Cyborgi żyją wśród nas – sprawdzamy, które części ciała już można zastąpić

Współczesna medycyna potrafi coraz więcej. Dzisiaj można już z powodzeniem przeszczepić nie tylko nerkę, ale i serce, a nawet twarz. Naukowcy coraz lepiej radzą sobie w poszukiwaniach leków na najgroźniejsze choroby. Być może za kilkanaście lat AIDS i rak będą tylko mglistym cieniem przeszłości? Coraz lepiej radzi sobie także inżynieria biomedyczna, która używając syntetycznych odpowiedników, coraz pełniej potrafi odtworzyć utracone lub uszkodzone organy. Które części ciała potrafimy odtworzyć w laboratoriach już dzisiaj? Oto krótki przewodnik po niuansach medycyny regeneracyjnej.

Polimerowa sztuczna skóra

Skóra jest największym narządem powłoki ciała kręgowców o złożonej budowie i wielu funkcjach. Ogólna powierzchnia skóry u człowieka wynosi 1,5-2 m2, a grubość zamyka się w przedziale 1,5-5 mm. Skóra składa się z trzech warstw: naskórka, skóry właściwej i tkanki podskórnej. Narząd ten spełnia wiele czynności ochronnych: przed zakażeniami bakteryjnymi, grzybicznymi czy wirusami, przed czynnikami mechanicznymi, termicznymi, chemicznymi i promieniowaniem UV. Bardzo ważną funkcją skóry jest odbieranie bodźców ze środowiska zewnętrznego i ich transfer do mózgu człowieka. U ludzi, skóra jest najgrubsza na piętach, a najcieńsza na powiekach.

Prace nad sztuczną skórą są prowadzone od dawna, z powodzeniem także w Polsce. Prawdziwą innowację opracowali naukowcy z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii. Zespół pod kierownictwem prof. Zhenana Bao stworzył sztuczną skórę, która nie tylko sama się regeneruje, ale i jest bardzo wrażliwa na dotyk. Z powodzeniem może być wykorzystana do tworzenia nowoczesnych protez kończyn.

• Zobacz również | Radioaktywna codzienność

Do stworzenia sztucznej skóry, zespół Bao wykorzystał elastyczny polimer (PDMS), do którego dodano cząsteczki niklu, zwiększając wytrzymałość mechaniczną tworzywa. Testy przeprowadzone na innowacyjnej skórze przyniosły niezwykłe rezultaty. Już kilkanaście sekund po przecięciu materiału skalpelem i złożeniu jego brzegów, odzyskał on 75 % swojej pierwotnej wytrzymałości i zdolności do przewodzenia elektryczności. Resztę odzyskano po kolejnych 30 minutach. To wynik lepszy nawet od ludzkiej skóry, która potrzebuje kilku dni, by się zregenerować. Tworzywo można przecinać wielokrotnie w tym samym miejscu i nawet po 50 razach, nadal będzie ono wytrzymałe na zginanie i rozciąganie. Materiał jest również wystarczająco czuły, by wykryć ciśnienie spowodowane uściskiem dłoni – zastosowanie w nowatorskich protezach dłoni nasuwa się samo.

Ucho z drukarki 3D

Już od dekad istnieją technologie, które umożliwiają przywrócenie utraconego słuchu, ale implanty ślimakowe nie załatwiają sprawy od strony kosmetycznej. Na świecie natomiast istnieje spora grupa osób, które albo w wyniku wypadku, albo przewlekłych chorób straciły małżowinę uszną. Tę można odbudować dzięki technologii druku 3D.

Podczas gdy tradycyjne protezy wyglądają jak plastikowe zabawki, naukowcy z Uniwersytetu Princeton stworzyli bardzo realistyczny prototyp małżowiny usznej wyposażony w specjalną antenę. Nie tylko przywraca ona słuch, ale i pozwala odbierać znacznie większy zakres częstotliwości fal dźwiękowych.

Największym wyzwaniem naukowców było połączenie miękkich materiałów (imitujących tkankę) z twardymi, czyli niemożliwej do pominięcia elektroniki. Udało się to uzyskać właśnie dzięki drukarkom przestrzennym. Jeden egzemplarz sztucznego ucha powstaje w godzinę, ale następnie przez kilka dni konstrukt musi być zasiedlany przez komórki biorcy, by po przeszczepie nie został odrzucony. To odkrycie powinno pomóc przede wszystkim osobom cierpiącym na mikrotię, czyli chorobę hamującą właściwy wzrost uszu.

