresión resistente al tratamiento y otras afecciones, como la incontinencia urinaria. En lugar de reemplazar las redes neuronales existentes para restaurar la función, estos dispositivos a menudo sirven para interrumpir la salida de los centros nerviosos que funcionan mal para eliminar los síntomas.
En 2013, los científicos crearon un mini cerebro que desarrolló componentes neurológicos clave hasta las primeras etapas gestacionales de la maduración fetal.
Cuerpos cavernosos
Para tratar la disfunción eréctil, ambos cuerpos cavernosos pueden reemplazarse quirúrgicamente de manera irreversible con implantes de pene inflables manualmente. Esta es una cirugía terapéutica drástica destinada solo a hombres que tienen impotencia total y que se han resistido a todos los demás enfoques de tratamiento. Se puede manipular a mano una bomba implantada en la (ingle) o (escroto) para llenar estos cilindros artificiales, normalmente de tamaño para ser reemplazos directos de los cuerpos cavernosos naturales, desde un depósito implantado para lograr una erección.
Oído
En los casos en que una persona es profundamente sorda o severamente hipoacúsica en ambos oídos, se puede implantar quirúrgicamente un implante coclear. Los implantes cocleares evitan la mayor parte del sistema auditivo periférico para brindar una sensación de sonido a través de un micrófono y algunos dispositivos electrónicos que residen fuera de la piel, generalmente detrás de la oreja. Los componentes externos transmiten una señal a una serie de electrodos colocados en la cóclea, que a su vez estimula el nervio coclear.
En el caso de un traumatismo del oído externo, puede ser necesaria una prótesis craneofacial.
Thomas Cervantes y sus colegas, que son del Hospital General de Massachusetts, construyeron una oreja artificial con cartílago de oveja con una impresora 3D. Con muchos cálculos y modelos, lograron construir una oreja con la forma de una típica humana. Modelado por un cirujano plástico, tuvieron que ajustar varias veces para que el oído artificial pueda tener curvas y líneas como un oído humano. Los investigadores dijeron: "La tecnología ahora está en desarrollo para ensayos clínicos y, por lo tanto, hemos ampliado y rediseñado las características prominentes del andamio para que coincida con el tamaño de un oído humano adulto y para preservar la apariencia estética después de la implantación". #34; Sus oídos artificiales no han sido anunciados como exitosos, pero todavía están desarrollando el proyecto. Cada año, miles de niños nacen con una deformidad congénita llamada microtia, en la que el oído externo no se desarrolla por completo. Este podría ser un gran paso adelante en el tratamiento médico y quirúrgico de la microtia.
Ojo
El ojo artificial de reemplazo de funciones más exitoso hasta el momento es en realidad una cámara digital externa en miniatura con una interfaz electrónica unidireccional remota implantada en la retina, el nervio óptico u otros lugares relacionados dentro del cerebro. El estado actual del arte produce solo una funcionalidad parcial, como el reconocimiento de niveles de brillo, muestras de color y/o formas geométricas básicas, lo que demuestra el potencial del concepto.
Varios investigadores han demostrado que la retina realiza un preprocesamiento de imágenes estratégico para el cerebro. El problema de crear un ojo electrónico artificial completamente funcional es aún más complejo. Se espera que los avances para abordar la complejidad de la conexión artificial a la retina, el nervio óptico o áreas cerebrales relacionadas, combinados con los avances continuos en informática, mejoren drásticamente el rendimiento de esta tecnología.
Corazón
Los órganos artificiales relacionados con el sistema cardiovascular se implantan en casos en los que el corazón, sus válvulas u otra parte del sistema circulatorio están en desorden. El corazón artificial generalmente se usa para salvar el tiempo hasta el trasplante de corazón, o para reemplazar permanentemente el corazón en caso de que el trasplante de corazón sea imposible. Los marcapasos artificiales representan otro dispositivo cardiovascular que se puede implantar para aumentar intermitentemente (modo desfibrilador), aumentar continuamente o evitar por completo el marcapasos cardíaco vivo natural según sea necesario. Los dispositivos de asistencia ventricular son otra alternativa, que actúan como dispositivos circulatorios mecánicos que reemplazan parcial o completamente la función de un corazón defectuoso, sin la extirpación del corazón mismo.
Además de estos, también se están investigando corazones creados en laboratorio y corazones bioimpresos en 3D. Actualmente, los científicos tienen una capacidad limitada para hacer crecer e imprimir corazones debido a las dificultades para lograr que los vasos sanguíneos y los tejidos creados en el laboratorio funcionen de manera cohesiva.
Riñón
Se ha informado que científicos de la Universidad de California, San Francisco, están desarrollando un riñón artificial implantable. A partir de 2018, estos científicos han logrado avances significativos con la tecnología, pero aún están identificando métodos para prevenir la coagulación de la sangre asociada con su máquina.
