Téma týdne

Spasme naše těla! Pomohou nám bezobratlí, čipy, nové textilie i silikon

Budoucnost ortopedie pravděpodobně půjde ruku v ruce s kostními a chrupavkovými transplantáty vypěstované na materiálu vnější hmyzí kostry. Můžeme se těšit i na hi-tech protézy, čipy v mozku nebo třeba na podvečerní jogging s exoskeletem.

Spasme naše těla! Pomohou nám bezobratlí, čipy, nové textilie i silikon
Spasme naše těla! Pomohou nám bezobratlí, čipy, nové textilie i silikon

Náš pohybový aparát nás většinou začne zrazovat kolem padesátky, ale vlivem úrazu, vysoké sportovní zátěže, špatného držení těla nebo obezity můžeme mít potíže i daleko dříve. Například taková artróza. Chrupavky i u mladého člověka regenerují pomalu, ale s věkem se schopnost obnovy ještě zpomaluje, a tak klouby bolí a drhnou.

K obnově lehčích potíží částečně pomáhají výživné injekce kyseliny hyaluronové přímo do kloubu nebo injekčně vpravené kmenové buňky. Ve vážnějších případech však pacienta čeká umělý kloub. Zatímco s endoprotézou kyčle lze v lepším případě i lyžovat, umělé koleno už svému majiteli žádnou velkou aktivitu neumožňuje.

Řešením by přitom byla transplantace chrupavky vypěstované v laboratoři z kmenových buněk pacienta. Jen pro buňky najít vhodný nosič, takzvaný scaffold (čili lešení). „K tomuto účelu je ideální chitosan, přírodní polymer na bázi chitinu,“ domnívá se doktorka Dilbar Aibibu z Institutu pro vývoj vysoce odolných materiálů Dresden University of Technology. Chitin se v přírodě vyskytuje jako stavební látka vnější kostry bezobratlých živočichů (hmyzu, plžů a korýšů) a dále v buněčných stěnách kvasinek a hub. Výsledný polymer chitosan se hodí pro využití ve zdravotnictví díky biokompatibilitě s lidskými tkáněmi. Je velmi odolný, antibakteriální a zároveň biodegradabilní.

Netkané textilie z krátkých vláken chitosanu našly své využítí ve zdravotnictví. Na začátku května budou spolu s dalšími k vidění veletrhu technického a netkaného textilu TECHTEXTIL 2015, kde se představí široká škála inovací, včetně funkčních textilií a výrobků a materiálů v segmentu medicínských textilií. (zdroj: ITM/TU Dresden)

Byli to právě vědci z týmu doktorky Adibubua, která vůbec poprvé izolovala čistá chitosanová vlákna. Nyní již vědci dokážou z vláken vytvořit poměrně sofistikované třírozměrné netkané struktury, na nichž mohou utěšeně růst nové kousky nejen chrupavek, ale i kostí. Vlastní kost je po úraze vždy lepší volbou nežli kost umělá. Pěstování kostíi v laboratoři by mnoha lidem ušetřilo operaci, při které lékaři „vydloubou“ potřebné množství kostní hmoty z listu pánve. Technologie by měla být k dispozici během několika let.

Zmíněný výzkumný projekt podporuje Německá výzkumná asociace (DGF) a spolupracuje na něm rovněž firma Inno-Tere z Radebeulu u Drážďan. Ta se podílela i na vývoji biologicky kompatibilního implantačního materiálu pro léčbu zlomenin, tedy například osteosyntetických dlah a dřeňových hřebů, které stabilizují zlomené nebo rozdrcené kosti. Pro představu, standardní osteosyntetická dlaha je placatý kus nerezového kovu, který se přišroubuje na kost, kdežto dřeňový hřeb je tyč, kterou ortoped zatluče dovnitř do kostní dřeně a zvenku zafixuje šrouby. Kov je relativně těžký a tepelně vodivý, takže není pro tělo úplně ideální. Pacienti by jistě ocenili přívětivější materiál, například chitosan, a to nejen za tuhých mrazů, kdy kovová tyč v kosti opravdu bolestivě studí, jak se ostatně na vlastní holeň přesvědčila autorka článku.

Protéza jako z Terminátora
Šanci na lepší život mají díky novým technologiím i lidé, kterým končetina z nějakého důvodu chybí, ať už se jedná o vývojovou vadu nebo o ni přišli v důsledku nemoci či úrazu. Stačí jen mít štěstí a narodit se do bohaté rodiny anebo v části světa, kde špičkovou protézu hradí zdravotní pojišťovna. Už žádný hák místo ruky a dřevěný kůl místo nohy!

K významnému rozvoji protetiky došlo už po první světové válce, kdy o nějakou tu končetinu přišly miliony vojáků. Ale teprve v posledních letech, s rozvojem bioniky a kybernetiky, vznikají protézy, které svou funkcí skutečně simulují končetinu. Ty nejmodernější, které jsou již na trhu běžně dostupné, bývají vyrobeny z uhlíkových vláken v kombinaci se silikonem. Uhlíková vlákna jsou dostatečně lehká a pevná, silikon zase dobře přiléhá k pahýlu v takzvaném „pahýlovém lůžku“, které se vyrábí pro každého člověka na míru.

