Órgano artificial - Artificial organ

Un órgano artificial es un dispositivo o tejido de un órgano creado por humanos que se implanta o se integra en un ser humano, que interactúa con el tejido vivo, para reemplazar un órgano natural , para duplicar o aumentar una función o funciones específicas para que el paciente pueda volver a una vida normal como tan pronto como sea 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.

Por definición, está implícito 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 baterías, el llenado de productos químicos y / o la limpieza / reemplazo de filtros excluirían 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 Reemplaza las funciones de un riñón , no es un órgano artificial.

Objetivo

La construcción e instalación de órganos artificiales, un proceso inicialmente costoso e intensivo en investigación, puede implicar muchos años de servicios de mantenimiento continuo que no necesita un órgano natural:

proporcionar soporte vital para prevenir una muerte inminente mientras se espera un trasplante (por ejemplo, corazón artificial );
mejorar drásticamente la capacidad del paciente para el autocuidado (por ejemplo, una 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 estética después de una cirugía de cáncer o un accidente.

El uso de cualquier órgano artificial por los 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 de

Extremidades artificiales

Un brazo protésico

Los brazos y piernas artificiales, o prótesis , están destinados a restaurar un grado de función normal a los amputados. Los dispositivos mecánicos que permiten a los amputados volver a caminar o seguir usando las dos manos probablemente se hayan utilizado desde la antigüedad, siendo el más notable la simple pata de palo. Desde entonces, el desarrollo de las extremidades 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 ligeras, 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 extremidades superiores e inferiores y pueden adoptar muchas formas y tamaños.

Los nuevos avances en las extremidades artificiales incluyen niveles adicionales de integración con el cuerpo humano. Se pueden colocar electrodos en el tejido nervioso y se puede entrenar al cuerpo para que controle 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 formar una bolsa similar a una vejiga a partir de tejido intestinal. A partir de 2017, se habían intentado métodos para hacer crecer la vejiga utilizando células madre en la investigación clínica, pero este procedimiento no formaba parte de la medicina.

Cerebro

Un diagrama de una prótesis de hipocampo.

Las prótesis neurales son una serie de dispositivos que pueden sustituir una modalidad motora, sensorial o cognitiva que pudiera haber sido dañada como consecuencia de una lesión o enfermedad.

Los neuroestimuladores , incluidos los estimuladores cerebrales profundos , envían impulsos eléctricos al cerebro para tratar trastornos neurológicos y del movimiento , incluida 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 existentes 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 . Se trata de una cirugía terapéutica drástica destinada únicamente a los hombres que sufren de impotencia total y que se han resistido a todos los demás enfoques de tratamiento. Una bomba implantada en la (ingle) o (escroto) puede manipularse a mano para llenar estos cilindros artificiales, normalmente dimensionados para ser reemplazos directos de los cuerpos cavernosos naturales, a partir de un depósito implantado para lograr una erección.

Oreja

Una ilustración de un implante coclear.

En los casos en los que una persona es profundamente sorda o con problemas de audición graves en ambos oídos, se puede implantar quirúrgicamente un implante coclear . Los implantes cocleares evitan la mayor parte del sistema auditivo periférico para proporcionar una sensación de sonido a través de un micrófono y algunos componentes 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 a partir de 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 pudiera tener curvas y líneas como un oído humano. Los investigadores dijeron que "la tecnología está ahora en desarrollo para ensayos clínicos y, por lo tanto, hemos ampliado y rediseñado las características destacadas del andamio para que coincida con el tamaño de un oído humano adulto y para preservar la apariencia estética después de la implantación". Sus oídos artificiales no han sido anunciados como exitosos, pero aún están desarrollando el proyecto. Cada año, miles de niños nacen con una deformidad congénita llamada microtia, donde 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

Un ojo biónico

El ojo artificial que reemplaza la función de mayor éxito hasta ahora es en realidad una cámara digital en miniatura externa con una interfaz electrónica unidireccional remota implantada en la retina , el nervio óptico u otras ubicaciones relacionadas dentro del cerebro . El estado actual de la técnica ofrece 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 estratégicas 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 con la retina, el nervio óptico o áreas del cerebro relacionadas, combinados con los avances en curso en la informática , mejoren drásticamente el rendimiento de esta tecnología.

