Organo artificiale

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Un organo artificiale è un dispositivo meccanico, elettrico, elettronico o chimico-fisico progettato per sostituire o cooperare all'attività di un organo[1]. A differenza degli organi naturali, esso non è assolutamente in grado di ripararsi autonomamente. La costruzione e l'installazione di organi artificiali, un processo estremamente costoso inizialmente nella ricerca, può richiedere molti anni di servizi di manutenzione continua di cui un organo naturale non ha bisogno[2][3][4]. L'uso di qualsiasi organo artificiale da parte dell'uomo è quasi sempre preceduto da estesi esperimenti sugli animali. I test iniziali sugli esseri umani sono spesso limitati a coloro che sono già a rischio di morte o che hanno esaurito tutte le altre opzioni di trattamento. Gli organi artificiali si differenziano dagli organ-on-chip in quanto rispettivamente, i primi, sono impiantabili nel corpo umano, mentre i secondi sono dedicati alla modellizzazione (simulazione) di organi secondo tecniche di laboratorio in vitro[5].

Le ragioni per cui si ricorre all'impianto di un organo artificiale possono essere[1][4][6][7][8]:

  • Supporto alle funzioni vitali in via temporanea, in attesa di ricevere il trapianto dello stesso organo (ad esempio con un cuore artificiale)
  • Miglioramento delle condizioni del paziente (ad esempio con un protesi o un apparecchio acustico)
  • Intervento estetico successivo ad un'operazione chirurgica oncologica o ad un incidente.
  • Migliorare la capacità del paziente di prendersi cura di sé (ad esempio con una protesi);
  • Migliorare la capacità del paziente di interagire socialmente (ad esempio con un impianto cocleare);
  • Migliorare la qualità della vita di un paziente attraverso la chirurgia plastica dopo un cancro o un incidente.

Esempi[modifica | modifica wikitesto]

Arti artificiali[modifica | modifica wikitesto]

Un braccio protesico
Un braccio protesico
Protesi per gamba, piede diamantato e arti artificiali
Protesi per gamba, piede diamantato e arti artificiali

Braccia e gambe artificiali sono dispositivi meccanici che consentono a chi ha subito un'amputazione di camminare di nuovo o di poter usare entrambe le braccia.

La plastica e altri materiali, come la fibra di carbonio, consentono agli arti artificiali di diventare più forti e leggeri, limitando la quantità di energia extra richiesta per azionarli. Nuovi materiali consentono inoltre agli arti artificiali di apparire molto più realistici[9].

I nuovi progressi nella costruzione di arti artificiali includono ulteriori livelli di integrazione con il corpo umano. Gli elettrodi possono essere posizionati nel tessuto nervoso e il corpo può controllare la protesi. Questa tecnologia è utilizzata sia negli animali che nell'uomo. La protesi può essere controllata dal cervello utilizzando un impianto diretto o un impianto in vari muscoli[10].

Venne sviluppato nel 2015 in Danimarca il primo piede artificiale controllabile con il pensiero[11].

La prima paziente al mondo a ricevere un impianto transradiale di una mano robotica con sensibilità tattile è stata una donna svedese nel 2019 sviluppata dalla Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa[12][13].

Cervello[modifica | modifica wikitesto]

Un diagramma a blocchi che mostra l'input e gli output di un sistema di neuroprotesi.
Un diagramma a blocchi che mostra l'input e gli output di un sistema di neuroprotesi.
Uno schema della neuroprotesi che mostra l'unità di controllo esterna e il trasduttore di posizione montato sulla spalla, insieme allo stimolatore e agli elettrodi impiantati. Sono mostrate anche illustrazioni di prensione laterale e palmare.
Uno schema della neuroprotesi che mostra l'unità di controllo esterna e il trasduttore di posizione montato sulla spalla, insieme allo stimolatore e agli elettrodi impiantati. Sono mostrate anche illustrazioni di prensione laterale e palmare.

Le protesi neurali (o neuroprotesi) sono una serie di dispositivi che possono sostituire una funzionalità motoria, sensoriale o cognitiva che è stata danneggiata a causa di lesioni o malattie.

La stimolazione del midollo spinale, anche per la stimolazione cerebrale profonda, invia impulsi elettrici al cervello per curare disturbi del movimento tra cui il morbo di Parkinson o l'epilessia ad altre malattie come l'incontinenza urinaria[14][15][16].

Nel 2013 gli scienziati hanno creato un mini cervello che sviluppa componenti neurologici chiave fino alle prime fasi della gestazione del feto[17].

Una nuova tecnologia sviluppata dai ricercatori della San Francisco University nel 2021 permette alle persone che hanno perso la parola a causa di problemi neurologici o traumi di tornare a comunicare[18].