Sztuczne serce zasilane moczem

Serce to najbardziej pracowity narząd naszego organizmu. Nieustannie pompuje krew do naczyń krwionośnych, a wraz z nią tlen, hormony i składniki odżywcze, bez których każda komórka naszego ciała prędzej czy później obumrze. To pracy serca zawdzięczamy wymianę gazową, bowiem pompowana do płuc oddaje dwutlenek węgla, a zabiera tlen. Zdrowe serce kurczy się i rozkurcza średnio 70-75 razy na minutę. Podczas spoczynku częstotliwość ta maleje, a przy pobudzeniu znacznie wzrasta. Niestety, czasami zdarza się, że serce szwankuje. Niewłaściwa dieta, brak ruchu czy predyspozycje genetyczne, mogą sprawić, że serce trzeba leczyć. W skrajnych przypadkach uszkodzony organ trzeba usunąć, a na jego miejsce wprowadzić inny, pobrany od zmarłego dawcy. Ilość przeprowadzanych transplantacji na świecie stale maleje, dlatego wielką nadzieją medycyny są organy z probówek.

Naukowcy z Laboratorium Robotyki w Bristolu stworzyli prototyp sztucznego mięśnia sercowego, sterowanego automatycznie. Organ jest wyjątkowy, bowiem stworzono go na drukarce 3D, a ponadto jest zasilany mikrobiologicznymi ogniwami paliwowymi (MFC). Paliwo stanowi natomiast… ludzki mocz.

• Zobacz również | 15 dziwnych wynalazków, o których świat zapomniał

Mimo że prototyp nie jest doskonały, to brytyjscy naukowcy są blisko stworzenia w pełni funkcjonalnego organu. Sztuczna pompa zasilana uryną jest wykonana z tworzywa TangoPlus – gumopodobnego fotopolimeru firmy Stratasys, przeznaczonego do drukowania przestrzennego. Materiał ten jest rozciągliwy, nie łamie się, trudno go rozerwać, a przy tym cechuje się dużą wytrzymałością i trwałością.

Innowacyjne serce jest zasilane dzięki technologii mikrobiologicznych ogniw paliwowych, w funkcję ogniw spełniają bakterie. Ich procesy metaboliczne wywołują ruch elektronów, czyli przepływ prądu. Wspomniane mikroorganizmy mogą żywić się różnymi odpadami, jak np. zepsute owoce, martwe owady, ścieki czy właśnie mocz. Niestety, póki co stworzony układ ma wciąż bardzo niską wydajność energetyczną, nie przekraczającą 0,11 %. Zanim projekt trafi do komercyjnego zastosowania, trzeba będzie usprawnić wydajność energetyczną. A do tego przyczynić może się sam Bill Gates, którego fundacja oficjalnie wsparła projekt Brytyjczyków.

Kontrolowana myślami bioniczna noga

Proteza to u podstaw sztuczne uzupełnienie brakującej części ciała. W dzisiejszych czasach protezy są stosowane bardzo często – zastępują narządy obarczone wrodzoną niepełnosprawnością, jak i te, których pełna sprawność została utracona. Mimo że protezy są dobrodziejstwem dla osób po amputacji, wciąż brakuje technologii, która pozwoliłaby zespolić połączenia nerwowe. W rezultacie, długotrwałe chodzenie, nie wspominając już o wysiłku fizycznym, w protezie jest męczące.

Naukowcy od lat opracowują coraz bardziej zaawansowane protezy, które niemal w pełni są w stanie przywrócić sprawność organizmu. Wielce obiecujące są tzw. protezy bioniczne, czyli takie, które są biologicznie połączone z człowiekiem. Przełom nastąpił w 2012 r., kiedy to specjaliści z Rehabilitation Institute of Chicago, Northwester University i DARPA stworzyli przedstawiciela nowej generacji sztucznych kończyn. Prototyp trafił do użyku Zaca Vawtera, który w 2009 r. stracił prawą nogę w wyniku wypadku motocyklowego. Mężczyzna stał się kluczowym elementem wartych ponad 8 mln $ badań, finansowanych przez amerykańską armię.

