Материалы для создания искусственных органов. Искусственные органы и тканевая инженерия. Снабдить воздухом и пищей

21/06/2017

Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Регулярно поступающие новости из сферы регенеративной медицины звучат обнадеживающе и многообещающе. Кажется, что уже не за горами тот день, когда биоинженерные ткани и органы будут так же доступны, как запчасти к автомобилям

Успехи регенеративной медицины

Методы терапии с использованием клеточных технологий уже многие годы успешно применяют во врачебной практике. Созданы и успешно используются искусственные органы и ткани, полученные с помощью методов клеточной терапии и тканевой инженерии. К практическим достижениям в области регенеративной биомедицины относится выращивание хрящевых тканей, мочевого пузыря, уретры, сердечных клапанов, трахеи, роговицы и кожи. Удалось вырастить искусственный зуб, пока только в организме крысы, но стоматологам стоит задуматься о кардинально новых подходах. Была разработана технология восстановления гортани после операции по ее удалению и уже выполнено много таких операций. Известны случаи успешной имплантации трахеи, выращенной на донорской матрице из клеток пациента. В течение многих лет осуществляют трансплантацию искусственной роговицы.

Уже налажено серийное производство биопринтеров, которые слой за слоем печатают живые ткани и органы заданной трехмерной формы

Самыми простыми для выращивания оказались хрящевая ткань и кожа. В деле выращивания костей и хрящей на матрицах достигнут большой прогресс. Следующий уровень по сложности занимают кровеносные сосуды. На третьем уровне оказались мочевой пузырь и матка. Но эта ступень уже пройдена в 2000–2005 гг., после успешного завершения ряда операций по трансплантации искусственного мочевого пузыря и уретры. Тканевые имплантаты вагины, выращенные в лаборатории из мышечных и эпителиальных клеток пациенток, не только успешно прижились, сформировав нервы и сосуды, но и нормально функционируют уже около 10 лет.

Самыми сложными органами для биомедицины остаются сердце и почки, которые имеют сложную иннервацию и систему кровеносных сосудов. До выращивания целой искусственной печени еще далеко, однако фрагменты ткани печени человека уже получены с помощью метода выращивания на матрице из биоразлагаемых полимеров. И хотя успехи очевидны, замена таких жизненно важных органов, как сердце или печень, их выращенными аналогами - все-таки дело будущего, хотя, возможно, и не очень далекого.

Матрицы для органов

Нетканые губчатые матрицы для органов делают из биоразрушаемых полимеров молочной и гликолевой кислот, полилактона и многих других веществ. Большие перспективы и у гелеобразных матриц, в которые, кроме питательных веществ, можно вводить факторы роста и другие индукторы дифференцировки клеток в виде трехмерной мозаики, соответствующей структуре будущего органа. А когда этот орган сформируется, гель бесследно рассасывается. Для создания каркаса также используют полидиметилсилоксан, который можно заселить клетками любой ткани.

Базовая технология выращивания органов, или тканевая инженерия, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных тканей

Следующий шаг - это выстилание внутренней поверхности полимера незрелыми клетками, которые затем образуют стенки кровеносных сосудов. Далее другие клетки желаемой ткани по мере размножения будут замещать биоразлагаемую матрицу. Перспективным считается использование донорского каркаса, определяющего форму и структуру органа. В экспериментах сердце крысы помещали в специальный раствор, с помощью которого удаляли клетки мышечной сердечной ткани, оставив другие ткани нетронутыми. Очищенный каркас засеивали новыми клетками сердечной мышцы и помещали в среду, имитирующую условия в организме. Всего через четыре дня клетки размножились настолько, что начались сокращения новой ткани, а через восемь дней реконструированное сердце уже могло качать кровь. С помощью этого же метода на донорском каркасе была выращена новая печень, которую затем пересадили в организм крысы.

Базовая технология выращивания органов

Пожалуй, нет ни одной биологической ткани, к попыткам синтезирования которой не приступила бы современная наука. Базовая технология выращивания органов, или тканевая инженерия, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных тканей. Эти клетки затем помещают внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена.

Матрицу из коллагена можно получить путем очистки от клеток донорской биологической ткани или создать ее искусственным путем из биоразрушаемых полимеров либо специальной керамики, если речь идет о костях. В матрицу помимо клеток вводят питательные вещества и факторы роста, после чего клетки формируют целый орган или его фрагмент. В биореакторе удалось вырастить мышечную ткань с готовой кровеносной системой.

Самыми сложными органами для биомедицины остаются сердце и почки, которые имеют сложную иннервацию и систему кровеносных сосудов

Эмбриональные стволовые клетки человека индуцировали к дифференцировке в миобласты, фибробласты и клетки эндотелия. Прорастая вдоль микротрубочек матрицы, эндотелиальные клетки сформировали русла капилляров, вошли в контакт с фибробластами и заставили их переродиться в гладкомышечную ткань. Фибробласты выделили фактор роста сосудистого эндотелия, который способствовал дальнейшему развитию кровеносных сосудов. При пересадке мышам и крысам такие мышцы приживались намного лучше, чем участки ткани, состоящие из одних мышечных волокон.

Органоиды

Используя трехмерные клеточные культуры, удалось создать простую, но вполне функциональную печень человека. В совместной культуре эндотелиальных и мезенхимальных клеток при достижении определенного соотношения начинается их самоорганизация и образуются трехмерные шарообразные структуры, представляющие собой зачаток печени. Через 48 ч после трансплантации этих фрагментов в организм мышей устанавливаются связи с кровеносными сосудами и внедренные части способны выполнять характерные для печени функции. Проведены успешные эксперименты по имплантации крысе легкого, выращенного на очищенной от клеток донорской матрице.

Воздействуя на сигнальные пути индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, удалось получить органоиды легких человека, состоящие из эпителиальных и мезенхимальных компартментов со структурными особенностями, характерными для легочных тканей. Биоинженерные зародыши подчелюстных слюнных желез, сконструированные in vitro , после трансплантации способны развиваться в зрелую железу путем формирования гроздьевидных отростков с мышечным эпителием и иннервацией.

Разработаны 3D-органоиды глазного яблока и сетчатки глаза с фоторецепторными клетками: палочками и колбочками. Из недифференцированных эмбриональных клеток лягушки вырастили глазное яблоко и вживили его в глазную полость головастика. Через неделю после операции симптомы отторжения отсутствовали, и анализ показал, что новый глаз полностью интегрировался в нервную систему и способен передавать нервные импульсы.

А в 2000 г. опубликованы данные о создании глазных яблок, выращенных из недифференцированных эмбриональных клеток. Выращивание нервной ткани наиболее сложно из-за многообразия типов составляющих ее клеток и их сложной пространственной организации. Однако на сегодня существует успешный опыт выращивания аденогипофиза мыши из скопления стволовых клеток. Создана трехмерная культура органоидов клеток головного мозга, полученных из плюрипотентных стволовых клеток.

Напечатанные органы

Уже налажено серийное производство биопринтеров, которые слой за слоем печатают живые ткани и органы заданной трехмерной формы. Принтер способен с высокой скоростью наносить живые клетки на любую подходящую подложку, в качестве которой используют термообратимый гель. При температуре ниже 20 °С он представляет собой жидкость, а при нагреве выше 32 °С затвердевает. Причем печать осуществляется «из материала заказчика», то есть из растворов живых клеточных культур, выращенных из клеток пациента. Клетки, напыляемые принтером, через некоторое время сами срастаются. Тончайшие слои геля придают конструкции прочность, а затем гель можно легко удалить с помощью воды. Однако чтобы таким способом можно было сформировать функционирующий орган, содержащий клетки нескольких типов, необходимо преодолеть ряд сложностей. Механизм контроля, за счет которого делящиеся клетки формируют правильные структуры, еще не понятен до конца. Однако представляется, что несмотря на сложность этих задач, они все же решаемы и у нас есть все основания верить в стремительное развитие медицины нового типа.

