1. Úvod do bioniky 1.1. Základní pojmy
BIOLOGIE
⎧ BIOTECHNIKA ⎫ ⎪BIOTECHNOLOGIE⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎨ ⎪ BIOTRONIKA(?) ⎪ ⎪⎭ ⎪⎩ BIONIKA
TECHNIKA
BIOTECHNIKA - aplikace technických věd při analýze fyziologicko-chemických procesů v živých systémech BIOTECHNOLOGIE - aplikace živých organismů v průmyslové výrobě (výroba sýrů, pivovarnictví, molekulární biologie - genové inženýrství, koncentrování minerálů pomocí mikroorganismů, odstraňování odpadů biodegradací, ...) BIOTRONIKA - životní filosofie aplikovaná na léčbu člověka v jeho třech základních složkách - duchu, hmotě a vitalitě BIONIKA Základní myšlénka - řešit technické problémy na základě poznání stavby a funkce přirozených živých systémů - nejde o to kopírovat řešení, jak je nabízí příroda, nýbrž APLIKOVAT PODSTATNÝ PRINCIP!!! (úspěch technického modelování biologických jevů spočívá ve srovnávání, abstrakcích a ve volbě technicky možného a použitelného) Definice věda, studující principy organizace (struktury) a činnosti biologických systémů na všech úrovních (od molekulárních po společenské), sledující procesy přeměny energie a informací, přestavbu látek v živých organismech a ekosystémech a uplatňující získané poznatky v technické praxi;
Obr.1.1 - a) Spojení předního a zadního okraje křídla štěnice; b) spojení pomocí háku a poutka u vozíku polní železnice (podle [18])
věda o systémech analogických biologickým systémům nebo které mají některé specifické vlastnosti živých organismů; (Malý encyklopedický slovník, Academia 1972) hraniční vědní obor mezi biologií a technikou, uplatňující kybernetické principy v biologickém výzkumu (?), sledující principy a mechanismy autoregulace a přenosu a zpracování informace v živých organismech (orientace a navigace u ptáků a netopýrů, sdělování na dálku u živočichů, výpočty pomocí DNK), vytvářející modely procesů v živých organismech a studující možnosti využití těchto principů v technice.
!!! POZOR !!!
PŘÍRODA ALE NENÍ VŠEMOCNÁ ! >>> problém kola (vrtule, lodního šroubu) <<<
!!! POZOR !!!
použití kola je v rozporu s principem souvislé organické stavby - kolo jako pohybový orgán nutně vyžaduje fyziologické oddělení rotoru od statoru, což je v živém systému nemožné.
3
1.2. Základní témata a cíle bioniky využití znalosti činnosti receptorů, nervových buněk a nervových soustav různých typů živočichů při konstrukci čidel, prakticky použitelných neuronových modelů a umělých neuronových soustav z nich vytvořených; sledování biologických systémů regulace a řízení, zkoumání metod a mechanismů přizpůsobení živých organismů změněným podmínkám prostředí s cílem vytvořit adaptabilní technická zařízení; řešení vztahu mezi strojem a člověkem, zejména ve snaze o automatizaci výrobních procesů; výzkum metod výměny informací mezi živočichy za účelem vytvoření nových druhů komunikační techniky, umožňující zrychlení a zkvalitnění výměny informací; rozpoznání optických a akustických (obecně smyslových) obrazců - principy smyslového vnímání; procesy prostorové orientace (analýza 2D a 3D scény), lokace a navigace a praktické uplatnění příslušných biologických a psychických mechanismů; výzkum energetiky živých organismů za účelem získání - široké škály laciných zdrojů potravy; - účinných postupů přeměny chemické (biologické?) energie na energii elektrickou, příp. mechanickou; sledování biomechaniky lokomoce, biologické aero- a hydromechaniky a využití těchto poznatků při projektování pohyblivých technických prostředků; výzkum struktur, konstrukcí a forem rostlin a živočichů a jejich použití v konstrukci mechanických zařízení, stavebnictví a architektuře, mimo jiné i pro zvýšení spolehlivosti technických konstrukcí; vytváření nových chemických technologií na základě znalosti principů chemické syntézy v živých organismech (odsolování vody, selektivní hromadění chemických prvků,...); na základě znalosti činnosti živých organismů zmenšovat rozměry technických zařízení při zvyšování jejich výkonů;