Rene[modifica | modifica wikitesto]

Gli scienziati dell'Università della California stanno sviluppando un rene artificiale impiantabile. A partire dal 2018 tali scienziati hanno fatto progressi significativi e nel 2021 hanno mostrato il loro prototipo funzionale. Il dispositivo è stato progettato per supportare una coltura di cellule renali umane senza provocare una risposta immunitaria[19][20].

Fegato[modifica | modifica wikitesto]

Nel 2020 l'Università di Shanghai ha sperimentato sugli animali un fegato bioartificiale che potrebbe salvare i pazienti in caso di grave disfunzione epatica, ad esempio quelli in attesa di trapianto[21].

Polmoni[modifica | modifica wikitesto]

Schema di funzionamento di una macchina ECMO
Schema di funzionamento di una macchina ECMO

L'ossigenazione extracorporea a membrana (ECMO) può essere utilizzata per alleggerire un carico significativo del tessuto polmonare e del cuore nativi. Grazie alla circolazione extracorporea, permette di vicariare la funzione dei polmoni e/o del cuore mantenendoli a riposo durante il loro recupero funzionale[22].

Nel 2016 gli scienziati del progetto Ambulatory bio-artificial lung, finanziato dall’UE, hanno creato il primo polmone indossabile e bio-artificiale utilizzabile a lungo termine da pazienti non ricoverati[23].

Nel 2017 l'Università di Pittsburgh ha realizzato una macchina contenente una pompa e uno scambiatore di gas, abbastanza compatta da permettere ai pazienti di camminare e [24].

Nel 2021 un gruppo di ricercatori dell’università di Pohang ha realizzato con la biostampa 3D un modello di polmoni artificiali per studiare le infezioni virali e testare l’efficacia di farmaci e vaccini contro i virus respiratori[25].

Impianto cocleare[modifica | modifica wikitesto]

Nei casi in cui una persona sia profondamente sorda o con problemi di udito in entrambe le orecchie, un impianto cocleare può essere impiantato chirurgicamente. Gli impianti cocleari bypassano la maggior parte del sistema uditivo periferico per fornire una sensazione sonora attraverso un microfono e alcuni componenti elettronici che risiedono all'esterno della pelle, di solito dietro l'orecchio. I componenti esterni trasmettono un segnale ad una rete di elettrodi posti nella coclea, che a sua volta stimola il nervo cocleare[26][27].

Occhio[modifica | modifica wikitesto]

Gli occhi bionici sono talvolta usati per aiutare i non vedenti. Il diagramma illustra come funziona il processo. Inizialmente, il paziente riceve un impianto nella retina. Gli occhiali indossati hanno telecamere in miniatura nell'obiettivo, che inviano quindi segnali al chip impiantato situato nella retina. Quindi, il chip converte questi segnali in impulsi elettrici che possono essere inviati al nervo ottico ed elaborati come un'immagine nel cervello.
Gli occhi bionici sono talvolta usati per aiutare i non vedenti. Il diagramma illustra come funziona il processo. Inizialmente, il paziente riceve un impianto nella retina. Gli occhiali indossati hanno telecamere in miniatura nell'obiettivo, che inviano quindi segnali al chip impiantato situato nella retina. Quindi, il chip converte questi segnali in impulsi elettrici che possono essere inviati al nervo ottico ed elaborati come un'immagine nel cervello.

L'occhio artificiale sostitutivo della funzione visiva è in realtà una fotocamera digitale esterna in miniatura con un'interfaccia elettronica unidirezionale remota impiantata sulla retina, sul nervo ottico o in altri luoghi correlati all'interno del cervello. Fornisce solo funzionalità parziali, come il riconoscimento di livelli di luce, tonalità di colore e/o forme geometriche di base.

Un team di ricercatori dell’Università di scienze e tecnologia di Hong Kong sta lavorando dal 2021 ad un occhio bionico simile a quello umano grazie ad una retina con sensori in perovskite[28].

Cuore[modifica | modifica wikitesto]

Cuore artificiale.
Cuore artificiale.

Gli organi artificiali relativi al sistema circolatorio vengono impiantati nei casi in cui il cuore, le sue valvole o qualche altra parte del sistema circolatorio siano fuori uso. Un cuore artificiale viene generalmente utilizzato in attesa di un trapianto di cuore o per sostituire in modo permanente il cuore nel caso in cui un trapianto stesso non sia possibile[29]. Il pacemaker è un altro dispositivo cardiovascolare che può essere impiantato per aumentare in modo intermittente (come un defibrillatore) o aumentare continuamente il battito naturale se necessario[30]. L'assistenza ventricolare è un'altra alternativa, agendo come un dispositivo circolatorio meccanico che sostituisce parzialmente o completamente la funzione di un cuore naturale, senza rimuovere il cuore naturale. Vengono anche studiati cuori prodotti in laboratorio e cuori stampati in 3D[31].