Corazón

Un corazon artificial

Los órganos artificiales relacionados con el sistema cardiovascular se implantan en los casos en que el corazón, sus válvulas u otra parte del sistema circulatorio están alterados. El corazón artificial se usa típicamente para acortar 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 en sí.

Además de éstos, corazones cultivadas en laboratorio y en 3D bioprinted corazones también están siendo investigados. 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 hechos en laboratorio funcionen de manera cohesiva.

Riñón

Se ha informado que los científicos de la Universidad de California en 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 sanguínea asociada con su máquina.

La lista de pacientes que esperan los riñones es larga y los riñones son raros en comparación con otros órganos. Mucha gente estaba ansiosa por sus cirugías. Los científicos sienten la necesidad de desarrollar un riñón artificial, han estado trabajando duro para hacer un riñón que pueda funcionar perfectamente y, con suerte, pueda reemplazar los riñones humanos. Gracias a los beneficiarios de NIBIB Quantum, el desarrollo del riñón artificial avanzó, calcularon una simulación de cómo fluye la sangre y combinaron su trabajo con una experiencia poco común en riñón artificial. "Como los desarrolladores de esta tecnología saben muy bien, es especialmente frustrante lidiar con los coágulos de sangre, que pueden tapar el dispositivo, haciéndolo inútil y causar peligros a otras partes del cuerpo donde el flujo sanguíneo se vería comprometido". dijo Rosemarie Hunziker, directora del programa NIBIB en Ingeniería de Tejidos y Medicina Regenerativa.

Un riñón artificial permitiría que la sangre se filtre continuamente, lo que ayudaría a reducir la enfermedad renal y mejoraría la calidad de vida de los pacientes.

Hígado

HepaLife está desarrollando un dispositivo hepático bioartificial destinado al tratamiento de la insuficiencia hepática mediante el uso de 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 unir las funciones hepáticas del paciente hasta que el trasplante esté disponible. Solo es posible por el hecho de que utiliza células hepáticas reales (hepatocitos), y aún así, no es un sustituto permanente.

Investigadores de Japón encontraron que una mezcla de células precursoras del hígado humano (diferenciadas de las células madre pluripotentes inducidas por humanos [iPSC]) y otros dos tipos de células pueden formar espontáneamente estructuras tridimensionales denominadas "yemas hepáticas".

Pulmones

Un pulmón artificial de MC3

Con algunos pulmones artificiales casi completamente 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) se puede utilizar para eliminar una carga significativa del tejido pulmonar nativo y del corazón. En la ECMO, se colocan uno o más catéteres en el paciente y se usa una bomba para hacer fluir la sangre sobre las fibras de la membrana hueca, que intercambian oxígeno y dióxido de carbono con la sangre. Al igual que la ECMO, la eliminación extracorpórea de CO2 (ECCO2R) tiene una configuración similar, pero beneficia principalmente al paciente a través de la eliminación de dióxido de carbono, en lugar de la 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.

Los pacientes en edad reproductiva que desarrollan cáncer a menudo reciben quimioterapia o radioterapia, lo que daña los ovocitos y conduce a una menopausia precoz. Se ha desarrollado un ovario humano artificial en la Universidad de Brown con microtissues autoensamblados creados con la novedosa tecnología de placas de Petri en 3-D. En un estudio financiado y realizado por los NIH en 2017, los científicos lograron imprimir ovarios en 3D 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 sobre la foliculogénesis.