1.3. Členění bioniky OBECNÁ BIONIKA její náplní je vyhledávat a upozorňovat na struktury a procesy, i na jejich funkční vztahy, v systémech či subsystémech organismů, které mohou mít význam pro vytýčení a řešení technických a technologických problémů. Ze začátku není podstatné , jak dalece jsou tyto biologické jevy objasněny či nikoliv. APLIKOVANÁ BIONIKA hledá podněty a předlohy a vytváří modely, příp. prototypy řešení pro jednotlivé aplikované obory. Může se dále členit na následující problémově orientované oblasti: STRUKTURNÍ BIONIKA - zkoumá zákonité vztahy mezi procesy v živých organismech, tkáních, buňkách a jejich tvary, příp. jejich vnitřním uspořádáním mikrostrukturní bionika - aplikace poznatků o buněčných a podbuněčných strukturách až do úrovně organel a o tkáňových a orgánových strukturách (textilní průmysl, elektrotechnika,...) makrostrukturní bionika - poznatky o vnější stavbě těl živých organismů a jejím vztahu k funkci (stavitelství, včetně architektury a urbanismu, dopravní prostředky, umění - inspirace přírodními tvary, ...); INFORMAČNÍ BIONIKA (spolu s receptorickou bionikou a neurobionikou) - elektronika a zpracování dat (informační a komunikační technika), přístrojová, především měřicí technika, MOLEKULÁRNÍ BIONIKA (s oblastí chemobioniky a membránové bioniky) - chemická provozní technika, energetika; SYSTEMATICKÁ BIONIKA 4
zabývá se systematickým tříděním výsledků bionického výzkumu. V současnosti se člení na: submikroskopické struktury; přírodní způsoby spojování; biologické systémy aktivního i pasivního létání; systémy navigace živých organismů; přírodní příjem vnějších podnětů, přenos, zpracování a hromadění informací (signálů, vzruchů), způsoby využívání informací; rostlinné a živočišné měničové pochody;
1.4. Základní principy bioniky Princip jednoty struktury a procesu Strukturou rozumíme souhrn vztahů, které existují mezi prvky nějakého systému. V méně přesném významu lze použít i pro vnější podobu, pro viditelné povrchové jevy reprezentující zkoumaný systém. Proces je dynamická posloupnost různých stavů téhož systému, organismu, popř. věci. Stav systému charakterizuje jeho náplň, obsah. Struktura a proces spolu souvisí a navzájem se neustále ovlivňují. Životní podmínky určují aktivitu živých organismů (proces) a ta určuje vnitřní i vnější strukturu organismu. Stavba organismu pak zase naopak predeterminuje jeho možnosti se svou činností optimálně přizpůsobit svým životním podmínkám. Vztah mezi strukturou a procesem, tvarem a funkcí sledován již od starověku (Alkamaion r. 500 př.n.l. - řešení problémů v lékařství).
Obr.1.2 Kořen mandragory
Optimální struktury představují základní předpoklad pro maximální výkonnost → adaptace na vzestup funkční aktivity (v mezích biologické přizpůsobivosti) vede k zesílení struktury a vice versa. Principiální rozdíl mezi živým systémem a technickou konstrukcí - technická konstrukce se častým funkčním zatěžováním opotřebovává !! ⇒ při vývoji živého organismu se životními podmínkami může ovlivňovat charakter struktury (vývoj jedince, vývoj druhu).
Minimaximální princip Optimalizace při ontogenezi a přizpůsobování se životním podmínkám vede k optimalizaci požadavků na množství energie (materiálu) k získání maximálního výkonu pro realizaci životních funkcí živého organismu. (Ontogeneze je vývoj živého organismu od zárodku do pohlavní zralosti, resp.až po zánik řec. on, ontos - jsoucí, řec. genesis - vznik.) Příklad: stavba kostní tkáně - budována s vynakládáním minimálního množství materiálu, úspora materiálu umožňuje snadnější opravy, živočich vynakládá na pohyb při snižující se váze méně energie na tutéž aktivitu.
Princip souvislé organické stavby Zásobování tělesných orgánů živých organismů (materiální i informační) nemůže být přerušeno - příroda nedokázala vyvinout třecí kontakty ⇒ nedokáže používat rotačních struktur. (Jaké je energetické srovnání pohybu pomocí kola a pohybů běžných v přírodě? Srovnání aktivního a pasivního pohybu.)
