عضو اصطناعي

تهدف الأطراف الاصطناعية، أو ما يُعرف بالأطراف الصناعية، إلى استعادة جزء من الوظائف الطبيعية للأشخاص الذين خضعوا لعمليات بتر. ويُعتقد أن الأجهزة الميكانيكية التي تُمكّن مبتوري الأطراف من المشي مجددًا أو الاستمرار في استخدام كلتا اليدين كانت مستخدمة منذ العصور القديمة، ^{[ 10 ]} وأبرزها الساق الخشبية البسيطة . ومنذ ذلك الحين، شهد تطوير الأطراف الاصطناعية تقدمًا سريعًا. فقد ساهمت المواد البلاستيكية الجديدة وغيرها من المواد، مثل ألياف الكربون ، في جعل الأطراف الاصطناعية أقوى وأخف وزنًا، مما قلل من كمية الطاقة الإضافية اللازمة لتشغيلها. كما ساهمت مواد إضافية في جعل الأطراف الاصطناعية تبدو أكثر واقعية. ^{[ 11 ]} ويمكن تصنيف الأطراف الاصطناعية بشكل عام إلى أطراف علوية وسفلية، وتتوفر بأشكال وأحجام متنوعة.

تشمل التطورات الحديثة في الأطراف الاصطناعية مستويات إضافية من التكامل مع جسم الإنسان. إذ يمكن زرع أقطاب كهربائية في الأنسجة العصبية، ويمكن تدريب الجسم على التحكم في الطرف الاصطناعي. وقد استُخدمت هذه التقنية في كل من الحيوانات والبشر. ^{[ 12 ]} ويمكن التحكم في الطرف الاصطناعي بواسطة الدماغ باستخدام زرع مباشر أو زرع في عضلات مختلفة. ^{[ 13 ]}

تتضمن الطريقتان الرئيسيتان لاستعادة وظيفة المثانة إما إعادة توجيه تدفق البول أو استبدال المثانة في مكانها . ^{[ 14 ]} وتشمل الطرق القياسية لاستبدال المثانة إنشاء جيب يشبه المثانة من نسيج معوي. ^{[ 14 ]} وحتى عام 2017 ، جُرِّبت طرق لزراعة المثانات باستخدام الخلايا الجذعية في البحوث السريرية ، لكن هذا الإجراء لم يكن جزءًا من الطب. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

الأطراف الاصطناعية العصبية عبارة عن سلسلة من الأجهزة التي يمكنها أن تحل محل نمط حركي أو حسي أو معرفي قد يكون قد تضرر نتيجة إصابة أو مرض.

تُرسل أجهزة التحفيز العصبي ، بما فيها أجهزة التحفيز العميق للدماغ ، نبضات كهربائية إلى الدماغ لعلاج الاضطرابات العصبية والحركية ، مثل مرض باركنسون والصرع والاكتئاب المقاوم للعلاج ، وغيرها من الحالات كالسلس البولي . وبدلاً من استبدال الشبكات العصبية القائمة لاستعادة وظائفها، تعمل هذه الأجهزة غالباً على تعطيل مخرجات المراكز العصبية المختلة وظيفياً للتخلص من الأعراض . ^{​​[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

ابتكر العلماء في عام 2013 دماغًا مصغرًا قام بتطوير مكونات عصبية رئيسية حتى المراحل المبكرة من نضج الجنين. ^{[ 20 ]}

لعلاج ضعف الانتصاب ، يمكن استبدال الجسمين الكهفيين جراحيًا بشكل دائم بزرعات قضيبية قابلة للنفخ يدويًا . هذه جراحة علاجية جذرية مخصصة فقط للرجال الذين يعانون من عجز جنسي كامل لا يستجيب لأي من طرق العلاج الأخرى. يتم التحكم يدويًا بمضخة مزروعة في منطقة الفخذ أو كيس الصفن لملء هذه الأسطوانات الاصطناعية، المصممة عادةً لتكون بديلًا مباشرًا للجسمين الكهفيين الطبيعيين، من خزان مزروع لتحقيق الانتصاب. ^{[ 21 ]}

في حالات الصمم الشديد أو ضعف السمع الحاد في كلتا الأذنين، قد يُجرى زرع قوقعة جراحيًا. تتجاوز غرسات القوقعة معظم الجهاز السمعي المحيطي لتوفير الإحساس بالصوت عبر ميكروفون وبعض المكونات الإلكترونية الموجودة خارج الجلد، عادةً خلف الأذن. تُرسل المكونات الخارجية إشارة إلى مجموعة من الأقطاب الكهربائية المزروعة في القوقعة ، والتي بدورها تُحفز العصب السمعي . ^{[ 22 ]}

في حالة إصابة الأذن الخارجية، قد يكون من الضروري استخدام بدلة جمجمية وجهية .

