Keinoelimet ovat laitteita, jotka on suunniteltu tilapäisesti tai pysyvästi korvaamaan vastaanottajan alkuperäisten elinten toiminnot . Voi olla sekä pysyvä että tilapäinen; sekä sisäisiä (istuttava kehoon) että ulkoisia [1] .
Määritelmän mukaan laitetta ei saa kytkeä pysyvästi kiinteään virtalähteeseen tai muihin kiinteisiin manipulaatioihin, kuten suodattimien vaihtoihin tai kemiallisiin käsittelytoimenpiteisiin. (Akkujen säännöllinen pikalataus, kemikaalien täyttö ja/tai suodattimien puhdistus/vaihto paitsi keinoelimeksi kutsuttu laite.) [2] Siten dialyysikone on erittäin onnistunut ja kriittinen elämää ylläpitävä laite, se korvaa lähes kokonaan munuaisten toimintaa , mutta se ei ole keinotekoinen elin.
Keinotekoisten elinten valmistaminen ja asentaminen, aluksi erittäin työläs ja kallis, voi vaatia vuosia jatkuvaa huoltoa, jota luonnollinen elin ei vaadi. [3]
Minkä tahansa keinotekoisen elimen käyttö ihmisillä edeltää lähes aina laajoja eläinkokeita. [4] [5] [6] Ihmisten testaus rajoittuu usein niihin, jotka ovat parantumattomasti sairaita tai jotka eivät ole saaneet apua muista hoidoista.
Keinotekoiset kädet ja jalat tai proteesit on suunniteltu palauttamaan amputoitujen raajojen toiminta. Mekaanisia laitteita, jotka antavat amputoidun kävellä uudelleen tai jatkaa kahden käden käyttöä, on luultavasti ollut käytössä muinaisista ajoista lähtien, [7] joista tunnetuin oli yksinkertainen puupala. Sen jälkeen proteesien kehitys on edennyt nopeasti. Muovit ja muut materiaalit , kuten hiilikuitu , ovat tehneet keinotekoisista raajoista tullut vahvempia ja kevyempiä, mikä rajoittaa raajan käyttämiseen tarvittavan voiman määrää. Lisämateriaalien ansiosta proteesit näyttävät paljon realistisemmilta. [8] Proteesit voidaan karkeasti luokitella ylä- ja alaraajoihin, ja ne voivat olla eri muotoisia ja kokoisia.
Uudet edistysaskeleet protetisoinnissa sisältävät lisää integraatiotasoja ihmiskehoon. Elektrodit voidaan sijoittaa hermokudokseen ja vartaloa voidaan kouluttaa hallitsemaan proteesia. Tätä tekniikkaa on käytetty sekä eläimissä että ihmisissä. [9] Proteesia voidaan ohjata suoraan aivoilla tai implantilla eri lihaksissa. [kymmenen]
Kaksi päämenetelmää virtsarakon toiminnan korvaamiseen ovat joko virtsan virtauksen uudelleenohjaus tai virtsarakon täydellinen korvaaminen. [11] Vakiomenetelmiin virtsarakon korvaamiseksi kuuluu rakkopussin valmistaminen suolistokudoksesta. [11] Vuodesta 2017 lähtien virtsarakkoa yritettiin kasvattaa kantasolujen avulla kliinisissä tutkimuksissa , mutta tämä menettely oli kokeellinen . [12] [13]
Neuroproteesit ovat sarja laitteita, jotka voivat korvata vamman tai sairauden vahingoittaman motorisen, sensorisen tai kognitiivisen kyvyn.