5
2. Substitutivní medicína 2.1. Co to je? Založena na myšlence, že chorobný stav může být odstraněn nejen navrácením správné funkce špatně fungujícího orgánu, tkáně či buněk působením chemických látek či fyzikální terapie, nýbrž také náhradou špatně pracující části organismu jeho přirozeným či umělým ekvivalentem. (Pokud je překročen jistý stav nemoci, může být náhrada chybně fungujícího orgánu účinnější, než se těžce pokoušet o jeho léčbu, např. v případě choroby srdečních chlopní, srdečních bloků, maligní arytmie, šedého zákalu, ...) Přirozený ekvivalent - ze zemřelé osoby, z žijícího příbuzného, ze zvířete, případně uměle vytvořený pomocí prostředků genetického inženýrství. Možnost transplantace přirozených orgánů vyplývá z jejich předimenzování daného dlouhodobou evolucí (transplantované orgány mohou poskytnout dostatečně účinnou pomoc, i když nejsou v okamžiku transplantace v optimálním stavu). Mají stejnou funkci, stejný tvar, stejný způsob připojení. Problém je nedostatek dárců. Umělé orgány jsou dosud relativně primitivní. Cílem jejich návrhu je zatím vytvořit zařízení s funkcí ekvivalentní nahrazovanému orgánu - nikoliv tvarová či materiálová ekvivalence. K dosažení ekvivalentní funkce používají odlišné mechanické, elektrické či chemické procesy. Nejsou optimálně přizpůsobeny požadavkům aktivity či růstu lidského organismu ani kvalitě prostředí (teplo, vlhko, chemická agresivita) ⇒ omezená doba životnosti ⇒ lze je použít jen tam, kde doba očekávaStav
Umělé orgány
Transplantace
běžné klinické využití
vnější krevní oběh s okysličováním krve protézy velkých kloubů fixace kostí srdeční pacemakery implantabilní defibrilátory náhrada velkých cév srdeční chlopně intraortální balónová pumpa oční čočka kůstky středního ucha zubní implantáty kožní a tkáňové expandery hemodialýza (vč.peritoneální) prsní implantáty pohlavní protézy protézy malých kloubů podpora srdečních komor kochleární protéza umělé šlachy umělá kůže umělé končetiny umělá slinivka umělá krev intravenózní okysličování umělý jícen úplná náhrada srdce nervové svazky umělé oko neurostimulace regulace krevního tlaku implantabilní plíce umělá průdušnice umělé střevo umělé vejcovody
krevní transfúze rohovka kost kostní dřeň ledviny (od mrtvého nebo příbuzného žijícího dárce) srdce játra
opatrné klinické využití omezené klinické použití
experimentální využití
koncepční stádium
kompletní pankreas plíce (jeden i oba laloky) srdce + plíce plastická chirurgie srdečního svalu pankreatické ostrůvky jaterní laloky, resp. segmenty tenké střevo hybridní (biologická a umělá) pankreas hybridní játra implantáty sekreční tkáně CNS produkty genové terapie příčně pruhované svaly hladké svaly srdeční sval mozkové implantáty hybridní ledviny
Tab.2.1 Stav technologie náhrady orgánů (rok 1995) (podle [11])
6
ného přežití pacienta odpovídá předpokládané životnosti přístroje nebo tam kde je možná opakovaná implantace. Hybridní umělé orgány se skládají z živých částí či elementů (organel, buněk, tkáně), které jsou součástí zařízení vytvořeného ze syntetických materiálů. Spojují výsledky jak dlouhodobého přírodního, tak technického a technologického vývoje. V závislosti na medicínské potřebě a předpokládané době využití mohou být umělé orgány umístěny vně nebo implantovány dovnitř organismu. Použití umělého orgánu může být: • • •
dočasné - udržení života nebo specifické biologické aktivity při čekání na obnovení normální funkce (mimotělní krevní oběh); trvalé - (umělé srdce podporující činnost levé komory); přerušované - opakované po časových intervalech, ve kterých není podpora biologicky nutná (umělá ledvina).