La lista de pacientes que esperan riñones es larga, y los riñones son raros en comparación con otros órganos. Muchas personas no podían esperar a sus cirugías. Los científicos sienten la necesidad de desarrollar un riñón artificial, han estado trabajando arduamente para hacer un riñón que pueda funcionar perfectamente y, con suerte, pueda reemplazar a los riñones humanos. Gracias a los beneficiarios de NIBIB Quantum, el desarrollo de riñones artificiales avanzó, calcularon una simulación de cómo fluye la sangre y combinaron su trabajo con una experiencia poco común en riñones artificiales. "Como los desarrolladores de esta tecnología saben muy bien, es especialmente frustrante lidiar con los coágulos de sangre, que pueden tapar el dispositivo, inutilizándolo, y causar peligros para otras partes del cuerpo donde el flujo de sangre sería comprometido," dijo Rosemarie Hunziker, Directora del programa NIBIB en Ingeniería de Tejidos y Medicina Regenerativa.
Un riñón artificial permitiría filtrar la sangre de forma continua, lo que ayudaría a reducir las enfermedades renales y aumentaría la calidad de vida de los pacientes.
Hígado
HepaLife está desarrollando un dispositivo hepático bioartificial destinado al tratamiento de la insuficiencia hepática utilizando células madre. El hígado artificial está diseñado para servir como un dispositivo de apoyo, ya sea permitiendo que el hígado se regenere en caso de falla o para salvar las funciones del hígado del paciente hasta que esté disponible el trasplante. Solo es posible por el hecho de que utiliza células hepáticas reales (hepatocitos) y, aun así, no es un sustituto permanente.
Investigadores de Japón descubrieron que una mezcla de células precursoras de hígado humano (diferenciadas de células madre pluripotentes inducidas por humanos [iPSC]) y otros dos tipos de células pueden formar espontáneamente estructuras tridimensionales denominadas "brotes de hígado".;
Pulmones
Con unos pulmones artificiales casi totalmente funcionales, prometen ser un gran éxito en un futuro próximo. Una empresa de Ann Arbor, MC3, está trabajando actualmente en este tipo de dispositivo médico.
La oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO, por sus siglas en inglés) se puede utilizar para aliviar una carga significativa del tejido pulmonar y del corazón nativos. En ECMO, se colocan uno o más catéteres en el paciente y se usa una bomba para hacer fluir la sangre sobre fibras de membrana hueca, que intercambian oxígeno y dióxido de carbono con la sangre. Similar a ECMO, la eliminación extracorpórea de CO2 (ECCO2R) tiene una configuración similar, pero beneficia principalmente al paciente a través del carbón eliminación de dióxido, en lugar de oxigenación, con el objetivo de permitir que los pulmones se relajen y sanen.
Ovarios
El trabajo preliminar para el desarrollo del ovario artificial se estableció a principios de la década de 1990.
Las pacientes en edad reproductiva que desarrollan cáncer a menudo reciben quimioterapia o radioterapia, que daña los ovocitos y conduce a una menopausia temprana. Un ovario humano artificial ha sido desarrollado en la Universidad de Brown con microtejidos auto-ensamblados creados utilizando tecnología novedosa de placas de Petri 3-D. En un estudio financiado y realizado por los NIH en 2017, los científicos lograron imprimir ovarios tridimensionales e implantarlos en ratones estériles. En el futuro, los científicos esperan replicar esto en animales más grandes y en humanos. El ovario artificial se utilizará para la maduración in vitro de ovocitos inmaduros y el desarrollo de un sistema para estudiar el efecto de las toxinas ambientales en la foliculogénesis.
Páncreas
Se utiliza un páncreas artificial para sustituir la funcionalidad endocrina de un páncreas sano para diabéticos y otros pacientes que lo requieran. Puede usarse para mejorar la terapia de reemplazo de insulina hasta que el control glucémico sea prácticamente normal, como lo demuestra la evitación de las complicaciones de la hiperglucemia, y también puede aliviar la carga de la terapia para los insulinodependientes. Los enfoques incluyen el uso de una bomba de insulina bajo control de circuito cerrado, el desarrollo de un páncreas bioartificial que consta de una lámina biocompatible de células beta encapsuladas o el uso de terapia génica.
Glóbulos rojos
Los glóbulos rojos artificiales (RBC, por sus siglas en inglés) ya han estado en proyectos durante aproximadamente 60 años, pero comenzaron a generar interés cuando surgió la crisis de sangre de donantes contaminados con VIH. Los glóbulos rojos artificiales dependerán al 100% de la nanotecnología. Un glóbulo rojo artificial exitoso debería poder reemplazar totalmente a los glóbulos rojos humanos, lo que significa que puede llevar a cabo todas las funciones que realiza un glóbulo rojo humano.
El primer RBC artificial, elaborado por Chang y Poznanski en 1968, se hizo para transportar Oxígeno y Dióxido de Carbono, además cumplía funciones antioxidantes.
