人工臓器

人工臓器とは、生体組織と接合して人間の体内に埋め込まれたり組み込まれたりして、自然の臓器と置き換わったり、特定の機能を複製または増強したりして、患者ができるだけ早く通常の生活に戻れるようにする人工臓器装置または組織である。^{[1]置き換わる機能は}生命維持に関連している必要はないが、多くの場合そうである。例えば、股関節置換術で見られるような骨や関節の置換も人工臓器とみなされる。^{[2] [3]}

定義上、装置は固定電源や、フィルターや化学処理装置などの他の固定リソースに継続的に接続されてはならないことが暗示されています。（定期的なバッテリーの急速充電、化学薬品の補充、および/またはフィルターの洗浄/交換を行う装置は、人工臓器とは呼ばれません。）^[4]したがって、透析装置は、腎臓の役割をほぼ完全に置き換える非常に優れた重要な生命維持装置ですが、人工臓器ではありません。

人工臓器の構築と設置は、当初は非常に研究集約的で費用のかかるプロセスであり、天然臓器では必要とされない長年にわたる継続的なメンテナンスサービスを必要とする可能性がある。^{[1] [4] [5] [6]}

• 移植（例：人工心臓）を待つ間、差し迫った死を防ぐために生命維持を提供すること。
• 患者のセルフケア能力を劇的に改善する（例：義肢）
• 患者の社会的交流能力の向上（例：人工内耳）
• がんの手術や事故後の美容修復を通じて患者の生活の質を向上させる。

人間による人工臓器の使用は、ほとんどの場合、動物を用いた大規模な実験の後に行われます。^{[7] [8] [9]}人間での最初のテストは、すでに死に直面している人、または他のすべての治療の可能性を使い果たした人に限定されることがよくあります。

義手や義足、あるいは義肢は、切断者の正常な機能をある程度回復させることを目的としています。切断者が再び歩いたり、両手を使い続けたりできるようにする機械装置は、おそらく古代から使用されており、^[10]最も有名なものは単純な義足です。それ以来、義肢の開発は急速に進歩しました。新しいプラスチックやカーボンファイバーなどの他の材料により、義肢はより強く軽くなり、義肢を操作するために必要な余分なエネルギーの量を抑えることができました。追加の材料により、義肢ははるかにリアルに見えるようになりました。^[11]義肢は、大まかに上肢用と下肢用に分類でき、さまざまな形やサイズを取ることができます。

人工肢の新たな進歩には、人体とのさらなる統合が含まれています。神経組織に電極を配置し、身体を訓練して義肢を制御することができます。この技術は動物と人間の両方で使用されています。^[12]義肢は、直接インプラントまたはさまざまな筋肉へのインプラントを使用して脳で制御できます。^[13]

膀胱機能を置き換える主な2つの方法は、尿の流れを変えるか、膀胱をその場で置き換えるかのいずれかです。^[14]膀胱を置き換える標準的な方法は、腸組織から膀胱のような袋を作ることです。^[14] 2017年現在、幹細胞を使用して膀胱を成長させる方法が臨床研究で試みられていましたが、この手順は医学の一部ではありませんでした。^{[15] [16]}

神経補綴物は、怪我や病気によって損傷した可能性のある運動、感覚、認知機能を代替できる一連の装置です。

神経刺激装置（深部脳刺激装置を含む）は、パーキンソン病、てんかん、治療抵抗性うつ病、尿失禁などの神経疾患や運動障害を治療するために脳に電気刺激を送ります。これらの装置は、既存の神経ネットワークを置き換えて機能を回復させるのではなく、機能不全の神経中枢の出力を遮断して症状を解消する働きをすることが多いです。^{[17] [18] [19]}

2013年に科学者たちは、胎児の成熟の初期段階まで主要な神経構成要素を発達させたミニ脳を作成した。^[20]