Používají se také prodyšné 3D tkaniny s antibakteriálním stříbrem. Nejmodernější hi-tech nadkolenní protéza vypadá tak trochu jako rekvizita z filmu Terminátor. Chodidlo z uhlíkových vláken tvarem připomíná legendární běžecké protézy, na nichž závodil Jihoafričan Oscar Pistorius. Bionický kolenní kloub dokáže díky čidlům průběžně získávat informace o poloze, rychlosti a kontaktu s podložkou a přizpůsobovat těmto podmínkám své nastavení. V podstatě se sám koordinuje s druhou, zdravou nohou.

Příklad protézy od firmy Otto Bock. (zdroj: Otto Bock HealthCare GmbH)

Někdy je výsledek tak dobrý, že oblékne-li si pacient s touto protézou dlouhé kalhoty, nemusí okolí na první pohled vůbec poznat, že mu chybí noha. U nás záleží na pojišťovně, která vyhodnotí vhodné adepty pro tento typ protézy. Vzhledem k tomu, že ceny různých typů se pohybují v rozmezí 650 tisíc až 1,7 milionu korun, dostávají je pouze mladí zdraví lidé. Životnost bionických kloubů je pět až šest let. Naproti tomu běžná základní protéza vyjde na třicet tisíc korun a nárok na novou má pacient každé dva roky.

Technologie TMR (Targeted Muscle Reinnervation) používaná u náhrad rukou je ještě sofistikovanější, reaguje totiž na svalové impulsy. Taková hi-tech končetina sice postrádá půvab dokonalé imitace ruky, neboť je zakončena tříprstým klepítkem, ale je funkční. A když se smíříte s tím, že budete tak trochu kyborg, je vlastně i docela cool. Pokud vám ji tedy pojišťovna proplatí, protože ceny se běžně pohybují kolem dvou milionů korun…

„Člověk po amputaci by měl mít dvě funkční vybavení (čili jednu náhradní protézu) a k tomu případně speciální protézy na běh, lyžování nebo na vodní sporty – ty si ovšem každý musí hradit sám,“ říká Tomáš Hajský z německé firmy Otto Bock, která má ve svém sortimentu i tyto hi-tech protézy.

Hugh Herr z MIT propojuje lidské tělo, technologie a materiály na pomezí přírodních věd a designu. (foto: World Economic Forum, Flicker, 2015, CC BY-NC-SA 2.0)

Kyborg
Špičkovým vědcem v oblasti bioniky je Hugh Herr, šéf Centra pro extrémní bioniku na MIT (Massachusetts Institute of Technology, USA), který před třiceti lety přišel při horolezecké výpravě o obě nohy. Nyní si vykračuje na bionických protézách značky Biom, které sám navrhoval.

Ty jsou, podobně jako protézy rukou typu TMR, schopné komunikovat přímo s jeho nervovým systémem. Technologicky jsou však ještě propracovanější. Prostřednictvím speciálního přístroje totiž vznikne přímo matematický model každého pahýlu, kontakt mezi tělem a protézou zprostředkovává syntetická kůže. „Nikdy jsem sám sebe nepovažoval za bezmocného nebo zmrzačeného. Věděl jsem, že vše je otázkou technologie,“ říká Herr. Se sportovními protézami se dál věnuje lezení v horách. Sám si vyrobil protézy pro skalní lezení ve spárách i po sněhu, které mají místo chodidel mačky. Bionickou nohu vytvořil i pro tanečnici Adrianne Haslet-Davisovou; ta o tu svou přišla při bombovém útoku během Bostonského maratonu v roce 2013. Na videu z roku 2014 už Adrianne i s protézou znovu tančí.

Herr vytvořil bionickou nohu i pro tanečnici Adrianne Haslet-Davisovou. Na videu už Adrianne i s protézou znovu tančí. (foto: TED Conference, Flicker, 2014, CC BY-NC 2.0, Steve Jurvetson, Flicker, 2014, CC BY 2.0)

V exoskeletu jako Iron Man
Hugh Herr jde ještě dál: „Budoucností v oblasti sportu i běžného pohybu jsou bionické exoskelety. Dnes už dokážeme s jejich pomocí postavit na nohy i člověka, který by musel jinak sedět na vozíku.“ Exoskelet v ceně pět milionů korun s názvem Exoskeleton, který pomáhá ochrnutým lidem vstát z vozíku, už vlastní například i Rehabilitační ústav v Kladrubech na Benešovsku. „Exoskelety ale budou používat i zdraví lidé, třeba proto, aby ulehčili kloubům při běhu,“ vysvětluje Herr.

