Un órgano artificial es un órgano o tejido creado por el hombre que se implanta o integra en un ser humano (interactúa con tejido vivo) para reemplazar un órgano natural , duplicar o aumentar una función o funciones específicas para que el paciente pueda volver a una vida normal lo antes posible. [1] La función reemplazada no tiene por qué estar relacionada con el soporte vital , pero a menudo lo está. Por ejemplo, los huesos y articulaciones de reemplazo, como los que se encuentran en los reemplazos de cadera , también podrían considerarse órganos artificiales. [2] [3]
La definición implica que el dispositivo no debe estar conectado continuamente a una fuente de alimentación estacionaria ni a otros recursos estacionarios, como filtros o unidades de procesamiento químico. (La recarga rápida periódica de baterías, el rellenado de productos químicos y/o la limpieza/reemplazo de filtros excluirían que un dispositivo se considere un órgano artificial). [4] Por lo tanto, una máquina de diálisis , si bien es un dispositivo de soporte vital muy exitoso y de importancia crítica que reemplaza casi por completo las funciones de un riñón , no es un órgano artificial.
La construcción e instalación de órganos artificiales, un proceso que requiere mucha investigación y es muy costoso al principio, puede implicar muchos años de servicios de mantenimiento continuo que no necesita un órgano natural: [1] [4] [5] [6]
El uso de cualquier órgano artificial por parte de seres humanos casi siempre está precedido de experimentos exhaustivos con animales . [7] [8] [9] Las pruebas iniciales en seres humanos se limitan con frecuencia a aquellos que ya enfrentan la muerte o que han agotado todas las demás posibilidades de tratamiento.
Los brazos y piernas artificiales, o prótesis , tienen como objetivo restaurar un grado de función normal a los amputados. Los dispositivos mecánicos que permiten a los amputados volver a caminar o seguir usando dos manos probablemente se han utilizado desde la antigüedad, [10] siendo el más notable la simple pata de palo. Desde entonces, el desarrollo de miembros artificiales ha progresado rápidamente. Nuevos plásticos y otros materiales, como la fibra de carbono , han permitido que los miembros artificiales se vuelvan más fuertes y livianos, limitando la cantidad de energía adicional necesaria para operar la extremidad. Materiales adicionales han permitido que los miembros artificiales se vean mucho más realistas. [11] Las prótesis se pueden clasificar aproximadamente como extremidades superiores e inferiores y pueden tomar muchas formas y tamaños.
Los nuevos avances en prótesis incluyen niveles adicionales de integración con el cuerpo humano. Se pueden colocar electrodos en el tejido nervioso y se puede entrenar al cuerpo para que controle la prótesis. Esta tecnología se ha utilizado tanto en animales como en seres humanos. [12] La prótesis puede ser controlada por el cerebro mediante un implante directo o en varios músculos. [13]
Los dos métodos principales para reemplazar la función de la vejiga implican redirigir el flujo de orina o reemplazar la vejiga in situ . [14] Los métodos estándar para reemplazar la vejiga implican la creación de una bolsa similar a la vejiga a partir de tejido intestinal. [14] A partir de 2017, se habían intentado métodos para hacer crecer vejigas utilizando células madre en investigaciones clínicas , pero este procedimiento no era parte de la medicina. [15] [16]
Las prótesis neurales son una serie de dispositivos que pueden sustituir una modalidad motora, sensorial o cognitiva que pudiera haber sido dañada como consecuencia de una lesión o una enfermedad.