Dal 2019 è iniziato l'uso di cuori artificiali wireless[32].

Ovaie[modifica | modifica wikitesto]

I pazienti in età riproduttiva che sviluppano il cancro spesso ricevono chemioterapia o radioterapia, che danneggiano gli ovociti e portano alla menopausa precoce. Un'ovaia umana artificiale è stata sviluppata presso la Brown University con microtessuti auto-assemblati. In uno studio finanziato e condotto dal NIH nel 2017, gli scienziati sono riusciti a stampare ovaie 3D e ad impiantarle in topi sterili. Nel 2018 ovaie artificiali sono state sviluppate e testate in Danimarca[33].

Testicoli[modifica | modifica wikitesto]

Gli uomini che hanno subito anomalie testicolari a causa di difetti alla nascita o lesioni sono stati in grado di sostituire il testicolo danneggiato con una protesi testicolare[34]. Sebbene la protesi non ristabilisca la funzione riproduttiva biologica, è stato dimostrato che il dispositivo migliora la salute mentale di questi pazienti[35].

Timo[modifica | modifica wikitesto]

A partire dal 2017 i ricercatori dell'UCLA hanno sviluppato un timo artificiale che, sebbene non ancora impiantabile, è in grado di svolgere tutte le funzioni di un vero timo[36].

Nel 2020 i ricercatori dell’Istituto Francis Crick e dell’University College London hanno ricostruito per la prima volta un timo artificiale[37][38].

Trachea[modifica | modifica wikitesto]

Nel 2021 negli Usa è avvenuto il primo trapianto al mondo di trachea[39].

Globuli rossi[modifica | modifica wikitesto]

Gli scienziati stanno lavorando a un nuovo tipo di globuli rossi artificiali[40][41]. Nel 2020 i ricercatori della University of New Mexico sono riusciti a mettere a punto versioni sintetiche di cellule sanguigne[42].