2.2. Biomateriály První generace umělých orgánů (ty, které jsou v současnosti používané) většinou používá standardní materiály (kovy, umělé hmoty) vyvinuté pro průmyslové účely - jsou známá konstrukční omezení těchto materiálů (mechanická pevnost, tvrdost, pružnost, propustnost vůči kapalinám nebo plynům), ale důležitější je škodlivý vliv vyplývající z kontaktu materiálu s živou tkání. •
všechny materiály, které se dostanou do kontaktu s tělními tekutinami nebo živou tkání, jsou podrobeny okamžitému a poté stálému působení tělního prostředí, které mění jejich původní vlastnosti;
•
všechny tělní tekutiny a tkáně, které jsou v kontaktu s cizím materiálem jsou podrobeny postupným biologickým reakcím, které se v čase vyvíjejí a trvají po celou dobu kontaktu, i déle. Biomateriál je takový materiál, látka či jejich kombinace (umělého i přírodního původu), kterou lze umístit NÁHRADA ORGÁNŮ 1. GENERACE do těsného kontaktu s živou tkání, aniž dojde ke vzájemnému škodlivému působení. •
umělý materiál nesmí poškozovat prostředí, do kterého je vložen (mechanicky, chemicky, ...);
•
umělý materiál nesmí být poškozován prostředím, do kterého je vložen;
•
umělý materiál nesmí vyvolávat reakce živého organismu, které by jej ohrožovaly (imunitní systém);
Biokompatibilita charakterizuje soubor materiálových specifikací a omezení, které vystihují různá (výše uvedená) hlediska nežádoucí interakce materiál - tkáň. Speciální případ - hemokompatibilita - schopnost materiálu být v kontaktu s krví bez vzájemně nežádoucího vlivu po klinicky dostatečně dlouhou dobu. Předpokládá se, že další vývoj biomateriálů bude využívat spolupráce materiálového inženýrství a buněčné biologie. Nová kategorie hybridních orgánů bude obsahovat např.: •
buněčné transplantáty vylučující bioaktivní látky (např. cizorodá tkáň produkující inzulín chráněná proti imunitní reakci selektivně propustnou vrstvou);
•
kompozitní látky skládající se ze syntetických materiálů a živých buněk (tzv. organoidy), které urychlují integraci implantátu do organismu (např. polymerové trubice s buněčnou výstelkou použitelné pro náhradu cév); 7
NÁHRADA ORGÁNŮ 2. GENERACE Obr.2.1 Schematický popis přístupů vedoucích k umělým orgánům 1. a 2. generace (podle [11])
•
náhrada s regenerací přírodní tkáně aktivované přítomností podpůrných buněk (např. náhrada nervového vlákna aktivovaného Schwanovými buňkami);
•
syntetické polymerové přísady, jimiž se modifikuje genetická informace tak, aby vytvářená tkáň měla požadované mechanické či chemické vlastnosti (např. epikardiální transplantáty z geneticky modifikovaného kosterního či srdečního svalu, vypěstovaného v distenzibilní polymerové matrici).
2.3. Fáze návrhu umělých orgánů Přirozená náhrada - je-li správně inervována, plní všechny funkce jako originál. Možné problémy - ischemické poškození při přenosu; funkční poškození vyplývající z vlastností organismu příjemce (imunitní systém, systémová choroba, ...). Umělé orgány - realizují jen tu funkci, pro kterou byly navrženy, tj. tu funkci daného orgánu, která je známá a je považována za důležitou. Každý orgán v lidském těle plní více funkcí různé důležitosti ⇒ je nutné definovat, co je nezbytné z hlediska přežití a co lze zanedbat. a) specifikace vlastností a omezení umělého náhradního orgánu, tj. kvantitativní popis funkce, kterou má zařízení realizovat a omezení (např. fyzikální), vyplývající z nutnosti spolupráce navrhovaného zařízení s živým organismem ⇒ alternativy návrhu, použitelný materiál a jeho omezení, požadavky na servis. b) konstrukce prototypu - ideálně by prototyp měl splňovat všechny požadované vlastnosti, praxe je jiná - pouze určitá úroveň kvality a trvanlivosti ⇒ z nedokonalé definice požadované funkce, příp. spojení mezi zařízením a organismem. c) optimalizace (v případě, že vstupní specifikace byly O.K.) nebo reevaluace (když nebyly O.K.) ⇒ nové řešení prototypu. d) experimentální ověření spolehlivosti a účinnosti zařízení na zvířatech postižených toutéž chorobou (existuje-li) nebo alespoň zvířatech, která mají nahrazovaný orgán odstraněn nebo přemostěn - první nasazení v režimu spolupráce s živým organismem, testování by mělo optimálně trvat srovnatelně s dobou předpokládaného nasazení u člověka. e) individualizace - přizpůsobení zařízení potřebám různých jedinců - někdy striktní požadavky na rozměry (např. srdeční chlopně), jindy relativní volnost požadavků.
