- Hightech protheses vervangen ontbrekende ledematen
- Kunstoog bootst de structuur van het menselijk oog na
- In- en uitwendige oorprotheses
- Onderzoekers ontwikkelen slim sensorisch huidsysteem en organoïde huid van stamcellen
- Kunstthymus helpt infecties en kankercellen te elimineren
- Kunstbaarmoeders bieden te vroeg geboren baby’s betere overlevingskans
- Kunstmatige eierstokken geven kankerpatiënten vruchtbaarheid terug
- Kan een kunsthart je ‘afstandelijk’ maken?
- Bio-kunstlever biedt betere overlevingskansen
- Kunstlongen nemen de ademhaling over
- Kunstmatig maagdarmkanaal maakt beter onderzoek mogelijk
- Bionische alvleesklier neemt diabetesmanagement over
- Bio-kunstnieren werken beter dan dialysebehandeling
- Neuralink start menselijke proeven met hersenimplantaten
Met body-tech of ‘lichaamstechnologie’ kunnen we onze zieke, versleten of ‘kapotte’ lichaamsdelen herstellen of vervangen en gezonde lichaamsdelen zelfs verbeteren, waardoor we een steeds hogere levensverwachting krijgen. Kunstmatige lichaamsdelen die in hightech-laboratoria worden gemaakt en in het menselijk lichaam worden getransplanteerd, bestaan al een aantal jaren. Maar recente ontwikkelingen in de medische technologie hebben geleid tot een explosie van innovatie op dit steeds belangrijker wordende gebied, zoals vervangende organen en prothetische ledematen. “Dankzij ons vermogen om het menselijk lichaam met behulp van geavanceerde technologie en (bio)-kunstmatige lichaamsdelen te repareren of verbeteren, hebben we eindelijk het punt bereikt waarop we steeds meer levens kunnen redden en in de toekomst mogelijk zelfs onsterfelijk worden,” vertelt trendwatcher en futurist Richard van Hooijdonk.
LEDEMATEN
Hightech protheses vervangen ontbrekende ledematen
Elk jaar verliezen een miljoen mensen wereldwijd (de functie van) een ledemaat. Om dat nog concreter te maken: dat staat gelijk aan elke dertig seconden een amputatie. De waarde van de markt voor kunstledematen zal naar verwachting aanzienlijk groeien, en deze stijging wordt veroorzaakt door een wereldwijde toename van het aantal gevallen van kanker, diabetes en vaatziekten en ongevallen. De controle verliezen over een been, voet, hand of een andere ledemaat betekent vaak dat je leven volledig verandert en je manieren moet vinden om je aan de nieuwe situatie aan te passen. Alleen al in Amerika leven ongeveer 2 miljoen mensen met amputaties, waarvan er jaarlijks ongeveer 190.000 worden uitgevoerd. Met behulp van protheses kunnen vele dagelijkse activiteiten – zoals eten, lopen en aankleden – echter enigszins of zelfs volledig zelfstandig worden hervat.
Volgens György Lévay, onderzoeksmanager bij Infinite Biomedical Technologies, zal de toekomst van protheses steeds meer lijken op science fiction, met AI-aangedreven en zelfs hersengestuurde protheses. “Hoe dan ook zal AI in de toekomst een steeds belangrijker onderdeel worden van geavanceerde protheses. Voor het verwerken van de hoeveelheid gegevens die tussen onze hersenen en ledematen uitgewisseld worden, zijn naarmate de technologie vordert steeds slimmere algoritmen nodig”, vertelt Lévay. Bionische ledematen – kunstledematen die signalen van de spieren van de gebruiker of elektrische signalen van de hersenen en zenuwen gebruiken om te bewegen – zorgen voor aanmerkelijke verbeteringen in de mobiliteit en worden meer ervaren als een echt onderdeel van het lichaam. Ze kunnen echter ook problemen veroorzaken, zoals implantaatbreuken, infectie, implantaatinstabiliteit of botbreuken.