Биобезопасность применения плюрипотентных клеток

От регенеративной медицины ждут очень многого и вместе с тем развитие этого направления порождает множество морально-этических, медицинских и нормативно-правовых вопросов. Очень важной проблемой является биобезопасность применения плюрипотентных стволовых клеток. Уже научились перепрограммировать клетки крови и кожи c помощью факторов транскрипции в индуцированные стволовые плюрипотентные клетки. Полученные культуры стволовых клеток пациента в дальнейшем могут развиваться в нейроны, ткани кожных покровов, клетки крови и печени. Следует помнить, что во взрослом здоровом организме плюрипотентных клеток нет, но они могут спонтанно возникать при саркоме и тератокарциноме. Соответственно, если ввести в организм плюрипотентные клетки или клетки с индуцированной плюрипотентностью, то они могут спровоцировать развитие злокачественных опухолей. Поэтому необходима полная уверенность в том, что в трансплантируемом пациенту биоматериале таких клеток не содержится. Сейчас разрабатываются технологии, позволяющие прямо получить клетки тканей определенного типа, минуя состояние плюрипотентности.

В XXI в. с развитием новых технологий медицина обязана перейти на качественно новый уровень, который позволит своевременно «отремонтировать» организм, пораженный тяжелой болезнью или возрастными изменениями. Хочется верить, что совсем скоро выращивать органы прямо в операционной из клеток пациента будет так же просто, как цветы в оранжереях. Надежду подкрепляет то, что технологии выращивания тканей уже работают в медицине и спасают жизни людей.

В середине двадцатого века в создание искусственных органов вряд ли кто мог поверить всерьёз, это было что-то из разряда фантастики. В наши дни в обозначенном направлении органов ведутся активные исследовательские работы, результаты которых мы уже можем наблюдать, однако остаётся и множество проблем, связанных с технической сложностью реализации данной идеи. Рассмотрим проблематику на примере создания искусственного сердца.

Одна из основных задач состоит в том, чтобы получить трехмерную ткань стенки сердца толщиной в палец или два. Получать монослои клеток и выращивать такие ткани мы уже можем. Проблема же в том, чтобы одновременно с мышечной тканью вырастить и сосудистое русло, через которое эта мышечная ткань будет снабжаться кислородом и питательными веществами и будут выводиться продукты метаболизма. Без сосудистого русла, без адекватного снабжения клетки в толстом слое погибнут. В тонком слое они могут питаться благодаря диффузии питательных веществ и кислорода, а в толстом слое диффузии уже недостаточно, и глубокие слои клеток будут погибать. Сейчас мы можем делать порядка трех слоев сердечных клеток, которые способны выжить.

Говоря о перспективных имплантатах, нужно помнить, что сосудистое русло имплантата необходимо будет подключить к сосудистому руслу, которое уже имеется в другой части сердца реципиента, то есть нужно вырастить сосудистое русло определенной анатомии. Выращивание целого сердца с множеством его отделов, клеток и собственной проводящей системой - это очень сложная многоклеточная задача. Точная копия человеческого сердца может быть получена приблизительно через 7–10 лет в хорошо оснащенных лабораториях развитых стран. Сердце - это не железа, которая вырабатывает гормоны, это насос. Нам нужно, чтобы кровь прокачивалась и не травмировалась при прокачке. Травмирование крови - это как раз проблема внешних насосов, которые используются при операциях на сердце. Когда их только разрабатывали, основной трудностью было то, что эритроциты и другие элементы крови этими насосами повреждались.

Современное развитие материалов может привести к тому, что будет создано механическое сердце, которое можно будет подшить, чтобы оно спокойно выполняло функции биологического сердца, которое дает человеку природа.

Если в целом говорить об импортируемых системах, то сердце здесь не самый удобный объект. Разумнее продвигать эксперименты на печеночных или почечных тканях. Например, полоски печени легко выживают сами по себе и относительно легко прирастают. Дать человеку, у которого печень поражена циррозом, новую часть печени, которая могла бы начать регенерировать и расти сама по себе, - это гораздо более разумное приложение сил.

В перспективе 5–10 лет станет понятно, стоит ли тратить время и силы на то, чтобы выращивать новое сердце, или проще будет поставить человеку механическое сердце, примеры успешного применения которого уже есть на данный момент.

Проблема с существующими вариантами искусственного сердца заключается в том, что для выполнения аналогичной работы они должны биться 100 тыс. раз в день и 35 млн. раз в год, поэтому быстро изнашиваются. Если бы речь шла о машине, то вопрос можно было бы легко решить – поменять масло и свечи зажигания, но в случае с сердцем все не так просто.

Уникальность нового устройства, примененного докторами из Техасского института сердца (Texas Heart Institute in Houston) как раз в том, что оно непрерывно гонит кровь и человеческий пульс прощупывается. Оно помогает справиться с образованием тромбов и кровотечением, предоставляет больше возможностей людям с тяжелой стадией сердечной недостаточности, которые ранее имели только два варианта: искусственное сердце или длительное ожидание в очереди на трансплантацию органа. Полученный аппарат предлагает третий вариант для больных с острой сердечной недостаточностью.

Для оценки прогресса в разработке и применениях искусственных органов можно обратиться также к опыту западных учёных и медиков.

Ученым из Западного резервного университета Кейза (Case Western Reserve University) удалось создать искусственное легкое, которое, в отличие от других подобных систем, использует воздух, а не чистый кислород. Прибор полностью копирует дыхательный орган. В его конструкцию включены аналоги кровеносных сосудов, выполненные из дышащей силиконовой резины. Подобно настоящим сосудам, они разветвляются и имеют разный размер: диаметр самых тонких из них составляет примерно четверть толщины человеческого волоса.

Хирурги Каролинского университета (Karolinska University Hospital) в Стокгольме впервые в мире провели операцию по трансплантации синтетической трахеи, созданной из стволовых клеток самого пациента. Данная технология позволяет обойтись без донора и избежать риска отторжения тканей, а изготовление органа достаточно быстрое и занимает от двух дней до недели.

Когда речь заходит о создании в лабораторных условиях человеческих органов, способных выполнять предписанные природой функции в организме человека, на лице большинства невольно возникает скептическая ухмылка. Как-то это больше похоже на фантастику.

Тем не менее, сегодня выращивание новых органов – самая что ни на есть объективная реальность, как и первые пациенты, жизни которых спасены, благодаря уникальнейшим операциям по пересадке органов. И с гордостью хочется заявить, что эти первопроходческие исследования в области регенеративной медицины осуществляются у нас на Кубани.

Рассказ человека, которому посчастливилось всю информацию получить из первых уст, хочется передать без купюр, что мы и делаем.

Паоло Маккиарини – это не только итальянское имя. Этот человек - истинный итальянец, с присущим его национальности темпераментом и эмоциональностью. Выражая свое восхищение, он с восторгом восклицает: «Фантастика!!!», тут же запросто переходя к отчаянному возгласу: «Они ждут, когда я умру!!!», упоминая о коллегах, испытывающих чувство досады от превосходства этого человека, и далее продолжая самозабвенно делиться перспективами новейших разработок, дающих надежду на спасение новых человеческих жизней.

Являясь участником сочинской конференции «Генетика старения и долголетия», на которую прибыли известнейшие специалисты в этой области со всего мира, Паоло Маккиарини оказался в более выигрышном положении, потому что преодолевать кордоны ему не пришлось, не смотря на то, что специалист он вселенского масштаба.

Уже несколько лет этот человек, является руководителем Центра регенеративной медицины Кубанского медицинского университета. Чтобы получить согласие профессора Маккиарини приехать на работу в Краснодар, правительство России выделило 150 миллионов рублей на создание центра.

Профессор с благодарностью отмечает, что работая в нашей стране, у него нет необходимости выискивать возможности для решения финансовых проблем, и все свое время и талант он максимально использует для спасения жизни людей.

Как создаются органы для трансплантации

Паоло Маккиарини является автором и разработчиком новаторской технологии выращивания трахеи, что, действительно, служит гордостью и главнейшим достижением регенеративной медицины. В 2008 году он впервые в истории человечества выполнил операцию по пересадке пациентке трахеи, выращенной из ее собственных стволовых клеток на донорском каркасе в биореакторе. Через год была проведена феноменальная операция, когда орган был выращен внутри тела пациента без применения биореактора. В 2011 году профессором Маккиарини была проведена беспрецедентная операция по пересадке человеческого органа полностью созданного в лабораторных условиях на искусственном каркасе, когда донорские органы не использовались.

