Wykorzystanie materiałów nowej generacji i technologii membranowych w zewnątrzustrojowych systemach utlenowania krwi
Andrzej Swinarew*1,2, Jadwiga Gabor1, Szymon Skoczyński3, Grzegorz Brożek 4 , Magdalena Popczyk1, Katarzyna Mizia-Stec5, Ewa Trejnowska6
1) Wydział Nauk Ścisłych i Technicznych, Uniwersytet Śląski, ul. 75 Pułku Piechoty 1A, 41-500 Chorzów, Polska
2) Instytut Nauk o Sporcie, Akademia Wychowania Fizycznego im. Jerzego Kukuczki, ul. Mikołowska 72A, 40-065 Katowice, Polska
3) Katedra Pneumonologii, Wydział Nauk Medycznych w Katowicach, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, Polska
4) Katedra Epidemiologii, Wydział Nauk Medycznych w Katowicach, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, Polska
5) I Katedra i Klinika Kardiologii, Wydział Lekarski w Katowicach, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach, Polska
6) Katedra Anestezjologii i Intensywnej Terapii Kardiochirurgicznej, Śląskie Centrum Chorób Serca w Zabrzu, Wydział Nauk Medycznych w Zabrzu, Śląski Uniwersytet Medyczny, 40-752 Katowice, Polska
Niewydolność krążeniowo-oddechowa nadal pozostaje jedną z głównych przyczyn zgonów na świecie, pomimo istotnego postępu w zakresie intensywnej terapii. Wśród technologii ratujących życie szczególną rolę odgrywa pozaustrojowe utlenowanie krwi (ECMO), które stanowi kluczową metodę terapeutyczną w leczeniu ciężkiej niewydolności serca i/lub płuc, opornej na leczenie konwencjonalne. Mimo to, wskaźniki przeżywalności pacjentów poddawanych terapii ECMO pozostają niezadowalające, głównie z powodu powikłań systemowych związanych z obecnymi projektami oksygenatorów oraz zastosowanymi materiałami membranowymi. Do podstawowych ograniczeń współczesnych systemów ECMO należą zaburzenia hemostazy (objawiające się zakrzepicą lub krwawieniami), biozgodność oksydacyjna oraz zwiększone ryzyko zakażeń szpitalnych. W tym kontekście przedstawiamy nową klasę biofunkcjonalnych materiałów membranowych, zaprojektowanych w celu przeciwdziałania tym problemom patofizjologicznym poprzez integrację przepuszczalności gazowej, działania przeciwzapalnego, przeciwzakrzepowego oraz regulacji porowatości w jednej kompozytowej strukturze. Ta platforma membranowa nowej generacji jest wytwarzana na bazie organicznej matrycy polimerowej z wbudowanymi terapeutycznymi mikrorezerwuarami. Rezerwuary te są częściowo wypełnione (w 40–60%) farmakologicznie aktywnymi substancjami przeciwzakrzepowymi – w tym albuminą, heparyną, argatrobanem, biwalirudyną lub fondaparynuksem – co umożliwia kontrolowane, dyfuzyjne uwalnianie leku w trakcie użytkowania membrany w obiegu ECMO. Dynamiczne uwalnianie substancji czynnych zachodzi równocześnie ze wzrostem liczby otwartych porów, co zwiększa dostępną powierzchnię wymiany gazowej i optymalizuje tempo transferu tlenu podczas całego okresu leczenia. Ta adaptacyjna funkcjonalność została objęta ochroną patentową – zarówno w Polsce (patent nr PL 240236), jak i w ramach międzynarodowego zgłoszenia patentowego PCT/IB2021/061016.
Uzupełnieniem tej innowacji biochemicznej jest radykalnie przeprojektowana geometria oksygenatora, która eliminuje konieczność stosowania tradycyjnych przekładek kierujących przepływem, jednocześnie poprawiając parametry hemodynamiczne. Moduł wymiany gazowej zawiera podłużnie skonfigurowaną komorę przepływową, w której półprzepuszczalne włókna kapilarne ułożone są w helikalne wiązki skręcone pod kątem od 90° do 360°, rozmieszczone równolegle do głównej osi przepływu. Taka organizacja przestrzenna nie tylko utrzymuje przepływ laminarny, ale także sprzyja wymianie przeciwprądowej, co ma kluczowe znaczenie dla maksymalizacji dostarczania tlenu oraz usuwania dwutlenku węgla. System zakotwiczenia kapilar oraz ukierunkowania przepływu został precyzyjnie zaprojektowany tak, aby zapewnić stabilność strukturalną, zredukować turbulencje przepływu, skrócić czas przebywania krwi w module oraz ograniczyć powstawanie mikrozakrzepów indukowanych przez przepływ. Kumulacja powyższych innowacji może przyczynić się do znaczącego ograniczenia potrzeby ogólnoustrojowej antykoagulacji, zmniejszenia odpowiedzi zapalnej wywoływanej przez oksygenator oraz poprawy długoterminowej hemokompatybilności. Co więcej, oczekuje się, że architektura oksygenatora, współdziałająca z aktywną powierzchnią membrany, pozwoli na obniżenie gradientów ciśnienia transmembranowego oraz ciśnień parcjalnych tlenu, zwiększając tym samym ogólną skuteczność i bezpieczeństwo terapii ECMO. Innowacje te zostały potwierdzone szeregiem międzynarodowych zgłoszeń patentowych: PCT/IB2021/061010, PCT/IB2021/061015, PCT/IB2021/061016 oraz PCT/IB2021/061017.
Choć badania walidacyjne w modelach przedklinicznych są w toku, wstępne dane in vitro sugerują, że przedstawiona platforma ma potencjał, by zrewolucjonizować standard opieki w terapii ECMO – zwłaszcza w przypadkach wymagających długotrwałego pozaustrojowego wsparcia. Wdrożenie tego typu inteligentnych systemów membranowo-oksygenatorowych może doprowadzić do przełomu w intensywnej terapii, łącząc w praktyce osiągnięcia inżynierii materiałowej, biologii oraz medycyny klinicznej układu sercowo-płucnego.
