- Plastic magen die kunnen overgeven en mini-maagjes ontwikkeld met stamcellen
- Volledig kunstmatige harten maken straks een eind aan orgaanwachtlijsten
- Multifilament kunstspieren maken humanoïde robots nog levensechter
- Bionisch been voelt aan wanneer de gebruiker wil lopen, zitten of staan
- Nieuwe cochleaire implantaten geven doven een paar streepjes voor
Of je nu wel of geen fan bent van sciencefiction, cyborgs – de samensmelting van mens en technologie – spreekt bij de meeste mensen toch wel tot de verbeelding. De huidige technologische ontwikkelingen stellen ons in staat om vrijwel elk deel van het menselijk lichaam te repareren, vervangen of verbeteren, met inbegrip van magen, nieren, harten, longen, spieren, huid, ledematen, oren en ogen. Dit is niet langer sciencefiction maar echte wetenschap, met vele potentiële toepassingen, met name voor mensen met een lichamelijke beperking. In de toekomst zit er in elk menselijk lichaam minstens één, zo niet meerdere, technologische en mechanisch ontworpen onderdelen.
Hier is onze lijst van tien recente cyborg-achtige doorbraken waarmee veel levens verbeterd of zelfs gered kunnen worden. Sommige kunnen ons zelfs bovenmenselijke capaciteiten geven.
1. Plastic magen die kunnen overgeven en mini-maagjes gemaakt van stamcellen
In 2006 werd ‘s werelds eerste kunstmatige maag ontwikkeld. De glanzende, hightech box, gemaakt van geavanceerde metalen en kunststoffen die bestand zijn tegen de corrosieve enzymen en zuren van de menselijke maag, wordt gebruikt om de menselijke spijsvertering na te bootsen. Het systeem wordt ingezet om speciaal samengestelde voedingsmiddelen te ontwikkelen die obesitaspatiënten het gevoel geven dat hun maag vol is. De kunstmatige maag werd gefinancierd door de Britse overheid, ontworpen door Dr. Martin Wickham van het Norwich Institute of Food Research, en kostte ongeveer $ 1,8 miljoen.
De bovenkant van de ‘maag’ bestaat uit een trechter waarin spijsverteringsenzymen, maagzuur en voedsel worden gemengd en in een metalen buis die zich bevindt in een transparante box wordt het voedsel afgebroken. De parameters van de kunstmatige maag worden door speciale software ingesteld. Zo kan het apparaat de maag van een volwassene vertegenwoordigen, maar ook die van een kind. Bovendien kan men instellen hoeveel voedsel in welk deel van de maag blijft en de hormonale reacties in de verschillende stadia van het proces voorspellen. Wetenschappers hebben nog maar zeer beperkte kennis van wat er werkelijk gebeurt in de maag. Het doel van deze kunstmatige versie is dan ook om de chemische en fysische reacties te bestuderen die tijdens de spijsvertering plaatsvinden en inzicht te krijgen in de invloed van voedselstructuur op de spijsvertering. Als we begrijpen hoe voedsel in de maag wordt verteerd en welk deel van het orgaan verantwoordelijk is voor de opname van nutriënten, zijn we in staat om voedsel te ontwikkelen dat het verteringsproces kan manipuleren. Als we kunnen zien hoe snel glucose wordt opgenomen in de bloedbaan zouden we diabetes bijvoorbeeld beter kunnen behandelen. De kunstmatige maag kan ongeveer 700 ml voedsel ‘consumeren’, en de meest ‘volwaardige maaltijd’ tot nu toe was tomatensoep. “De kunstmatige maag is zo realistisch dat het ding zelfs kan overgeven”, zei Wickam.