Первый визит Маккиарини в Россию состоялся в 2010 году. Фонд «Наука за продление жизни», пригласил его провести мастер – класс по регенеративной медицине. В этом же году профессор Маккиарини впервые в России осуществил пересадку трахеи молодой женщине, пострадавшей в результате автомобильной аварии и потерявшей возможность разговаривать и нормально дышать. Пациентка восстановила здоровье, а итальянский доктор продолжил развивать регенеративную медицину в нашей стране, постоянно внедряя что-то передовое. Например, вместе с искусственно выращенной трахеей человеку была пересажена часть гортани.

‑ Трудно представить, как можно воспроизвести орган автономно, в отсутствие человека?

‑ По большому счету этого сделать нельзя. Имея клетки взрослого человека, вырастить целый орган, не имея орган донора, или искусственный каркас, не удастся.

Как происходил процесс подготовки материала, когда все только начиналось? Получали донорский орган. Донором мог быть человек или животное, чаще всего свинья. Этот орган опускался в специальный раствор, где растворялись мышечные ткани, таким образом, освобождая его от генетического материала. В результате оставался только каркас из соединительной ткани. Каждый орган имеет каркас, позволяющий ему сохранять форму, так называемый внеклеточный матрикс. Хотя, полученный таким образом каркас органа, изъятого у свиньи, с иммунной системой человека не конфликтует, тем не менее, есть опасность случайного проникновения какого-нибудь вируса, а для мусульман этот вариант не приемлем по религиозным соображениям. Так что орган, изъятый у погибшего человека, для получения каркаса подходил больше.

В 2011 году была внедрена новейшая технология создания искусственного каркаса, позволяющая обходиться без доноров, в принципе. Этот каркас представляет собой трубку, выполненную в соответствии с индивидуальными размерами органа пациента, изготовленную из упругого и пластичного нанокомпозитного материала. Это колоссальный рывок вперед. Получая искусственный каркас, отпадает необходимость в донорах, и сразу же снимаются все вопросы биоэтики, особенно когда дело касается детей.

‑ Но трубка это же не орган. Как его оживить и заставить работать?

‑ Для этих целей существует биореактор.

‑ Что-то наподобие биопринтера?

‑ С помощью биопринтера можно произвести простые ткани или сосуды, но не сложные органы. Биореактор предназначен для размножения и роста клеток, для этого там поддерживаются оптимальные условия. Клетки в биореакторе обеспечиваются питанием, они имеют возможность дышать и оттуда отводятся продукты обмена. Из костного мозга пациента выделяются его собственные клетки, которые и засеваются на каркас. Стволовые клетки такого вида способны преобразоваться в специальные клетки требуемых органов. В течение двух суток каркас обрастает этими клетками, и затем, воздействуя на них определенным образом, клетки превращаются к трахейные. Орган для трансплантации готов, и так как он выращен из собственных клеток пациента, то организмом не отторгается.

‑ Но ведь вы не планируете останавливаться только на трахее?

‑ В настоящее время ведется работа по исследованию на животных пищевода и диафрагмы, выращенных в лаборатории. Далее планируется совместно с Техасским институтом впервые в мире вырастить функционирующее сердце.

В Краснодарском крае существует специальный обезьяний питомник, предназначенный для медицинских исследований. Именно на них планируется провести испытания первого синтетического сердца. Учитывая, что в России многие проблемы решаются значительно легче, чем на Западе или в Штатах, есть большая уверенность, что Россия станет родиной первого человеческого сердца, выращенного в лаборатории.

‑ А какие органы самые востребованные?

‑ Нет предела совершенству и человеческой глупости. Как иначе отнестись к просьбе какого-то там президента общества гомосексуалистов снабдить его пенисом?

‑ Два пениса – это мысль!

‑ Да в том-то и дело, что там не то, что два, вообще почему-то ни одного не было. Вот только в пенисах я не силен. Кстати, с маткой тоже не смог помочь. Людей ведь мучают не только болезни, а всякие бредовые идеи тоже жить спокойно не дают.

Наш центр не работает с этими новомодными тенденциями. Что пробовали, так это вырастить яички, потому что проблема эта весьма актуальна из-за огромного количества детей, у которых обнаружен рак яичек или имеются врожденные отклонения. Однако, стволовые клетки не удалось преобразовать в клетки яичек и исследования завершились безрезультатно.

Естественно, основные усилия нашего центра направлены на выращивание тех органов, пересадка которых поможет спасти максимальное количество людей. Вот сейчас один из самых актуальных проектов – выращивание диафрагмы. Тысячи детей появляются на свет с отсутствием этого органа и поэтому умирают.

‑ Какие органы представляют самую большую сложность при выращивании?

‑ Сложнее всего дела обстоят с сердцем, почками и печенью, и не потому, что их трудно вырастить. На сегодняшний день вырастить можно практически все органы, а вот как заставить их правильно работать и вырабатывать необходимые организму вещества, это пока вопрос. Искусственные органы прекращают функционировать через несколько часов. Мы не знаем досконально принцип их работы, в этом вся причина.

А ведь вполне возможно, что стволовые клетки можно использовать для восстановления работы органов, требующих пересадки. Запустить внутренние процессы регенерации организма. Сегодня – это моя самая заветная мечта, и если удастся реализовать эту фантастическую идею, не потребуются больше операции и выращивание органов, ведь стволовые клетки есть у каждого человека.

‑ Сколько требуется времени на создание синтетического органа?

‑ Время пропорционально сложности органа. Для трахеи достаточно четырех дней, для сердца понадобится три недели.

‑ А можно ли вырастить мозг?

‑ Есть у меня такие намерения в перспективе.

‑ Ведь мозг имеет бесчисленное множество связей между нейронами. Как с ними быть?

‑ Не так все сложно, просто на проблему нужно смотреть под другим ракурсом. Полностью заменить мозг нельзя, и об этом речи нет. Но, если у человека травма головы, часть мозга повреждена, но человек остался в живых. Вот эту неработающую часть мозга нужно заменить субстратом, который призван вызвать рост нейронов, привлекая их из других участков мозга. Через некоторое время пострадавшая часть мозга постепенно включится в работу и обрастет связями. Сколько бы людей смогли избавить от проблем!

Мечты и разочарования

‑ Как реагируют коллеги на ваши успехи?

‑ Это тема непростая и грустно о ней говорить. Когда человек делает то, чего никто никогда в мире не делал, его всегда ожидают неприятности. Должно пройти много времени, прежде чем что-то сделанное впервые начнет восприниматься адекватно. До этого все стремятся критиковать, причем довольно жестко, считая порой мои действия, чуть ли не безумством. Зачастую люди очень ревностно относятся к успеху коллег: на меня устраивали нападки, стремились создать условия невыносимые для работы, порой применяя весьма грязные методы.

‑ Что в вашей личной жизни и профессиональной деятельности создает самые большие трудности?

‑ Если взять мою личную жизнь, то ее просто не существует. Работа – это не самое сложное. Труднее справиться с постоянными нападками коллег, их неуемной ревностью. Отсутствие элементарного уважения, и чисто человеческих отношений безмерно угнетает. Такое впечатление, что в мире не существует ничего, кроме конкуренции. В научных журналах мною опубликованы десятки статей, но такое впечатление, что их никто не читает, продолжая заявлять об отсутствии доказательств наших результатов. Все кругом настроены только на критику абсолютно по любому поводу.

Именно эта ревность создает для меня основные трудности. Я постоянно ощущаю дикое давление со всех сторон. Очевидно, это участь всех первопроходцев. Но я знаю, что мы спасем жизни людей и готов выдержать ради этого любые нападки.

‑ У вас есть мечта?

‑ Что касается моей личной жизни, то я мечтаю взять свою любимую собаку, забраться в лодку и уплыть на необитаемый остров, чтобы ничего не напоминало об этом мире. Что касается работы, то мечтаю спасать людей, не прибегая к операции, а лишь используя клеточную терапию. Вот это было бы, действительно, фантастикой!