قام توماس سيرفانتس وزملاؤه، من مستشفى ماساتشوستس العام، بصنع أذن اصطناعية من غضروف الأغنام باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد. وبفضل العديد من الحسابات والنماذج، تمكنوا من تصميم أذن تحاكي شكل الأذن البشرية الطبيعية. وبعد تصميمها من قبل جراح تجميل، اضطروا إلى إجراء تعديلات متكررة لتتمتع الأذن الاصطناعية بانحناءات وخطوط مماثلة للأذن البشرية. وصرح الباحثون قائلين: "تخضع هذه التقنية حاليًا للتطوير تمهيدًا للتجارب السريرية، ولذلك قمنا بتوسيع نطاق التصميم وإعادة تصميم السمات البارزة للهيكل لتتناسب مع حجم أذن الإنسان البالغ وللحفاظ على المظهر الجمالي بعد الزرع". لم يُعلن بعد عن نجاح هذه الأذن الاصطناعية، لكن العمل على تطوير المشروع لا يزال مستمرًا. يُولد سنويًا آلاف الأطفال بتشوه خلقي يُسمى صغر الأذن، حيث لا يكتمل نمو الأذن الخارجية. وقد يُمثل هذا المشروع خطوة هامة نحو الأمام في علاج صغر الأذن طبيًا وجراحيًا.

إن أنجح عين اصطناعية بديلة للوظائف حتى الآن هي في الواقع كاميرا رقمية مصغرة خارجية مزودة بواجهة إلكترونية أحادية الاتجاه عن بُعد ، تُزرع على شبكية العين أو العصب البصري أو مواقع أخرى ذات صلة داخل الدماغ . ولا تُتيح التقنيات الحالية سوى وظائف جزئية، مثل تمييز مستويات السطوع وعينات الألوان والأشكال الهندسية الأساسية، مما يُثبت إمكانات هذا المفهوم. ^{[ 23 ]}

أثبتت دراسات عديدة أن شبكية العين تقوم بمعالجة الصور بشكل استراتيجي للدماغ. لكنّ مشكلة ابتكار عين إلكترونية اصطناعية كاملة الوظائف أكثر تعقيدًا. ومن المتوقع أن تُسهم التطورات في معالجة تعقيدات الاتصال الاصطناعي بشبكية العين أو العصب البصري أو مناطق الدماغ ذات الصلة، إلى جانب التطورات المستمرة في علوم الحاسوب ، في تحسين أداء هذه التقنية بشكل كبير.

تُزرع الأعضاء الاصطناعية المتعلقة بالقلب والأوعية الدموية في حالات اضطراب القلب أو صماماته أو أي جزء آخر من الجهاز الدوري. ويُستخدم القلب الاصطناعي عادةً كحل مؤقت ريثما تتم زراعة القلب ، أو كبديل دائم للقلب في حال تعذر إجراء عملية الزرع. وتُعد منظمات ضربات القلب الاصطناعية جهازًا آخر للقلب والأوعية الدموية يُمكن زرعه إما لتعزيز عمل منظم ضربات القلب الطبيعي بشكل متقطع (وضع مزيل الرجفان)، أو بشكل مستمر، أو لتجاوزه تمامًا عند الحاجة. كما تُعد أجهزة مساعدة البطين بديلاً آخر، حيث تعمل كأجهزة ميكانيكية للدورة الدموية تُعوض جزئيًا أو كليًا وظيفة القلب المُصاب بالفشل، دون الحاجة إلى استئصال القلب نفسه. ^{[ 24 ]}

إلى جانب ذلك، يجري البحث أيضاً في زراعة القلوب في المختبر وطباعة القلوب بتقنية الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد . ^{[ 25 ] [ 26 ]} حالياً، يواجه العلماء صعوبات في زراعة وطباعة القلوب بسبب مشاكل في جعل الأوعية الدموية والأنسجة المصنعة مخبرياً تعمل بتناغم. ^{[ 27 ]}

اعتبارًا من عام 2008كانت شركة هيبا لايف تعمل على تطوير جهاز كبد حيوي اصطناعي لعلاج فشل الكبد باستخدام الخلايا الجذعية . صُمم الكبد الاصطناعي ليكون جهازًا داعمًا، إما للسماح للكبد بالتجدد عند فشله، أو للحفاظ على وظائف الكبد لدى المريض إلى حين توفر عملية الزرع. ^{[ 28 ]} ولا يُمكن تحقيق ذلك إلا باستخدام خلايا كبد حقيقية (خلايا كبدية)، وحتى مع ذلك، فهو ليس بديلاً دائمًا.