OGEN
Kunstoog bootst de structuur van het menselijk oog na
Zhiyong Fan, ingenieur aan de Hong Kong University of Science and Technology, heeft een nieuw kunstoog-prototype ontwikkeld. Het kunstoog kan niet alleen worden gebruikt voor protheses die het zicht verbeteren maar ook voor humanoïde robots, en brengt cyborgs een stap dichter bij de werkelijkheid. “Na het zien van sci-fi-series als Star Trek en I, Robot, kreeg ik het idee om een ’supermenselijk oog’ te maken dat zowel in humanoïde robots als voor visueel gehandicapten kan worden gebruikt”, vertelt Fan. Het apparaat bootst de structuur van een echt oog na en heeft, vergeleken met het menselijk oog, een nog snellere reactietijd, is bijna net zo lichtgevoelig en kan ook bij weinig licht bijna net zo goed ‘zien’. Het kunstoog registreert lichtveranderingen binnen 40 milliseconden, in tegenstelling tot het menselijk oog, dat daar tot 150 milliseconden over doet. De beelden die het kunstoog produceert zijn bovendien duidelijker en contrastrijker dan die van een platte beeldsensor met een vergelijkbaar aantal pixels. Het kunstoog heeft zelfs geen dode hoek en kan bovendien een uitgebreider spectrum aan golflengten opvangen. In de toekomst hoopt Fan, in samenwerking met medisch onderzoekers en op basis van het ontwerp van zijn team, oogbolprotheses te kunnen ontwikkelen. “Het resulterende biomimetische oogprototype heeft 30 keer meer sensoren op het kunstmatige netvlies dan het menselijke oog. Deze supermenselijke oogtechnologie met zijn hoge beeldresolutie kan in medische robots geïntegreerd worden om voor patiënten te zorgen. Zodra we biocompatibele materialen vinden zal de technologie zelfs geschikt zijn voor blinden en slechtzienden,” vertelt Fan.
En hoewel het oog nu al behoorlijk indrukwekkend is, is er nog veel werk aan de winkel. Jessy Dorn, vice-president klinische en wetenschappelijke zaken bij biomedisch bedrijf Second Sight, die werkt aan netvliesprothesen als de Argus II, wijst erop dat het ontwikkelen van de elektronische interface van Fan slechts de eerste stap is. Ze vertelt dat de auteurs van het onderzoek “niets vermelden over hoe het oog aan het menselijke visuele systeem gekoppeld kan worden. Om beelden te kunnen produceren zal zo’n apparaat met het menselijk brein moeten kunnen communiceren. Dat is een van de grotere uitdagingen, hoe je een interface met hoge resolutie veilig en betrouwbaar kunt implanteren en vervolgens met het menselijke visuele systeem kunt laten samenwerken”.
OREN
In- en uitwendige oorprotheses
Voor veel mensen die aan ernstig gehoorverlies lijden of zelfs volledig doof zijn, kunnen cochleaire implantaten het leven aanzienlijk verbeteren. Deze implantaten omzeilen de beschadigde delen van het oor, stimuleren direct de gehoorzenuw en produceren door middel van een microfoon en elektronica achter het oor een soort van geluid. De signalen die het implantaat genereert worden via de gehoorzenuw naar de hersenen gestuurd, waar ze als geluid worden herkend. Hoewel horen via een cochleair implantaat even wennen is – aangezien dit niet hetzelfde is als normaal horen – biedt het doven en slechthorenden wel mogelijkheden om spraak en verschillende andere geluiden in hun omgeving te verstaan.
En bij uitwendig oortrauma, bijvoorbeeld als gevolg van een ongeval of microtie (een aangeboren afwijking waarbij het uitwendige oor zich niet volledig ontwikkelt), kan een craniofaciale prothese uitkomst bieden. Een team van wetenschappers van het Massachusetts General Hospital, onder leiding van Thomas Cervantes en bijgestaan door een plastisch chirurg, hebben zo’n kunstoor gecreëerd. Het kunstoor is met behulp van een 3D-printer en met het kraakbeen van schapenoren als ‘inkt’ gemaakt en lijkt precies op een menselijk oor. “De technologie wordt nu ontwikkeld voor klinische proeven en daarom hebben we de prominente kenmerken van het framewerk van het oor opgeschaald en opnieuw ontworpen. Het heeft daardoor de vorm en grootte van een volwassen menselijk oor, zodat het esthetische uiterlijk na implantatie behouden wordt”, aldus de onderzoekers. De ontwikkeling van deze uitwendige oorprothese is een belangrijke stap voorwaarts in de behandeling van microtie.