‑ Когда технология создания искусственных органов станет доступна большинству населения развитых стран?

‑ Что касается трахеи, то технология выращивания этого органа практически доведена до совершенства. Если клинические испытания на Кубани будут продолжены, то через пару лет соберется достаточно фактов, доказывающих безопасность и эффективность разработанных нами методов, и их начнут применять повсеместно. Многое зависит от количества пациентов и ряда других факторов. Я продолжу разработки, связанные с выращиванием диафрагмы, пищевода и сердца. Надеюсь, что в России все пойдет значительно быстрее, так что немного терпения и скоро все узнаете сами.

В результате проведения четырех конкурсов, нацеленных на привлечение в российские вузы известных ученых мирового масштаба, 163 зарубежных и отечественных специалистов выиграли мегагранты, выделенные правительством России.

Спецпроект о проблемах старения мы продолжим рассказом о самых выдающихся и знаменитых исследователях, положивших начало работам по созданию искусственных органов. Большинство из них и сейчас продолжает работу над новыми амбициозными проектами.

Цикл статей, задуманных в рамках спецпроекта «биомолекулы» для фонда «Наука за продление жизни ».

В этом цикле рассмотрим общие проблемы старения клеток и организмов, научные подходы к долголетию и продлению здоровой жизни, связь сна и старения, питания и продолжительности жизни (обратимся к нутригеномике), расскажем про организмы с пренебрежимым старением , осветим темы (эпи)генетики старения и анабиоза.

Конечно, феномен старения настолько сложен, что пока рано говорить о радикальных успехах в борьбе с ним и даже о четком понимании его причин и механизмов. Но мы постараемся подобрать наиболее интересную и серьёзную информацию о нащупанных связях, модельных объектах, разрабатываемых и уже доступных технологиях коррекции возрастзависимых нарушений.

Следите за обновлениями!

Линда Гриффит и Чарльз Ваканти

Линда Гриффит - профессор биоинженерии и механической инженерии . В 2006 году получила стипендию Мак-Артура, также известную как «грант для гениев». Соавтор пионерской работы по выращиванию хряща в форме человеческого уха. На данный момент развивает технологии культивации 3D-культур клеток, а также участвует в проекте «Человек на чипе».

Чарльз Ваканти - профессор медицинской школы Гарварда . Соавтор пионерских работ по выращиванию хряща в форме человеческого уха, а также первой искусственной кости анатомической формы (для пациента с травмой большого пальца). Убежден в существовании способа переключения специализированных клеток в состояние стволовых, не использующего генетические модификации. Его убежденность не поколебал даже скандал с его бывшей аспиранткой, Харуко Обоката, сфабриковавшей результаты эксперимента по получению стволовых клеток. Чарльз Ваканти до последнего момента утверждал, что протоколы Харуко Обоката должны работать. В сентябре прошлого года, после того, как фальсификация данных японской исследовательницей была доказана, ушел в годовой академический отпуск. Судя по всему, после его окончания Чарльз Ваканти планирует продолжать поиски простого способа получения стволовых клеток.

В конце 1990-х годов по интернету разошлась жуткая картинка - мышь с человеческим ухом на спине (рис. 1). Картинку рассылали в основном по электронной почте, и подписи к ней со временем терялись. Многие люди не верили, что картинка настоящая, а другие начинали активно протестовать против генетической инженерии, в результате которой, по мнению этих людей, уродливая мышь появилась на свет. Картинка была настоящей. Человеческое ухо на спине у мыши вырастили, разумеется, без применения генетических модификаций (уже в те времена было понятно, что органы формируются при сложном взаимодействии многофункциональных генов, и никакого «гена человеческого уха» существовать не может). А работа, для которой была получена несчастная мышь, была одной из пионерских в области инженерии искусственных органов человека .

Рисунок 1. Знаменитая фотография из работы, сделанной в 90-х годах. Животное, вопреки предположениям многих напуганных людей, не подвергалось генетическим модификациям, а всего лишь служило средой, в которой синтетическая основа уха заселялась нанесёнными на нее клетками. Биореакторов, более подходящих для инкубации искусственного органа, в то время просто не существовало.

Ухо, по правде говоря, было человеческим лишь по форме, а составляющие его клетки были взяты у теленка. Тем не менее авторы работы, в числе которых были Линда Гриффит и Чарльз Ваканти, сделали первый шаг к созданию таких пугающе сложных структур как человеческие органы. Донорских органов настолько мало, и с ними так много проблем (и иммунологических, и психологических), что робость перед созданием искусственных частей человеческого тела было просто необходимо преодолеть.

Стратегия, которую применили Линда Гриффит и Чарльз Ваканти, до сих пор популярна в биоинженерии искусственных органов со сложной структурой. Сначала получают каркас из деградируемого полимера, а потом заселяют его клетками, которые постепенно разъедают каркас, делятся и осваивают освободившееся пространство. В менее «чистом» варианте того же метода используют основы органов, полученные от других животных или доноров, уничтожают их клетки, и заселяют полученный матрикс клетками реципиента. Такой орган нельзя считать полностью искусственным, и все же, он лучше донорского, так как не содержит его клеток и не вызывает отторжения иммунной системой. Такой вариант метода применяют, когда каркас сложно получить искусственно из-за его сложной структуры или состава и когда этот каркас должен войти в состав получившегося органа, а не разъедаться в процессе заселения клетками.

Заселение каркаса должно происходить в условиях, максимально приближенных к условиям внутри организма - с правильной температурой и течением питательных растворов через его части. Сейчас для этого используют специальные реакторы, которые приходится настраивать на форму определенного органа. А в первых работах 90-х годов в качестве биореакторов использовали мышей и крыс, которым заселенные клетками основы органов просто вживляли под кожу. Выглядели такие животные пугающе, зато цель - первые искусственные хрящи в форме человеческого уха - была достигнута.

Линда Гриффит продолжила работу в области инженерии искусственных тканей. Сейчас под ее руководством в специальном биореакторе поддерживают трехмерную культуру клеток печени. Такой культуре далеко до искусственной печени - она не похожа на нее по структуре, но тем не менее подходит для исследований лекарств и метаболизма гепатоцитов в условиях, близких к природным. Занимается исследовательница и разработкой органов на чипах, которые изобрел в 2010 году Дональд Ингбер (о нем речь пойдет позже).

Чарльз Ваканти заинтересовался другой стороной вопроса о выращивании искусственных органов - исследованиями стволовых клеток. Дело в том, что клетки, необходимые для выращивания нового органа, не всегда удобно (если вообще возможно) брать у донора. Поэтому, прежде чем учиться выращивать из подходящих клеток сложные структуры, сначала разумнее научиться получать эти подходящие клетки. Чарльза Ваканти интересовало преобразование клеток, которые легко взять у донора (например, с поверхности кожи), в клетки требуемого типа. Для этого нужно было научиться превращать специализированные клетки в стволовые - то есть способные приобрести любую специализацию. И, конечно, для биоинженеров важно, чтобы способ перепрограммирования клеток был не слишком сложным, иначе выгоды от его применения сойдут на нет. Чарльз Ваканти был убежден, что у организма должен быть способ переключать клетки в стволовое состояние , если это необходимо, - такая способность казалась ему слишком выгодной.

Возможно, решение кроется в ИПСК - индуцированных плюрипотентных стволовых клетках, которые можно получать из клеток различной специализации. О проблемах их получения и рисках использования читайте в статьях «В поисках клеток для ИПСК - шаг за шагом к медицине будущего » и «Предохранитель ИПСК » , .

Организму могут понадобиться стволовые клетки, если он испытывает сильный стресс, поэтому Чарльз Ваканти считал, что именно стресс может заставить клетки переключиться в стволовое состояние. Убедительных доказательств этой гипотезы ученому найти не удавалось. Зато ему удалось заинтересовать своими идеями японскую аспирантку Харуко Обоката . Поработав в лаборатории Ваканти в Гарварде, молодая исследовательница вернулась в институт RIKEN , где продолжила искать тот самый тип стресса, который заставит специализированные клетки стать стволовыми. Через Харуко Обоката история Чарльза Ваканти переплелась с судьбой еще одного выдающегося биоинженера - Ёсики Сасаи.

