For alle sine mystiske krefter er hjertet en ganske enkel ting. Det er en pumpe - blod inn, blod ut. Og det har gjort at det ikke er så vanskelig å kopiere.
Men lungene er en annen sak. Ingen vil noensinne råde deg til å "følge lungene" eller bekle en "ødelagt lunge", noe som er synd. Fordi det er et komplisert orgel.
Få mennesker forstår dette så godt som William Federspiel, en bioingeniørforsker og professor ved University of Pittsburgh. I løpet av de siste 20 årene har han jobbet med å designe en kunstig lunge. Det har vært en utfordring, innrømmer han.
"Teknologien for pasienter som har lungesvikt er langt bak teknologien for mennesker med hjertesvikt, " sier han. “Det kommer til et ganske enkelt faktum: Det er ganske enkelt å designe en liten pumpe som kan pumpe blod med strømningshastigheten hjertet gjør.
“Men lungen er bare et utrolig organ for å utveksle gass mellom atmosfæren og blodet som strømmer gjennom lungene. Det er ingen teknologi som noen gang har kunnet komme i nærheten av hva den menneskelige lungen kan gjøre. ”
Lung i en ryggsekk
Når det er sagt, kommer Federspiel og hans forskerteam nærmere. De har allerede oppfunnet en enhet som kalles Hemolung Respiratory Assist System (RAS) som utfører det som er beskrevet som “respirasjonsdialyse”, og fjerner karbondioksid fra pasientens blod. Det blir produsert av en Pittsburgh-oppstart Federspiel grunnlagt kalt ALung Technologies, og kan gjennomgå tester i amerikanske kliniske studier sent i år eller begynnelsen av 2018. Den er allerede godkjent for bruk i Europa, Canada og Australia.
Nå går de videre på en mye mindre enhet, som de har søkt patent på, bare denne er designet for å heve oksygennivået i en persons blod. Tidligere i år fikk forskerne en bevilgning på $ 2, 35 millioner fra National Institutes of Health (NIH) for å utvikle en versjon av deres kunstige lunge for barn.
Enkelt sagt, Federspiels siste forskning er fokusert på å raffinere en mekanisk lunge som fungerer utenfor kroppen, men som er liten nok til å bli ført inne i en ryggsekk eller hylster. Det ville være koblet til pasientens vena cava - en stor blodåre som fører blod inn i hjertet - gjennom en kanyle eller rør, satt inn i den halsvene i halsen. Han eller hun vil fortsatt trenge å puste oksygen fra en bærbar tank.
Dette, bemerker Federspiel, vil tillate personen å være mer mobil på sykehuset i stedet for å være innesperret i en seng. Det er avgjørende, fordi hvis pasienter ikke kan bevege seg rundt, blir musklene svakere, og sjansene for å komme seg etter en alvorlig lungeinfeksjon reduseres. Enheten blir sett på som særlig gunstig for pasienter som venter på en lungetransplantasjon, for eksempel personer med cystisk fibrose.
"Vi har ikke til hensikt med det samme at de ville være i stand til å forlate sykehuset med et av disse systemene, " sier han, "men i det minste på sykehuset vil de kunne stå opp og gå rundt."
Forbannelse av blodpropp
Det har vært andre nylig gjennombrudd når det gjelder å gjenskape menneskelige lunger. I fjor kunngjorde forskere ved Los Alamos National Laboratory i New Mexico at de har laget en miniatyrenhet laget av polymerer som fungerer som en lunge, og er designet for å etterligne organets respons på medisiner, giftstoffer og andre miljøelementer for testformål.
I Tsjekkia sa forskere ved Brno teknologiske universitet at de har utviklet en 3D-trykt versjon av en lunge som kan simulere tilstander som astma og andre kroniske lungeproblemer, og som vil gjøre det mulig for leger å få mer presisjon til hvordan de behandle lungetilstander.
Begge disse prosjektene er imidlertid ment å hjelpe forskere å lære mer om forhold og behandlinger, mens Federspiels forskning - så vel som lignende arbeid som gjøres i nærheten i Pittsburgh ved Carnegie Mellon University - er mer rettet mot å hjelpe pasienter med å forbedre deres langsiktige prognose .
Den nye enheten - den som er beregnet for å øke oksygennivået i blodet - må støtte en tyngre blodstrøm enn maskinen som senker karbondioksid. Som Federspiel påpeker, står det overfor utfordringen å håndtere det som ofte skjer med blod når det flyter over en menneskeskapt overflate - det koagulerer.
Det har alt å gjøre med den sofistikerte gassutvekslingen som er nøkkelen til lungefunksjon, og hvordan den etterlates i enheten. "Gassutvekslingsenheten [i enheten] består av et stort antall polymerrør som er omtrent det dobbelte av et menneskehår, " forklarer han. "De er gjennomtrengelig for gass, så når blodet strømmer på utsiden av disse rørene, løper vi 100 prosent oksygen gjennom innsiden av rørene. Oksygenet beveger seg inn i blodet ved diffusjon og karbondioksid beveger seg ut av blodet inn i gasstrømmen som strømmer gjennom enheten. "
Problemet er at blodet som passerer kommer i kontakt med en relativt stor kunstig overflate, noe som øker sjansen for at det dannes blodpropp. Det er en stor grunn til at det ikke er realistisk på dette tidspunktet å vurdere å implantere lungeanordninger som dette i pasientens kropp. De må sannsynligvis byttes ut med noen måneder.
Federspiel forteller at teamet hans nylig var i stand til å teste det nye apparatet på sauer i fem dager uten problemer. Får brukes fordi deres kardiovaskulære systemer ligner mennesker. Men han og teamet hans jobber også med et selskap for å utvikle spesielle belegg som de håper vil redusere koagulasjonen. Dette vil også tillate leger å redusere nivået av antikoagulasjonsmedisiner som pasienter trenger å ta betydelig.
Neste trinn, sier han, er en 30-dagers dyreforsøk som vil sammenligne resultatene av apparater både med belegget og uten det. Han anslår at kliniske studier på mennesker fremdeles kan være fire til fem år unna.
Men Federspiel blir ikke avskrekket av det bevisste tempoet med å lage et apparat som fungerer så godt som den menneskelige lungen. Han er godt klar over hvor krevende det kan være.
"En kunstig lunge må fremdeles fungere som den menneskelige lungen, " sier han. "Når jeg holder foredrag om dette, er det første jeg sier at lungen er et utrolig organ."