HUID
Onderzoekers ontwikkelen slim sensorisch huidsysteem en organoïde huid van stamcellen
Het meeste succes dat we tot nu toe hebben gehad met kunsthuid is de productie van de opperhuid, de buitenste van de drie lagen waaruit onze huid bestaat. De binnenste lagen bestaan uit de lederhuid en de hypodermis. Deze techniek wordt in ziekenhuizen overal ter wereld gebruikt en heeft de levens van tienduizenden brandwondenpatiënten gered. Voor ernstigere, diepere huidbeschadigingen was er tot vorig jaar nog geen behandeling beschikbaar. Maar in 2020 slaagde Karl Koehler erin, samen met zijn team in het Boston Children’s Hospital, om de volledige dikte van de huid te kweken in plaats van alleen de opperhuid. Koehler is een neurowetenschapper, stamcelbioloog en zelfbenoemd ‘orgaanregeneratie-enthousiasteling’. Wat het team heeft gecreëerd kan het best worden omschreven als een organoïde kweeksysteem dat met gebruik van menselijke stamcellen een complexe huid genereert die vergelijkbaar is met foetale gezichtshuid en -haar. “Dit is de eerste studie die aantoont dat mensenhaar volledig kan worden gekweekt uit stamcellen in een petrischaal – iets dat de huidbiologiegemeenschap al tientallen jaren probeert. We hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het genereren van menselijke huid die na ongeveer 70 dagen haarzakjes produceert”, vertelt Koehler. “Dit zou een enorme innovatie kunnen zijn, waarmee we een potentieel onbeperkte bron van zacht weefsel en haarzakjes kunnen genereren voor gebruik bij reconstructieve operaties”, zegt dr. Jiyoon Lee, ook van het Boston Children’s Hospital.
Onderzoekers van Stanford University en POSTECH (Pohang University of Science and Technology) in Zuid-Korea hebben een volledig kunstmatig elektronisch huidsysteem ontwikkeld dat beweging en temperatuur tegelijkertijd kan detecteren. Het multimodale ion-elektronische huidsysteem zou kunnen worden gebruikt om het tastgevoel te herstellen bij mensen die dat vermogen hebben verloren. Naast het ‘voelen’ van temperatuur kan de flexibele, rekbare huid sensaties als duwen, draaien en knijpen detecteren. “Wanneer een wijsvinger de elektronische huid aanraakt, detecteert deze huid contact als een temperatuurverandering en wanneer een vinger op de huid drukt, rekt het achterste deel van het contactgebied uit en herkent dit vervolgens als beweging. Ik vermoed dat dit mechanisme een van de manieren is waarop de menselijke huid verschillende stimuli als temperatuur en beweging herkent”, vertelt Insang You, professor aan POSTECH. Om een kunstmatig slim huidsysteem te creëren dat beweging en temperatuur tegelijkertijd kan detecteren, hebben de onderzoekers het sensorsysteem zo gemaakt dat het ionen met behulp van elektrolyten kan geleiden – op dezelfde manier als hoe dit in de menselijke huid gebeurt. Het uiteindelijke doel is om een kunstmatige ion-elektronische huid te ontwikkelen die menselijke tactiele receptoren en neurotransmitters simuleert. Deze slimme huid kan in de toekomst worden gebruikt voor medische toepassingen. Het kan patiënten helpen die het gevoel in hun huid hebben verloren als gevolg van een ongeval of ziekte. De onderzoekers willen deze smart skin-technologie toepassen op humanoïde huid en draagbare apparaten.
THYMUS
Kunstthymus helpt infecties en kankercellen te elimineren
Onderzoekers van het Francis Crick Institute en University College London (UCL) hebben menselijke stamcellen en een biotechnologisch frame gebruikt om een kunstmatige thymus te produceren. De thymus heeft een cruciale functie in het immuunsysteem en ontwikkelt T-lymfocyten – cellen die onder andere infecties bestrijden en kankercellen vernietigen. Patiënten die zonder dit orgaan zijn geboren – waardoor ze zeer vatbaar zijn voor infecties – kunnen met een kunstthymus een veel normaler leven leiden. De onderzoekers overwegen de kunstthymus bovendien te gebruiken om het probleem van transplantaatafstoting te verhelpen. Als een thymus bijvoorbeeld wordt gekweekt met de cellen van een orgaandonor, kan deze ook worden getransplanteerd in de patiënt die het donororgaan ontvangt om afstoting te voorkomen. Dit zou de noodzaak van levenslange afweeronderdrukkende medicatie elimineren. Volgens Sara Campinoti, onderzoeker epitheliale stamcelbiologie en regeneratieve geneeskunde aan het Crick Institute, “is aantonen dat we een werkende thymus met menselijke cellen kunnen bouwen een cruciale stap om thymi te kunnen kweken die we in de toekomst voor transplantatiedoeleinden kunnen gebruiken”.