Ёсики Сасаи

Ёсики Сасаи - выдающийся биоинженер, пионер в области получения мини-органоидов методом воспроизведения первых этапов эмбрионального развития человека. Воспроизвел начальные этапы развития коры головного мозга, а также глазного бокала и гипофиза зародыша. В его лаборатории молодая исследовательница Харуко Обоката вела поиски простого метода превращения специализированных клеток в стволовые. Данные об успехе ее исследований Харуко Обоката сфабриковала. Устав от внимания прессы и обвинений научной общественности в недостаточном контроле за ходом работ под его руководством, Ёсики Сасаи в августе 2014 года повесился на перилах лестницы своего института .

Все живые организмы проходят долгий и трудный путь развития, прежде чем приобретают окончательную, зачастую очень сложную структуру. Если мы хотим получить копию искусственного органа, стоит вспомнить, как именно этот орган образуется в природе. Воспроизведение эмбрионального развития органа - очень перспективный путь для биоинженеров. Работами именно в этой области и прославился Ёсики Сасаи. В 2008 году были опубликованы результаты работы по воспроизведению первых этапов развития ни много ни мало человеческого мозга . А в 2011 году японские исследователи под руководством Сасаи получили зачатки гипофиза и глазных бокалов (рис. 2) . «В пробирке» (точнее, на чашке Петри) удается вырастить только мини-органоиды, потому что дальнейшие этапы их развития требуют сложного трехмерного окружения, которое, в свою очередь, тоже должно развиваться с ростом органа. Тем не менее, подбор условий, стимулирующих клетки повторять хотя бы первые стадии развития органа, уже дает много полезных данных для эмбриологии. Кроме того, на мини-органоидах, выращенных из клеток с генетическими мутациями, можно проследить становление патологии. И конечно, мини-органоиды подходят для тестирования лекарств и особенно для изучения их влияния на ранние стадии развития организма.

К несчастью для Ёсики Сасаи, под его руководством шли работы и на другие темы. В начале 2014 года в журнале Nature была опубликована статья, первым автором которой была Харуко Обоката, а последним - Ёсики Сасаи. В статье был описан на удивление простой метод перепрограммирования специализированных клеток в стволовые - с помощью непродолжительной инкубации в растворе лимонной кислоты. Стволовые клетки, полученные таким способом, назвали STAP (stimulus-triggered acquisition of pluripotency ). STAP-клетки могли бы вызвать настоящую революцию в регенеративной медицине - таким простым методом, как описали японские ученые, стволовые клетки можно было бы получать в огромных количествах. К сожалению, никаким другим исследователям, кроме Харуко Обоката, получить STAP-клетки не удалось. На японских ученых посыпались вопросы от разочарованных коллег и прессы, и Харуко Обоката пришлось повторить эксперименты в собственной лаборатории, чтобы доказать, что метод может работать. Ей это не удалось. В ходе расследования под эгидой института RIKEN выяснилось, что Харуко Обоката подтасовала данные скандальной публикации, а руководитель исследования - Ёсики Сасаи - об этом не знал. В августе 2014 ученый, тяжело переживавший скандал вокруг исследования, покончил жизнь самоубийством. Харуко Обоката не стала оспаривать решение экспертной комиссии о подтасовке результатов.

Интересно, что в ходе скандала Чарльз Ваканти (бывший руководитель Харуко Обоката) активно выступал в защиту японских ученых. В конце концов ему пришлось признать, что статья была отозвана обоснованно, но, несмотря на это, он не отказался от своей любимой идеи о возможности получить стволовые клетки из специализированных без трудоемких генетических модификаций. В сентябре прошлого года Чарльз Ваканти ушел в годовой академический отпуск, который к настоящему моменту как раз закончился.

Неизвестно, будет ли найден однажды простой способ получения стволовых клеток. Как бы то ни было, другое направление исследований Ёсики Сасаи - получение органоидов - оказалось очень плодотворным. В последующие годы ученым разных групп удалось получить мини-органоиды кишечника, желудка и почек . Последнее достижение в этой области - органоиды сердца - принадлежит знаменитому специалисту по созданию искусственных органов Энтони Атала .

Энтони Атала

Энтони Атала - директор . Научился получать из собственных клеток пациентов искусственный мочевой пузырь, уретру и влагалище. Сейчас во всем мире живут десятки людей с такими искусственными органами, созданными под руководством Энтони Атала. Сейчас знаменитый биоинженер работает над созданием искусственного пениса, который подошел бы жертвам несчастных случаев и мужчинам с врожденными патологиями репродуктивной системы.

Энтони Атала - директор целого института регенеративной медицины. Под руководством ученого в этой области было сделано много замечательных работ, все более и более сложных. В основном Энтони Атала занимается созданием искусственных органов мочеполовой системы. Начал он с самого простого - мочевого пузыря . По сути дела, мочевой пузырь - это просто мешок из клеток, и операции, в которых мочевые пузыри делают из тканей кишечника, проводятся уже довольно давно. Конечно, у этих органов очень разные функции - стенки кишечника всасывают питательные вещества, а мочевой пузырь просто служит резервуаром для мочи перед ее выведением. Поэтому, конечно, хотелось научиться получать этот несложный орган из более подходящего материала. Энтони Атала использовал для этого уже упомянутый метод - выращивание клеток на специальном каркасе анатомической формы. Такие искусственные мочевые пузыри вживили нескольким мальчикам с патологиями этого органа в 1999 году. Спустя 5 лет наблюдений Энтони Атала с коллегами доложили, что искусственные органы прижились хорошо, и не вызвали осложнений у реципиентов . После этого ученый перешел к более сложной задаче - созданию искусственных влагалищ. В отличие от мочевых пузырей, эти органы никогда не пытались получить искусственно. В то же время, устройство влагалища тоже не очень сложное - это трубка из клеток. В 2005-2009 годах четырем девочкам с редкими патологиями, при которых половая система развивается неправильно, были вживлены такие искусственные влагалища. В 2014 году ученый доложил об успехе всех операций, благодаря которым подросшие пациентки смогли жить нормальной половой жизнью . Параллельно ученые под руководством Энтони Атала научились получать другой орган трубчатой структуры - уретру (мочеиспускательный канал) . Такие искусственные органы вживили пяти мальчикам, и операции также прошли успешно и не вызвали осложнений.

На очереди оказался самый сложный орган мочеполовой системы - пенис. Современная хирургия уже позволяет пришивать пациентам, потерявшим пенис из-за несчастных случаев, орган донора. Первая такая операция была проведена еще в 2006 году. Однако спустя две недели после этой сложнейшей операции пациент попросил удалить донорский пенис . Такое решение кажется странным лишь на первый взгляд. Пенис относится к органам, которые жертвуют лишь посмертно, а привыкнуть к жизни с пенисом умершего человека явно сложнее, чем к жизни с донорской почкой. От первой в мире пересаженной руки, к примеру, реципиент также отказался вскоре после операции . Так что инженерия наружных органов - вопрос, в определенном смысле, даже более срочный, чем инженерия жизненно важных частей тела. Ведь, пока хирургам в качестве материала предоставляют только донорские органы, многие сложнейшие операции будут проходить напрасно. К тому же, помимо психологических проблем, с донорскими органами возникают еще и проблемы иммунологической совместимости - пациентам часто приходится принимать препараты, подавляющие деятельности иммунной системы, чтобы она не начинала атаковать чужеродную часть тела.

Пенис сконструировать намного труднее, чем просто пузырь или трубку из клеток, ведь для функционирования этого органа необходима правильная структура во всем его объеме. Совершенно необходимо воспроизвести губчатую ткань пещеристых тел, которые разбухают при эрекции, а также структуру сосудов, по которым к этой ткани поступает кровь. И, само собой, нужно разместить в нем уретру, которая не должна пережиматься при набухании пещеристых тел. С нуля воспроизвести такую структуру очень сложно, поэтому Энтони Атала использует для получения искусственных пенисов коллагеновые основы донорских органов, которые очищают от клеток с помощью ферментов. Потом ее заселяют клетками человека, которому орган впоследствии можно будет без проблем пересадить (пока такие операции не проводили). По словам Энтони Атала, какой бы тяжелой не была травма пениса, благодаря тому, что этот орган продолжается и внутри таза, у человека всегда можно взять клетки на выращивание нового .

