Trotz all seiner mystischen Kräfte ist das Herz eine ziemlich einfache Sache. Es ist eine Pumpe - Blut rein, Blut raus. Und das hat das Kopieren nicht allzu schwierig gemacht.
Aber die Lunge ist eine andere Sache. Niemand wird Ihnen jemals raten, „Ihren Lungen zu folgen“ oder eine „gebrochene Lunge“ zu beklagen, was eine Schande ist. Weil es ein kompliziertes Organ ist.
Nur wenige Menschen verstehen das so gut wie William Federspiel, ein Bioingenieurwissenschaftler und Professor an der Universität von Pittsburgh. In den letzten 20 Jahren hat er an der Entwicklung einer künstlichen Lunge gearbeitet. Es war eine Herausforderung, räumt er ein.
"Die Technologie für Patienten mit Lungenversagen steht weit hinter der Technologie für Menschen mit Herzinsuffizienz", sagt er. „Es kommt auf eine ziemlich einfache Tatsache an: Es ist ziemlich einfach, eine kleine Pumpe zu entwerfen, die Blut mit der Flussrate pumpt, die das Herz macht.
„Aber die Lunge ist einfach ein unglaubliches Organ für den Gasaustausch zwischen der Atmosphäre und dem Blut, das durch Ihre Lunge fließt. Es gibt keine Technologie, die jemals in der Lage gewesen wäre, dem zu nahe zu kommen, was die menschliche Lunge kann. “
Lunge im Rucksack
Das heißt, Federspiel und sein Forschungsteam rücken näher. Sie haben bereits ein Gerät mit dem Namen Hemolung Respiratory Assist System (RAS) erfunden, das so genannte "Respiratory Dialysis" durchführt und Kohlendioxid aus dem Blut eines Patienten entfernt. Es wird von einem Federspiel-Startup aus Pittsburgh mit dem Namen ALung Technologies produziert und könnte Ende dieses Jahres oder Anfang 2018 in klinischen Studien in den USA getestet werden. Es ist bereits für den Einsatz in Europa, Kanada und Australien zugelassen.
Jetzt arbeiten sie an einem viel kleineren Gerät, für das sie ein Patent angemeldet haben. Nur dieses soll den Sauerstoffgehalt im Blut einer Person erhöhen. Anfang dieses Jahres erhielten die Forscher von den National Institutes of Health (NIH) ein Stipendium in Höhe von 2, 35 Mio. USD, um eine Version ihrer künstlichen Lunge für Kinder zu entwickeln.
Einfach ausgedrückt, liegt Federspiels neueste Forschung auf der Verfeinerung einer mechanischen Lunge, die außerhalb des Körpers funktioniert, aber klein genug ist, um in einem Rucksack oder einem Holster getragen zu werden. Es würde mit der Vena cava des Patienten - einer großen Vene, die Blut in das Herz befördert - durch eine Kanüle oder einen Schlauch verbunden, die bzw. der in die Halsschlagader eingeführt wird. Er oder sie müsste immer noch Sauerstoff aus einem tragbaren Tank einatmen.
Dies, so Federspiel, würde es der Person ermöglichen, im Krankenhaus mobiler zu sein, anstatt sich auf ein Bett zu beschränken. Das ist wichtig, denn wenn sich Patienten nicht bewegen können, werden ihre Muskeln schwächer und ihre Chancen, sich von einer schweren Lungeninfektion zu erholen, verringern sich. Das Gerät wird als besonders nützlich für Patienten angesehen, die auf eine Lungentransplantation warten, wie z. B. Menschen mit Mukoviszidose.
"Wir haben nicht die Absicht, dass sie mit einem dieser Systeme das Krankenhaus verlassen können", sagt er. "Aber zumindest innerhalb des Krankenhauses könnten sie aufstehen und herumlaufen."