Páncreas

Un páncreas artificial se utiliza 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 se evidencia al evitar las complicaciones de la hiperglucemia, y también puede aliviar la carga de la terapia para los dependientes de insulina. Los enfoques incluyen el uso de una bomba de insulina bajo control de circuito cerrado , el desarrollo de un páncreas bioartificial que consiste en una lámina biocompatible de células beta encapsuladas o el uso de terapia génica .

las células rojas de la sangre

Los glóbulos rojos artificiales (RBC, por sus siglas en inglés) ya han estado en proyectos durante unos 60 años, pero comenzaron a despertar interés cuando se produjo 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 glóbulo rojo artificial, fabricado por Chang y Poznanski en 1968, se fabricó para transportar oxígeno y dióxido de carbono, también funciones antioxidantes.

Los científicos están trabajando en un nuevo tipo de glóbulos rojos artificiales, que 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 recubrimiento de polímero también evita que la hemoglobina reaccione con el óxido nítrico en el torrente sanguíneo, evitando así la constricción peligrosa de los vasos sanguíneos. Allan Doctor, MD, afirmó que el RBC artificial puede ser utilizado por cualquier persona, con cualquier tipo de sangre, porque el recubrimiento es inmune silencioso.

Testículos

Los hombres que han sufrido anomalías testiculares a través de 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 realice 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 algún día pueda reemplazar o complementar el trasplante de timo neonatal.

A partir de 2017, los investigadores de UCLA desarrollaron un timo artificial que, aunque aún no es implantable, es capaz de realizar todas las funciones de un verdadero timo.

El timo artificial jugaría un papel importante en el sistema inmunológico, usaría células madre de la sangre para producir más células T, lo que ayudaría al cuerpo a combatir las infecciones, y también le otorgaría al cuerpo la capacidad de eliminar las 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 usar células T para luchar contra infecciones ha existido durante un tiempo, pero hasta hace poco, se propuso la idea de usar 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 llevaban una gama diversa 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 atravesó 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. En 2014 surgieron preocupaciones sobre su trabajo y en 2016 lo habían despedido y la alta gerencia de Karolinska había sido despedida, incluidas las personas involucradas en el Premio Nobel .

A partir de 2017, la ingeniería de una tráquea, un tubo hueco revestido de células, había resultado más desafiante de lo que se pensaba originalmente; Los desafíos incluyen la difícil situación clínica de las personas que se presentan como candidatos clínicos, que generalmente ya han pasado por múltiples procedimientos; creando un implante que puede 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 llevando a cabo investigaciones en áreas de visión , memoria y procesamiento de información . Algunas investigaciones actuales se centran 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 ).

Microchips

Los chips de órganos son dispositivos que contienen microvasos huecos llenos de células que simulan tejidos y / 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 un identificador y también pueden contener un transpondedor.

Esta información puede crear varias aplicaciones, como la creación de " modelos humanos in vitro " para órganos sanos y enfermos, avances de fármacos en la detección de toxicidad y la 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 fracaso en el desarrollo de nuevos fármacos; la microingeniería permite modelar un microambiente como un órgano.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

Tran, Jasper (2015). "Bioimprimir o no bioimprimir". Revista de derecho y tecnología de Carolina del Norte . 17 : 123–78. SSRN 2562952 .
Liu, Yunying; Yang, Ru; Él, Zuping; Gao, Wei-Qiang (2013). "Generación de órganos funcionales a partir de células madre" . Regeneración celular . 2 (1): 2: 1. doi : 10.1186 / 2045-9769-2-1 . PMC 4230490 . PMID 25408873 .
Foster, Kenneth R .; Jaeger, Jan (23 de septiembre de 2008). "Implicaciones éticas de las etiquetas de identificación por radiofrecuencia implantables (RFID) en humanos". The American Journal of Bioethics . 8 (8): 44–48. doi : 10.1080 / 15265160802317966 . PMID 18802863 . S2CID 27093558 .
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Órganos artificiales . ISSN 1525-1594 .

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