اعتبارًا من عام 2017لم تعد مؤسسة هيبا لايف نشطة. ^{[ 29 ]}

مع وجود بعض الرئات الاصطناعية شبه كاملة الوظائف، يُتوقع أن تحقق نجاحًا كبيرًا في المستقبل القريب. ^{[ 30 ]} وتعمل شركة MC3 في آن أربور حاليًا على هذا النوع من الأجهزة الطبية.

يمكن استخدام الأكسجة الغشائية خارج الجسم (ECMO) لتخفيف العبء بشكل كبير عن أنسجة الرئة والقلب. في هذه التقنية، يتم إدخال قسطرة واحدة أو أكثر في جسم المريض، وتُستخدم مضخة لضخ الدم عبر ألياف غشائية مجوفة، تتبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون مع الدم. وعلى غرار ECMO، تعتمد إزالة _ثاني أكسيد الكربون خارج الجسم (ECCO2R) على آلية مشابهة، ولكنها تُفيد المريض بشكل أساسي من خلال إزالة ثاني أكسيد الكربون، بدلاً من الأكسجة، بهدف السماح للرئتين بالاسترخاء والشفاء. ^{[ 31 ]}

تم وضع الأساس لتطوير المبيض الاصطناعي في أوائل التسعينيات. ^{[ 32 ]}

غالبًا ما تتلقى المريضات في سن الإنجاب المصابات بالسرطان العلاج الكيميائي أو الإشعاعي، مما يُلحق الضرر بالبويضات ويؤدي إلى انقطاع الطمث المبكر. وقد طُوِّر مبيض بشري اصطناعي في جامعة براون ^{[ 33 ]} باستخدام أنسجة دقيقة ذاتية التجميع، تم إنشاؤها بتقنية أطباق بتري ثلاثية الأبعاد مبتكرة. وفي دراسة ممولة ومنفذة من قِبل معاهد الصحة الوطنية الأمريكية عام 2017، نجح العلماء في طباعة مبايض ثلاثية الأبعاد وزرعها في فئران عقيمة. ^{[ 34 ]} ويأمل العلماء في المستقبل تكرار هذه التجربة على حيوانات أكبر حجمًا، بالإضافة إلى البشر. ^{[ 9 ]} وسيُستخدم المبيض الاصطناعي لغرض إنضاج البويضات غير الناضجة في المختبر، ولتطوير نظام لدراسة تأثير السموم البيئية على تكوين الجريبات.

يُستخدم البنكرياس الاصطناعي لتعويض وظائف الغدد الصماء للبنكرياس السليم لدى مرضى السكري وغيرهم ممن يحتاجون إليه. ويمكن استخدامه لتحسين العلاج ببدائل الأنسولين حتى يصبح مستوى السكر في الدم طبيعيًا تقريبًا، كما يتضح من تجنب مضاعفات ارتفاع السكر في الدم، كما يُخفف من عبء العلاج على المرضى المعتمدين على الأنسولين. وتشمل الطرق المُستخدمة: استخدام مضخة الأنسولين بنظام تحكم مغلق ، أو تطوير بنكرياس حيوي اصطناعي يتكون من طبقة متوافقة حيويًا من خلايا بيتا مُغلفة ، أو استخدام العلاج الجيني . ^{[ 35 ] [ 36 ]}

تُستخدم خلايا الدم الحمراء الاصطناعية في مشاريع بحثية منذ حوالي 60 عامًا، لكنها لم تحظَ بالاهتمام الكافي إلا مع بداية أزمة الدم المتبرع به الملوث بفيروس نقص المناعة البشرية. ستعتمد خلايا الدم الحمراء الاصطناعية كليًا على تقنية النانو. ينبغي أن تكون خلية الدم الحمراء الاصطناعية الناجحة قادرة على استبدال خلايا الدم الحمراء البشرية تمامًا، أي أن تؤدي جميع وظائفها.

صُممت أول خلية دم حمراء اصطناعية، والتي صنعها تشانغ وبوزنانسكي في عام 1968، لنقل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون، كما أنها تؤدي وظائف مضادة للأكسدة. ^{[ 37 ]}

يعمل العلماء على تطوير نوع جديد من خلايا الدم الحمراء الاصطناعية، يبلغ حجمها خُمس حجم خلايا الدم الحمراء البشرية. تُصنع هذه الخلايا من بروتينات الهيموجلوبين البشري المُنقّاة والمُغلّفة ببوليمر صناعي. وبفضل المواد الخاصة المُستخدمة في تصنيعها، تستطيع خلايا الدم الحمراء الاصطناعية امتصاص الأكسجين عندما يكون الرقم الهيدروجيني للدم مرتفعًا، وإطلاقه عندما يكون منخفضًا. كما يمنع غلاف البوليمر تفاعل الهيموجلوبين مع أكسيد النيتريك في مجرى الدم، وبالتالي يمنع تضيّق الأوعية الدموية الخطير. وقد صرّح الدكتور آلان دكتور بأن خلايا الدم الحمراء الاصطناعية يُمكن استخدامها من قِبل أي شخص، بغض النظر عن فصيلة دمه، لأن الغلاف لا يُثير استجابة مناعية. ^{[ 38 ]}

