Фабрика по производству органов: насколько продвинулась медицинская бионика

Фабрика по производству органов: насколько продвинулась медицинская бионика

25 Jun 2021
117
Прослушать

Ожидается, что мировой рынок носимых искусственных органов вырастет с 5,8 млрд долларов США в 2020 году до 17,46 млрд к 2027 году, при среднегодовом показателе 16,9% в течение прогнозируемого периода. Такие данные приводит UnivDatos Market Insights (UMI). Что происходит в области медицинской бионики, — этой теме посвящен сегодняшний обзор evercare.ru.

Откуда пошла бионика

Медицинская бионика — это междисциплинарная область исследований, объединяющая биологию и электронику для разработки имплантируемых и носимых устройств, предназначенных для обеспечения долгосрочной безопасной и эффективной сенсорной или двигательной функции после повреждения нервной или мышечной ткани.

Термин «bionic» придумал в 1958 году американский врач и военный Джек Стил. Слово образовано от древнегреческого «bios» и суффикса «-ic» — «единица жизни». Стил исследовал сложные природные процессы и структуры, после чего пытался перенести их полезные функции в технические разработки для Минобороны США. Именно его работы по бионике, а также исследования по кибернетике вдохновили писателя-фантаста и авиационного эксперта Мартина Кейдина на написание романа «Киборг». Это история о человеке, чьи органы после повреждения заменяют механическими приборами. Главному герою пересаживают несколько ног и рук и вставляют механический глаз. В 1972 году это казалось фантастикой, но сегодня медицинская бионика — это реальность. 

Как отмечается в докладе UMI, в настоящее время разрабатывается множество бионических устройств. Это протезы сетчатки для обеспечения визуальных сигналов для слепых; экзоскелеты, помогающие парализованным, обездвиженным или просто ослабленным людям стоять и ходить, вестибулярные протезы для оказания помощи пациентам с тяжелыми нарушениями равновесия, устройства записи/обратной связи, такие как интерфейсы мозг-компьютер, искусственные конечности.

Самые перспективные сегменты

Почти 466 млн человек во всем мире страдают от потери слуха, 34 млн из них — дети. По прогнозам экспертов, к 2050 году на Земле будет проживать более 900 млн глухих людей. А потому спрос на «искусственное ухо» велик. В 2020 году на долю кохлеарных имплантатов приходилась максимальная доля выручки рынка искусственных органов в 34,7%, и ожидается, что в течение анализируемого периода они будут оставаться доминирующими. 

В прогнозе отмечается, что с самым высоким средним показателем в течение прогнозируемого периода будет расти сегмент почек. Он достигнет объема в 6,2 млрд долларов.

По оценкам экспертов, 2 млн пациентов во всем мире страдают от почечной недостаточности, и число пациентов с диагнозом этого заболевания продолжает расти со скоростью 5-7% в год. Тайвань, Япония, Мексика, США и Бельгия в настоящее время имеют самую высокую распространенность почечной недостаточности. Наиболее эффективным вариантом лечения терминальной стадии органной недостаточности, в том числе с экономической точки зрения, остается донорство и трансплантация органов. Однако нехватка органов, религиозные ограничения, стигма создают серьезные препятствия для донорства органов. Пока пациенты донорской почки ждут донора, единственным спасением для них является диализ. 

Спрос на компактные, мобильные устройства для проведения диализа сформировал новый рынок — искусственной почки, который стабильно растет из года в год. Недавно один из его игроков компания Wearable Artificial Organs Inc. объявила о том, что Патентное ведомство США одобрило патент № 10 933 183 на новую версию их диализного аппарата WAK. Оно намного легче и меньше, чем его предшественники: весит 900 г и питается от аккумулятора. Миниатюрная носимая искусственная почка повысит автономность пациента и потенциально улучшит качество жизни и снизит смертность, считают разработчики.

Лидеры рынка

Среди тех, кто задает тон на бионическом рынке, — компания Medtronic. В ее портфеле большое множество продуктов, включая систему искусственного кровообращения, искусственную поджелудочную железу, сочетающую инсулиновую помпу и систему непрерывного мониторинга уровня сахара, и др. Кстати, искусственную поджелудочную железу именно этого бренда будет предоставлять Национальная служба здравоохранения Англии (NHS England) пациентам с диабетом 1 типа в рамках пилотного исследования технологии. Их получат 1000 пациентов примерно в 25 специализированных центрах по всей Англии. 

В числе лидеров и компания Second Sight, которая специализируется на бионических глазах,  MED-EL MED-EL — специалист в области инновационных решений для слуха, Ekso Bionics, чья специализация экзоскелеты.

Ежегодно 55,9 млн человек страдают от приобретенной черепно-мозговой травмы, 15 млн страдают от инсульта и до 500 тыс. человек — от травмы спинного мозга. Многие из этих людей сохраняют ограниченную подвижность или одну из форм паралича. В компании Ekso Bionics решили решить эту проблему при помощи роботизированных экзоскелетов. Человек получит более широкий диапазон движений и функций в суставах, которые раньше ему были недоступны.