BAARMOEDER
Kunstbaarmoeders bieden te vroeg geboren baby’s betere overlevingskans
De biobag kunstbaarmoeder werd in 2017 voor het eerst door een team van het Children’s Hospital of Philadelphia (CHOP) geïntroduceerd. Het team, bestaande uit een neonatologist, een ontwikkelingsfysioloog en een chirurg, creëerden dit prototype om extreem vroeggeboren baby’s een betere overlevingskans te geven. Extreme vroeggeboorte is wereldwijd de belangrijkste oorzaak van morbiditeit en mortaliteit bij baby’s. Baby’s die vóór 22 weken worden geboren overleven dit vaak niet en zelfs na 22 weken is hun overlevingskans nog steeds maar 10 procent. Twee weken later nemen de overlevingskansen echter aanzienlijk toe – tot wel 60 procent. Het team slaagde er allereerst in om schapenfoetussen buiten de baarmoeder te laten volgroeien. Dit was een belangrijke prestatie, aangezien schapen net als mensen een lange draagtijd hebben en de grootte van hun foetussen vergelijkbaar is met die van ons. De biobag functioneert als een vruchtzak gevuld met warme vloeistof die in het laboratorium gecreëerd is. Het lam slikt en ademt dit in. De biobag bevat een kunstmatige placenta – een oxygenator die ook voedingsstoffen levert en koolstofdioxide verwijdert – die aan de navelstreng van het lam wordt gekoppeld. En net als in een natuurlijke baarmoeder wordt het bloed door het kloppende hart van de foetus rondgepompt. De lammetjes bleven zich gedurende de weken in de biobags goed ontwikkelen en groeiden ook daarna normaal op.
In 2019 ontvingen Nederlandse onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven €2,9 miljoen aan financiering van het Horizon 2020 EU-programma, om te investeren in de ontwikkeling van een prototype kunstbaarmoeder voor gebruik in klinieken. Te vroeg geboren baby’s worden in de kunstbaarmoeder omringd door vloeistoffen en krijgen via een kunstmatige placenta die met hun navelstreng is verbonden zuurstof en voedingsstoffen. Guid Oei, gynaecoloog in het Máxima Medical Centre en deeltijdhoogleraar aan de TU Eindhoven, zegt: “Als we de longen weer onder water zetten, kunnen ze zich ontwikkelen, kunnen ze rijpen. De baby krijgt de zuurstof via de navelstreng, gewoon zoals in de natuurlijke baarmoeder”. Het prototype – waarvan een werkende versie in 2024 moet zijn voltooid – wordt ontwikkeld met behulp van 3D-geprinte mensachtige ‘baby’s’ met een groot aantal sensoren. Deze baby’s worden omhuld door een volledige recreatie van de menselijke baarmoeder. “Als ze zich in deze omgeving bevinden, voelen, zien, ruiken en horen ze hetzelfde als in de baarmoeder van de moeder, ook haar hartslag”, vertelt Oei. “Omdat de longetjes van extreem vroeggeboren baby’s nog niet voldoende zijn ontwikkeld, moet de kunstbaarmoeder uiteindelijk de couveuse en kunstmatige beademing gaan vervangen. Met deze kunstbaarmoeder willen we extreem vroeggeboren kinderen door de kritische periode van 24 tot 28 weken helpen”, aldus Oei.
EIERSTOKKEN
Kunstmatige eierstokken geven kankerpatiënten vruchtbaarheid terug
Tot voor kort hadden (jonge) vrouwen bij wie kanker werd vastgesteld en daarvoor behandeld werden alleen kans om zwanger te raken als hun eierstokweefsel werd verwijderd, ingevroren en – na herstel – opnieuw werd geïmplanteerd. Bepaalde soorten kanker kunnen echter ook het eierstokweefsel binnendringen, wat betekent dat de ziekte na herimplantatie weer in het lichaam terechtkomt. De veiligste optie zou zijn om dit weefsel volledig door een kunsteierstok te vervangen, omdat het de vruchtbaarheid van de patiënt zou herstellen en mogelijke herintroductie van de kanker zou voorkomen. Een team van ingenieurs, materiaalwetenschappers, gynaecologen en natuurwetenschappers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) heeft onlangs baanbrekende technieken onderzocht om voor deze patiënten kunstmatige eierstokken te ontwikkelen en hen te helpen zwanger te raken, ondanks de nadelige effecten die chemotherapie op hun vruchtbaarheid heeft.