2.4. Fáze ověřování funkce umělých orgánů a) b) c) d) e) f)
Zpravidla šest fází: testování in vitro (lat. in -v, vitrum - sklo); kontrola ex vivo (lat. ex - z, vivus - živý); experimenty in vivo na zdravých zvířatech; experimenty in vivo na zvířatech s modelovou chorobou; řízené klinické testy; obecné klinické testy.
Ad a) Tři cíle: • sledování a ohodnocení kvality činnosti zařízení za přesně stanovených pracovních podmínek; • definování kvantitativních parametrů činnosti zařízení v širokém rozsahu pracovních podmínek a vstupních hodnot; • ocenění spolehlivosti a trvanlivosti zařízení za podmínek, jenž mohou být použity k extrapolaci zjištěných údajů pro klinické použití. Navzdory všem kladům, má testování in vitro mnohá omezení - zpravidla nezohledňuje komplikovaný vliv vnitřního prostředí živého organismu - alespoň teplota a vlhkost, horší je to s tlakem a dalšími formami mechanického působení - viskozitou kapalin, pružností použitých součástí (např. při testování náhrad kardiovaskulárního systému), příp. s chemickým složením předpokládaného pracovního prostředí. Potíže jsou i s časovou proměnností parametrů pracovního prostředí. Umožňuje zrychlené testování mechanické odolnosti. 8
Ad b) Testování s vnějším krevním oběhem. Umožňuje vyhodnocení vlivu testovaného zařízení na vlastnosti krve, resp. vlivu krve na testované zařízení. Možnost přímého sledování testovaného zařízení, možné paralelní či sériové zapojení testovaných zařízení ⇒ možnost komparativních experimentů za srovnatelných podmínek. Ad c) Je prvním přiblížením při testování správnosti funkce a účinnosti zařízení v cílovém prostředí. Doba trvání - týdny až roky. Omezení doby trvání experimentů délkou života testovacích zvířat. Poskytuje zejména informaci o vzájemné interakci tělo - umělá náhrada, resp. tkáň - materiál. Měření vlivu buď během experimentu nebo po jeho skončení na vyjmutém přístroji. Testovací zvířata ovce, kozy, vepři, telata. Hlodavci, kočky, psi jsou zpravidla příliš malí. Ad d) Je-li selhání orgánu pouze základním projevem jiné systémové změny funkce organismu, neposkytuje testování na zdravém zvířeti postačující informaci. Modelová choroba se může vyskytovat spontánně, nebo může být vyvolána fyzikálním či chemickým působením, příp. chirurgickým zásahem. Ad e) I když některá zařízení mohou být bez velkého rizika testována na normálních dobrovolnících, kteří nemají z testů zdravotní prospěch, společnost takové řešení příliš nepodporuje a právními prostředky se je snaží znemožnit. Proto, jakmile je experimenty na zvířatech ověřena spolehlivost a účinnost zařízení a toto zařízení je klinicky potřebné, přistoupí se ke klinickým zkouškám na základě souhlasu příslušné etické odborné komise. První fáze těchto zkoušek se většinou orientuje na prokázání bezpečnosti zařízení, s důrazem na sledování možných vedlejších efektů a komplikací. Pokud je tato fáze v pořádku, přikročí se k řízeným testům, jejichž výsledkem má být statistické srovnání bezpečnosti a účinnosti zařízení ve vztahu s alternativním způsobem léčení. Doba trvání těchto testů je měsíce až roky v závislosti na očekávaném užitku a charakteru nemoci. Ad f) Ke komerčnímu využití se přikročí, jakmile je zařízení schváleno k tomu určenou institucí (v ČR Státní ústav kontroly léčiv). V rámci praktického používání pak dochází k třetí fázi testů, tzv. postprodejnímu průzkumu, což představuje analýzu závěrů vyplývajících z širokého klinického nasazení přístroje, s velkým počtem lékařů a na velkém souboru pacientů. Metody analýzy jsou převzaté z teorie marketingu.
9