Vorig jaar zijn er ook grote vorderingen gemaakt met stamceltechnologie. Men slaagde erin om met behulp van clusters menselijk maagweefsel zogenaamde mini-maagjes te ontwikkelen. Met deze mini-orgaantjes of organoids kan men nieuw onderzoek doen naar diabetes, maagzweren en kanker. Jim Wells, een onderzoeker in de ontwikkelingsbiologie aan het Cincinnati Children’s Hospital Medical Center zei: “Tot voor kort hadden we geen goede manier om maagaandoeningen te bestuderen. De menselijke maag is zeer verschillend van dierlijke magen. Maar nu, met deze ‘pluripotente’ stamcellen, kunnen we zelfs transplantatieweefsel kweken. De uitdaging was om de cellen te laten ‘differentiëren’, met andere woorden, om ze te veranderen in orgaan-specifieke cellen.” Met dit nieuwe onderzoek is men erin geslaagd om de chemische stappen tijdens de celontwikkeling te identificeren. Nu kan men zien op welk moment de cellen veranderen in soorten die specifieke organen vormen, in dit geval de maag. Hoewel nog in de vroege stadia van ontwikkeling kunnen deze maag-organoids in de toekomst zorgen voor vervangend weefsel of zelfs gebruikt worden om volledige magen te creëren. Op dit moment zijn de organoids echter het perfecte testbed voor het bestuderen van ziekten.
2. De waterloze, bloedloze AWAK kunstnier
De AWAK, of ‘A Wearable Artificial Kidney’, is gepatenteerde ‘sorbenstechnologie’ waarmee dialyse als het ware gerevolutioneerd wordt. Het apparaat werd ontwikkeld door een team van wetenschappers van AWAK Technologies, een bedrijf in de medische technologie dat zich toelegt op het transformeren van de levens van nierpatiënten. De AWAK maakt dialyse mogelijk zonder dat patiënt naar het ziekenhuis hoeft. Het apparaat weegt slechts 1 kg, kan in een soort houdertje meegedragen worden en werkt dag en nacht, waardoor patiënten een veel normaler leven kunnen leiden en zelfs deel kunnen nemen aan allerlei (sport)activiteiten. Het concept van de AWAK is gebaseerd op de peritoneale dialyse behandelmethode; het reinigingsproces dat gebruik maakt van het buikvlies. Aangezien voor deze dialysemethode geen externe bloedcirculatie nodig is, is het voor de patiënt zeer veilig. De kunstnier is ‘waterloos’ en ‘bloedloos’ en functioneert door verbruikt dialysaat steeds weer opnieuw te gebruiken, zodat het apparaat niet afhankelijk is van externe vloeistoftoevoer. Dit maakt de kunstnier tot een echte ‘wearable’, waardoor de patiënt meer bewegingsvrijheid krijgt en daardoor een betere levenskwaliteit.
3. Volledig kunstmatige harten maken straks een eind aan orgaanwachtlijsten
Biomedische ingenieurs zijn er onlangs in geslaagd om een mechanische versie te creëren van die onvermoeibaar werkende spier in onze borstkas die 100.000 keer per dag klopt en het bloed in ons lichaam rondpompt. Onderzoekers hebben sinds de jaren vijftig al diverse pogingen gedaan om een kunstmatig hart te creëren, maar tot op heden zijn die pogingen onsuccesvol gebleken. Nu zijn twee verschillende bedrijven er pasgeleden in geslaagd kunstmatige harten te creëren die grootschalig klinisch onderzoek en dierproeven hebben doorstaan en klaar zijn voor menselijk gebruik. Deze baanbrekende technologie zou korte metten kunnen maken met de lange orgaanwachtlijsten en kunnen voorkomen dat er nog meer hartpatiënten sterven in afwachting van een donorhart.
SynCardia
Het kunsthart van het in Arizona gevestigde SynCardia Systems bestaat uit twee plastic kamers, die elk gescheiden worden door een membraan waarvan zich aan de ene kant bloed en de andere kant lucht bevindt. De lucht wordt door middel van een 6-kg luchtcompressor en buizen in de buik in de hartkamers geblazen. Dit drukt op de membranen en stuwt het bloed aan de andere kant voort. Het kunstmatige hart is in de VS al goedgekeurd voor gebruik als tijdelijke oplossing voor patiënten die op een donorhart wachten. Het bedrijf doet momenteel klinische proeven met patiënten om de kunstmatige harten voor permanent gebruik te testen. CEO Michael Garippa zegt dat meer dan 1.600 tijdelijke plaatsingen van de kunstmatige harten hebben bewezen dat ze veilig zijn, hoewel de compressor erg luidruchtig is. “We hebben het hier zeker niet over een normaal leven, maar het is wel een verbetering in vergelijking met wat patiënten met hartfalen tot nu toe hebben meegemaakt,” zegt Garippa.