Het team maakte hiervoor gebruik van de electrospinning-methode, waarmee er met natuurlijke en synthetische polymeren een framewerk van zeer dunne vezels gecreëerd kon worden dat de natuurlijke vorm en structuur van de ovariële cortex nabootst. De onderzoekers gebruikten het framewerk vervolgens als substraat voor de hechting van follikels uit de eierstokken van varkens. Na tien dagen op kweek hadden grote aantallen levensvatbare follikels hun oorspronkelijke vorm behouden. “Dit is een belangrijke stap in de richting van een ideale kunsteierstok die het natuurlijke orgaan qua omgevingsfactoren voor de groei en rijping van follikels imiteert. Deze resultaten zijn veelbelovend, maar verder onderzoek is nodig voordat de ontwikkeling naar klinische toepassingen kan worden gemaakt”, aldus het onderzoeksteam.
HART
Kan een kunsthart je ‘afstandelijk’ maken?
Hartziekte is wereldwijd de voornaamste doodsoorzaak en in het ergste geval is een transplantatie het enige dat een leven kan redden. Het probleem is echter dat er meer patiënten aan hartfalen lijden dan er donorharten beschikbaar zijn. Bovendien zijn de wachtlijsten voor donororganen enorm lang. Nu heeft het Franse bedrijf Carmat onlangs een kunsthart ontwikkeld om patiënten die op een donorhart wachten te helpen. Het chirurgisch implanteerbare hart weegt 4 kilo en lijkt ook qua vorm op een menselijk hart. De oplaadbare batterijen zorgen ervoor dat het apparaat 4 uur lang zijn werk kan doen. Het kunsthart bevat bovendien sensoren die de bloeddruk detecteren en algoritmen die de bloedstroom automatisch en in real time controleren. Carmat CEO Stéphane Piat vertelt: “Het werkt als een menselijk hart, dus als de patiënt loopt, neemt de bloedstroom toe en als de patiënt rust, is de bloedstroom stabiel en laag”. Om het risico op afstoting en andere bijwerkingen te minimaliseren, moeten de delen van het hart die met het bloed in contact zijn gemaakt worden van materiaal dat compatibel is met het lichaam van de patiënt. Het apparaat is al bij negentien mannelijke patiënten geïmplanteerd – voor vrouwelijke patiënten is het huidige ontwerp helaas te groot. Andere kunstharten, zoals die van SynCardia, hebben een vaste hartslag, in plaats van een die zich aanpast aan het activiteitenniveau van de patiënt. Hoewel Carmat zijn apparaten in eerste instantie alleen voor tijdelijk gebruik wil lanceren – voor patiënten die op een transplantatie wachten – is het langetermijndoel van het bedrijf om kunstharten voor permanent gebruik te maken.
Hoe indrukwekkend en levensreddend een kunsthart ook is, zou zo’n implantaat ook invloed kunnen hebben op de manier waarop een patiënt de wereld, relaties en het leven in het algemeen ervaart? Volgens de Jungiaanse psycholoog Peter Houghton wel. Deze man leefde zeven jaar met een experimenteel kunsthart en vertelt dat hij zich minder sympathiek en zelfs enigszins ‘koud’ voelde tegenover andere mensen. Als voorbeeld noemt hij het contact met zijn kleinkinderen. Hij wil graag contact, maar tegelijkertijd “wil hij niet de moeite nemen om een relatie met hen te onderhouden”. De reden daarvoor begrijpt hij niet. Houghton vertelt: “Mijn emoties zijn veranderd en op de een of andere manier kan ik daar niets aan doen. Ik zou mezelf omschrijven als minder intuïtief. Een meer denkend, rationeler mens, maar minder intuïtief”. Waarom Houghton deze emoties ervaart is niet duidelijk. Het kunnen de aanhoudende effecten van de ingrijpende operatie zijn, het apparaat zelf, of het feit dat het menselijk brein van nature is geoptimaliseerd om zuurstof in pulsgestuurde spurts te ontvangen, in plaats van door continue druk. Alles bij elkaar genomen was het een hele ervaring om van de dood gered te worden en “omgevormd te worden tot een symbool van cyborg-leven, terwijl je tegelijkertijd ingrijpende psychologische transformaties doormaakt”, vertelt Houghton.
