Voor patiënten met ernstige longaandoeningen is een longtransplantatie soms de enige levensreddende behandeling. Het tekort aan donorlongen beperkt die mogelijkheid echter sterk. Onderzoekers van de Hannover Medical School (MHH) en RWTH Aachen University werken daarom aan een biohybride kunstlong. Met een nieuwe, 3D-geprinte membraanstructuur hebben zij nu een belangrijke technische stap gezet: de zuurstofoverdracht kan tot 88 procent hoger liggen dan bij conventionele membranen.
Het onderzoeksteam onder leiding van prof. dr. Bettina Wiegmann ontwikkelt sinds 2017 een kunstlong die voortbouwt op extracorporale membraanoxygenatie (ECMO). Bij ECMO wordt bloed buiten het lichaam langs kunststof hollevezelmembranen geleid, waar zuurstof wordt toegevoegd en koolstofdioxide verwijderd. De nieuwe technologie moet deze gaswisseling efficiënter maken en uiteindelijk bijdragen aan compactere, mogelijk implanteerbare kunstlongen.
Andere architectuur
Conventionele ECMO-systemen maken gebruik van zogenoemde hollow-fiber membranes (HFM), vergelijkbaar met zeer kleine rietjes die in parallelle rijen zijn gerangschikt. Die opbouw heeft beperkingen. De verdeling van de bloedstroom is niet optimaal en turbulentie kan de efficiëntie van de gaswisseling verminderen. Bovendien kan contact tussen bloed en kunstmatige oppervlakken de vorming van bloedstolsels bevorderen.
De onderzoekers kozen daarom voor een fundamenteel andere membraanarchitectuur, gebaseerd op zogenoemde triply periodic minimal surfaces (TPMS). Deze structuur vormt een doorlopend driedimensionaal netwerk, waardoor het bloed gelijkmatiger kan worden verdeeld.
De architectuur doet in zekere zin denken aan de longblaasjes in natuurlijke longen: een groot oppervlak wordt gecombineerd met een relatief klein volume. De menselijke long beschikt dankzij ongeveer 300 miljoen longblaasjes over circa 100 tot 140 vierkante meter oppervlak voor gaswisseling. Hoewel de kunstmatige structuur die dichtheid nog niet bereikt, vermindert zij gebieden met een lage bloedstroom en verlaagt zij de stromingsweerstand.
Tot 88 procent meer zuurstofoverdracht
Een belangrijk voordeel is dat de complexe TPMS-structuren nauwkeurig met 3D-printtechnologie kunnen worden geproduceerd en aangepast. Na optimalisatie van de architectuur maten de onderzoekers tot 88 procent meer zuurstofoverdracht dan bij traditionele hollevezelmembranen.
Volgens Wiegmann betekent dit dat in de toekomst dezelfde of zelfs een betere zuurstofvoorziening mogelijk kan zijn met aanzienlijk kleinere kunstlongen. Dat is relevant voor het uiteindelijke doel van een implanteerbaar systeem, maar kan op kortere termijn ook bestaande ECMO-apparatuur verbeteren. Compactere systemen zouden bovendien nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor de praktische inzet van langdurige longondersteuning.
Niet alleen de vorm, maar ook het materiaal speelt daarbij een belangrijke rol. De TPMS-membranen bestaan uit een speciaal siliconenpolymeer dat biocompatibel, niet-toxisch en chemisch stabiel is. Tegelijkertijd laat het materiaal zuurstof en koolstofdioxide goed door.
Patiëntspecifieke kunstlong
Een andere belangrijke eigenschap is dat het membraan kan worden bedekt met endotheelcellen, dezelfde cellen die de binnenzijde van natuurlijke bloedvaten bekleden. Omdat deze cellen onder meer betrokken zijn bij de regulering van bloedstolling, hopen de onderzoekers daarmee de interactie tussen bloed en het kunstmatige oppervlak te verbeteren. Dat kan belangrijk zijn voor langdurige toepassing van een kunstlong.
De ambities reiken uiteindelijk verder. Het onderzoeksteam wil CT-beelden van beschadigde longen gebruiken als basis voor het 3D-printen van patiëntspecifieke longsegmenten of zelfs complete kunstlongen. Die zouden vervolgens kunnen worden voorzien van eigen of genetisch aangepaste endotheelcellen van de patiënt en permanent worden geïmplanteerd.
Dat perspectief ligt nog in de toekomst. De nieuwe membraanarchitectuur kan volgens de onderzoekers echter ook zonder endotheelcellen al relevant zijn. Als vervanger van de huidige hollevezelmembranen kan de technologie mogelijk leiden tot efficiëntere en compactere ECMO-systemen. Daarmee vormt de 3D-geprinte structuur zowel een potentiële verbetering van bestaande longondersteuning als een technologische basis voor de ontwikkeling van een implanteerbare biohybride long.
Beademingstechnologie
Vorig jaar toonde onderzoek van het Catharina Ziekenhuis aan dat automatische beademing op de intensive care de werkdruk van verpleegkundigen kan verminderen en tegelijkertijd de patiëntenzorg ondersteunt. Bij conventionele beademing moeten verpleegkundigen regelmatig instellingen aanpassen aan de behoeften van de patiënt. Het onderzochte systeem doet dit automatisch en reageert continu op veranderingen in de toestand van de patiënt.
Intensivist Ashley De Bie Dekker concludeerde dat de technologie als een extra paar ogen en handen aan het bed werkt. Verpleegkundigen hoeven minder handelingen uit te voeren en ervaren het systeem als prettiger. Daardoor ontstaat meer tijd voor andere zorgtaken en persoonlijke aandacht voor patiënten. De onderzoekers zien vooral kansen in een tijd waarin personeelstekorten toenemen. Ook internationaal kan automatische beademing meerwaarde bieden, bijvoorbeeld op IC’s waar verpleegkundigen meerdere patiënten tegelijkertijd verzorgen of minder gespecialiseerde kennis over beademing beschikbaar is.