Carmat
Vergeleken bij het hart van SynCardia is het Carmat-systeem van het in Frankrijk gevestigde, gelijknamige bedrijf volledig geruisloos, aldus chief medical officer, Piet Jansen. Net als de SynCardia heeft de Carmat ook twee kunstmatige kamers met membranen die het bloed voortstuwen. Maar in plaats van perslucht maakt de Carmat gebruik van hydraulisch fluïdum in een geïmplanteerde pomp. Het Carmat hart zelf is complexer, groter en zwaarder dan de SynCardia. Ook moet het systeem via draden uit de hals van de patiënt aangesloten worden op een accu. De microprocessor van het apparaat kan echter dankzij ingebouwde sensoren wel de juiste hartslag berekenen, afhankelijk van de mate van inspanning van de patiënt, iets waar de ontwikkelaars trots op zijn. De eerste haalbaarheidsstudie – waarin twee van de vier patiënten die het hart probeerden stierven – was echter niet erg succesvol. Wel waren de patiënten in kwestie al ernstig ziek voordat ze het kunsthart kregen. Wat er tijdens de studie gebeurde werd dan ook toegeschreven aan een falen van het lichaam, in plaats van een falen van het kunsthart. Een belangrijke klinische studie werd onlangs goedgekeurd door de Europese regelgevers en Carmat hoopt voor het eind van het jaar ongeveer twintig apparaten voor permanent gebruik te kunnen implanteren.
4. Deze kunstlongen draag je in je rugzak
Een ander apparaat dat het leven van mensen met een ernstige of levensbedreigende aandoening kan redden is de kunstlong. Dit apparaat is klein genoeg om in een rugzak te passen en heeft tijdens proeven bij schapen zijn staat van dienst al bewezen. Patiënten met longfalen zijn vaak aan bed gekluisterd en aan grote machines met allerlei buizen gekoppeld die het bloed via een warmtewisselaar rondpompen, het van zuurstof voorzien en de kooldioxide eruit filteren. Kunstlongen zouden een goede oplossing kunnen zijn voor mensen die wachten op donorlongen. Helaas zijn ze veel ingewikkelder om te maken dan een kunsthart. William Federspiel van de Universiteit van Pittsburgh zegt: “Een hart is gewoon een pomp. De longen, daarentegen, bevatten een ingewikkeld en zeer efficiënt netwerk van luchtzakken waardoor lucht in en uit het bloed diffundeert. Er is geen enkele technologie die dit proces zo efficiënt kan nabootsen. Dan is er nog het feit dat het bloed door de warmtewisselaar moet stromen, waar een pomp voor nodig is.” Federspiel’s team is er echter in geslaagd om een kunstlong te ontwikkelen waarin de warmtewisselaar met de pomp wordt gecombineerd.
5. Multifilament kunstspieren maken humanoïde robots nog levensechter
Onderzoekers houden zich niet alleen bezig met het creëren van kunstmatige lichaamsdelen voor de mens, ze laten zich voor de ontwikkeling van robots ook door menselijke lichaamsdelen inspireren. Robots worden nu aangedreven door pneumatische zuigers en servo’s, waardoor de machines extreem zwaar en omvangrijk worden. Daardoor zullen we altijd kunnen zien dat we met een robot te maken hebben, ook al lijken ze nog zo levensecht. Als we geloofwaardige humanoïdes of Terminator-achtige robots willen ontwikkelen, moeten we iets aan deze omvangrijke spieren doen. Onderzoekers van het Robotics Laboratory van het Tokyo Institute of Technology experimenteren momenteel met nagebootste menselijke spieren. Zij creëerden hiervoor multifilament versies die kunnen uitzetten en krimpen als er een elektrische stroom wordt toegepast. Het team slaagde erin om het hoofd, de armen en de benen van een skeletmodel met deze kunstmatige spieren op een geloofwaardige ‘menselijke’ manier te laten bewegen. Ze zijn nog steeds heel wat trager dan echte spieren, wat betekent dat zelfbalanceren op dit moment nog niet tot de mogelijkheden behoort. De onderzoekers werken echter aan het verbeteren van de technologie, waardoor hyperrealistische humanoïde robots wellicht eerder realiteit worden dan we denken. En wie weet kunnen deze kunstmatige spieren op een dag ook onze eigen lichamen bovenmenselijke kracht geven.
