Nonostante tutti i suoi poteri mistici, il cuore è una cosa piuttosto semplice. È una pompa: sangue dentro, sangue fuori. E questo ha reso non così difficile da copiare.
Ma i polmoni sono un'altra cosa. Nessuno ti consiglierà mai di "seguire i tuoi polmoni" o lamentarti di un "polmone rotto", il che è un peccato. Perché è un organo complicato.
Poche persone lo capiscono, così come William Federspiel, un ricercatore di bioingegneria e professore all'Università di Pittsburgh. Negli ultimi 20 anni ha lavorato alla progettazione di un polmone artificiale. È stata una sfida, ammette.
"La tecnologia per i pazienti con insufficienza polmonare è molto indietro rispetto alla tecnologia per le persone con insufficienza cardiaca", afferma. “Si tratta di un fatto piuttosto semplice: è abbastanza facile progettare una piccola pompa in grado di pompare il sangue alla portata del cuore.
“Ma il polmone è solo un organo incredibile per lo scambio di gas tra l'atmosfera e il sangue che scorre attraverso i polmoni. Non c'è tecnologia che sia mai stata in grado di avvicinarsi a ciò che il polmone umano può fare. "
Polmone in uno zaino
Detto questo, Federspiel e il suo team di ricerca si stanno avvicinando. Hanno già inventato un dispositivo chiamato Hemolung Respiratory Assist System (RAS) che esegue quella che viene descritta come "dialisi respiratoria", rimuovendo l'anidride carbonica dal sangue di un paziente. È prodotto da una startup di Pittsburgh fondata da Federspiel chiamata ALung Technologies e potrebbe essere sottoposta a test negli studi clinici statunitensi alla fine di quest'anno o all'inizio del 2018. È già stata approvata per l'uso in Europa, Canada e Australia.
Ora stanno avanzando su un dispositivo molto più piccolo, per il quale hanno richiesto un brevetto, solo questo è progettato per aumentare i livelli di ossigeno nel sangue di una persona. Inoltre, all'inizio di quest'anno, i ricercatori hanno ricevuto una sovvenzione di $ 2, 35 milioni dal National Institutes of Health (NIH) per sviluppare una versione del loro polmone artificiale per i bambini.
In parole povere, l'ultima ricerca di Federspiel si concentra sulla raffinazione di un polmone meccanico che funziona al di fuori del corpo, ma che è abbastanza piccolo da essere trasportato all'interno di uno zaino o di una fondina. Sarebbe collegato alla vena cava del paziente - una grande vena che trasporta sangue nel cuore - attraverso una cannula, o tubo, inserito nella vena giugulare nella gola. Lui o lei avrebbe ancora bisogno di respirare ossigeno da un serbatoio portatile.
Questo, osserva Federspiel, consentirebbe alla persona di essere più mobile in ospedale invece di essere confinata in un letto. È fondamentale, perché se i pazienti non riescono a muoversi, i loro muscoli si indeboliscono e diminuiscono le possibilità di guarire da una grave infezione polmonare. Il dispositivo è considerato particolarmente utile per i pazienti in attesa di un trapianto di polmone, come le persone con fibrosi cistica.
"Non intendiamo ora che sarebbero in grado di lasciare l'ospedale con uno di questi sistemi", dice, "ma almeno all'interno dell'ospedale, sarebbero in grado di alzarsi e camminare."
La maledizione dei grumi
Ci sono state altre scoperte recenti nel ricreare i polmoni umani. L'anno scorso, gli scienziati del Los Alamos National Laboratory nel New Mexico hanno annunciato di aver creato un dispositivo in miniatura fatto di polimeri che funziona come un polmone ed è progettato per imitare la risposta dell'organo a farmaci, tossine e altri elementi ambientali a scopo di test.
Nella Repubblica ceca, gli scienziati dell'Università di Tecnologia di Brno hanno dichiarato di aver sviluppato una versione stampata in 3D di un polmone in grado di simulare condizioni come l'asma e altri problemi polmonari cronici e che consentirà ai medici di apportare maggiore precisione a come trattare le condizioni polmonari.
Entrambi questi progetti, tuttavia, hanno lo scopo di aiutare i ricercatori a saperne di più su condizioni e trattamenti, mentre la ricerca di Federspiel - così come il lavoro simile svolto nelle vicinanze di Pittsburgh presso la Carnegie Mellon University - è orientata maggiormente ad aiutare i pazienti a migliorare la loro prognosi a lungo termine .
Il nuovo dispositivo, quello progettato per aumentare i livelli di ossigeno nel sangue, deve supportare un flusso sanguigno più intenso rispetto alla macchina che abbassa l'anidride carbonica. Quindi, come sottolinea Federspiel, si trova ad affrontare la sfida di affrontare ciò che spesso accade al sangue quando scorre su una superficie artificiale: si coagula.
Tutto ha a che fare con il sofisticato scambio di gas che è la chiave della funzione polmonare e di come è imitato nel dispositivo. "L'unità di scambio del gas [nel dispositivo] è composta da un gran numero di tubi polimerici che hanno circa il doppio dello spessore di un capello umano", spiega. "Sono permeabili ai gas, quindi quando il sangue scorre all'esterno di questi tubi, facciamo scorrere il 100% di ossigeno attraverso l'interno dei tubi. L'ossigeno si sposta nel sangue per diffusione e l'anidride carbonica esce dal sangue nel flusso di gas che scorre attraverso il dispositivo. "
Il problema è che il sangue che passa attraverso entra in contatto con una superficie artificiale relativamente grande, aumentando la possibilità che si formino coaguli. È un grande motivo per cui non è realistico a questo punto considerare di impiantare dispositivi polmonari come questo all'interno del corpo di un paziente. Probabilmente avrebbero bisogno di essere sostituiti ogni pochi mesi.
Federspiel afferma che recentemente il suo team è stato in grado di testare il nuovo dispositivo sulle pecore per cinque giorni senza problemi. Le pecore sono usate perché i loro sistemi cardiovascolari sono simili a quelli umani. Ma lui e il suo team stanno anche lavorando con un'azienda per sviluppare rivestimenti speciali che sperano possano ridurre notevolmente la coagulazione. Ciò consentirebbe anche ai medici di ridurre significativamente il livello di farmaci anti-coagulazione che i pazienti dovrebbero assumere.
Il prossimo passo, dice, è una sperimentazione sugli animali di 30 giorni che confronterebbe i risultati dei dispositivi sia con il rivestimento che senza. Stima che i test clinici sull'uomo potrebbero essere ancora tra i quattro e i cinque anni.
Ma Federspiel non è scoraggiato dal ritmo deliberato di creazione di un dispositivo che funzioni così come il polmone umano. È ben consapevole di quanto possa essere impegnativo.
"Un polmone artificiale deve ancora funzionare come il polmone umano", afferma. "Quando parlo di questo, la prima cosa che dico è che il polmone è un organo incredibile."
