Lucrurile pot merge în jos repede atunci când un pacient are septicemie, o afecțiune care pune viața în pericol, în care bacteriile sau ciupercile se înmulțesc în sângele pacientului - adesea prea rapid pentru ca antibioticele să le ajute. Un nou dispozitiv inspirat din splina umană și dezvoltat de o echipă de la Institutul Wyss pentru Inginerie Inspirată Biologic din Harvard poate transforma radical modul în care medicii tratează sepsisul.

curățare

„Chiar și cu cele mai bune tratamente actuale, pacienții cu septicemie mor în unități de terapie intensivă cel puțin 30 la sută din timp”, spune Mike Super, dr., Om de știință senior al personalului de la Institutul Wyss. „Avem nevoie de o nouă abordare”. Sepsis ucide cel puțin opt milioane de oameni în întreaga lume în fiecare an și este principala cauză de decese în spital.

Dispozitivul, numit „biospleen”, a depășit așteptările echipei prin capacitatea sa de a curăța sângele uman testat în laborator și de a crește supraviețuirea la animalele cu sânge infectat, așa cum este raportat în Nature Medicine. În câteva ore, poate filtra agenții patogeni vii și morți din sânge, precum și toxinele periculoase care sunt eliberate de agenții patogeni.

Sepsisul apare atunci când sistemul imunitar al unui pacient reacționează excesiv la o infecție din sânge, declanșând o reacție în lanț care poate provoca inflamație, coagulare a sângelui, leziuni ale organelor și moarte. Poate apărea dintr-o varietate de infecții, inclusiv apendicită, infecții ale tractului urinar, infecții cutanate sau pulmonare, precum și linii IV contaminate, locuri chirurgicale și catetere.

Identificarea agentului patogen specific responsabil pentru sepsis poate dura câteva zile, iar la majoritatea pacienților agentul cauzal nu este niciodată identificat. Dacă medicii nu sunt în măsură să identifice ce tipuri de bacterii sau ciuperci cauzează infecția, aceștia tratează pacienții cu sepsis empiric cu antibiotice cu spectru larg - dar acestea deseori nu reușesc în multe cazuri și pot avea efecte secundare devastatoare. Provocarea tratamentului sepsisului continuă să devină mai complexă pe măsură ce prevalența bacteriilor rezistente la medicamente crește în timp ce dezvoltarea de noi antibiotice rămâne.

„Acest lucru pregătește scena pentru o furtună perfectă”, spune Super, care a făcut parte dintr-o echipă condusă de directorul fondator al Institutului Wyss, Don Ingber, MD, dr., Care a inclus și colegii de doctorat Joo Kang pentru dezvoltarea tehnologiei Wyss Institute și colegii din Boston Children's Hospital, Harvard Medical School și Massachusetts General Hospital.

Kang, care este, de asemenea, asociat de cercetare la Școala de Inginerie și Științe Aplicate (SEAS) de la Harvard și cercetător în cadrul Programului de biologie vasculară de la Spitalul de Copii din Boston, a plecat împreună cu echipa pentru a construi un dispozitiv fluidic care funcționează în afara corpului ca o dializă. și elimină microbii vii și morți de toate soiurile - precum și toxinele. L-au modelat după microarhitectura splinei umane, un organ care îndepărtează agenții patogeni și celulele moarte din sânge printr-o serie de mici canale de sânge întrețesute.

Biospleenul este un dispozitiv microfluidic care constă din două canale goale adiacente care sunt conectate între ele printr-o serie de fante: un canal conține sânge care curge, iar celălalt are o soluție salină care colectează și îndepărtează agenții patogeni care se deplasează prin fante. Cheia succesului dispozitivului sunt mici margele magnetice de dimensiuni nanometrice, acoperite cu o versiune modificată genetic a unei proteine ​​a sistemului imunitar natural numită lectină de legare a manozei (MBL).

În starea sa înnăscută, MBL are un „cap” asemănător unei ramuri și o „coadă” asemănătoare unui băț. În organism, capul se leagă de zaharuri specifice de pe suprafețele a tot felul de bacterii, ciuperci, viruși, protozoare și toxine, iar coada indică sistemul imunitar pentru a le distruge. Cu toate acestea, uneori, alte proteine ​​ale sistemului imunitar se leagă de coada MBL și activează coagularea și deteriorarea organelor - așa că Super a folosit instrumente de inginerie genetică pentru a tăia coada și a grefa pe una similară dintr-o proteină de anticorp care nu cauzează aceste probleme.

Echipa a atașat apoi proteinele hibride la margele magnetice cu 128 nanometri în diametru de aproximativ o cincime de sutime din lățimea firului de păr uman pentru a crea noi margele care ar putea fi adăugate la sângele unui pacient infectat pentru a se lega de agenții patogeni și toxinele fără a fi nevoie să identificați mai întâi tipul de agent infecțios. Dispozitivul sepsis are apoi un magnet care trage mărgelele magnetice acoperite de agent patogen prin canale pentru a curăța sângele care curge prin dispozitiv, care este apoi returnat pacientului.

Echipa și-a testat mai întâi sistemul de curățare a sângelui folosind sânge uman în laborator care a fost îndesat cu agenți patogeni. Au reușit să filtreze sângele mult mai repede decât oricând, iar magneții au scos în mod eficient mărgelele - acoperite cu agenți patogeni - din sânge. De fapt, mai mult de 90% dintre agenții patogeni cheie sepsis au fost legați și eliminați atunci când sângele curgea printr-un singur dispozitiv cu o rată de aproximativ jumătate până la un litru pe oră, iar multe dispozitive pot fi legate împreună pentru a obține nivelurile necesare pentru sângele uman. curățare la rate asemănătoare dializei.

Apoi au testat dispozitivul folosind șobolani care au fost infectați cu E. coli, S. aureus și toxine - imitând multe dintre infecțiile din sânge pe care le experimentează pacienții cu sepsis uman. Destul de similar cu testele efectuate pe sângele uman, după doar cinci ore de filtrare, aproximativ 90 la sută din bacterii și toxine au fost eliminate din fluxul sanguin al șobolanilor.

"Nu a trebuit să ucidem agenții patogeni. Le-am capturat și le-am îndepărtat", spune Super. Mai mult, 90 la sută dintre animalele tratate au supraviețuit comparativ cu 14 la sută din controale - și destul de sigur, datorită MBL modificat de echipă, sistemul imunitar nu a reacționat exagerat.

"Sepsisul este o amenințare medicală majoră, care crește din cauza rezistenței la antibiotice. Suntem încântați de biospleen, deoarece oferă potențial o modalitate de a trata pacienții rapid, fără a fi nevoie să aștepte zile pentru a identifica sursa infecției și funcționează la fel de bine cu organisme rezistente la antibiotice ", spune Ingber, care este, de asemenea, Judah Folkman profesor de biologie vasculară la Harvard Medical School și programul de biologie vasculară la Boston Children's Hospital, precum și profesor de bioinginerie la SEAS. "Sperăm să ne îndreptăm spre testarea umană pentru a avansa la studii pe animale cât mai repede posibil".

Lucrarea a fost finanțată de programul de terapie asemănătoare dializei al Agenției de Proiecte de Cercetare Avansată (DARPA), Departamentul de Apărare/Centrul pentru Integrarea Medicinii și Tehnologiei Inovatoare (CIMIT) și Institutul Wyss pentru Inginerie Inspirată Biologic de la Universitatea Harvard.

Sursă: Institutul Wyss pentru Inginerie Inspirată Biologic de la Universitatea Harvard