6. Nieuwe kunstmatige huid kan net als een ratelslang warmte detecteren
Een ander belangrijk onderdeel van humanoïde robots dat wel wat verbetering kan gebruiken is de huid. Met een dunne, doorzichtige, flexibele folie, gemaakt van het plantaardige polymeer pectine (de substantie waar jam van stolt), kunnen we nu protheses en robots maken die er nog levensechter echter uitzien en aanvoelen. Een groep Zwitserse en Amerikaanse onderzoekers heeft hiermee inmiddels temperatuurgevoelige kunsthuid ontwikkeld die lichaamswarmte op een meter afstand kan detecteren, op dezelfde manier waarop sommige ratelslangen warmte detecteren door klieren met een warmtegevoelig membraan. De goedkope pectinehuid, die maar half zo dik is als een menselijke haar, kan op alle mogelijke manieren worden gebruikt. Denk aan thermische sensoren in gadgets, protheses met temperatuurterugkoppeling en robots met warmtegevoelige huid. Een van de onderzoekers zei: “het belangrijkste aspect van dit project is dat we veel leren over de fundamentele mechanismen van de natuur. Deze stellen ons in staat om materialen te creëren met extreme, ongekende eigenschappen.”
7. Bionisch been voelt aan wanneer de gebruiker wil lopen, zitten of staan
In 2015 introduceerde de prothesespecialist Blatchford de allereerste geïntegreerde gerobotiseerde beenprothese die zich ‘gedraagt’ als een echt menselijk been, en startte hiermee de ‘next generation’ van protheses. Het been, de Linx, won de Royal Academy of Engineering 2016 MacRobert Award voor innovatie in techniek. Sinds de release van de Linx heeft het bedrijf er wereldwijd al honderden verkocht, met Duitsland en de Verenigde Staten als belangrijkste markten. De knie en voet van de Linx werken net zo samen als bij een menselijk been. De prothese heeft een reeks sensoren die voortdurend gegevens verzamelen over de omgeving waarin de gebruiker staat, zit of loopt. Deze informatie wordt door processoren verwerkt, waarna de speciaal ontwikkelde software ervoor zorgt dat de knie en de voet zich aan het terrein kunnen aanpassen. De twee gewrichten staan dus continu met elkaar in contact. De Linx detecteert wanneer de drager stilstaat en vergrendelt vervolgens automatisch de gewrichten. Wanneer de gebruiker weer aanstalten maakt om te gaan lopen, geven sensoren aan dat de gewrichten weer ontgrendeld moeten worden. Het afstemmen van de instellingen wordt vergemakkelijkt door een Bluetoothverbinding tussen de prothese en een mobiel apparaat zoals een smartphone of tablet.
8. Meer bewegingsvrijheid met hersengestuurde bionische arm
Na jaren van onderzoek is de door DARPA gefinancierde prothetische LUKE arm (Life Under Kinetic Evolution) eindelijk op de markt gebracht. De LUKE is vernoemd naar Luke Skywalker uit Star Wars films, die een robotarm had. De prothese wordt bestuurd door hersenimplantaten met sensoren en zendt elektrische impulsen naar de sensorische cortex om de tastzin van de gebruiker te herstellen. Wanneer de gebruiker de arm buigt of strekt verandert de positie en de grip van de prothese. Dit is een hele vooruitgang vergeleken bij andere prothetische armen die handmatig door de gebruiker worden ingesteld, of via knoppen of schakelaars. Ook geeft de LUKE de gebruiker veel meer bewegingsvrijheid en flexibiliteit. De vier motoren in de hand en vingers geven de gebruiker feedback over hoe hard ze iets vastpakken, waardoor ze alles kunnen vasthouden, van een ei tot een glas water. Ook kunnen ze daarmee sloten openen, hun haar kammen en kleine voorwerpen oppakken. Doordat de pols, elleboog en schouder individueel aangedreven worden, kan de gebruiker zelfs achter zijn rug of boven zijn hoofd reiken.
