Eine lebensrettende Lebermaschine

Da menschliche Lebern und Zelllinien aufgrund eines Spendermangels extrem knapp sind, haben sich Forscher, die daran arbeiten, das Leben von Patienten mit Leberversagen zu verlängern, in den letzten zehn Jahren Schweineleber als potenzielle kurzfristige Methode zur Entgiftung von menschlichem Blut zugewendet. Eine solche Behandlung könnte lebensgefährlich sein und es einem Patienten ermöglichen, seine eigene Leber zu regenerieren oder ein Transplantat zu finden.

Seit 1997 wurden weltweit etwa 200 Menschen mit ganzen Schweineleber behandelt, wobei das Blut eines Patienten durch eine frisch entnommene Schweineleber kostspielig und umständlich geleitet wurde. Obwohl manche Menschen auf diese Weise ein oder zwei Tage lang am Leben gehalten wurden, sterben die Schweineleber im Allgemeinen zwei bis sechs Stunden nach dem Eingriff ab und werden durch menschliche Antikörper abgetötet. Und das Verfahren ist umstritten, da Bedenken bestehen, dass Patienten sich mit einem Schweinevirus oder einem Mikroorganismus infizieren könnten.

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Aus diesem Grund haben sich Forscher Schweineleberzellen, sogenannten Schweinehepatozyten, zugewandt, um eine neue Klasse von Leberdialysegeräten zu entwickeln. Jetzt kündigt die Mayo Clinic in Rochester, MN, wichtige Schritte zur Entwicklung eines solchen Geräts an. Seine Maschine hält Ansammlungen von Schweinezellen weit länger am Leben als die typische Lebensdauer eines ganzen sezierten Organs. Und das menschliche Blut wird getrennt, bevor es in die Maschine gelangt, wodurch die Anzahl der weißen Blutkörperchen reduziert wird, die sonst die hilfreichen Schweinezellen angreifen würden.



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Obwohl klinische Studien am Menschen mindestens zwei Jahre ausstehen, sagt Hauptforscher Scott L. Nyberg, dass seine Maschine mit dem Namen Spheroid Reservoir Bioartificial Liver Ende 2005 in einer präklinischen Studie an Hunden mit medikamenteninduziertem Leberversagen erfolgreich getestet wurde.

Die mit unserer Maschine behandelten Hunde lebten länger und entwickelten keine Anzeichen von Hirnschwellung und Hirntod, während die unbehandelten Kontrollhunde diese Manifestationen von Leberversagen entwickelten, sagt Nyberg, der auch Transplantationschirurg ist. Während an der frühen Studie nur sechs Tiere beteiligt waren, waren die Ergebnisse ermutigend genug, dass Nybergs Team seine beiden Prototypgeräte für weitere Tests an Hunden und Primaten verfeinert. Ihr ultimatives Ziel: ein Gerät, das einen Patienten mit Leberversagen wochen- oder sogar monatelang am Leben erhalten kann.

Wenn alles gut geht, könnte die Gruppe im Jahr 2008 klinische Phase-I-Tests an Menschen mit akutem Leberversagen durchführen. Wir wollen die Lebensdauer der Zellen und die Dauer der Behandlung verlängern, sagt Nyberg und erinnert sich an einen Fall, bei dem ein jugendlicher Patient starb 14 Stunden bevor eine Spenderleber verfügbar war. Ein Gerät wie dieses hätte sie nur noch einen Tag am Leben halten können.

Das Mayo-Lebergerät sieht vage aus wie ein Aquarium, das auf einer auskragenden Metallplattform steht. Das Reservoir ist mit einem stark sauerstoffangereicherten Flüssigmedium gefüllt, in das Nyberg bis zu 500 Gramm lebende Schweinehepatozyten einlagert. Das Blut des Patienten fließt zuerst durch Membranen, die rote Blutkörperchen und Plasma von den größeren weißen Blutkörperchen trennen.

Das Plasma und die kleineren Blutzellen setzen ihren Kreislauf in ein Röhrchen fort, das in die flüssige Suspension von gruppierten Schweinezellen eingetaucht ist. Die Porengröße der Membran des Röhrchens lässt Blut in die Hohlfaser ein- und ausströmen, während die Hepatozyten Galle, Ammoniak, Harnstoff und andere Verunreinigungen entfernen. Die Porengröße verhindert auch, dass die Hepatozyten und alle Schweinezelltrümmer in das Blut des Patienten gelangen.