Los neuroestimuladores , incluidos los estimuladores cerebrales profundos , envían impulsos eléctricos al cerebro para tratar trastornos neurológicos y del movimiento , como la enfermedad de Parkinson , la epilepsia , la depresión resistente al tratamiento y otras afecciones como la incontinencia urinaria . En lugar de reemplazar las redes neuronales existentes para restaurar la función, estos dispositivos a menudo sirven para interrumpir la salida de los centros nerviosos que funcionan mal existentes para eliminar los síntomas. [17] [18] [19]
En 2013, los científicos crearon un minicerebro que desarrolló componentes neurológicos clave hasta las primeras etapas gestacionales de la maduración fetal. [20]
Para tratar la disfunción eréctil , ambos cuerpos cavernosos pueden reemplazarse quirúrgicamente de manera irreversible con implantes de pene inflables manuales . Esta es una cirugía terapéutica drástica destinada únicamente a hombres que tienen impotencia total y que se han resistido a todos los demás enfoques de tratamiento. Una bomba implantada en la (ingle) o (escroto) puede manipularse con la mano para llenar estos cilindros artificiales, normalmente dimensionados para ser reemplazos directos de los cuerpos cavernosos naturales, desde un reservorio implantado para lograr una erección. [21]
En los casos en que una persona es profundamente sorda o tiene una pérdida auditiva severa en ambos oídos, se puede implantar quirúrgicamente un implante coclear . Los implantes cocleares evitan la mayor parte del sistema auditivo periférico para proporcionar una sensación de sonido a través de un micrófono y algunos componentes electrónicos que se encuentran fuera de la piel, generalmente detrás de la oreja. Los componentes externos transmiten una señal a una serie de electrodos colocados en la cóclea , que a su vez estimula el nervio coclear . [22]
En caso de traumatismo del oído externo puede ser necesaria una prótesis craneofacial .
Thomas Cervantes y sus colegas, del Hospital General de Massachusetts, construyeron una oreja artificial a partir de cartílago de oveja mediante una impresora 3D. Con muchos cálculos y modelos, lograron construir una oreja con la forma de una oreja humana típica. Modelada por un cirujano plástico, tuvieron que ajustar varias veces para que la oreja artificial pudiera tener curvas y líneas como una oreja humana. Los investigadores dijeron: "La tecnología ahora está en desarrollo para ensayos clínicos, y por lo tanto hemos ampliado y rediseñado las características prominentes del andamio para que coincida con el tamaño de una oreja humana adulta y para preservar la apariencia estética después de la implantación". Sus orejas artificiales no han sido anunciadas como exitosas, pero todavía están desarrollando el proyecto. Cada año, miles de niños nacen con una deformidad congénita llamada microtia, donde el oído externo no se desarrolla completamente. Esto podría ser un gran paso adelante en el tratamiento médico y quirúrgico de la microtia.
El ojo artificial que ha tenido más éxito hasta el momento en la sustitución de funciones es en realidad una cámara digital externa en miniatura con una interfaz electrónica unidireccional remota implantada en la retina , el nervio óptico u otras ubicaciones relacionadas dentro del cerebro . El estado actual de la técnica ofrece sólo funciones parciales, como el reconocimiento de niveles de brillo, muestras de color y/o formas geométricas básicas, lo que demuestra el potencial del concepto. [23]
Varios investigadores han demostrado que la retina realiza un preprocesamiento estratégico de imágenes para el cerebro. El problema de crear un ojo electrónico artificial completamente funcional es aún más complejo. Se espera que los avances en la resolución de la complejidad de la conexión artificial con la retina, el nervio óptico o las áreas cerebrales relacionadas, combinados con los avances en curso en la ciencia informática , mejoren drásticamente el rendimiento de esta tecnología.
Los órganos artificiales relacionados con el sistema cardiovascular se implantan en casos en los que el corazón, sus válvulas u otra parte del sistema circulatorio están en mal estado. El corazón artificial se utiliza normalmente para acortar el tiempo hasta el trasplante cardíaco o para reemplazar permanentemente el corazón en caso de que el trasplante cardíaco sea imposible. Los marcapasos artificiales representan otro dispositivo cardiovascular que se puede implantar para aumentar de forma intermitente (modo desfibrilador), aumentar de forma continua o evitar por completo el marcapasos cardíaco natural según sea necesario. Los dispositivos de asistencia ventricular son otra alternativa, que actúan como dispositivos circulatorios mecánicos que reemplazan parcial o completamente la función de un corazón que falla, sin la extracción del corazón en sí. [24]
Además de estos, también se están investigando corazones cultivados en laboratorio y corazones bioimpresos en 3D . [25] [ ¿ Fuente poco confiable? ] [26] Actualmente, los científicos tienen una capacidad limitada para cultivar e imprimir corazones debido a las dificultades para lograr que los vasos sanguíneos y los tejidos creados en laboratorio funcionen de manera cohesiva. [27]
HepaLife está desarrollando un hígado bioartificial diseñado para el tratamiento de la insuficiencia hepática mediante el uso de células madre . El hígado artificial está diseñado para servir como dispositivo de apoyo, ya sea para permitir que el hígado se regenere en caso de insuficiencia hepática o para cubrir las funciones hepáticas del paciente hasta que esté disponible el trasplante. [28] Esto solo es posible gracias al hecho de que utiliza células hepáticas reales (hepatocitos), e incluso en ese caso, no es un sustituto permanente.