Neurostimulaattorit, mukaan lukien syväaivostimulaattorit, lähettävät sähköimpulsseja aivoihin hoitamaan neurologisia ja liikehäiriöitä, mukaan lukien Parkinsonin tauti , epilepsia, hoitoresistentti masennus ja muut tilat, kuten virtsankarkailu. Sen sijaan, että ne korvaisivat olemassa olevia hermoverkkoja toiminnan palauttamiseksi, nämä laitteet puuttuvat todennäköisemmin häiriintyneisiin hermokeskuksiin oireiden lievittämiseksi . [14] [15] [16]
Tutkijat loivat vuonna 2013 miniaivot, jotka kehittivät tärkeimpiä neurologisia komponentteja ennen sikiön kypsymisen alkuvaiheita. [17]
Erektiohäiriöiden hoidossa molemmat corpora cavernosa voidaan korvata pysyvästi kirurgisesti puhallettavilla penis-implanteilla . Tämä on radikaali terapeuttinen leikkaus, joka on varattu vain seksuaalisesta toimintahäiriöstä kärsiville miehille, jotka eivät sovellu kaikkiin muihin hoitomuotoihin. Nivusiin tai kivespussiin istutettua pumppua voidaan käsitellä manuaalisesti näiden keinotekoisten säiliöiden täyttämiseksi, jotka korvaavat luonnollisen corpus cavernosumin, implantoidusta säiliöstä erektion saavuttamiseksi. [kahdeksantoista]
Miehet , jotka ovat kärsineet kivesten poikkeavuuksista syntymävikojen tai trauman seurauksena, ovat voineet korvata vaurioituneen kiveksen kivesproteesilla. Vaikka proteesi ei palauta biologista lisääntymistoimintoa, laitteen on osoitettu parantavan näiden potilaiden mielenterveyttä. [19]
Tapauksissa, joissa henkilö on täysin kuuro tai huonokuuloinen molemmissa korvissa, sisäkorvaistute voidaan istuttaa kirurgisesti . Sisäkorvaistutteet kiertävät suurimman osan perifeerisestä kuulojärjestelmästä ja tarjoavat äänen tunteen mikrofonin ja osan elektroniikan kautta, jotka sijaitsevat ihon ulkopuolella, yleensä korvan takana. Ulkoiset komponentit lähettävät signaalin kuoreen sijoitetuille elektrodeille, mikä puolestaan stimuloi korvahermoa. [kaksikymmentä]
Jos ulkokorva vaurioituu, voidaan tarvita kraniofacial proteesia.
Tähän mennessä menestynein silmän toiminnan korvike on ulkoinen miniatyrisoitu digitaalikamera , jossa on yksisuuntainen elektroninen etäliitäntä, joka on istutettu verkkokalvoon, näköhermoon tai muihin aivojen asiaankuuluviin alueisiin. Nykyinen tekniikan taso tarjoaa vain osittaisia toimintoja, kuten kirkkaustasojen, värikuvioiden ja/tai geometristen perusmuotojen tunnistamista, mikä todistaa konseptin potentiaalin. [21]
Useat tutkijat ovat osoittaneet, että verkkokalvo suorittaa strategista kuvan esikäsittelyä aivoille. Täysin toimivan keinotekoisen elektronisen silmän luomisen ongelma on vielä vaikeampi. Edistymisen keinotekoisessa yhdistämisessä verkkokalvoon, näköhermoon tai vastaaviin aivoalueisiin yhdistettynä nykyiseen tietojenkäsittelytieteen edistymiseen odotetaan parantavan huomattavasti tämän tekniikan suorituskykyä.