Die Maschine verwendet eine Schaukelbewegung – 15 Wippen pro Minute – um die Leberzellen mit Nährstoffen zu baden, damit sie länger überleben und besser funktionieren können. In den Hundetests, sagt Nyberg, blieben die Zellen im Reservoir 48 Stunden lang der Blutentgiftung voll aktiv. Er sagt, dass er Schweineleberzellen in dem Gerät bis zu einem Monat lang stoffwechselfähig gehalten hat, und sieht keinen Grund, warum Menschen nicht mindestens so lange am Leben gehalten werden könnten, während sie an das Gerät angeschlossen sind.

Allein für diese Leistungen verdienen Nyberg und der Laborleiter Bruce Amiot Lob, sagt Dr. Mehmet Toner, Professor für Biomedizintechnik und Chirurgie an der Harvard Medical School, der sich auf die Erhaltung von Lebergewebe spezialisiert hat. Da die Sauerstoffversorgung der Leberzellen ein Schlüsselproblem bei der Konservierung in einem externen Gerät ist, sei dieser Ansatz ein guter Schritt nach vorne, sagte er. Nyberg war bei seinen Kontrollen und Studien immer sehr gut, und Schweinezellen sind definitiv besser als konservierte menschliche Zelllinien, wie wir es heute sehen.

Toner erklärt, dass einige Forschungsanstrengungen in der Leberdialyse kryogen konservierte menschliche Zellen verwendet haben, aber diese Zellen verlieren beim Einfrieren die meisten ihrer leberreinigenden Eigenschaften. Lebende menschliche Zellen sind aus Mangel an Spendern sehr schwer zu bekommen.

Ein weiterer entscheidender Aspekt von Nybergs Gerät besteht darin, dass es die Schweineleberzellen dazu anregt, sich schnell zu Aggregaten zu bilden, die als Sphäroide bezeichnet werden. Im Gegensatz zu isolierten Leberzellen, die mit der Zeit an Funktionalität verlieren, erfüllen Sphäroide von Leberzellen, die in etwa einem mikroskopischen Fußball ähneln, lebenswichtige Leberfunktionen mit einer viel höheren Stoffwechselrate. Es sei wichtig, eine Maschine zu entwickeln, die eine sehr große Anzahl von Leberzellen am Leben und biochemisch aktiv halten kann, sagt Nyberg, da nur primäre Hepatozyten, die direkt aus einer Leber – Mensch oder Tier – isoliert wurden, nachweislich alle notwendigen Reinigungsaktivitäten gleichzeitig ausführen können.

Nybergs Maschine würde, wenn sie erfolgreich ist, eine riesige technologische Lücke füllen. Laut der American Society for Artificial Internal Organs gibt es in den Vereinigten Staaten heute keine aktiven von der FDA zugelassenen Tests für externe Lebergeräte. Inzwischen stehen etwa 17.000 Amerikaner auf Wartelisten für Lebertransplantationen, wobei jährlich weniger als 5.000 Lebern zur Verfügung stehen. Etwa 40.000 Amerikaner sterben jedes Jahr an Lebererkrankungen.

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Natürlich ist Nybergs nicht das einzige Schweinezellengerät, das in Arbeit ist. Mehrere andere Unternehmens- und akademische Labore arbeiten an Geräten, aber laut Toner zeichnet sich Nybergs Bemühungen durch die lange Lebensdauer der Zellen und die Gesamtkapazität des Geräts zur Blutreinigung aus. Es gebe eine wichtige Nischenanwendung für das Schweinegerät in dem Sinne, dass es den Patienten am Leben erhalte, während eine Behandlung gesucht wird oder menschliche Spender zur Verfügung stehen, fügt er hinzu.

Währenddessen versuchen andere Forscher, gentechnisch veränderte Schweineleber herzustellen, die auf den Menschen verpflanzt werden könnten, aber das bleibt in weiter Ferne und umstritten.

Alle Forscher sind sich jedoch einig, dass Schweinegewebe sicherer ist als Gewebe anderer Tiere, da Menschen mit Schweinen relativ wenige Krankheiten gemeinsam haben.

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