Ny enhed kunne være et sikrere alternativ til lungeventilatorer

En ny teknologi, der genskaber vigtige egenskaber ved strukturer i lungen, kan i sidste ende være et sikrere alternativ til visse typer respiratoriske og hjertemaskiner, der bruges til at behandle mennesker, hvis lunger har svigtet på grund af sygdom eller skade.

Mørkerødt blod strømmer ind i enheden, hvor det udveksler kuldioxid med ilt og kommer frem på den anden side meget lysere.

Ved at bruge fremstillingsteknikker, der oprindeligt er designet til at fremstille computerchips, har biomedicinske ingeniører i de senere år gjort betydelige fremskridt i retning af at efterligne mekanismerne i visse organsystemer, hvis sunde funktionalitet er betinget af meget præcise kemiske og fysiske forhold. Blod er for eksempel ekstremt følsomt over for andre miljøer end dem, det møder i sunde levesystemer. Nu ingeniører kl Draper Laboratory sige, at de har designet en ny lungeterapi, sammensat af bittesmå kanaler støbt til en biokompatibel polymer, der er i stand til at håndtere høje blodgennemstrømningshastigheder. Hvis tingene går som de planlægger, vil terapien være meget mere sikker end dem, der bruges i dag.

Det er almindeligt, at kritisk syge mennesker oplever akut respiratory distress syndrome (ARDS), hvor væske ophobes i lungerne og forhindrer normal udveksling af ilt og kuldioxid. Mekanisk ventilation af lungerne, den mest almindeligt anvendte terapi til sådanne patienter, svarer til at bede nogen om at træne en brækket arm, siger Jeff Borenstein, der leder det mikrofluidiske lungeprojekt hos Draper. Den invasive terapi går ud på at tvinge høje koncentrationer af ilt ind i lungerne ved høje tryk og tillader ikke det syge eller beskadigede væv at hele, siger han. Endnu værre, det fører almindeligvis til alvorlige komplikationer, herunder lungevævstoksicitet og lungebetændelse.

Et alternativ til mekanisk ventilation er ekstrakorporal membraniltning (ECMO), som indebærer at man trækker en patients blod og kører det gennem en enhed, der fjerner kuldioxid og tilfører ilt til det, før blodet returneres til patientens krop. Traditionelt er ECMO primært blevet brugt som en livreddende foranstaltning, hvis mekanisk ventilation ikke virker eller er umulig, og er mere almindeligt brugt til børn. Nutidens ECMO-maskiner, hvor blod flyder over et bundt af porøse fibre, hvorigennem ilt pumpes, er komplicerede og kræver specialiseret ekspertise for at fungere. Blod har tendens til at størkne i enheden, hvilket er meget ulig miljøet i lungerne, så patienterne skal tage store doser anti-koagulationsmedicin. Dette kan føre til andre farlige komplikationer såsom blødning i hjernen eller mave-tarmsystemet.

Den nye mikrofluidiske enhed, som er enklere i designet og giver det strømmende blod et miljø, der er meget mere som det, det møder i lungerne, kunne i det væsentlige erstatte indvoldene på konventionelle ECMO-maskiner, siger David O'Dowd, programleder for biomedicinske systemer hos Draper . Hvis tingene går som planlagt, vil den være klar til at teste i dyr om to år, og klar til menneskeforsøg om tre, siger han.

Ved at stable lag af biokompatibel plastik med mikrokanaler mønstret på deres overflade, har Borensteins team bygget en tredimensionel forgreningsstruktur, hvor større kanaler gradvist forgrener sig til mindre, der ligner den måde, hvorpå større blodkar forgrener sig til kapillærer.

Andre forskergrupper forfølger også mikrofluidik-baserede gasudvekslingsteknologier, men Borenstein siger, at hans teams enhed er unik i den grad, i hvilken den efterligner det faktiske biologiske system - noget, der er muliggjort af de proprietære metoder, gruppen brugte til at opnå 3-D-forgrening . Mens det strømmer gennem enheden, er det meget mindre sandsynligt, at blod, end det er i en ECMO-maskine, tror, ​​at det burde størkne, siger Borenstein. Det bringer også ilten og blodet tættere på hinanden, hvilket giver mulighed for mere effektiv gasudveksling sammenlignet med konventionel ECMO.

Dette unikke design er det, der har gjort det muligt for holdet at opnå blodgennemstrømningshastigheder mindst 10 gange hurtigere end konkurrerende mikrofluidteknologier, ifølge Borenstein. For nylig demonstrerede gruppen en strømningshastighed på 100 milliliter pr. minut ved brug af bovint blod. Nu er målet at skalere det op, så det kan håndtere liter blod i minuttet uden at ofre de egenskaber, der reducerer risikoen for koagulering.

Fordi en enhed som denne ville være enklere, mere effektiv og ikke ville kræve, at patienterne skulle tage mange blodfortyndende midler, kunne den være meget sikrere end nutidens ECMO-maskiner til langtidsbrug, siger Philip Camp , en kardiothoraxkirurg på Brigham and Women's Hospital i Boston, som forsker i mekaniske støttesystemer til patienter, der har hjerte- eller lungesvigt. Det kunne være særligt nyttigt for at hjælpe folk gennem opblussen af ​​almindelige kroniske lungesygdomme som kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL). Hvis teknologien med succes kan skaleres op og kommercialiseres, siger han, har den potentialet til at revolutionere, hvordan vi tager os af folk, der har akut respirationssvigt.

skjule