Con algunos pulmones artificiales casi en pleno funcionamiento, prometen ser un gran éxito en el futuro cercano. [29] Una empresa de Ann Arbor, MC3, está trabajando actualmente en este tipo de dispositivo médico.
La oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO) se puede utilizar para aliviar una carga significativa del tejido pulmonar y del corazón nativos. En la ECMO, se colocan uno o más catéteres en el paciente y se utiliza una bomba para hacer circular la sangre por fibras de membrana huecas, que intercambian oxígeno y dióxido de carbono con la sangre. De manera similar a la ECMO, la eliminación extracorpórea de CO2 ( ECCO2R) tiene una configuración similar, pero beneficia principalmente al paciente a través de la eliminación de dióxido de carbono, en lugar de la oxigenación, con el objetivo de permitir que los pulmones se relajen y sanen. [30]
Las bases para el desarrollo del ovario artificial se sentaron a principios de la década de 1990. [31]
Los pacientes en edad reproductiva que desarrollan cáncer a menudo reciben quimioterapia o radioterapia, que daña los ovocitos y conduce a una menopausia temprana. En la Universidad Brown se ha desarrollado un ovario humano artificial [32] con microtejidos autoensamblados creados utilizando una novedosa tecnología de placa de Petri 3-D. En un estudio financiado y realizado por el NIH en 2017, los científicos lograron imprimir ovarios en 3-D e implantarlos en ratones estériles. [33] En el futuro, los científicos esperan replicar esto en animales más grandes, así como en humanos. [9] El ovario artificial se utilizará para la maduración in vitro de ovocitos inmaduros y el desarrollo de un sistema para estudiar el efecto de las toxinas ambientales en la foliculogénesis.
El páncreas artificial se utiliza para sustituir la función endocrina de un páncreas sano en pacientes diabéticos y otros que lo requieran. Puede utilizarse para mejorar la terapia de reemplazo de insulina hasta que el control glucémico sea prácticamente normal, como se evidencia al evitar las complicaciones de la hiperglucemia, y también puede aliviar la carga de la terapia para los dependientes de insulina. Los enfoques incluyen el uso de una bomba de insulina bajo control de circuito cerrado , el desarrollo de un páncreas bioartificial que consiste en una lámina biocompatible de células beta encapsuladas o el uso de terapia génica . [34] [35]
Los glóbulos rojos artificiales ya se han estado desarrollando durante unos 60 años, pero empezaron a despertar interés cuando estalló la crisis de la sangre de donantes contaminados con VIH. Los glóbulos rojos artificiales dependerán al 100% de la nanotecnología. Un glóbulo rojo artificial exitoso debería poder reemplazar totalmente a los glóbulos rojos humanos, lo que significa que podría llevar a cabo todas las funciones que desempeña un glóbulo rojo humano.
El primer glóbulo rojo artificial, creado por Chang y Poznanski en 1968, fue creado para transportar oxígeno y dióxido de carbono, cumpliendo además funciones antioxidantes. [36]
Los científicos están trabajando en un nuevo tipo de glóbulos rojos artificiales, que tienen un tamaño quincuagésimo del de un glóbulo rojo humano. Están hechos de proteínas de hemoglobina humana purificada que han sido recubiertas con un polímero sintético. Gracias a los materiales especiales de los glóbulos rojos artificiales, pueden capturar oxígeno cuando el pH de la sangre es alto y liberar oxígeno cuando el pH de la sangre es bajo. El recubrimiento de polímero también evita que la hemoglobina reaccione con el óxido nítrico en el torrente sanguíneo, lo que previene la constricción peligrosa de los vasos sanguíneos. El Dr. Allan Doctor afirmó que los glóbulos rojos artificiales pueden ser utilizados por cualquier persona, con cualquier tipo de sangre, porque el recubrimiento es inmunitario silencioso. [37]
Los hombres que han sufrido anomalías testiculares debido a defectos de nacimiento o lesiones han podido reemplazar el testículo dañado con una prótesis testicular. [38] Aunque la prótesis no restaura la función reproductiva biológica, se ha demostrado que el dispositivo mejora la salud mental de estos pacientes. [39]
No existe una máquina implantable que realice la función del timo. Sin embargo, los investigadores han logrado hacer crecer un timo a partir de fibroblastos reprogramados. Expresaron su esperanza de que este método pueda algún día reemplazar o complementar el trasplante de timo neonatal. [40]
A partir de 2017, los investigadores de la UCLA desarrollaron un timo artificial que, aunque todavía no es implantable, es capaz de realizar todas las funciones de un timo verdadero. [41]
El timo artificial desempeñaría un papel importante en el sistema inmunológico y utilizaría células madre sanguíneas para producir más células T, que a su vez ayudarían al cuerpo a combatir las infecciones. En última instancia, le daría al cuerpo una mejor capacidad para combatir las células cancerosas. A medida que las personas envejecen, si su timo deja de funcionar bien, un timo artificial también podría ser una opción potencialmente viable.