Человеческие искусственные пенисы пока в разработке - чтобы их можно было пересаживать реципиентам, они должны пройти много сложных тестов. Зато уже есть успешные результаты для кроликов - животные с пенисами, полученными методом Энтони Атала, успешно спариваются и обзаводятся потомством. Однако перейти от кроликов к людям оказалось не так просто - чтобы получить орган большего размера, недостаточно просто пропорционально увеличить количество клеток, время инкубации и прочие параметры. К тому же с увеличением объема органа становятся выше и требования к его внутренней структуре - ведь каждая клетка живого организма должна находиться от ближайшего капилляра на расстоянии не больше 200 микрометров (что примерно равно толщине человеческого волоса). Поэтому вырастить крупный объемный орган всегда сложнее, чем плоский (как фрагмент кожи), трубчатый (как искусственная уретра) или мешковидный (как мочевой пузырь).

Интересы Энтони Атала не ограничиваются мочеполовой системой. В его лаборатории идут работы по получению искусственных тканей печени, сердца и легких. В 2011 году во время конференции TED знаменитый ученый взбудоражил общественность, продемонстрировав полученный методом 3D-печати прототип искусственной почки . Ключевым словом, на которое многие не обратили внимания, было «прототип» - искусственная почка имела правильную форму, а также доказывала, что с помощью 3D-печати можно получить нечто, хотя бы внешне сходное с желаемым объектом. Но структура прототипа почки даже близко не приближалась к сложности настоящего органа, которая совершенно необходима, чтобы почка выполняла свою функцию. Этот орган должен состоять из тончайших канальцев, опутанных сосудами, для того, чтобы выделять с мочой только ненужные вещества, а все полезное возвращать в кровь. К такой сложности биоинженерам до сих пор не удалось подойти, и, конечно, ее невозможно было достичь в 2011 году. Однако, по-видимому, именно метод биопечати со временем позволит ученым получать точно те биологические структуры, которые ему необходимы. Этот метод разработал и активно развивает еще один знаменитый биоинженер - Габор Форгач.

Габор Форгач

Габор Форгач - знаменитый биоинженер и предприниматель от науки. Под его руководством был создан первый коммерческий 3D-биопринтер, на котором уже напечатаны образцы многих тканей. Вместе со своим сыном Андрасом основал компанию Modern Meadow , производящую искусственную кожу и искусственное мясо для употребления в пищу.

В 1996 году Габор Форгач обратил внимание на факт, уже давно известный ученым -клетки, образовавшиеся в ходе деления зародыша, могут двигаться по нему, но, попав в окончательное место назначения, склеиваются с другими клетками. Это навело его на мысль, что клетки можно использовать в качестве элементарных единиц для конструирования - если подобрать правильные условия, то клетки, уложенные в желаемые структуры, сами склеятся между собой. Однако, идея о том, что для такого укладывания клеток можно применять специальный принтер, ему в голову не пришла.

Первым додумался печатать биологические объекты Томас Боланд . Он модифицировал обычный принтер таким образом, что на нем стало возможным печатать биологическими материалами, например, белками или бактериями. Для 3D-печати прибор не подходил. Идея, тем не менее, оказалась здравой, и со временем привела к разработке биопринтеров, способных печатать сложные объемные структуры.

Форгачу потребовалось много времени, чтобы развить свою идею о самостоятельном склеивании клеток в технологию получения трехмерных искусственных тканей. Несколько лет потребовалось и на разработку принтера, способного применить эту технологию. Устройство должно было стать достаточно точным и деликатным по отношению к чувствительным клеточным «чернилам». Такой прибор под названием Organovo компании Форгача удалось создать только в 2009 году . В 2010 году на этом первом биопринтере напечатали человеческий сосуд, и, что с самого начала было важно для Форгача, без всяких дополнительных каркасов. Благодаря этому появляется уверенность, что в органе не будет содержаться абсолютно ничего, вызывающего иммунологическое отторжение у реципиента (если орган выращивать из его собственных клеток).

Чтобы сделать из клеток аналог чернил принтера, их помещают в специальный гель, который не позволяет клеткам слипаться раньше времени. Принтер печатает, как правило, не единичными клетками, а их шарообразными скоплениями - сфероидами (хотя метод позволяет использовать для печати и отдельные клетки, что необходимо для некоторых структур), идея которых также принадлежит Габору Форгачу . Каждый напечатанный слой клеток отделяют слоем геля, а уже готовый орган отправляют дозревать в инкубатор. При этом гель, использованный для печати, растворяется, а внутри органа развивается его сосудистая сеть - от сосудов отрастают тончайшие капилляры. Это очень удобно для биоинженеров, потому что получать такие мелкие сосуды они пока не умеют. Кроме того, если орган пересадить реципиенту, то в новую часть тела обязательно проникнет сосудистая сеть хозяина. Однако такая практика скорее подходит для животных, а не для человека - в его случае слишком опасно полагаться на то, что нужные сосуды врастут в орган сами. К тому же надеяться на то, что сосуды сами вырастут как нужно, совершенно точно нельзя в случае органов со сложной структурой - таких, как уже обсуждавшиеся почки. Так что остается надеяться на повышение точности 3D-печати в будущем.

3D-биопечать продолжает развиваться уже во всем мире: в 2010 году впервые удалось напечатать фрагмент кожи , а в 2014 - сердечный клапан (рис. 3) и фрагмент ткани печени . Такие ткани прекрасно подходят для предварительных испытаний прототипов лекарственных препаратов, а кожа - еще и для тестов косметических средств (компания L’Oreal, к примеру, уже использует для тестов искусственную кожу, напечатанную Organovo ). Такие тесты проще организовать, чем тесты на животных, которые требуют согласования с биоэтическими комиссиями. Кроме того, тесты на человеческих, пусть и выращенных в лаборатории, органах и коже, дают более достоверные результаты о влиянии продукта на человеческий организм, чем исследования на лабораторных животных.

О том, как в России развивается 3D-печать, рассказано в статье «Органы из лаборатории » .

Последнее достижение биопечати на данный момент - фрагмент нервной ткани человека с точно позиционированными нейронами, полученный в этом году под руководством австралийского биоинженера Гордона Уэлласа (тот самый случай, когда необходимо печатать ткань отдельными клетками, а не сфероидами) .

Габор Форгач не только положил начало 3D-печати органов человека для больных людей или переживших несчастный случай. Он еще и первым понял, что искусственные ткани и органы могут пригодиться всем людям без исключения. Некоторые продукты животного происхождения - такие как мясо и кожа - настолько хороши, что им трудно создать полноценную замену. Но теперь, благодаря биоинженерии, их можно будет получать этичным образом - без убийств животных. Габору Форгачу первому пришло в голову, что мы уже знаем достаточно для выращивания искусственного бифштекса или куска кожи. Получать их значительно проще, чем многие искусственные органы, над разработкой которых бьются ученые, а потребность в мясе и коже значительно выше, чем в человеческих органах. Также переход на мясо и кожу искусственного происхождения благоприятно сказался бы на экологической ситуации - ведь биореакторы не вытаптывают огромные пастбища и не выделяют в атмосферу такое количество метана, какое может существенно усилить парниковый эффект.

Поэтому вторая компания Форгача, которую он основал вместе со своим сыном Андрасом - Modern Meadow - выращивает мясо и кожу в лабораторных условиях . Важный аспект деятельности компании - это оптимизация методик, поскольку сейчас искусственные копии продуктов животного происхождения обходятся дороговато. Другая проблема состоит в том, что общественность с недоверием относится к выращенным в лаборатории продуктам. Согласно опросу, проведенному в 2014 году, лишь 20% американцев готово попробовать полученное лабораторными методами мясо . Поэтому сам Форгач старается доказать людям, что его продукты безопасны, в том числе на собственном примере. Например, в 2011 году на конференции TedMed Форгач собственноручно приготовил, а затем съел выращенное в лаборатории мясо . Кроме того, биоинженер уверяет, что его лаборатории открыты для потенциальных клиентов, и каждый может увидеть, как делается сосиска, в то время как «бойни никогда не приглашают посетителей понаблюдать за их работой» .