勃起不全を治療するために、両方の海綿体を外科的に手動で膨らませるペニスインプラントに取り換えるという方法があります。これは、他のすべての治療法が効かない完全なインポテンスに苦しむ男性のみを対象とした、思い切った治療手術です。股間や陰嚢に埋め込まれたポンプを手で操作して、埋め込まれたリザーバーから、通常は天然の海綿体と直接置き換わる大きさの人工シリンダーにペニスを充填し、勃起を達成します。^[21]

両耳が重度の難聴または重度の難聴の場合、人工内耳を外科的に埋め込むことがあります。人工内耳は、末梢聴覚系のほとんどをバイパスし、皮膚の外側、通常は耳の後ろにあるマイクロフォンといくつかの電子機器を介して音の感覚を提供します。外部コンポーネントは、蝸牛に配置された電極アレイに信号を送信し、次に蝸牛神経を刺激します。^[22]

外耳外傷の場合、頭蓋顔面プロテーゼが必要になることがあります。

マサチューセッツ総合病院のトーマス・セルバンテス氏とその同僚は、3Dプリンターで羊の軟骨から人工耳を作った。多くの計算とモデル化を経て、彼らは典型的な人間の耳のような形の耳を作ることに成功した。形成外科医がモデル化し、人工耳が人間の耳と同じように曲線や線を持つように何度も調整する必要があった。研究者らは「この技術は現在臨床試験に向けて開発中であり、そのため、成人の耳のサイズに合うように、また移植後も美観を保つように、足場の目立つ特徴を拡大し、再設計した」と述べた。彼らの人工耳は成功したとは発表されていないが、彼らは現在もプロジェクトを開発中である。毎年、何千人もの子供が、外耳が完全に発達しない小耳症と呼ばれる先天性奇形を持って生まれている。これは、医学的および外科的小耳症治療における大きな前進となる可能性がある。

これまでで最も成功している機能代替人工眼は、実際には網膜、視神経、または脳内の他の関連部位に埋め込まれた遠隔一方向電子インターフェースを備えた外部小型デジタルカメラです。現在の最先端技術では、明るさのレベル、色見本、および/または基本的な幾何学的形状を認識するなど、部分的な機能しか得られず、この概念の可能性を証明しています。^[23]

さまざまな研究者が、網膜が脳のために戦略的な画像前処理を行っていることを実証しています。完全に機能する人工電子眼を作成するという問題はさらに複雑です。網膜、視神経、または関連する脳領域への人工的な接続の複雑さへの取り組みの進歩と、コンピューター サイエンスの継続的な進歩を組み合わせることで、このテクノロジのパフォーマンスが劇的に向上すると期待されています。

心臓、心臓弁、または循環器系の他の部分に障害がある場合、心血管関連の人工臓器が移植される。人工心臓は、通常、心臓移植までの期間を埋めるため、または心臓移植が不可能な場合に心臓を永久的に置き換えるために使用される。人工ペースメーカーは、必要に応じて生体心臓ペースメーカーを断続的に増強（除細動モード）、継続的に増強、または完全にバイパスするために植え込むことができる別の心血管デバイスである。心室補助装置は別の選択肢であり、心臓自体を摘出することなく、機能不全の心臓の機能を部分的または完全に置き換える機械的循環装置として機能する。^[24]

これらのほかにも、研究室で培養された心臓や3Dバイオプリントされた心臓も研究されています。^{[25] [信頼できない情報源？ ] [26]}現在、血管と研究室で作られた組織を一体的に機能させることが難しいため、科学者は心臓を培養して印刷する能力が限られています。^[27]

HepaLifeは、幹細胞を使用した肝不全の治療を目的としたバイオ人工肝臓装置を開発している。この人工肝臓は補助装置として機能するように設計されており、肝不全時に肝臓を再生させたり、移植が可能になるまで患者の肝機能を補ったりする。^[28]これは実際の肝細胞（肝細胞）を使用しているからこそ可能になるが、それでも永久的な代替物ではない。