Kardiovaskulaariset keinoelimet implantoidaan tapauksissa, joissa sydän , sen venttiilit tai jokin muu verenkiertoelimen osa vaurioituu peruuttamattomasti. Keinotekoista sydäntä käytetään tyypillisesti odottamaan tilapäisesti sydämensiirtoa tai jos pysyvä sydämenvaihto ei ole mahdollista. Keinotekoiset sydämentahdistimet ovat sydän- ja verisuonilaite, joka voidaan implantoida ajoittaista tehostamista varten ( defibrillaattoritila ), jatkuvaa augmentaatiota tai sydämen luonnollisen sydämentahdistimen täydellinen ohitus tarpeen mukaan. Kammiota tukevat laitteet ovat toinen vaihtoehto, jotka toimivat mekaanisina verenkiertolaitteina, jotka korvaavat osittain tai kokonaan sydämen vajaatoiminnan toiminnan poistamatta itse sydäntä. [22]
Lisäksi tutkitaan laboratoriosydämiä ja 3D-biopainettuja sydämiä. Tällä hetkellä tutkijoiden kyky kasvattaa ja tulostaa sydämiä on rajallinen, koska verisuonia ja kudoksia on vaikea saada toimimaan yhdessä. [23] [24] [25]
San Franciscon Kalifornian yliopiston tutkijoiden kerrottiin kehittävän implantoitavaa keinomunuaista. [26] Vuodesta 2018 lähtien nämä tutkijat ovat edistyneet merkittävästi, mutta etsivät edelleen tapoja estää implanttiin liittyvää veren hyytymistä. [27]
HepaLife kehittää biokeinotekoista maksalaitetta maksan vajaatoiminnan hoitoon kantasolujen avulla. Keinotekoinen maksa on tarkoitettu apuna maksan palautumiseen tai luovuttajan maksan odottamiseen. Tämän tekee mahdolliseksi vain se, että se käyttää todellisia maksasoluja ( hepatosyyttejä ), eikä se ole pysyvä korvike. [28]
Japanilaiset tutkijat ovat havainneet, että ihmisen maksan progenitorisolujen (eri kuin ihmisen aiheuttamien pluripotenttien kantasolujen) ja kahden muun solutyypin seos voi muodostaa spontaanisti kolmiulotteisia rakenteita, joita kutsutaan "maksansilmuiksi". [29]
Keinotekoinen keuhko on istutettu laite, joka hapettaa verta ja poistaa verestä hiilidioksidia. Keinotekoinen keuhko on suunniteltu suorittamaan joitakin biologisen keuhkon toimintoja. Se eroaa sydän-keuhkokoneesta siinä, että se on ulkoinen ja suunniteltu suorittamaan keuhkojen toimintaa pitkiä aikoja eikä väliaikaisesti. [kolmekymmentä]
Ekstrakorporaalista kalvohapetusta (ECMO) voidaan käyttää vähentämään merkittävää stressiä alkuperäisessä keuhko- ja sydänkudoksessa. ECMO:ssa potilaaseen asetetaan yksi tai useampi katetri ja pumpun avulla veri pakotetaan onttojen kalvokuitujen ympärille, jotka vaihtavat happea ja hiilidioksidia veren kanssa. Kuten ECMO:lla, Extracorporeal CO2 Removal (ECCO2R) on samankaltainen rakenne, mutta se hyödyttää ensisijaisesti potilasta poistamalla hiilidioksidia hapetuksen sijaan helpottaen rentoutumista ja paranemista. [31]
Pohja keinotekoisen munasarjan kehittämiselle luotiin 1990-luvun alussa. [32]
Lisääntymisikäiset potilaat, joille kehittyy syöpä, saavat usein kemoterapiaa tai sädehoitoa, mikä vahingoittaa munasoluja ja johtaa varhaiseen vaihdevuodet. Keinotekoinen ihmisen munasarja kehitettiin Brownin yliopistossa [33] käyttämällä itseorganisoituvia mikrokudoksia, jotka on luotu käyttämällä uutta 3D-petrimaljatekniikkaa. NIH:n vuonna 2017 rahoittamassa ja suorittamassa tutkimuksessa tutkijat onnistuivat tulostamaan 3D-munasarjoja ja istuttamaan ne steriileihin hiiriin. [34] [6] Keinotekoista munasarjaa käytetään kypsyttämään epäkypsiä munasoluja lasissa ja kehittämään järjestelmä, jolla tutkitaan ympäristömyrkkyjen vaikutusta follikulogeneesiin .
