211service.com
Ny enhet kan vara ett säkrare alternativ till lungventilatorer
En ny teknik som återskapar viktiga egenskaper hos strukturer i lungan kan så småningom bli ett säkrare alternativ till vissa typer av andnings- och hjärtmaskiner som används för att behandla människor vars lungor har svikit på grund av sjukdom eller skada.
Mörkrött blod rinner in i enheten, där det byter ut koldioxid mot syre och kommer ut på andra sidan mycket ljusare.
Genom att använda tillverkningstekniker som ursprungligen utformades för att göra datorchips, har biomedicinska ingenjörer under de senaste åren gjort betydande framsteg mot att efterlikna mekanismerna hos vissa organsystem, vars sunda funktionalitet är beroende av mycket exakta kemiska och fysikaliska förhållanden. Blod är till exempel extremt känsligt för andra miljöer än de det möter i hälsosamma livssystem. Nu ingenjörer på Draper Laboratory säga att de har designat en ny lungterapi, sammansatt av små kanaler gjutna till en biokompatibel polymer som kan hantera höga blodflödeshastigheter. Om saker och ting går som de planerar kommer terapin att bli mycket säkrare än de som används idag.
Det är vanligt att kritiskt sjuka personer upplever akut andnödssyndrom (ARDS), där vätska ansamlas i lungorna och förhindrar normalt utbyte av syre och koldioxid. Mekanisk ventilation av lungorna, den vanligaste behandlingen för sådana patienter, liknar att be någon att utöva en bruten arm, säger Jeff Borenstein, som leder det mikrofluidiska lungprojektet på Draper. Den invasiva terapin innebär att man tvingar in höga koncentrationer av syre i lungorna vid höga tryck, och låter inte den sjuka eller skadade vävnaden läka, säger han. Ännu värre, det leder vanligtvis till allvarliga komplikationer inklusive lungvävnadstoxicitet och lunginflammation.
Ett alternativ till mekanisk ventilation är extrakorporeal membransyresättning (ECMO), som innebär att man drar en patients blod och kör det genom en anordning som tar bort koldioxid och tillför syre innan blodet återförs till patientens kropp. Traditionellt har ECMO använts främst som en livräddande åtgärd om mekanisk ventilation inte fungerar eller är omöjlig, och används oftare hos barn. Dagens ECMO-maskiner, där blod strömmar över ett knippe porösa fibrer genom vilka syre pumpas, är komplicerade och kräver specialiserad expertis för att fungera. Blod tenderar att koagulera i enheten, vilket är väldigt olik miljön i lungan, så patienter måste ta stora doser av anti-koaguleringsmedicin. Detta kan leda till andra farliga komplikationer som blödning i hjärnan eller mag-tarmsystemet.
Den nya mikrofluidanordningen, som är enklare i design och ger det strömmande blodet en miljö som är mycket mer lik den den möter i lungorna, kan i huvudsak ersätta tarmarna hos konventionella ECMO-maskiner, säger David O'Dowd, programchef för biomedicinska system på Draper . Om det går som planerat kommer det att vara klart att testa på djur om två år, och redo för test på människor om tre, säger han.
Genom att stapla lager av biokompatibel plast med mikrokanaler mönstrade på ytan, har Borensteins team byggt en tredimensionell förgreningsstruktur där större kanaler gradvis förgrenar sig till mindre på samma sätt som större blodkärl förgrenar sig till kapillärer.
Andra forskargrupper bedriver också mikrofluidbaserad gasutbytesteknologi, men Borenstein säger att hans teams enhet är unik i den grad den efterliknar det faktiska biologiska systemet - något som möjliggjorts av de patentskyddade metoder som gruppen använde för att uppnå 3D-förgreningen . Medan det strömmar genom enheten är det mycket mindre troligt att blod än det är i en ECMO-maskin tror att det borde koagulera, säger Borenstein. Det placerar också syret och blodet närmare varandra, vilket möjliggör effektivare gasutbyte jämfört med konventionell ECMO.
Denna unika design är vad som har gjort det möjligt för teamet att uppnå blodflödeshastigheter minst 10 gånger snabbare än konkurrerande mikrofluidteknologier, enligt Borenstein. Nyligen visade gruppen en flödeshastighet på 100 milliliter per minut med nötkreatursblod. Nu är målet att skala upp den så att den kan hantera liter blod per minut utan att offra egenskaperna som minskar koaguleringsrisken.
Eftersom en enhet som denna skulle vara enklare, effektivare och inte skulle kräva att patienterna tar massor av blodförtunnande medel, kan den vara mycket säkrare än dagens ECMO-maskiner för långvarig användning, säger Philip Camp , en kardiothoraxkirurg vid Brigham and Women's Hospital i Boston som forskar om mekaniska stödsystem för patienter som har hjärt- eller lungsvikt. Det kan vara särskilt användbart för att hjälpa människor genom uppblossningar av vanliga kroniska lungtillstånd som kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL). Om tekniken framgångsrikt kan skalas upp och kommersialiseras, säger han, har den potentialen att revolutionera hur vi tar hand om människor som har akut andningssvikt.