ほぼ完全に機能する人工肺は、近い将来に大きな成功を収めると期待されています。^[29]アナーバーの会社MC3は現在、このタイプの医療機器の開発に取り組んでいます。

体外膜型人工肺（ECMO）は、肺組織と心臓の負担を大幅に軽減するために使用できます。ECMOでは、1本以上のカテーテルを患者に挿入し、ポンプを使用して中空膜繊維に血液を流し、血液と酸素と二酸化炭素を交換します。ECMOと同様に、体外CO2_除去（ ECCO2R）も似たような構成ですが、主に酸素供給ではなく二酸化炭素の除去によって患者に利益をもたらし、肺をリラックスさせて治癒させることを目標としています。^[30]

人工卵巣開発の基礎は1990年代初頭に築かれました。^[31]

生殖年齢の患者ががんを発症すると、化学療法や放射線療法を受けることが多く、卵母細胞が損傷して早期閉経につながります。ブラウン大学では、新しい3Dペトリ皿技術を使用して作成された自己組織化マイクロ組織を使用した人工ヒト卵巣が開発されました^[32]。2017年にNIHが資金提供して実施した研究では、科学者は3D卵巣を印刷し、不妊マウスに移植することに成功しました。^[33]将来的には、科学者は人間だけでなくより大きな動物でもこれを再現したいと考えています。^[9]人工卵巣は、未熟卵母細胞の体外成熟と、環境毒素が卵胞形成に及ぼす影響を研究するためのシステムの開発のために使用されます。

人工膵臓は、糖尿病患者やそれを必要とする他の患者のために、健康な膵臓の内分泌機能を代用するために使用される。高血糖の合併症を回避することで明らかなように、血糖コントロールがほぼ正常になるまでインスリン補充療法を改善するために使用することができ、インスリン依存者の治療の負担を軽減することもできる。アプローチには、閉ループ制御下でのインスリンポンプの使用、カプセル化されたβ細胞の生体適合性シートからなるバイオ人工膵臓の開発、または遺伝子治療の使用が含まれる。^{[34] [35]}

人工赤血球（RBC）はすでに約60年前からプロジェクトに取り組んできましたが、HIVに汚染された献血者の血液危機のときに関心を集め始めました。人工赤血球はナノテクノロジーに100％依存します。成功した人工赤血球は人間の赤血球を完全に置き換えることができるはずです。つまり、人間の赤血球が持つすべての機能を実行できるということです。

1968年にチャンとポズナンスキーによって作られた最初の人工赤血球は、酸素と二酸化炭素を輸送するために作られ、抗酸化機能も果たしました。^[36]

科学者たちは、人間の赤血球の 50 分の 1 の大きさの新しい種類の人工赤血球の開発に取り組んでいます。この人工赤血球は、合成ポリマーでコーティングされた精製された人間のヘモグロビン タンパク質から作られています。人工赤血球の特殊な材料のおかげで、血液 pH が高いときに酸素を捕らえ、血液 pH が低いときに酸素を放出することができます。また、ポリマー コーティングは、ヘモグロビンが血流中の一酸化窒素と反応するのを防ぎ、血管の危険な収縮を防ぎます。アラン ドクター医学博士は、コーティングは免疫サイレントであるため、人工赤血球は誰でも、どの血液型でも使用できると述べています。^[37]

先天性欠損や外傷により精巣異常を患った男性は、損傷した精巣を精巣プロテーゼで置き換えることができる。^[38]プロテーゼは生物学的生殖機能を回復させるものではないが、この装置はこれらの患者の精神的健康を改善することが実証されている。^[39]

胸腺の役割を果たす埋め込み型機械は存在しない。しかし、研究者らは再プログラムされた線維芽細胞から胸腺を成長させることに成功している。研究者らは、この方法が将来新生児胸腺移植に取って代わったり、補助したりできるのではないかと期待している。^[40]

