Направления исследований
Инженерный подход к функциям организма
Рассматриваем жизненно важные функции организма как инженерные задачи. Определяем нужный результат и сравниваем способы его обеспечить: препаратами, клетками, органоидами и искусственными системами.
Три функции как инженерные задачи
Для каждой функции задаём требуемый результат, затем выбираем способ его обеспечить. Исполнителем может быть вещество, группа клеток, органоид, устройство или их сочетание. Функцию можно распределить между несколькими исполнителями и перенести в другое место тела.
Новые примеры составлены по схеме Михаила Батина. Сохранены все шесть категорий X/S/E/A/R/N. Формулировки примеров и инженерные варианты подготовлены редакцией.
Доставка кислорода тканям
Клеткам нужен кислород в количестве, соответствующем их работе. Насыщение крови кислородом, его перенос и движение крови образуют общую задачу, которую можно распределить между биологическими и техническими исполнителями.
- Насытить кровь кислородом
- Доставить кровь к тканям
- Согласовать доставку с потреблением
Функция в шести категориях
- X Компонент
- Газообменная поверхность, переносчик кислорода, насос и сосудистая сеть. Часть работы могут выполнять искусственный оксигенатор и механический насос.
- S Система
- Система доставки кислорода тканям.
- E Эффект компонента
- Насыщает кровь кислородом и обеспечивает её движение к тканям, где кислород высвобождается.
- A Способность системы
- Способность обеспечивать ткани кислородом при изменении их потребностей.
- R Функциональный результат
- Доставка кислорода соответствует потреблению в каждой ткани, включая периоды нагрузки.
- N Основание функционального статуса
- Этот результат поддерживает производство энергии и жизнеспособность клеток.
Варианты исполнения
Газообмен можно передать мембранному оксигенатору, движение крови поддержать насосом, а регулирование потока связать с измерением потребности тканей. Эти части могут находиться внутри тела и за его пределами. Для каждого варианта требуется проверить всю цепочку доставки кислорода до клеток.
Что уже применяется
Экстракорпоральная мембранная оксигенация (ЭКМО) позволяет насыщать кровь кислородом вне тела. В конфигурации для поддержки кровообращения система также временно берёт на себя насосную работу сердца.
Сегодня это метод временной поддержки. Постоянная автономная доставка кислорода требует решения задач микроциркуляции, совместимости с кровью и регулирования нагрузки.
Источник · NHLBIСледующая инженерная задача
Создать систему, которая длительно обеспечивает ткани кислородом в покое и при нагрузке. Проверять достаточность доставки в разных тканях, энергозатраты, повреждение крови и устойчивость работы. Замещение этой функции снимает соответствующую часть требований к работе сердца и лёгких; остальные их функции учитываются отдельно.
Регулирование глюкозы через подачу инсулина
Нужное действие инсулина можно обеспечить введением готового гормона. Измерение глюкозы, определение дозы и подачу инсулина можно распределить между датчиком, программой и помпой или поручить живым клеткам.
- Измерить уровень глюкозы
- Определить потребность в инсулине
- Подать нужное количество гормона
Функция в шести категориях
- X Компонент
- В техническом варианте: датчик глюкозы, программа управления, запас инсулина и помпа. В клеточном варианте: инсулин-продуцирующие клетки или островковые органоиды.
- S Система
- Система регуляции обмена глюкозы.
- E Эффект компонента
- Меняет поступление инсулина в зависимости от состояния организма.
- A Способность системы
- Способность согласовывать использование и запасание питательных веществ с их поступлением и расходом.
- R Функциональный результат
- Глюкоза остаётся в целевом диапазоне при приёме пищи, голодании и физической нагрузке.
- N Основание функционального статуса
- Этот результат поддерживает энергетический обмен и защищает ткани от опасных колебаний глюкозы.
Варианты исполнения
Возможны введение готового инсулина, автоматизированная подача гормона и пересадка клеток или органоидов. Размещение бета-клеток в руке можно рассматривать как инженерный вариант: нужно обеспечить их питание, реакцию на глюкозу, поступление инсулина в кровоток и иммунную защиту. Место выполнения функции становится параметром проекта.
Что уже применяется
Инсулинотерапия уже замещает недостаточную выработку гормона. Системы автоматизированной подачи объединяют датчик глюкозы, программу расчёта дозы и помпу. Так измерение, управление и подача инсулина выполняются разными элементами.
Такие системы требуют обслуживания и участия человека, в том числе при приёме пищи. Пересадка клеток в руку здесь приведена как проектный вариант; её работоспособность и безопасность требуют проверки конкретной реализации.
Источник · NIDDKСледующая инженерная задача
Сравнивать способы по времени нахождения глюкозы в целевом диапазоне, частоте опасных снижений и повышений, скорости реакции и повседневной нагрузке на человека. Для клеточного решения дополнительно проверить устойчивость секреции и возможность обслуживания или замены трансплантата.
Удаление продуктов обмена и избытка воды
Организму нужно выводить определённые вещества и воду с нужной скоростью, сохраняя полезные компоненты крови. Эту задачу можно разложить на операции и подобрать для каждой своего исполнителя.
- Перенести выводимые вещества через мембрану
- Удалить избыток воды
- Поддержать состав внутренней среды
Функция в шести категориях
- X Компонент
- В техническом варианте: диализная мембрана, контур движения крови, диализирующий раствор и система управления. В перспективном биогибридном варианте часть избирательного переноса могут выполнять живые клетки.
- S Система
- Система поддержания состава и объёма внутренней среды.
- E Эффект компонента
- Удаляет продукты обмена и избыток воды, регулирует перенос растворённых веществ.
- A Способность системы
- Способность согласовывать выведение веществ и воды с их поступлением и образованием.
- R Функциональный результат
- Состав и объём жидкостей организма остаются в диапазоне, совместимом с нормальной работой тканей.
- N Основание функционального статуса
- Этот результат предотвращает накопление токсичных веществ и опасные нарушения водного, электролитного и кислотно-щелочного равновесия.
Варианты исполнения
Удаление веществ можно поручить внешнему фильтру, а избирательный перенос исследовать в системах с живыми клетками. Клетки и органоиды здесь рассматриваются как возможные исполнители отдельных операций. Требования к каждому элементу определяются составом крови, который должна поддерживать вся система.
Что уже применяется
Гемодиализ уже удаляет продукты обмена и избыток воды из крови вне тела и помогает поддерживать баланс минералов. Это действующий пример передачи части жизненно важной функции технической системе.
Гемодиализ замещает часть функций почек. Гормональная регуляция и другие задачи требуют отдельных решений. Системы с клетками и органоидами здесь описаны как направления разработки.
Источник · NIDDKСледующая инженерная задача
Обеспечить длительное поддержание состава внутренней среды при изменениях питания и нагрузки. Сравнивать решения по удаляемым веществам, сохранению полезных компонентов, водному балансу и времени, которое человек тратит на процедуры.
Результат задаёт требования к исполнителю
Сначала фиксируем функциональный результат R и его значение N для организма. Затем подбираем компонент X и проверяем, обеспечивает ли его действие E требуемую способность A в системе S. Сравниваем решения по качеству результата, длительности работы, реакции на нагрузку и влиянию на другие функции. По мере замещения функций зависимость организма от исходных структур может уменьшаться.
Место в общей стратегии
Функциональный подход позволяет разложить поддержание жизни на конкретные задачи и для каждой выбрать подходящий способ выполнения.
Презентация «Спектр борьбы со смертью»