Габор Форгач уловил, что в биотехнологиях не хватает собственно технологичности - многие методы, использовавшиеся при попытках воспроизвести сложнейшую структуру органов, были старомодными по своей сути. Биология остается не очень точной наукой, но при создании искусственных органов для живых людей, по мнению Форгача, неприемлемо рассчитывать на то, что правильная структура образуется как-нибудь сама. 3D-биопринтеры следуют веяниям времени и воплощают в жизнь мечты о точном контроле над тем, что кажется полностью хаотичным и загадочным, - жизнью. И только одно направление биоинженерии, возможно, еще более технологично и футуристично - органы на чипах.

Дональд Ингбер

Дональд Ингбер - биолог, знаменитый своим инженерным взглядом на живые объекты, благодаря которому ученый сделал несколько открытий в области биологии клетки (например, о влиянии механических воздействий на активность генов). Автор идеи «органа на чипе» - простейшей клеточной системы, расположенной на пластинке стандартного размера и воспроизводящей основные функции моделируемого органа. Создал множество органов на чипах, и сейчас работает над объединением десяти таких органов в «человека на чипе».

До начала двухтысячных Дональд Ингбер исследовал биологию рака - параметры, влияющие на развитие опухолей и метастазирование раковых клеток. При этом ученый смотрел на живую клетку как инженер. На подход ученого к исследованиям клеточной биологии повлияла, как ни странно, одна необычная скульптура, которую Дональд Ингбер увидел в середине 70-х годов. Скульптура была сконструирована по принципу тенсегрити . Такие конструкции состоят из прочных балок, которые не касаются друг друга благодаря системе натянутых тросов. Вся структура поддерживается за счет точно сбалансированных натяжений гибких элементов. Дональд Ингбер предположил, что и структура живой клетки может поддерживаться благодаря тем же принципам. И действительно, ему удалось показать, например, что приложенные к поверхности клетки механические воздействия могут повлиять на форму ее ядра и даже на экспрессию генов. Глубокое понимание того, как механические силы влияют на структуру и функцию клеток, помогло ученому продвинуться в исследовании биологии рака .

Вероятно, такое стремление ввести исследования клетки в более понятную, «механическую» плоскость, в конце концов и привело Дональда Ингбера к идее органов на чипах. Орган на чипе - это пластинка размером не более кредитной карточки. В пластинке есть ячейки, заселенные клетками определенных типов. Ячейки соединяются каналами, имитирующими кровоток или обмен тканевой жидкости между группами клеток органа. Разумеется, такое устройство не отражает форму природного органа, но зато в максимально компактной и контролируемой форме моделирует саму суть его работы. Жизнедеятельность клеток в органе на чипе нужно поддерживать, помещая чип в специальный реактор, который прогоняет по каналам чипа питательные растворы под правильным давлением и поддерживает определенную температуру и содержание растворенных газов в этих жидкостях.

Важнейшее преимущество органов на чипах соответствует технологическим трендам: это модульность - возможность составлять из таких устройств разные комбинации. Чипы, изображающие различные органы, можно соединять между собой, чтобы изучать влияние этих органов друг на друга, моделировать передвижения болезнетворных микробов по различным системам организма или же изучать, что происходит с молекулами лекарства, когда оно попадает в организм.

Первое устройство такого типа - легкое на чипе - Дональд Ингбер с коллегами разработали в 2010 году . Каналы этого устройства разделены на две части пористой мембраной, с одной стороны которой располагается слой клеток легкого, а с другой - слой клеток стенки сосуда. В той части каналов, где располагались клетки сосуда, циркулирует кровь, а та, где находятся клетки легкого, заполнена воздухом. В обе части каналов ведут специальные отверстия - туда можно добавлять лекарства или, к примеру, болезнетворных микроорганизмов, чтобы смоделировать их попадание в легкое из воздуха или с током крови.

С тех пор на чипах удалось воспроизвести работу почки , печени , а также кишечника с микробиомом и перистальтикой (рис. 4) . Особенно интересной для клинических исследований оказалась разработка чипа, отражающего устройство гематоэнцефалического барьера . Разработчики воспроизвели и плотные контакты между клетками сосудов мозга, и расположение глиальных клеток - особенности, благодаря которым многие молекулы из крови не могут легко проникнуть в мозг. При тестировании прототипов лекарств очень полезно узнать, способны ли они проникать сквозь гематоэнцефалический барьер, и если да, то с какой эффективностью. Кроме этого, на чипе удалось воспроизвести устройство гематопоэтической ниши костного мозга, что крайне полезно для исследований болезней, при которых нарушается нормальное развитие клеток крови .

Рисунок 4. «Кишечник на чипе». а . Схема устройства. Гибкая пористая мембрана, выстланная эпителиальными клетками кишечника, расположена горизонтально по центру микроканала, по бокам которого находятся вакуумные камеры. б . Фотография «кишечника на чипе», состоящего из прозрачного ПДМС-эластомера (эластомера из полидиметилсилоксана). По направлению стрелок насосом заливают красную и синюю жидкости в нижний и верхний отсеки микроканала, соответственно, чтобы их визуализировать.

Искусственные органы человека

Современная медицинская техника позволяет заменять полностью или частично больные органы человека. Электронный водитель ритма сердца, усилитель звука для людей, страдающих глухотой, хрусталик из специальной пластмассы – вот только некоторые примеры использования техники в медицине. Все большее распространение получают также биопротезы, приводимые в движение миниатюрными блоками питания, которые реагируют на биотоки в организме человека.

Во время сложнейших операций, проводимых на сердце, легких или почках, неоценимую помощь медикам оказывают «Аппарат искусственного кровообращения», «Искусственное легкое», «Искусственное сердце», «Искусственная почка», которые принимают на себя функции оперируемых органов, позволяют на время приостановить их работу.

«Искусственное легкое» представляет собой пульсирующий насос, который подает воздух порциями с частотой 40-50 раз в минуту. Обычный поршень для этого не подходит: в ток воздуха могут попасть частички материала его трущихся частей или уплотнителя. Здесь и в других подобных устройствах используют мехи из гофрированного металла или пластика – сильфоны. Очищенный и доведенный до требуемой температуры воздух подается непосредственно в бронхи.

«Аппарат искусственного кровообращения» устроен аналогично. Его шланги подключаются к кровеносным сосудам хирургическим путем.

Первая попытка замещения функции сердца механическим аналогом была сделана еще в 1812 году. Однако до сих пор среди множества изготовленных аппаратов нет полностью удовлетворяющего врачей.

Отечественные ученые и конструкторы разработали ряд моделей под общим названием «Поиск». Это четырехкамерный протез сердца с желудочками мешотчатого типа, предназначенный для имплантации в ортотопическую позицию.

В модели различают левую и правую половины, каждая из которых состоит из искусственного желудочка и искусственного предсердия.

Составными элементами искусственного желудочка являются: корпус, рабочая камера, входной и выходной клапаны. Корпус желудочка изготавливается из силиконовой резины методом наслоения. Матрица погружается в жидкий полимер, вынимается и высушивается – и так раз за разом, пока на поверхности матрицы не создается многослойная плоть сердца.

Рабочая камера по форме аналогична корпусу. Ее изготавливали из латексной резины, а потом из силикона. Конструктивной особенностью рабочей камеры является различная толщина стенок, в которых различают активные и пассивные участки. Конструкция рассчитана таким образом, что даже при полном напряжении активных участков противоположные стенки рабочей поверхности камеры не соприкасаются между собой, чем устраняется травма форменных элементов крови.

Российский конструктор Александр Дробышев, несмотря на все трудности, продолжает создавать новые современные конструкции «Поиска», которые будут значительно дешевле зарубежных образцов.

Одна из лучших на сегодня зарубежных систем «Искусственное сердце» «Новакор» стоит 400 тысяч долларов. С ней можно целый год дома ждать операции.

