Med alle dets mystiske kræfter er hjertet en ret simpel ting. Det er en pumpe - blod ind, blod ud. Og det har gjort det ikke så svært at kopiere.
Men lungerne er en anden sag. Ingen vil nogensinde råde dig til "Følg dine lunger" eller beklager en "brudt lunge", hvilket er en skam. Fordi det er et kompliceret organ.
Få mennesker forstår dette så godt som William Federspiel, en bioingeniørforsker og professor ved University of Pittsburgh. I de sidste 20 år har han arbejdet med at designe en kunstig lunge. Det har været en udfordring, indrømmer han.
”Teknologien til patienter, der har lungesvigt, er langt bagefter teknologien for mennesker med hjertesvigt, ” siger han. ”Det kommer til en temmelig enkel kendsgerning: Det er temmelig let at designe en lille pumpe, der kan pumpe blod med den strømningshastighed, hjertet gør.
”Men lungen er bare et utroligt organ til at udveksle gas mellem atmosfæren og blodet, der strømmer gennem dine lunger. Der er ingen teknologi, der nogensinde har været i stand til at komme tæt på, hvad den menneskelige lunge kan gøre. ”
Længe i en rygsæk
Når det er sagt, kommer Federspiel og hans forskerteam nærmere. De har allerede opfundet en enhed kaldet Hemolung Respiratory Assist System (RAS), der udfører det, der er beskrevet som ”respiratorisk dialyse”, hvor man fjerner kuldioxid fra en patients blod. Det produceres af en Pittsburgh-start, Federspiel grundlagt kaldet ALung Technologies, og kunne gennemgå test i amerikanske kliniske forsøg sent på året eller begyndelsen af 2018. Det er allerede godkendt til brug i Europa, Canada og Australien.
Nu bevæger de sig fremad på en meget mindre enhed, som de har ansøgt om patent på, kun denne er designet til at hæve iltniveauerne i en persons blod. Tidligere i år modtog forskerne et tilskud på $ 2, 35 millioner fra National Institute of Health (NIH) for at udvikle en version af deres kunstige lunge til børn.
Kort sagt fokuserer Federspiel på den seneste undersøgelse på at raffinere en mekanisk lunge, der fungerer uden for kroppen, men den er lille nok til at blive båret inde i en rygsæk eller hylster. Det ville være forbundet med patientens vena cava - en stor blodåre, der transporterer blod ind i hjertet - gennem en kanyle eller et rør, der er indsat i den halsvene i halsen. Han eller hun er stadig nødt til at indånde ilt fra en bærbar tank.
Dette bemærker Federspiel, at personen kunne være mere mobil på hospitalet i stedet for at blive indesluttet i en seng. Det er kritisk, for hvis patienter ikke kan bevæge sig rundt, bliver deres muskler svagere, og deres chancer for at komme sig efter en alvorlig lungeinfektion mindskes. Enheden ses som værende særlig fordelagtig for patienter, der venter på en lungetransplantation, såsom personer med cystisk fibrose.
”Vi har ikke til hensigt lige nu, at de ville være i stand til at forlade hospitalet med et af disse systemer, ” siger han, ”men i det mindste inden for hospitalet ville de være i stand til at stå op og gå rundt.”
Forstyrrelsen af blodpropper
Der har været andre nylige gennembrud i at genskabe menneskelige lunger. Sidste år annoncerede forskere ved Los Alamos National Laboratory i New Mexico, at de har oprettet en miniatyrenhed lavet af polymerer, der fungerer som en lunge, og er designet til at efterligne organets reaktion på medicin, toksiner og andre miljøelementer til testformål.
I Den Tjekkiske Republik sagde forskere ved Brno University of Technology, at de har udviklet en 3D-trykt version af en lunge, der kan simulere tilstande som astma og andre kroniske lungeproblemer, og som vil gøre det muligt for læger at bringe mere præcision til, hvordan de behandle lungetilstand.
Begge disse projekter er imidlertid beregnet til at hjælpe forskere med at lære mere om forhold og behandlinger, mens Federspiel's forskning - såvel som lignende arbejde, der udføres i nærheden i Pittsburgh ved Carnegie Mellon University - er mere rettet mod at hjælpe patienter med at forbedre deres langsigtede prognose .
Den nye enhed - den, der er designet til at hæve iltniveauer i blodet - skal understøtte en tungere blodgennemstrømning end den maskine, der sænker kuldioxid. Så som Federspiel påpeger, står det overfor udfordringen at håndtere hvad der ofte sker med blod, når det flyder over en menneskeskabt overflade - det koagulerer.
Det har alt at gøre med den sofistikerede gasudveksling, der er nøglen til lungefunktion, og hvordan det efterlignes i enheden. ”Gasudvekslingsenheden [i enheden] er sammensat af et stort antal polymerrør, der er cirka dobbelt så tykkelse som et menneskehår, ” forklarer han. ”De er permeabel for gas, så når blod flyder på ydersiden af disse rør, løber vi 100 procent ilt gennem indersiden af rørene. Oxygen bevæger sig ind i blodet ved diffusion, og kuldioxid bevæger sig ud af blodet ind i gasstrømmen, der strømmer gennem enheden. ”
Problemet er, at blodet, der passerer, kommer i kontakt med en relativt stor kunstig overflade, hvilket øger chancen for, at der dannes blodpropper. Det er en stor grund til, at det ikke er realistisk på dette tidspunkt at overveje at implantere lungeanordninger som denne inde i en patients krop. De bliver sandsynligvis nødt til at udskiftes hvert par måneder.
Federspiel fortæller, at hans team for nylig var i stand til at teste den nye enhed på får i fem dage uden problemer. Får bruges, fordi deres kardiovaskulære systemer ligner mennesker. Men han og hans team arbejder også med et firma for at udvikle specielle belægninger, som de håber, vil reducere størkning. Dette ville også give læger mulighed for markant at sænke niveauet af antikoagulationsmedicin, som patienter skulle bruge.
Det næste trin, siger han, er en 30-dages dyreforsøg, der vil sammenligne resultaterne af apparater både med belægningen og uden den. Han vurderer, at humane kliniske forsøg stadig kunne være fire til fem år væk.
Men Federspiel er ikke afskrækket af det bevidste tempo med at skabe en enhed, der fungerer så godt som den menneskelige lunge. Han er godt klar over, hvor krævende det kan være.
”En kunstig lunge skal stadig fungere som den menneskelige lunge, ” siger han. ”Når jeg holder foredrag om dette, er den første ting, jeg siger, lungen et utroligt organ.”