Los científicos están trabajando en un nuevo tipo de glóbulos rojos artificiales, cuyo tamaño es una quincuagésima parte del tamaño de un glóbulo rojo humano. Están hechos de proteínas de hemoglobina humana purificadas que han sido recubiertas con un polímero sintético. Gracias a los materiales especiales de los glóbulos rojos artificiales, pueden capturar oxígeno cuando el pH de la sangre es alto y liberar oxígeno cuando el pH de la sangre es bajo. El revestimiento de polímero también evita que la hemoglobina reaccione con el óxido nítrico en el torrente sanguíneo, evitando así la peligrosa constricción de los vasos sanguíneos. Allan Doctor, MD, afirmó que cualquier persona, con cualquier tipo de sangre, puede usar el RBC artificial porque el recubrimiento es inmune silencioso.
Testículos
Los hombres que han sufrido anomalías testiculares debido a defectos de nacimiento o lesiones han podido reemplazar el testículo dañado con una prótesis testicular. Aunque la prótesis no restaura la función reproductiva biológica, se ha demostrado que el dispositivo mejora la salud mental de estos pacientes.
Timo
No existe una máquina implantable que haga la función de un timo. Sin embargo, los investigadores han podido hacer crecer un timo a partir de fibroblastos reprogramados. Expresaron la esperanza de que el enfoque pueda algún día reemplazar o complementar el trasplante de timo neonatal.
A partir de 2017, los investigadores de la UCLA desarrollaron un timo artificial que, aunque aún no se puede implantar, es capaz de realizar todas las funciones de un timo real.
El timo artificial jugaría un papel importante en el sistema inmunológico, usaría células madre sanguíneas para producir más células T, lo que ayudaría al cuerpo a combatir infecciones, también le otorgaría al cuerpo la capacidad de eliminar células cancerosas. Dado que cuando las personas envejecen, su timo no funciona bien, un timo artificial sería una buena opción para reemplazar un timo viejo que no funciona bien.
La idea de utilizar células T para luchar contra las infecciones ha existido durante un tiempo, pero hasta hace poco se proponía la idea de utilizar una fuente de células T, un timo artificial. "Sabemos que la clave para crear un suministro constante y seguro de células T que combaten el cáncer sería controlar el proceso de una manera que desactive todos los receptores de células T en las células trasplantadas, excepto los receptores que combaten el cáncer, " dijo el Dr. Gay Crooks de UCLA. El científico también descubrió que las células T producidas por el timo artificial portaban una amplia gama de receptores de células T y funcionaban de manera similar a las células T producidas por un timo normal. Dado que pueden funcionar como el timo humano, el timo artificial puede suministrar una cantidad constante de células T al cuerpo para los pacientes que necesitan tratamientos.
Tráquea
El campo de las tráqueas artificiales pasó por un período de gran interés y entusiasmo con el trabajo de Paolo Macchiarini en el Instituto Karolinska y en otros lugares desde 2008 hasta alrededor de 2014, con cobertura de primera plana en periódicos y televisión. Se expresaron preocupaciones sobre su trabajo en 2014 y en 2016 fue despedido y se despidió a la gerencia de alto nivel de Karolinska, incluidas las personas involucradas en el Premio Nobel.
A partir de 2017, la ingeniería de una tráquea, un tubo hueco revestido de células, resultó más desafiante de lo que se pensaba originalmente; los desafíos incluyen la difícil situación clínica de las personas que se presentan como candidatos clínicos, quienes generalmente ya han pasado por múltiples procedimientos; crear un implante que pueda desarrollarse por completo e integrarse con el huésped mientras resiste las fuerzas respiratorias, así como el movimiento de rotación y longitudinal que experimenta la tráquea.
Mejora
También es posible construir e instalar un órgano artificial para dar a su poseedor habilidades que no ocurren naturalmente. Se están realizando investigaciones en las áreas de la visión, la memoria y el procesamiento de la información. Algunas investigaciones actuales se enfocan en restaurar la memoria a corto plazo en víctimas de accidentes y la memoria a largo plazo en pacientes con demencia.
Un área de éxito se logró cuando Kevin Warwick llevó a cabo una serie de experimentos extendiendo su sistema nervioso a través de Internet para controlar una mano robótica y la primera comunicación electrónica directa entre los sistemas nerviosos de dos humanos.
Esto también podría incluir la práctica existente de implantar chips subcutáneos con fines de identificación y ubicación (por ejemplo, etiquetas RFID).
Microchip
Los chips de órganos son dispositivos que contienen microvasos huecos llenos de células que simulan tejidos u órganos como un sistema de microfluidos que puede proporcionar información clave sobre señales químicas y eléctricas. Esto es distinto de un uso alternativo del término microchip, que se refiere a pequeños chips electrónicos que se usan comúnmente como identificadores y también pueden contener un transpondedor.
Esta información puede crear diversas aplicaciones, como la creación de "modelos humanos in vitro" tanto para órganos sanos como enfermos, avances de fármacos en detección de toxicidad y sustitución de pruebas con animales.
El uso de técnicas de cultivo celular en 3D permite a los científicos recrear la matriz extracelular compleja, ECM, que se encuentra in vivo para imitar la respuesta humana a los medicamentos y las enfermedades humanas. Los órganos en chips se utilizan para reducir la tasa de fallas en el desarrollo de nuevos medicamentos; la microingeniería permite modelar un microambiente como un órgano.
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