LEVER
Bio-kunstlever biedt betere overlevingskansen
Van alle organen heeft onze lever het meest uitgebreide regeneratieve vermogen. Maar als dit orgaan zo ziek of beschadigd raakt dat van herstel geen sprake meer is, verliezen patiënten heel snel hun kans op overleven. Acuut leverfalen (ALF) wordt gekenmerkt door leverdisfunctie en vaak gevolgd door het falen van meerdere orgaansystemen. De kans dat patiënten met ALF dus overlijden ligt rond de 80-90 procent. De meest effectieve behandeling is levertransplantatie, maar vanwege de lange wachtlijsten voor donororganen redden veel patiënten het niet. Een groep onderzoekers, onder leiding van dr. Scott Nyberg, levertransplantatiechirurg en hoofdonderzoeker in het Artificial Liver and Liver Transplantation Laboratory van de Mayo Clinic, is nu bezig met het creëren van een spheroid reservoir bioartificial liver (SRBAL). Dit apparaat bevat varkenslevercelsferoïden die worden gebruikt om de leverfunctie van de patiënt over te nemen. Met de kunstlever konden varkens met acuut leverfalen al ondersteund worden en het doel van het apparaat is patiënten met leverfalen die wachten op een donorlever meer tijd te geven. Het apparaat is uiteindelijk bedoeld om de genezing en regeneratie van de zieke of beschadigde lever te ondersteunen, waardoor patiënten betere overlevingskansen hebben zonder dat daarvoor een levertransplantatie nodig is. Het team van Dr. Nyberg zet het onderzoek voort en hoopt dat de kunstlever uiteindelijk op dezelfde manier als een nierdialyseapparaat zal kunnen functioneren. “Er is nog veel werk aan de winkel, maar dit is in sommige gevallen een veelbelovende oplossing voor het tekort aan donororganen”, vertelt dr. Nyberg.
LONGEN
Kunstlongen nemen de ademhaling over
Kunstlongen, of ‘microfluïdische oxygenatoren’, kunnen patiënten met ademnood en een laag zuurstofgehalte in het bloed ondersteunen. Acute ademnood kan bij iedereen voorkomen, van te vroeg geboren baby’s tot volwassenen met een longziekte of ernstige COVID-19. Alleen in zeer ernstige gevallen kan mechanische ventilatie – waarbij zuurstofgas in de longen wordt geperst – ondersteuning bieden, maar dit is niet zonder complicaties. Technologie die op alternatieve manieren zuurstof aan het bloed kan toevoegen, zij het voor korte tijd, wordt voornamelijk gebruikt als onderdeel van de hart-longmachine, bijvoorbeeld tijdens hartoperaties. Deze ECMO-technologie (extracorporele membraanoxygenatie) werd ook gebruikt om SARS-patiënten met acute ademnood te ondersteunen.
Medtronic, het grootste in medische technologie gespecialiseerde bedrijf ter wereld, heeft besloten tijdelijk zijn productindicaties aan te passen zodat zorgverleners de ECMO-technologie van het bedrijf kunnen gebruiken om mensen met ernstige gevallen van COVID-19 te behandelen. De ‘kunstlong’ van het bedrijf pompt bloed van het lichaam van een patiënt naar een oxygenator, een apparaat dat zorgt voor de zuurstof- en koolstofdioxide-toevoer. De Medtronic-apparaten kunnen tot 6 uur ondersteuning bieden en de noodzaak van mechanische ventilatie potentieel verminderen of elimineren.
MAAGDARMKANAAL
Kunstmatig maagdarmkanaal maakt beter onderzoek mogelijk
De Warsaw University of Life Sciences in Polen is de thuisbasis van het allereerste dynamische SHIME2-model van het kunstmatige maagdarmkanaal. Met het model kan de maag, de dunne darm en dikke darm levensecht nagebootst worden en kunnen de processen die daar plaatsvinden nauwkeurig gemonitord worden. Het kunstmatige spijsverteringskanaal zal worden gebruikt voor onderzoek naar de microbiota van kinderen, volwassenen en ouderen en om allerlei experimenten uit te voeren, zoals het monitoren van het metabolisme van voedingscomponenten en onderzoek naar de impact van probiotische voeding.
Er zijn ook flinke vorderingen gemaakt op het gebied van de ontwikkeling van minimagen uit maagorganoïden – minuscule clusters van menselijk maagweefsel. Hiermee wordt nauwkeuriger onderzoek naar kanker, diabetes en maagzweren mogelijk. Volgens Jim Wells, een onderzoeker in ontwikkelingsbiologie aan het Cincinnati Children’s Hospital Medical Centre in de VS, “was er niet echt een goede manier om maagaandoeningen te bestuderen. De menselijke maag is heel anders dan die van dieren. Maar met de pluripotente stamcellen kunnen we zelfs transplantaatweefsel kweken. De uitdaging was om de cellen te laten ‘differentiëren’ – cellen te worden voor specifieke organen”. Hoewel ze zich nog in hun vroege ontwikkelingsstadia bevinden en op dit moment een goede proeftuin zijn voor het bestuderen van ziekten, zouden deze maagorganoïden ooit kunnen worden gebruikt als vervangend weefsel om de schade van maagzweren te herstellen en zelfs volledige magen te creëren.
