Neues Gerät könnte eine sicherere Alternative zu Lungenbeatmungsgeräten sein

Eine neue Technologie, die wichtige Merkmale von Strukturen in der Lunge nachbildet, könnte schließlich eine sicherere Alternative zu bestimmten Arten von Beatmungs- und Herzgeräten sein, die zur Behandlung von Menschen verwendet werden, deren Lungen aufgrund von Krankheiten oder Verletzungen versagen.

Dunkelrotes Blut fließt in das Gerät, tauscht dort Kohlendioxid gegen Sauerstoff und tritt auf der anderen Seite deutlich heller aus.

Durch die Verwendung von Fertigungstechniken, die ursprünglich zur Herstellung von Computerchips entwickelt wurden, haben Biomediziningenieure in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte bei der Nachahmung der Mechanismen bestimmter Organsysteme gemacht, deren gesunde Funktionalität von sehr genauen chemischen und physikalischen Bedingungen abhängt. Blut zum Beispiel ist extrem empfindlich gegenüber anderen Umgebungen als denen, denen es in gesunden lebenden Systemen begegnet. Jetzt Ingenieure bei Draper-Labor sagen, dass sie eine neue Lungentherapie entwickelt haben, die aus winzigen Kanälen besteht, die in ein biokompatibles Polymer geformt sind, das in der Lage ist, hohe Blutflussraten zu bewältigen. Wenn die Dinge nach Plan verlaufen, wird die Therapie viel sicherer sein als die heute verwendeten.

Schwerkranke Menschen leiden häufig unter dem akuten Atemnotsyndrom (ARDS), bei dem sich Flüssigkeit in der Lunge ansammelt und den normalen Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid verhindert. Die mechanische Beatmung der Lunge, die am häufigsten verwendete Therapie für solche Patienten, ist vergleichbar damit, jemanden zu bitten, einen gebrochenen Arm zu trainieren, sagt Jeff Borenstein, der das mikrofluidische Lungenprojekt bei Draper leitet. Bei der invasiven Therapie werden hohe Sauerstoffkonzentrationen mit hohem Druck in die Lunge gepresst und das erkrankte oder beschädigte Gewebe kann nicht heilen, sagt er. Schlimmer noch, es führt häufig zu schwerwiegenden Komplikationen, einschließlich Lungengewebetoxizität und Lungenentzündung.

Eine Alternative zur mechanischen Beatmung ist die extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO), bei der dem Patienten Blut entnommen und durch ein Gerät geleitet wird, das Kohlendioxid entfernt und Sauerstoff hinzufügt, bevor das Blut in den Körper des Patienten zurückgeführt wird. Traditionell wurde ECMO hauptsächlich als lebensrettende Maßnahme eingesetzt, wenn eine mechanische Beatmung nicht funktioniert oder unmöglich ist, und wird häufiger bei Kindern angewendet. Die heutigen ECMO-Maschinen, bei denen Blut über ein Bündel poröser Fasern fließt, durch die Sauerstoff gepumpt wird, sind kompliziert und erfordern spezielles Fachwissen für den Betrieb. Blut neigt im Gerät zur Gerinnung, was der Umgebung in der Lunge sehr unähnlich ist, sodass Patienten große Dosen gerinnungshemmender Medikamente einnehmen müssen. Dies kann zu anderen gefährlichen Komplikationen wie Blutungen im Gehirn oder im Magen-Darm-System führen.

Das neue mikrofluidische Gerät, das einfacher im Design ist und dem fließenden Blut eine Umgebung bietet, die der Umgebung ähnelt, auf die es in der Lunge trifft, könnte im Wesentlichen die Eingeweide herkömmlicher ECMO-Maschinen ersetzen, sagt David O'Dowd, Programmmanager für biomedizinische Systeme bei Draper . Wenn die Dinge wie geplant verlaufen, wird es in zwei Jahren für Tierversuche und in drei Jahren für Tests am Menschen bereit sein, sagt er.

Durch Stapeln von Schichten aus biokompatiblem Kunststoff mit auf ihrer Oberfläche gemusterten Mikrokanälen hat Borensteins Team eine dreidimensionale Verzweigungsstruktur aufgebaut, in der sich größere Kanäle allmählich in kleinere verzweigen, ähnlich wie sich größere Blutgefäße in Kapillaren verzweigen.

Andere Forschungsgruppen verfolgen ebenfalls mikrofluidische Gasaustauschtechnologien, aber Borenstein sagt, dass das Gerät seines Teams einzigartig in dem Grad ist, in dem es das tatsächliche biologische System nachahmt – etwas, das durch die proprietären Methoden ermöglicht wird, die die Gruppe verwendet, um die 3-D-Verzweigung zu erreichen . Während das Blut durch das Gerät fließt, ist es viel unwahrscheinlicher als in einer ECMO-Maschine, dass es glaubt, es sollte gerinnen, sagt Borenstein. Es bringt auch Sauerstoff und Blut näher zusammen, was einen effizienteren Gasaustausch im Vergleich zu herkömmlicher ECMO ermöglicht.

Dieses einzigartige Design hat es dem Team laut Borenstein ermöglicht, Blutflussraten zu erreichen, die mindestens zehnmal schneller sind als konkurrierende mikrofluidische Technologien. Kürzlich demonstrierte die Gruppe eine Flussrate von 100 Millilitern pro Minute mit Rinderblut. Jetzt besteht das Ziel darin, es so zu vergrößern, dass es Liter Blut pro Minute verarbeiten kann, ohne die Eigenschaften zu opfern, die das Gerinnungsrisiko reduzieren.

Da ein solches Gerät einfacher und effizienter wäre und die Patienten nicht viele Blutverdünner einnehmen müssten, könnte es für den Langzeitgebrauch viel sicherer sein als die heutigen ECMO-Geräte, sagt er Philipp Camp , ein Herz-Thorax-Chirurg am Brigham and Women’s Hospital in Boston, der mechanische Unterstützungssysteme für Patienten mit Herz- oder Lungenversagen erforscht. Dies könnte besonders nützlich sein, um Menschen bei Schüben häufiger chronischer Lungenerkrankungen wie der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) zu helfen. Wenn die Technologie erfolgreich skaliert und kommerzialisiert werden kann, hat sie das Potenzial, die Art und Weise zu revolutionieren, wie wir uns um Menschen mit akutem Lungenversagen kümmern.

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