2017年現在、UCLAの研究者らは、まだ移植可能ではないものの、真の胸腺のすべての機能を果たすことができる人工胸腺を開発しました。^[41]

人工胸腺は免疫システムで重要な役割を果たし、血液幹細胞を使ってより多くのT細胞を生成し、その結果、体が感染症と闘うのを助ける。最終的には、体ががん細胞と闘う能力が向上することになる。加齢とともに胸腺の働きが悪くなった場合、人工胸腺は実行可能な選択肢となる可能性がある。

感染症と戦うためにT細胞を使用するという考えは以前からありましたが、最近まで、T細胞源である人工胸腺を使用するという考えが提案されていました。「がんと戦うT細胞を安定して安全に供給するための鍵は、移植細胞内のがんと戦う受容体を除くすべてのT細胞受容体を不活性化するプロセスを制御することであるとわかっています」とUCLAのゲイ・クルックス博士は述べています。^[42]科学者はまた、人工胸腺によって生成されたT細胞が多様なT細胞受容体を持ち、通常の胸腺によって生成されたT細胞と同様に機能することを発見しました。人工胸腺は人間の胸腺のように機能するため、治療を必要とする患者のために一定量のT細胞を体に供給することができます。

人工気管の分野は、2008年から2014年頃まで、カロリンスカ研究所などでのパオロ・マッキアリーニの研究により、新聞やテレビで一面を飾るなど、大きな関心と興奮の時期を迎えた。2014年には彼の研究に対する懸念が高まり、2016年までに彼は解雇され、ノーベル賞関係者を含むカロリンスカ研究所の上級管理職が解雇された。 [ ^{43] [44]}

2017年現在、細胞で覆われた中空の管である気管の設計は当初考えられていたよりも困難であることが判明している。課題としては、一般的にすでに複数の手術を受けている臨床候補者の困難な臨床状況、呼吸力や気管が受ける回転運動や縦運動に耐えながら完全に発達して宿主と一体化できるインプラントの作成などが挙げられる。^[45]

人工臓器を作製して装着することで、自然には存在しない能力をその所有者に与えることも可能です。視覚、記憶、情報処理の分野で研究が進められています。現在の研究では、事故被害者の短期記憶や認知症患者の長期記憶の回復に焦点を当てています。

ケビン・ワーウィックがインターネットを介して神経系を拡張し、ロボットハンドを制御する一連の実験を行い、2人の人間の神経系間で初めて直接電子通信を行ったことで、一つの成功が達成されました。^[46]

これには、識別や位置特定を目的とした皮下チップの埋め込み（例： RFIDタグ）という既存の慣行も含まれる可能性がある。 ^[47]

臓器チップは、組織や臓器を模した細胞で満たされた中空の微小血管を備えたデバイスであり、重要な化学的および電気的信号情報を提供できるマイクロ流体システムです。^{[48]これは、識別子として一般的に使用され、トランスポンダーも含むことができる小さな電子チップを指す}マイクロチップという用語の別の用法とは異なります。

この情報は、健康な臓器と病気の臓器の両方を対象とした「ヒトin vitroモデル」の作成、毒性スクリーニングにおける薬剤の進歩、動物実験の置き換えなど、さまざまな用途を生み出すことができます。^[48]

3D細胞培養技術を使用することで、科学者は生体内に存在する複雑な細胞外マトリックス（ECM）を再現し、薬物やヒトの病気に対するヒトの反応を模倣することができます。^[49] チップ上の臓器は新薬開発の失敗率を下げるために使用され、これらをマイクロエンジニアリングすることで微小環境を臓器としてモデル化することができます。

• 人工臓器。ISSN 1525-1594  。
• アメリカ人工臓器学会 (ASAIO)
• NBCニュース「イーロン・マスクは来年からあなたの脳をコンピューターに直接接続したい」