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ a b Catapano, G. e Verkerke, G.J., Chapter 2: Artificial Organs, in Abu-Faraj, Z.O. (a cura di), Handbook of Research on Biomedical Engineering Education and Advanced Bioengineering Learning: Interdisciplinary Concepts - Volume 1, Hershey, PA, Medical Information Science Reference, 2012, pp. 60–95, ISBN 9781466601239.
  2. ^ Gebelein, C.G., Chapter 1: The Basics of Artificial Organs, in Gebelein, C.G. (a cura di), Polymeric Materials and Artificial Organs, ACS Symposium Series, vol. 256, Washington, DC, American Chemical Society, 1984, pp. 1–11, DOI:10.1021/bk-1984-0256.ch001, ISBN 9780841208544.
  3. ^ Artificial Organs, in Reference.MD, RES, Inc, 6 giugno 2012. URL consultato il 16 marzo 2016 (archiviato dall'url originale il 26 marzo 2016).
  4. ^ a b Reginald Tang, Artificial Organs, in BIOS, vol. 69, n. 3, 1998, pp. 119–122, JSTOR 4608470.
  5. ^ (EN) Melinda Wenner Moyer, Organs-on-a-Chip for Faster Drug Development, su Scientific American. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  6. ^ Henry Fountain, A First: Organs Tailor-Made With Body's Own Cells, in The New York Times, 15 settembre 2012. URL consultato il 16 marzo 2016.
  7. ^ T. Mussivand, R. T. V. Kung, P. M. McCarthy, V. L. Poirier, F. A. Arabia, P. Portner e K. Affeld, Cost Effectiveness of Artificial Organ Technologies Versus Conventional Therapy, in ASAIO Journal, vol. 43, n. 3, maggio 1997, pp. 230–236, DOI:10.1097/00002480-199743030-00021, PMID 9152498.
  8. ^ Henry Fountain, A First: Organs Tailor-Made With Body's Own Cells, su nytimes.com, The New York Times, 15 settembre 2012. URL consultato il 16 marzo 2016.
  9. ^ Artificial Limb, su madehow.com, How Products Are Made, Advameg, Inc. URL consultato il 16 marzo 2016.
  10. ^ Motorlab - Multimedia, su motorlab.neurobio.pitt.edu. URL consultato il 1º maggio 2016 (archiviato dall'url originale il 1º agosto 2019).
  11. ^ zeusnews.it.
  12. ^ Ilda, la nuova mano artificiale leggera e compatta, su rainews. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  13. ^ Mano robotica: il primo impianto permanente, su Focus.it. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  14. ^ Biomaterials: Principles and Practices, Boca Raton, FL, CRC Press, 2012, ISBN 9781439872512. URL consultato il 16 marzo 2016.
  15. ^ Download Product Code Classification Files, su fda.gov, FDA.org/medicaldevices, Food and Drug Administration, 4 novembre 2014. URL consultato il 16 marzo 2016.
    «Relevant info in the foiclass.zip file.»
  16. ^ Oxford Handbook of Clinical Surgery, Oxford, UK, OUP Oxford, 2013, ISBN 9780199699476. URL consultato il 16 marzo 2016.
  17. ^ (EN) Filip Poutintsev, Artificial Organs — The Future of Transplantation, su immortality.foundation, Immortality Foundation, 20 agosto 2018. URL consultato il 15 settembre 2019.
  18. ^ Una neuroprotesi permetterà di tornare a "parlare", su Rekordata Srl, 27 agosto 2021. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  19. ^ (EN) Artificial Kidneys Eliminate Dialysis, su Healthline, 9 novembre 2017. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  20. ^ Il primo rene artificiale al mondo può liberare il mondo dalla dialisi, su FuturoProssimo, 5 ottobre 2021. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  21. ^ Creato fegato bio-artificiale salva-vita, test su animali - Salute & Benessere, su ANSA.it, 9 luglio 2020. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  22. ^ Alessandro Valentino, Ecmo: Cos'è e come funziona l'Ossigenazione extracorporea a membrana, su Nurse24.it, 14 febbraio 2018. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  23. ^ cordis.europa.eu.
  24. ^ I polmoni artificiali che entrano in uno zaino, su Focus.it. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  25. ^ Un modello di polmoni artificiali per studiare le infezioni virali, su Osservatorio Terapie Avanzate. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  26. ^ Cochlear Implants, su nidcd.nih.gov, NIH Publication No. 11-4798, National Institute on Deafness and Other Communication Disorders, febbraio 2016. URL consultato il 16 marzo 2016.
  27. ^ (EN) Cochlear Implants, su NIDCD. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  28. ^ EC-EYE, l'occhio bionico del futuro che assomiglia a quello umano, su Biomed CuE | Close-up Engineering, 22 ottobre 2021. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  29. ^ Cuore artificiale: che cos'è, sintomi e trattamento, su Top Doctors. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  30. ^ Pacemaker: Cos'è? A Cosa Serve e Intervento, su my-personaltrainer.it. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  31. ^ Primo cuore stampato in 3D con cellule e materiali biologici del paziente, su Notizie scientifiche.it, 15 aprile 2019. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  32. ^ Cuore artificiale “wireless”: primi impianti ad opera del chirurgo Massetti - Policlinico Universitario A. Gemelli IRCCS, su Policlinico Universitario Agostino Gemelli IRCCS. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  33. ^ Centro Florence Team, Ovaie artificiali sviluppate e testate in Danimarca, su Centro Florence, 2 luglio 2018. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  34. ^ Testicular Implants: The Men's Clinic | Urology at UCLA, su uclahealth.org. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  35. ^ Testicular Prosthesis: What Is It, Procedure & Recovery, su Cleveland Clinic. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  36. ^ (EN) Kalyan Kumar, Meet The Bionic Thymus: The Artificial Organ For Pumping T Cells For Cancer Treatment, su Tech Times, 12 aprile 2017. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  37. ^ Federico Sebastiani, Medicina rigenerativa: timo artificiale, su Science 4 Life, 3 marzo 2021. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  38. ^ Sara Campinoti, Asllan Gjinovci e Roberta Ragazzini, Reconstitution of a functional human thymus by postnatal stromal progenitor cells and natural whole-organ scaffolds, in Nature Communications, vol. 11, n. 1, 11 dicembre 2020, pp. 6372, DOI:10.1038/s41467-020-20082-7. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  39. ^ Negli Usa il primo trapianto al mondo di trachea - Ultima Ora, su Agenzia ANSA, 7 aprile 2021. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  40. ^ Margherita de Respinis, Globuli rossi artificiali: dal trasporto di ossigeno alle terapie antitumorali, su Biomed CuE | Close-up Engineering, 6 luglio 2020. URL consultato il 1º gennaio 2022.
  41. ^ (EN) I globuli rossi artificiali imitano i beni favorevoli di quei naturali, su News-Medical.net, 3 giugno 2020. URL consultato il 1º gennaio 2022 (archiviato dall'url originale il 1º gennaio 2022).
  42. ^ Jimin Guo, Jacob Ongudi Agola e Rita Serda, Biomimetic Rebuilding of Multifunctional Red Blood Cells: Modular Design Using Functional Components, in ACS Nano, vol. 14, n. 7, 28 luglio 2020, pp. 7847–7859, DOI:10.1021/acsnano.9b08714. URL consultato il 1º gennaio 2022.

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