Exoskelety by měly pomáhat i lidem v extrémních podmínkách, například v armádě. Americké a kanadské speciální jednotky v současné době testují exoskelet Prowler od firmy B-Temia, který má ulehčit vojákům pohyb v terénu a předcházet zraněním, a zároveň chrání nohy před průstřelem. Základ exoskeletu tvoří nosná kostra z lehkých slitin, která je upevněna k tělu systémem přesně padnoucích ortéz, a elektrický pohon. Pomocí laserového skenu vznikne 3D model nohou a poté výrobce vytiskne příslušnou ortézu na 3D tiskárně. Vznikne tak exoskelet přímo na míru.

Samotný přenos síly zajišťují elektromotory umístěné u kolen. Senzory snímají parametry, jako jsou hmotnost, náklon, postavení vojáka, rychlost chůze a další. Elektromotory pak vhodně asistují vojákovi při pohybu. Tímto způsobem lze prý snížit zatížení kolen až o jednu třetinu. Jedinou slabinou exoskeletu Prowler je zatím baterie, která pravděpodobně nevydrží déle než několik hodin.

Kombinací exoskeletu a inteligentního neprůstřelného oděvu je pak špičkový bojový robotický oblek TALOS (Tactical Assault Light Operator Suit), na jehož vývoji se podílí současně padesát šest soukromých firem, šestnáct vládních agentur, třináct univerzit a deset národních laboratoří. TALOS, kterému se přezdívá také Iron Man, má poskytnout vojákům celotělovou balistickou ochranu, jedinečnou orientaci v prostoru i v dané situaci a k tomu nadlidskou sílu.

Vývoj robotického obleku TALOS. (foto: Conrad Johnson, RDECOM Public Affairs)

Základ takzvaného tekutého pancíře, na jehož vývoji se podílí i MIT, tvoří magnetorheologická kapalina, což je olejová látka s velkým podílem pevných nano- nebo mikročástic. Pokud na částice v kapalině působí magnetické pole nebo elektrický proud, zformují se do pravidelných vzorů a vytvoří pevnou látku s obrovskou viskozitou. I když jde o projekt velmi nákladný, vyjde tento sci-fi vynález armádu stále levněji než ztráta vojáka, protože výcvik člena speciálních jednotek stojí stát miliony dolarů, tedy stále více, než je předpokládaná cena jednoho obleku.

S čipem v mozku, s ohněm v srdci
To, co zatím běžně protézy nezvládají, je přímá komunikace s centrální nervovou soustavou. Na několika světových univerzitách současně běží programy na zdokonalení funkce protéz rukou, vše je ale zatím ve fázi vývoje. Ke spojení centrální nervové soustavy s umělou končetinou by bylo pravděpodobně nutné implantovat do mozku čip.

První takový pokus uskutečnil v roce 2004 tým vědců pod vedením Johna Donoghua z Brownovy univerzity ve státě Rhode Island, když ochrnutému pětadvacetiletému bývalému sportovci Mattu Nagleovi voperovali mozkový implantát nazvaný BrainGate (brána do mozku). Křemíkový čip o velikosti 4x4 milimetry se stovkou mikroelektrod fungoval jako senzor, který monitoroval činnost desítek nervových buněk. Propojen byl s vnějším konektorem na temeni hlavy, trochu jako ve filmu Matrix.

Matt Nagle dokázal prostřednictvím čipu BrainGate pomalu pohybovat kurzorem na obrazovce počítače, otevřít elektronickou poštu a hrát jednoduchou hru. Zemřel v roce 2007. (zdroj: medicalnewstoday.com)

Čip BrainGate zachycuje signály neuronů v oblasti mozkové kůry, která ovládá pohyby, a vysílá je do konektoru na temeni. Odtud se signál přenáší kabelem do počítače. Systém ale může být i bezdrátový. V tomto případě senzor monitoroval neurony ovládající pohyby ruky. Testy prokázaly, že činnost v této části mozku pokračuje i léta po ochrnutí, takže by bylo možné použít technologii i u lidí, kteří jsou již dlouho po úraze. Matt Nagle dokázal prostřednictvím čipu pomalu pohybovat kurzorem na obrazovce počítače, otevřít elektronickou poštu a hrát jednoduchou hru. Naučil se také pohybovat robotickým ramenem, otevírat a zavírat prsty protetické ruky a podávat malé předměty. Nadějný pokus však zatím ztroskotal na nedostatečné odolnosti čipu, který po několika měsících začal ztrácet schopnost vysílat signály.

John Donoghue, který je zároveň vědeckým šéfem firmy Cyberkinetics Neurotechnology Systems, nyní dále pracuje na vylepšení rozhraní BrainGate. Nový, trvanlivější čip se možná objeví již brzy. A kdo ví, co nakonec přinese blízká budoucnost – tam, kde nebude možné opravit kosti a chrupavky pomocí transplantace, třeba nastoupí hi-tech kybernetické protézy řízené čipem v mozku a exoskelety vyrobené z krevetích krunýřů a broučích krovek, čili chitosanu. Takový kompletně recyklovatelný kyborg, to by teprve bylo terno!