9. Nieuwe cochleaire implantaten geven doven een paar streepjes voor
In tegenstelling tot ‘gewone’ hoortoestellen, omzeilen cochleaire implantaten de beschadigde delen van het binnenoor en stimuleren ze de gehoorzenuwen direct met elektrische signalen in plaats van met trillingen of geluidsgolven. Het cochleaire implantaatsysteem Nucleus 6 bestaat uit een chirurgisch geplaatste unit onder de huid en een draadloze geluidsprocessor die achter het oor geplaatst wordt. De microfoon van de processor zet geluiden om in digitale informatie die naar het implantaat verzonden wordt. Het implantaat stuurt vervolgens elektrische signalen naar het slakkenhuis waar de gehoorzenuwvezels ze doorsturen naar de hersenen. Daar worden ze uiteindelijk omgezet in geluid. Met de Cochlear Nucleus hebben doven en slechthorenden nu een voorsprong op horenden. Het hightech systeem maakt het namelijk mogelijk om volume-instellingen, geluidsfilters en gevoeligheidsniveau met afstandsbediening te regelen zodat ze de geluidsprocessor zelf niet hoeven aan te raken. Dankzij de Cochlear Nucleus 6 kan de stille wereld van doven en slechthorenden nu worden gevuld met een groot aantal mogelijkheden.
10. Bionisch oogimplantaat laat blinden weer zien
Tijdens het Orion 1-programma van het bedrijf Second Sight Medical maakten wetenschappers vorig jaar belangrijke doorbraken. Ze slaagden erin om iemand die al jaren blind was weer te laten zien. Via een bionisch implantaat – de Orion 1 visuele cortex prothese-eenheid – dat rechtstreeks met de hersenen in verbinding staat, kon de patiënt door een computer gegenereerde vormen en kleuren zien bestaande uit lijnen, vlekken en kleurflitsen. Deze eerste experimenten met het implantaat werden uitgevoerd door neurochirurgen van de Universiteit van California in Los Angeles (UCLA), onder leiding van Dr. Nader Pouratian. Volgens Second Sight Medical voorzitter Robert Greenberg, omzeilt het bionische oogsysteem de oogzenuw en stimuleert het in plaats daarvan direct de visuele cortex van de hersenen. Het systeem is ontworpen voor mensen die volledig blind zijn geworden als gevolg van glaucoom, diabetische retinopathie, kanker of letsel. Het op deze manier stimuleren van de visuele cortex kan de onafhankelijkheid en de levenskwaliteit van blinden en slechtzienden sterk verbeteren. Second Sight kijkt uit naar de eerste klinische testen van het volledige Orion I-systeem, dat ook is voorzien van een camera en een bril. Het is een veelbelovende technologie voor de bijna zes miljoen blinde mensen in de wereld die geen kandidaat zijn voor de Argus II netvliesprothese (ook van Second Sight), die alleen bij patiënten met retinitis pigmentosa het zicht kan herstellen.
Slechts het topje van de cyberg
De doorbraken die we in dit artikel hebben besproken zijn maar een zeer kleine greep uit de cyborg-achtige technologieën die elke dag ontwikkeld worden. Sommige moeten nog uitgebreid getest worden, FDA-goedkeuring krijgen of eerst nog volledig geïntegreerd worden in bestaande systemen en procedures. Maar één ding is zeker: de technologie blíjft ons nieuwe manieren bieden om levens te redden of de kwaliteit ervan te verbeteren. Ooit, of we het nu zelf meemaken of onze kinderen of kleinkinderen, worden we allemaal een soort van cyborg. Wacht maar af.