Ogromne znaczenie dla nowej generacji protez miało osiągnięcie RIC i Northwestern University, które to wspólnie opracowały technologię pozwalającą na przekierowanie połączeń nerwowych ze zniszczonych mięśni do zdrowych komórek. W ten sposób stworzono pewnego rodzaju obejście i umożliwiono przepływ impulsów nerwowych. Założona Vawterowi proteza jest sterowana bezpośrednio przez układ nerwowy pacjenta i może zginać się w kilku miejscach. Dzięki temu noga zachowuje się naturalnie, a jej użytkownik może siadać, spacerować, wchodzić po schodach i zmieniać pozycję nogi podczas siedzenia.

Po kilkumiesięcznych testach, Vawter postanowił udowodnić, że nie ma dla niego rzeczy niemożliwych. W listopadzie 2012 r. pokonał 103 piętra drapacza chmur w Chicago i samodzielnie wszedł na jego szczyt.

Proteza dłoni z czujnikiem dotyku

Jeszcze bardziej zaawansowane technologicznie od sztucznych nóg wydają się bioniczne protezy dłoni. Tutaj naukowcy mają jeszcze większe pole do popisu. Jedną z najbardziej zaawansowanych technologicznie protez stworzył zespół z Politechniki w szwajcarskiej Lozannie. Uczeni stworzyli prototyp nowoczesnej protezy dłoni (5-palczastej o podobnej liczbie stopni swobody, co ludzka dłoń). Bioniczną dłoń jako pierwszy otrzymał 20-latek z Rzymu, który dolną część ramienia stracił w wyniku wypadku.

W odróżnieniu od standardowo używanych układów, nowoczesna proteza wykorzystuje mikropotencjały do sterowania palcami. Nowa proteza została podłączona elektrodami do systemu nerwowego pacjenta, dzięki czemu jest możliwe sterowanie nią dokładnie w taki sam sposób, jak w przypadku prawdziwej dłoni, a proteza ma wykonywać wszystkie zadania w czasie rzeczywistym. Co ciekawe, przesył informacji jest dwukierunkowy – pacjent za pomocą myśli może sterować palcami, a dzięki sensorom umieszczonym na ich powierzchni, proteza stymuluje nerwy ręki, aby poinformować użytkownika, że dotyka dany przedmiot. Wszystko dzięki stworzeniu trwałego połączenia z nerwem pośrodkowym i łokciowym.

• Zobacz również | 10 najstraszniejszych eksperymentów naukowych

Silvestro Micera, twórca nowatorskiej protezy, uważa, że jest ona dla osób z amputowanymi kończynami, prawdziwą nadzieją na całkowite odzyskanie sprawności. Poprzednie wcielenia protezy miały dwie strefy sensoryczne, obecna generacja pozwala na odbiór sygnałów ze wszystkich opuszków palców.

Syntetyczne oko

Przywrócenie słuchu niesłyszących nie jest problemem dla współczesnej medycyny, ale dokonanie tego samego z narządem wzroku, to już prawdziwe wyzwanie. Kiedy ludzie tracą wzrok, ich siatkówki nie wysyłają już sygnałów z ich fotoreceptorów do mózgu. Aby zbudować w pełni autonomiczną protezę oka, naukowcy muszą zrozumieć w jaki sposób siatkówka przetwarza zbierane sygnały.

Na początku roku, w Europie zatwierdzono do użycia pierwsze bioniczne oko – Argus II Retinal Prosthesis System. Implant stanowi nadzieję na przywrócenie wzroku osobom z uszkodzonymi fotoreceptorami w siatkówce oka. Argus II jest zbudowany z 60 elektrod, które implantuje się do siatkówki. Ich dopełnieniem jest miniaturowa kamera, która przemienia światło w impulsy elektrochemiczne kierowane przez nerw optyczny do mózgu.

Liczne badania przeprowadzone na osobach niewidomych, potwierdziły skuteczność implantu Argus II. Wszystkim z pacjentów udało się przywrócić wzrok – niektórym w mniejszym, innym w większym stopniu. Dlatego właśnie bioniczne oko produkowane przez firmę Second Sight Medical Products trafiło na rynek komercyjny. Póki co, cena implantu jest zaporowa – 73 tys. euro – ale niewątpliwie nie braknie bogatych osób, dla których zdrowie jest bezcenne.

Przyszłość bioniki

Nauka jeszcze nie osiągnęła szczytu swoich możliwości, jeżeli chodzi o stopień zaawansowania produkowanych protez. Kluczem do pełnego zastąpienia utraconych przez człowieka zmysłów, jest pełna integracja z maszyną. Pewnego dnia, w mniejszym lub większym stopniu, wszyscy będziemy cyborgami…