Keinotekoista haimaa käytetään korvaamaan terveen haiman hormonitoimintaa diabeetikoille ja muille sitä tarvitseville potilaille. Sitä voidaan käyttää parantamaan insuliinikorvaushoitoa , kunnes glykeeminen hallinta on lähellä normaalia, mikä näkyy hyperglykemian komplikaatioiden välttämisessä, ja se voi myös helpottaa insuliiniriippuvaisten hoitotaakkaa. Mahdollisia lähestymistapoja ovat säädellyn insuliinipumpun käyttö, biokeinotekoisen haiman kehittäminen, joka koostuu kapseloitujen beetasolujen bioyhteensopivasta levystä, tai geeniterapian käyttö. [35] [36]
Ei ole implanttia, joka hoitaisi kateenkorvan toiminnan. Tutkijat pystyivät kuitenkin kasvattamaan kateenkorvan uudelleen ohjelmoiduista fibroblasteista . He toivoivat, että tämä lähestymistapa voisi jonakin päivänä korvata tai täydentää vastasyntyneen kateenkorvan siirtoa. [37]
Vuodesta 2017 lähtien UCLA:n tutkijat ovat kehittäneet keinotekoisen kateenkorvan, joka, vaikka ei ole vielä implantoitavissa, pystyy suorittamaan kaikki todellisen kateenkorvan toiminnot. [38]
Keinotekoisten henkitorvien ala on ollut suuressa tarkastelussa Paolo Macchiarinin työn ansiosta Karolinska-instituutissa ja muualla vuosina 2008–2014, ja se on ollut etusivulla sanomalehdissä ja televisiossa. Hänen suorituksensa herätti huolta vuonna 2014, ja vuoteen 2016 mennessä hänet oli erotettu ja Karolinskan yliopiston ylintä johtoa, mukaan lukien Nobel-palkinnon saamiseen osallistuneet henkilöt, oli erotettu. [39] [40]
Vuodesta 2017 lähtien henkitorven – soluineen onton putken – kehittäminen on osoittautunut vaikeammaksi kuin alun perin uskottiin. Haasteita ovat kliinisten ehdokkaiden, tyypillisesti jo useiden toimenpiteiden läpikäyneiden, vaikea kliininen tilanne; luodaan implantti, joka voi täysin kehittyä ja integroitua isäntään, samalla kun se kestää hengitysvoimia sekä henkitorven pyörimis- ja pituussuuntaista liikettä. [41] Erityinen ongelma on keinotekoisesta tai luonnollisesta materiaalista saadun implantin elävöittämistä koskevien menetelmien valinta , koska eri lähteistä peräisin olevien solujen käyttö voi joko stimuloida isäntäsolujen kulkeutumista implanttimateriaalin tilavuuteen tai materiaalille asuttujen luovuttajasolujen lisääntyminen. [42]
On myös mahdollista suunnitella ja asentaa keinotekoinen urut antamaan omistajalleen kykyjä, joita luonnosta ei löydy. Tutkimusta tehdään näön, muistin ja tiedonkäsittelyn aloilla. Jotkut meneillään olevat tutkimukset keskittyvät onnettomuuksien uhrien lyhytaikaisen muistin palauttamiseen ja dementiapotilaiden pitkäaikaisen muistin palauttamiseen.
Yksi menestysalue tuli, kun Kevin Warwick suoritti sarjan kokeita laajentaakseen hermostoaan Internetin kautta ohjatakseen robottikättä ja ensimmäistä suoraa sähköistä viestintää kahden ihmisen hermoston välillä. [43]
Tämä voi sisältää myös nykyisen käytännön istuttaa ihonalaisia siruja tunnistamista ja paikantamista varten (kuten RFID-tunnisteet). [44]
Elinsirut ovat laitteita, jotka sisältävät onttoja mikroverisuonia, jotka on täytetty soluilla, jotka jäljittelevät kudoksia ja/tai elimiä mikrofluidisena järjestelmänä, joka voi tarjota avaintietoa kemiallisista ja sähköisistä signaaleista. [45]
Nämä tiedot voivat luoda erilaisia sovelluksia, kuten luoda "ihmismalleja lasissa" sekä terveille että sairaille elimille, edistää lääkkeitä myrkyllisyysseulonnassa ja korvata eläinkokeita. [45]
3D-soluviljelytekniikoiden käyttö antaa tutkijoille mahdollisuuden luoda uudelleen elävistä eläimistä löydetyn monimutkaisen ECM:n jäljittelemään ihmisten reaktioita ihmisten lääkkeisiin ja sairauksiin. Siruilla olevia elimiä käytetään vähentämään epäonnistumisastetta uusien lääkkeiden kehittämisessä; mikrotekniikka mahdollistaa mikroympäristön mallintamisen elimenä.