تمكّن الرجال الذين يعانون من تشوهات في الخصيتين نتيجة عيوب خلقية أو إصابات من استبدال الخصية التالفة بخصية اصطناعية. ^{[ 39 ]} ورغم أن هذه الخصية الاصطناعية لا تعيد الوظيفة التناسلية البيولوجية، فقد ثبت أنها تُحسّن الصحة النفسية لهؤلاء المرضى. ^{[ 40 ]}

لا يوجد جهاز قابل للزرع يؤدي وظيفة الغدة الزعترية. مع ذلك، تمكن الباحثون من زراعة غدة زعترية من خلايا ليفية مُعاد برمجتها. وأعربوا عن أملهم في أن يُسهم هذا النهج يوماً ما في استبدال أو استكمال عملية زرع الغدة الزعترية لحديثي الولادة. ^{[ 41 ]}

في عام 2017، طور باحثون في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس غدة زعترية اصطناعية، على الرغم من أنها غير قابلة للزرع حتى الآن، إلا أنها قادرة على أداء جميع وظائف الغدة الزعترية الحقيقية. ^{[ 42 ]}

ستلعب الغدة الزعترية الاصطناعية دورًا هامًا في جهاز المناعة، حيث ستستخدم الخلايا الجذعية الدموية لإنتاج المزيد من الخلايا التائية، مما يساعد الجسم على مكافحة العدوى. وفي نهاية المطاف، ستمنح الجسم قدرة أفضل على مكافحة الخلايا السرطانية. ومع تقدم العمر، إذا توقفت الغدة الزعترية عن العمل بكفاءة، فقد تُصبح الغدة الزعترية الاصطناعية خيارًا مناسبًا.

لطالما طُرحت فكرة استخدام الخلايا التائية لمكافحة العدوى، ولكن لم يُطرح حتى وقت قريب استخدام مصدر للخلايا التائية، وهو الغدة الزعترية الاصطناعية. يقول الدكتور جاي كروكس من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس: "نعلم أن مفتاح توفير إمداد ثابت وآمن من الخلايا التائية المقاومة للسرطان يكمن في التحكم في العملية بطريقة تُعطّل جميع مستقبلات الخلايا التائية في الخلايا المزروعة، باستثناء مستقبلات الخلايا السرطانية". ^{[ 43 ]} كما وجد العالم أن الخلايا التائية التي تُنتجها الغدة الزعترية الاصطناعية تحمل مجموعة متنوعة من مستقبلات الخلايا التائية، وتعمل بطريقة مشابهة للخلايا التائية التي تُنتجها الغدة الزعترية الطبيعية. وبما أنها تعمل مثل الغدة الزعترية البشرية، فإن الغدة الزعترية الاصطناعية قادرة على تزويد الجسم بكمية ثابتة من الخلايا التائية للمرضى الذين يحتاجون إلى العلاج.

شهد مجال القصبات الهوائية الاصطناعية فترةً من الاهتمام والحماس الشديدين بفضل أعمال باولو ماكياريني في معهد كارولينسكا وغيره من المؤسسات، وذلك بين عامي 2008 و2014 تقريبًا، حيث تصدّرت أعماله الصفحات الأولى للصحف والتلفزيون. وفي عام 2014، أُثيرت مخاوف بشأن عمله، وبحلول عام 2016، تمّ فصله من عمله، كما تمّت إقالة الإدارة العليا في كارولينسكا، بمن فيهم أشخاصٌ لهم صلة بجائزة نوبل . ^{[ 44 ] [ 45 ]}

اعتبارًا من عام 2017، أثبتت هندسة القصبة الهوائية - وهي أنبوب مجوف مبطن بالخلايا - أنها أكثر صعوبة مما كان يُعتقد في الأصل؛ وتشمل التحديات الحالة السريرية الصعبة للأشخاص الذين يُعتبرون مرشحين سريريين، والذين خضعوا عمومًا لعدة إجراءات بالفعل؛ وإنشاء غرسة يمكن أن تتطور بالكامل وتندمج مع الجسم المضيف مع تحمل قوى التنفس، بالإضافة إلى الحركة الدورانية والطولية التي تخضع لها القصبة الهوائية. ^{[ 46 ]}