Компания Lockheed Martin в первую очередь обслуживает Минобороны США, поэтому она делает ставку на повышение выносливости и безопасности, уделяя основное внимание силовым экзоскелетам. Ее новый экзоскелет нижней части тела ONYX продемонстрировал свою способность повышать мобильность и снижать усталость пользователей, указано на сайте разработчика. Сокращая усилия при ходьбе и лазании, эта технология может помочь солдатам и сотрудникам служб быстрого реагирования пройти лишнюю милю, неся необходимое для выполнения миссии оборудование.

Их экзоскелет ONYX повышает силу и выносливость при переноске тяжелых грузов на расстояние, обеспечивает лучшую управляемость и поддержку тяжелого вооружения, снижает метаболические затраты на транспортировку для повышения выносливости и снижения усталости, повышает способность преодолевать лестницы, уклоны и пересеченную местность, особенно с нагрузкой, уменьшает нагрузку на мышцы ног, помогает равномерно распределить вес, чтобы избежать перенапряжения и травм.

Touch Bionics — создатель бионической руки i-limb. У протеза тонкие пальцы, каждый из которых выдерживает вес до 25 кг и двигается отдельно от остальных при помощи специальных моторов. Благодаря этому человек может взаимодействовать с мелкими предметами. I-limb настраивается через мобильные приложения: с их помощью можно конфигурировать пальцы на одну из 36 различных схем захвата, что позволяет получить необходимую конфигурацию руки для конкретной задачи — от завязывания бантика до работы с компьютерной мышью. Стоимость протеза i-limb варьируется от 60 до 120 тыс. долларов.

Кожа для протеза

Роботы и протезы конечностей не травмируются и не чувствуют боли, что может привести к дальнейшим «травмам» устройства, поскольку пользователь не осознает, что его бионическая конечность повреждена. Некоторые устройства используют электронные оболочки, но они не всегда имеют биосовместимые электрические проводники, что ограничивает их использование для протезирования.

Для решения этих проблем китайские ученые разработали новый, ионно-проводящий материал, который, по их словам, улучшит характеристики протезных устройств и робототехники. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces. 

Новый ионный органогидрогель содержит молекулу спиропиран. При механическом воздействии он меняет цвет от бледно-желтого до голубовато-фиолетового. Специальный гель стал основной искусственной кожи под названием I-skin. Ее уже протестировали, прикрепляя к различным частям тела добровольцев — пальцам, рукам и коленям.

В ходе экспериментов ученые показали, что их I-skin изгибается и растягивается без «синяков». А вот сильные и повторяющиеся нажатия, удары и защемления действительно изменили цвет материала: фиолетовый оставался на поверхности искусственной кожи от двух до пяти часов, прежде чем она вернулась к своему первоначальному цвету.

Электронный «инкубатор»

Искусственная утроба в обзоре рынка UMI не упоминается, даже в качестве перспективной разработки. Во многом это объясняется тем, что исследований искусственной матки с участием человека еще не проводилось. Пока ученые экспериментируют с животными.

Например, в Австралии создали искусственные матки, которые могут поддерживать ягнят, которые по уровню развития эквивалентны 24-недельному человеческому плоду. По словам Мэтта Кемпа, руководителя лаборатории перинатальных исследований Австралийского фонда исследований женщин и младенцев, искусственная матка похожа на бурдюк. Но вместо вина в пакете содержится жидкость, имитирующая околоплодные воды, а также безволосый розовый плод ягненка размером примерно в половину смартфона с трубками, подсоединенными к его пуповине.

Хотя установка может показаться странной и футуристичной, «по сути, все, что вы делаете, — это насыщаете кислородом очень маленький плод», говорит Кемп. Внутриутробно сердце плода перекачивает дезоксигенированную кровь в плаценту через пуповину. Пока кровь плода находится в плаценте, она забирает кислород из крови родителя. Вновь насыщенная кислородом кровь плода затем возвращается через пуповину к плоду.

Если плод рождается слишком рано, его маленькие легкие еще не способны поглощать кислород из воздуха. Вот где когда-нибудь могут пригодиться искусственные матки. У ягнят эта технология смогла сохранить плод живым на рискованной стадии развития, когда легкие еще недостаточно окрепли, чтобы перейти на искусственную вентиляцию легких — это соответствует 23-24 неделе у людей.

Команда Джейкоба Ханны из Израильского института Вейцмана работает с мышами и сосредоточена на самых ранних стадиях эмбрионального развития. В марте 2021 года ученые объявили, что вырастили мышиные эмбрионы примерно на трети срока беременности вне матки, пишет Discover Magazine. Оба научных коллектива убеждены, что человечество еще далеко до того, чтобы освободить женщин от всех прелестей беременности и использовать «инкубатор» для продолжения собственного рода.

Текст подготовила Екатерина Погонцева