La idea de utilizar células T para luchar contra las infecciones ha existido durante algún tiempo, pero hasta hace poco se propuso la idea de utilizar una fuente de células T, un timo artificial. "Sabemos que la clave para crear un suministro constante y seguro de células T que combatan el cáncer sería controlar el proceso de una manera que desactive todos los receptores de células T en las células trasplantadas, excepto los receptores que combaten el cáncer", dijo el Dr. Gay Crooks de UCLA. [42] El científico también descubrió que las células T producidas por el timo artificial portaban una gama diversa de receptores de células T y funcionaban de manera similar a las células T producidas por un timo normal. Dado que pueden funcionar como el timo humano, el timo artificial puede suministrar una cantidad constante de células T al cuerpo para los pacientes que necesitan tratamientos.
El campo de las tráqueas artificiales atravesó un período de gran interés y entusiasmo con el trabajo de Paolo Macchiarini en el Instituto Karolinska y en otros lugares desde 2008 hasta aproximadamente 2014, con cobertura de primera plana en periódicos y en televisión. En 2014 surgieron inquietudes sobre su trabajo y en 2016 fue despedido y se despidió a la alta gerencia de Karolinska, incluidas personas involucradas en el Premio Nobel . [43] [44]
A partir de 2017, diseñar una tráquea (un tubo hueco revestido de células) resultó ser más desafiante de lo que se pensaba originalmente; los desafíos incluyen la difícil situación clínica de las personas que se presentan como candidatos clínicos, quienes generalmente ya han pasado por múltiples procedimientos; crear un implante que pueda desarrollarse completamente e integrarse con el huésped mientras soporta las fuerzas respiratorias, así como el movimiento rotacional y longitudinal que experimenta la tráquea. [45]
También es posible construir e instalar un órgano artificial para otorgarle a su poseedor capacidades que no se dan de manera natural. Se están realizando investigaciones en áreas como la visión , la memoria y el procesamiento de la información . Algunas investigaciones actuales se centran en restaurar la memoria a corto plazo en víctimas de accidentes y la memoria a largo plazo en pacientes con demencia .
Un área de éxito se logró cuando Kevin Warwick llevó a cabo una serie de experimentos extendiendo su sistema nervioso a través de Internet para controlar una mano robótica y la primera comunicación electrónica directa entre los sistemas nerviosos de dos humanos. [46]
Esto también podría incluir la práctica existente de implantar chips subcutáneos para fines de identificación y localización (por ejemplo, etiquetas RFID ). [47]
Los chips de órganos son dispositivos que contienen microvasos huecos llenos de células que simulan tejidos y/o órganos como un sistema microfluídico que puede proporcionar información clave sobre señales químicas y eléctricas. [48] Esto es distinto de un uso alternativo del término microchip , que se refiere a pequeños chips electrónicos que se utilizan comúnmente como identificador y que también pueden contener un transpondedor.
Esta información puede crear diversas aplicaciones, como la creación de "modelos humanos in vitro" para órganos sanos y enfermos, avances en la detección de toxicidad de medicamentos y la sustitución de las pruebas con animales. [48]
El uso de técnicas de cultivo celular en 3D permite a los científicos recrear la compleja matriz extracelular, ECM, que se encuentra in vivo para imitar la respuesta humana a los medicamentos y las enfermedades humanas. [49] Los órganos en chips se utilizan para reducir la tasa de fracaso en el desarrollo de nuevos medicamentos ; la microingeniería de estos permite modelar un microambiente como un órgano.
Información relevante en el archivo foiclass.zip.