ALVLEESKLIER
Bionische alvleesklier neemt diabetesmanagement over
Diabetespatiënten managen hun ziekte door hun bloedglucosewaarden continu te controleren en insuline toe te dienen wanneer dit nodig is. Op het gebied van de behandeling is diabetes een van de meest uitdagende chronische ziekten die zorgvuldig gemonitord moet worden. Het gevaar van bijvoorbeeld te veel insuline toedienen is dat het kan leiden tot hypoglykemie (een lage bloedsuikerspiegel). Dit kan resulteren in epileptische aanvallen of coma en je kunt er zelfs aan overlijden. De iLet – een naam geïnspireerd op ‘de eilandjes van Langerhans’ in de alvleesklier, ook wel eilandcellen genoemd – is een klein draagbaar medisch hulpmiddel dat patiënten met diabetes type 1 helpt hun bloedglucosespiegel autonoom te regelen, vergelijkbaar met een insulinepomp. Maar in tegenstelling tot insulinepomptherapie hoeven patiënten die de iLet gebruiken geen koolhydraten te tellen, insulinetoedieningssnelheden in te voeren of extra insuline toe te dienen bij maaltijden. Ze hoeven alleen hun lichaamsgewicht in te voeren, waarna de bionische alvleesklier de therapie start.
Volgens president en CEO van iLet-fabrikant Beta Bionics, Edward R Damiano, “vertegenwoordigt het iLet Bionic Pancreas System een echte doorbraaktherapie voor het managen van glycemie, met name bij type 1-diabetes. We zijn vooral enthousiast over de mogelijkheid dat we door het eenvoudige gebruik van de iLet veel meer mensen veiligere en effectievere behandelingen kunnen bieden dan met de huidige therapieën mogelijk is”. De iLet kan als drie apparaten functioneren: een bionische alvleesklier met alleen glucagon, een bionische alvleesklier met alleen insuline of een bihormonale bionische alvleesklier met glucagon én insuline. De door de patiënt gedragen draadloze glucosesensor meet de bloedsuikerspiegel met tussenpozen van 5 minuten, bepaalt welk hormoon nodig is en dient dit vervolgens middels een katheter toe. Volgens data van thuisonderzoeken die tijdens de Scientific Sessions van de American Diabetes Association gepresenteerd werd, liet het gebruik van de bionische alvleesklier in vergelijking met conventionele insulinepomptherapie aanzienlijk verbeterde verlagingen van de gemiddelde glucoseniveaus en hypoglykemie zien.
NIER
Bio-kunstnieren werken beter dan dialysebehandeling
Bijna 2 miljoen mensen wereldwijd lijden aan terminale nierziekte. Omdat de kenmerken en de functie van onze nieren zo complex zijn – te vergelijken met een biologie- of scheikundelab – is het geen wonder dat er de laatste jaren niet veel vooruitgang is geboekt op het gebied van de behandeling van nierfalen. Nu heeft de in San Francisco gevestigde John & Marcia Goldman Foundation een subsidie van $1 miljoen toegekend aan The Kidney Project van de University of California San Francisco, voor de verdere ontwikkeling van een revolutionaire bio-kunstnier. Deze kunstnier moet in de buik worden geïmplanteerd waar het essentiële functies moet vervullen die met dialysebehandelingen niet mogelijk zijn. De kunstnier moet bovendien de noodzaak voor immunosuppressieve medicatie elimineren. De bioreactor van de bio-kunstnier bevat niercellen die het bloed helpen filteren door voedingsstoffen opnieuw op te nemen en ervoor te zorgen dat gifstoffen en overtollig water (urine) naar de blaas worden geleid. Het apparaat moet ook gaan zorgdragen voor de hormoonproductie en de bloeddrukregulatie, iets wat tijdens reguliere dialysebehandelingen niet gebeurt. Dankzij de bio-kunstnier kan er een einde komen aan het omslachtige en dure chronische dialyseproces dat sinds de jaren vijftig de standaardbehandeling is voor nierfalen. Volgens John en Marcia Goldman “verdienen mensen die worstelen met dialyse betere opties. De implanteerbare kunstnier geeft patiënten met nierfalen de mogelijkheid een normaler leven te leiden, zonder de slopende dialysesessies die niet alleen fysiologisch en psychologisch maar ook financieel enorm belastend zijn. Dialyse is een kortetermijnbehandeling, maar The Kidney Project biedt levenslange mogelijkheden”.