Der Fluch der Klumpen
In letzter Zeit gab es weitere Durchbrüche bei der Wiederherstellung der menschlichen Lunge. Letztes Jahr gaben Wissenschaftler des Los Alamos National Laboratory in New Mexico bekannt, dass sie ein Miniaturgerät aus Polymeren entwickelt haben, das wie eine Lunge funktioniert und die Reaktion des Organs auf Medikamente, Toxine und andere Umweltelemente zu Testzwecken nachahmen soll.
In der Tschechischen Republik haben Wissenschaftler der Technischen Universität Brno eine 3D-gedruckte Version einer Lunge entwickelt, mit der Erkrankungen wie Asthma und andere chronische Lungenprobleme simuliert werden können und die es Ärzten ermöglicht, ihre Präzision zu verbessern Lungenerkrankungen behandeln.
Beide Projekte sollen den Forschern jedoch helfen, mehr über Erkrankungen und Behandlungen zu erfahren, während die Forschung von Federspiel - ebenso wie ähnliche Arbeiten in der Nähe von Pittsburgh an der Carnegie Mellon University - mehr darauf abzielt, Patienten bei der Verbesserung ihrer Langzeitprognose zu unterstützen .
Das neue Gerät - das zur Erhöhung des Blutsauerstoffgehalts entwickelt wurde - muss einen stärkeren Blutfluss unterstützen als die Maschine, die Kohlendioxid senkt. Wie Federspiel betont, steht es vor der Herausforderung, mit dem umzugehen, was häufig mit Blut passiert, wenn es über eine künstliche Oberfläche fließt - es gerinnt.
Alles hängt mit dem ausgeklügelten Gasaustausch zusammen, der für die Lungenfunktion von entscheidender Bedeutung ist, und mit der Art und Weise, wie er im Gerät nachgebildet wird. „Die Gasaustauscheinheit [im Gerät] besteht aus einer großen Anzahl von Polymerschläuchen, die etwa doppelt so dick sind wie ein menschliches Haar“, erklärt er. „Sie sind gasdurchlässig. Wenn also Blut an den Außenseiten dieser Röhren fließt, lassen wir 100 Prozent Sauerstoff durch die Innenseiten der Röhren fließen. Der Sauerstoff gelangt durch Diffusion in das Blut und Kohlendioxid gelangt aus dem Blut in den Gasstrom, der durch das Gerät fließt. “
Das Problem ist, dass das durchlaufende Blut mit einer relativ großen künstlichen Oberfläche in Kontakt kommt, was die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Gerinnseln erhöht. Es ist ein wichtiger Grund, warum es derzeit nicht realistisch ist, Lungengeräte wie dieses in den Körper eines Patienten zu implantieren. Sie müssten wahrscheinlich alle paar Monate ausgetauscht werden.
Laut Federspiel war sein Team kürzlich in der Lage, das neue Gerät fünf Tage lang ohne Probleme an Schafen zu testen. Schafe werden verwendet, weil ihr Herz-Kreislauf-System dem des Menschen ähnlich ist. Er und sein Team arbeiten aber auch mit einem Unternehmen zusammen, um spezielle Beschichtungen zu entwickeln, von denen sie hoffen, dass sie die Gerinnung stark reduzieren. Dies würde es den Ärzten auch ermöglichen, die Menge der Antikoagulationsmittel, die Patienten einnehmen müssten, signifikant zu senken.
Der nächste Schritt sei ein 30-tägiger Tierversuch, bei dem die Ergebnisse von Geräten sowohl mit als auch ohne Beschichtung verglichen würden. Er schätzt, dass klinische Studien am Menschen noch vier bis fünf Jahre entfernt sein könnten.
Federspiel lässt sich jedoch nicht davon abhalten, ein Gerät zu entwickeln, das so gut funktioniert wie die menschliche Lunge. Er weiß genau, wie anspruchsvoll das sein kann.
"Eine künstliche Lunge muss immer noch wie die menschliche Lunge funktionieren", sagt er. "Wenn ich darüber rede, sage ich als Erstes, dass die Lunge ein unglaubliches Organ ist."
