DARPA werkt aan draagbare en robuuste kunstmatige "biospleen" om sepsis te bestrijden

Anonim

DARPA werkt aan draagbare en robuuste kunstmatige "biospleen " om sepsis te bestrijden

Gezondheid & Welzijn

David Szondy

19 september 2014

4 afbeeldingen

Het prototype biospleen en componenten (Afbeelding: DARPA)

Vandaag, als we denken aan de gevaren van het slagveld, denken we aan wonden veroorzaakt door kogels, bommen en andere wapens. Maar zo laat als de Spaans-Amerikaanse oorlog van 1898 was het aantal soldaten dat stierf aan infectieziekten, in tegenstelling tot rechtstreeks door gevechtsverwondingen, zeven tegen één. Dankzij de ontdekking van penicilline en andere antibiotica is die verhouding drastisch andersom gekeerd, maar het is nog steeds een groot probleem, niet alleen voor militair personeel, maar ook voor burgers. DARPA ontwikkelt een kunstmatige milt, of "biospleen, " als een manier om dodelijke infecties zonder antibiotica te bestrijden.

De reden waarom infectie zo gevaarlijk is in zowel militaire als civiele gebieden is omdat het kan leiden tot sepsis. Dat wil zeggen dat het lichaam overdreven reageert op de infectie met vaak fatale gevolgen. Volgens DARPA trekken wereldwijd 18 miljoen mensen sepsis uit met een sterftecijfer van 30 tot 50 procent.

De gebruikelijke manier om dit te bestrijden is door antibiotica, maar dat brengt zijn eigen problemen met zich mee. Ten eerste gebruiken chirurgen in gevechtssituaties enorme doses antibiotica die in het maatschappelijk leven beter geschikt zouden zijn voor de behandeling van een olifant. Een andere is dat het doden van de bacteriën die de infectie veroorzaken, niet helpt als de gifstoffen die achterblijven niet worden schoongemaakt. En zelfs als het succesvol is, draagt ​​het routinematige gebruik van antibiotica bij aan het toenemende gevaar van het fokken van antibiotica-resistente stammen van microben.

Sepsis microben en toxines (blauw en oranje) houden zich aan de met eiwit bedekte kralen (wit) (Afbeelding: DARPA)

Een alternatieve manier om met infecties om te gaan, is door dialyse. Net als bij kunstmatige niermachines die het bloed van afvalproducten reinigen wanneer de nieren van de patiënt zijn mislukt, kan een dergelijke dialyse-machine ook worden geconfigureerd om te werken als een kunstmatige milt.

Voor de meeste mensen is wat de milt doet zo mysterieus als die schakelaar die ze onder de gootsteen vonden toen ze naar binnen trokken, maar het leverachtige orgaan speelt een vitale rol bij het bestrijden van infecties door microben en toxines uit de bloedbaan te verwijderen. Het gebruik van een machine die hetzelfde kan doen, zou een grote hulp kunnen zijn bij het bestrijden van sepsis met betrekking tot gevechten, maar dergelijke apparaten zijn groot, duur en precies het tegenovergestelde van portable.

DARPA's Dialysis-Like Therapeutics (DLT) -programma is erop gericht dat knelpunt te verwijderen door een reeks apparaten te bedenken die infecties kunnen identificeren, bloed en andere vloeistoffen kunnen verplaatsen zonder de noodzaak van anticoagulantia om te voorkomen dat de werkingen ophopen, verwijderen ziekteverwekkers, en bieden over het algemeen een soort van "closed loop " -therapie voor het omgaan met infecties.

Diagram met het magnetische scheidingsproces (Afbeelding: DARPA)

De biospleen is een voorbeeld van de DLT-technologie. Het doel is niet alleen om een ​​dialyseapparaat te maken om te doen wat een milt doet, maar om het te laten integreren, draagbaar en robuust genoeg voor gebruik in het veld, want hoe dichter de hulp bij de soldaat is, hoe beter hun overlevingskansen.

Het resultaat is een prototype dat ongeveer zo groot is als een schoenendoos. Binnenin is circulerende apparatuur en een reeks kleine buisjes zoals de verweven bloedvaten in de milt. Net als die bloedvaten, is het buizennetwerk ontworpen om als een bloedfilter te fungeren. Het lastige stukje is om ervoor te zorgen dat het de ziektekiemen eruit filtert zonder bloedcellen mee te nemen en zonder een immuunrespons door het lichaam op te wekken.

Het doet dit door een van de buizen bloed te hebben en de andere een zoutoplossing. Deze buizen zijn met elkaar verbonden door microscopische spleten. Tot nu toe, zo conventioneel, maar de sleutel is dat wanneer het bloed in de biospleen wordt gepompt, het wordt gemengd met magnetische korrels met een diameter van 128 nanometer. Deze zijn bekleed met een gemanipuleerd eiwit van het menselijke immuunsysteem dat opsonine of mannosebindend lectine (MBL) wordt genoemd.

DARPA zegt dat de engineered MBL de doorbraak is voor de kunstmatige milt. De structuur van het molecuul maakt het mogelijk dat het "hoofd " aan de microben of toxinen blijft kleven, terwijl de "staart " aan de magnetische kralen kleeft. Het harde deel was het structureren van het MBL-molecuul, zodat het zich niet zou hechten aan auto-immuunsysteemmoleculen, wat een gevaarlijke immuunreactie of coagulatie zou veroorzaken.

Zodra de microben vastzitten aan de kralen, trekt een magneet de kralen door de gleuf in het zoutkanaal, waar ze worden weggespoeld voor verzameling en verwijdering, terwijl het schone bloed wordt teruggegeven aan de patiënt. Volgens DARPA verwijdert deze methode Gram-positieve bacteriën, schimmels en endotoxines van volledig menselijk bloed dat door de biospleen-eenheid stroomt tot 1, 25 l / uur (42, 2 oz / uur) zonder eerst de bacteriën of toxines te identificeren, die zou dagen kunnen besparen in de daadwerkelijke behandeling.

Toen het systeem werd getest op ratten die waren geïnfecteerd met een mengsel van Staphylococcus aureus en Escherichia coli, verwijderde het biospleen 90 procent van de infectieuze stoffen binnen vijf uur.

DARPA zegt dat de ontwikkeling van de biospleen- en andere DLT-technologieën aan de gang is en dat als latere tests de veiligheid en werkzaamheid van de biospleen kunnen aantonen, er een aanvraag wordt ingediend bij de Amerikaanse Food and Drug Administration voor klinische proeven bij mensen.

"Sepsis is een enorm probleem voor zowel de civiele als de militaire gezondheidszorg. Daarom wilde DARPA effectievere en draagbare technologieën ontwikkelen voor sepsisbehandeling, " zegt USArmy Col. Matt Hepburn, DARPA programmamanager. "Ons 'artificiële milt ' prototype toont een veelbelovende nieuwe manier om sepsis sneller en grondiger te bestrijden.De technologie is ook klein en licht en bruikbaar op zichzelf of met commerciële dialyse-apparatuur.We zijn hoopvol dat dit nieuwe technologie kan artsen nieuwe hulpmiddelen bieden om levens te redden in de toekomst. "

De kunstmatige milt wordt beschreven in Nature Medicine .

Bron: DARPA

Het prototype biospleen en componenten (Afbeelding: DARPA)

Sepsis microben en toxines (blauw en oranje) houden zich aan de met eiwit bedekte kralen (wit) (Afbeelding: DARPA)

Diagram met het magnetische scheidingsproces (Afbeelding: DARPA)

Experimentele dialyse opgezet (Afbeelding: DARPA / Wyss Institute)