HERSENEN
Neuralink start menselijke proeven met hersenimplantaten
Neuralink, het neurotechnologiebedrijf van Elon Musk, heeft onlangs zijn microchiptechnologie zodanig ontwikkeld dat een aap met een chipimplantaat nu met zijn gedachten videogames kan spelen. Dit is echter niet de eerste keer dat een dier een proefimplantaat van Neuralink krijgt. In 2020 kreeg het varken Gertrude een hersenchip waarmee wetenschappers de hersenactiviteit van het dier draadloos konden volgen. Tijdens een presentatie waarin Gertrude rondsnuffelde in haar hok, kon het publiek de piepgeluiden van de hersencomputerinterface van het varken horen. Op de vraag of de technologie gebruikers uiteindelijk in staat zou kunnen stellen om herinneringen ‘op te nemen en af te spelen’, antwoordde Musk: “Ja, ik denk dat je in de toekomst herinneringen kunt opslaan en opnieuw kunt afspelen. Ik bedoel, dit klinkt natuurlijk steeds meer als een Black Mirror-aflevering. Maar… nou, ik denk dat ze behoorlijk goed kunnen voorspellen. Als je een volledige herseninterface hebt, kun je alles uploaden wat in het geheugen is gecodeerd. Je zou in principe je herinneringen als een back-up kunnen opslaan en deze vervolgens herstellen. Dan zou je ze uiteindelijk in een nieuw lichaam of in een robotlichaam kunnen downloaden”.
Musk beweert dat het potentieel van de microchip vrijwel onbeperkt is en dat mensen met zo’n chip zelfs met kunstmatige intelligentie zouden kunnen concurreren. Matthew MacDougall, hoofdneurochirurg van Neuralink, vertelt dat ze de chip tot nu toe alleen nog in het corticale oppervlak van de hersenen hebben kunnen implanteren. In de toekomst hopen ze de chip in de diepere gebieden te kunnen implanteren, bijvoorbeeld in de hypothalamus – een gebied dat een belangrijke rol zou spelen bij psychische aandoeningen. Neuralink heeft de laatste tijd enorme vooruitgang geboekt en wil tegen het einde van dit jaar zelfs starten met menselijke proeven. Tijdens deze testen zal kunstmatige intelligentie (AI) in menselijke hersenen worden geïmplanteerd zodat onderzoekers kunnen bestuderen hoe goed de technologie hersenactiviteit kan lezen en schrijven. Hoewel Musk uiteindelijk een zekere mate van symbiose met AI wil bereiken, zijn de kortetermijndoelen van Neuralink wat praktischer. De chip-technologie zou bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om de hersengebieden die verantwoordelijk zijn voor het veroorzaken van angst, depressie en verslaving opnieuw te trainen. Hersen-machine-interfaces kunnen ook ingezet worden om mensen met neurologische aandoeningen te helpen apparaten als smartphones of computers met hun gedachten te bedienen. Musk hoopt ook dat de technologie een rol kan spelen in de strijd tegen verlamming, Parkinson en Alzheimer. Musk zei op Twitter: “Neuralink werkt keihard aan de veiligheid van de implantaten en staat in nauw contact met de FDA. Als alles goed gaat, kunnen we later dit jaar misschien starten met de eerste menselijke proeven”.
Tot slot
Hoewel protheses en kunstmatige organen al heel lang bestaan, heeft het idee om technologie te gebruiken om ‘betere mensen te bouwen’ in de loop der jaren tot voortdurende vooruitgang geleid en de ontwikkeling van beter gecontroleerde, meer levensechte en efficiëntere lichamen mogelijk gemaakt. Wat volgens futurist Richard van Hooijdonk anders is aan de nieuwe generatie lichaamstechnologie, is de manier waarop uiteenlopende gebieden als hydrauliek, elektronica, informatica, biotechnologie, nanotechnologie en geneeskunde steeds vaker met elkaar gecombineerd worden. Een aantal van de in dit artikel besproken innovaties bevinden zich natuurlijk nog in de ontwikkelingsfase. In verschillende gevallen moet er bijvoorbeeld nog uitgebreid getest worden of is er nog goedkeuring nodig van regelgevende instanties. In andere gevallen moet er gekeken worden of de innovaties geïntegreerd kunnen worden in bestaande procedures en systemen. Maar één ding is in ieder geval zeker: technologie zal ons nieuwe manieren blijven bieden om levens te redden. In de toekomst zullen we steeds meer lichaamsdelen kunnen verbeteren of zelfs vervangen door kunstmatige of bionische versies. Vooral de ontwikkelingen op het gebied van neurotechnologie gaan enorm snel. Wie weet leeft onze geest in de toekomst wel voort, lang nadat ons lichaam is opgehouden te bestaan.