В кейсе-чемоданчике «Новакора» находятся два пластмассовых желудочка. На отдельной тележке – наружный сервис: компьютер управления, монитор контроля, который остается в клинике на глазах у врачей. Дома с больным – блок питания, аккумуляторные батареи, которые сменяются и подзаряжаются от сети. Задача больного – следить за зеленым индикатором ламп, показывающих заряд аккумуляторов.

Аппараты «Искусственная почка» работают уже довольно давно и успешно применяются медиками.

Еще в 1837 году, изучая процессы движения растворов через полупроницаемые мембраны, Т. Грехен впервые применил и ввел в употребление термин «диализ» (от греческого dialisis – отделение). Но лишь в 1912 году на основе этого метода в США был сконструирован аппарат, с помощью которого его авторы проводили в эксперименте удаление салицилатов из крови животных. В аппарате, названном ими «искусственная почка», в качестве полупроницаемой мембраны были использованы трубочки из коллодия, по которым текла кровь животного, а снаружи они омывались изотоническим раствором хлорида натрия. Впрочем, коллодий, примененный Дж. Абелем, оказался довольно хрупким материалом и в дальнейшем другие авторы для диализа пробовали иные материалы, такие как кишечник птиц, плавательный пузырь рыб, брюшину телят, тростник, бумагу.

Для предотвращения свертывания крови использовали гирудин – полипептид, содержащийся в секрете слюнных желез медицинской пиявки. Эти два открытия и явились прототипом всех последующих разработок в области внепочечного очищения.

Каковы бы ни были усовершенствования в этой области, принцип пока остается одним и тем же. В любом варианте «искусственная почка» включает в себя следующие элементы: полупроницаемая мембрана, с одной стороны которой течет кровь, а с другой стороны – солевой раствор. Для предотвращения свертывания крови используют антикоагулянты – лекарственные вещества, уменьшающие свертываемость крови. В этом случае происходит выравнивание концентраций низкомолекулярных соединений ионов, мочевины, креатинина, глюкозы, других веществ с малой молекулярной массой. При увеличении пористости мембраны возникает перемещение веществ с большей молекулярной массой. Если же к этому процессу добавить избыточное гидростатическое давление со стороны крови или отрицательное давление со стороны омывающего раствора, то процесс переноса будет сопровождаться и перемещением воды – конвекционный массообмен. Для переноса воды можно воспользоваться и осмотическим давлением, добавляя в диализат осмотически активные вещества. Чаще всего с этой целью использовали глюкозу, реже фруктозу и другие сахара и еще реже продукты иного химического происхождения. При этом, вводя глюкозу в больших количествах, можно получить действительно выраженный дегидратационный эффект, однако повышение концентрации глюкозы в диализате выше некоторых значений не рекомендуется из-за возможности развития осложнений.

Наконец, можно вообще отказаться от омывающего мембрану раствора (диализата) и получить выход через мембрану жидкой части крови: вода и вещества с молекулярной массой широкого диапазона.

В 1925 году Дж. Хаас провел первый диализ у человека, а в 1928 году он же использовал гепарин, поскольку длительное применение гирудина было связано с токсическими эффектами, да и само его воздействие на свертывание крови было нестабильным. Впервые же гепарин был применен для диализа в 1926 году в эксперименте Х. Нехельсом и Р. Лимом.

Поскольку перечисленные выше материалы оказывались малопригодными в качестве основы для создания полупроницаемых мембран, продолжался поиск других материалов, и в 1938 году впервые для гемодиализа был применен целлофан, который в последующие годы длительное время оставался основным сырьем для производства полупроницаемых мембран.

Первый же аппарат «искусственная почка», пригодный для широкого клинического применения, был создан в 1943 году В. Колффом и Х. Берком. Затем эти аппараты усовершенствовались. При этом развитие технической мысли в этой области вначале касалось в большей степени именно модификации диализаторов и лишь в последние годы стало затрагивать в значительной мере собственно аппараты.

В результате появилось два основных типа диализатора, так называемых катушечных, где использовали трубки из целлофана, и плоскопараллельных, в которых применялись плоские мембраны.

В 1960 году Ф. Киил сконструировал весьма удачный вариант плоскопараллельного диализатора с пластинами из полипропилена, и в течение ряда лет этот тип диализатора и его модификации распространились по всему миру, заняв ведущее место среди всех других видов диализаторов.

Затем процесс создания более эффективных гемодиализаторов и упрощения техники гемодиализа развивался в двух основных направлениях: конструирование самого диализатора, причем доминирующее положение со временем заняли диализаторы однократного применения, и использование в качестве полупроницаемой мембраны новых материалов.

Диализатор – сердце «искусственной почки», и поэтому основные усилия химиков и инженеров были всегда направлены на совершенствование именно этого звена в сложной системе аппарата в целом. Однако техническая мысль не оставляла без внимания и аппарат как таковой.

В 1960-х годах возникла идея применения так называемых центральных систем, то есть аппаратов «искусственная почка», в которых диализат готовили из концентрата – смеси солей, концентрация которых в 30-34 раза превышала концентрацию их в крови больного.

Комбинация диализа «на слив» и техники рециркуляции была использована в ряде аппаратов «искусственная почка», например американской фирмой «Travenol». В этом случае около 8 литров диализата с большой скоростью циркулировало в отдельной емкости, в которую был помещен диализатор и в которую каждую минуту добавляли по 250 миллилитров свежего раствора и столько же выбрасывали в канализацию.

На первых порах для гемодиализа использовали простую водопроводную воду, потом из-за ее загрязненности, в частности микроорганизмами, пробовали применять дистиллированную воду, но это оказалось очень дорогим и малопроизводительным делом. Радикально вопрос был решен после создания специальных систем по подготовке водопроводной воды, куда входят фильтры для ее очистки от механических загрязнений, железа и его окислов, кремния и других элементов, ионообменные смолы для устранения жесткости воды и установки так называемого «обратного» осмоса.

Много усилий было затрачено на совершенствование мониторных систем аппаратов «искусственная почка». Так, кроме постоянного слежения за температурой диализата, стали постоянно наблюдать с помощью специальных датчиков и за химическим составом диализата, ориентируясь на общую электропроводность диализата, которая меняется при снижении концентрации солей и повышается при увеличении таковой.

После этого в аппаратах «искусственная почка» стали применять ионо-селективные проточные датчики, которые постоянно следили бы за ионной концентрацией. Компьютер же позволил управлять процессом, вводя из дополнительных емкостей недостающие элементы, или менять их соотношение, используя принцип обратной связи.

Величина ультрафильтрации в ходе диализа зависит не только от качества мембраны, во всех случаях решающим фактором является трансмембранное давление, поэтому в мониторах стали широко применять датчики давления: степень разрежения по диализату, величина давления на входе и выходе диализатора. Современная техника, использующая компьютеры, позволяет программировать процесс ультрафильтрации.

Выходя из диализатора, кровь попадает в вену больного через воздушную ловушку, что позволяет судить на глаз о приблизительной величине кровотока, склонности крови к свертыванию. Для предупреждения воздушной эмболии эти ловушки снабжают воздуховодами, с помощью которых регулируют в них уровень крови. В настоящее время во многих аппаратах на воздушные ловушки надевают ультразвуковые или фотоэлектрические детекторы, которые автоматически перекрывают венозную магистраль при падении в ловушке уровня крови ниже заданного.

Недавно ученые создали приборы, помогающие людям, потерявшим зрение – полностью или частично.

Чудо-очки, например, разработаны в научно-внедренческой производственной фирме «Реабилитация» на основе технологий, использовавшихся ранее лишь в военном деле. Подобно ночному прицелу, прибор действует по принципу инфракрасной локации. Черно-матовые стекла очков на самом деле представляют собой пластины из оргстекла, между которыми заключено миниатюрное локационное устройство. Весь локатор вместе с очковой оправой весит порядка 50 граммов – примерно столько же, сколько и обыкновенные очки. И подбирают их, как и очки для зрячих, строго индивидуально, чтобы было и удобно, и красиво. «Линзы» не только выполняют свои прямые функции, но и прикрывают дефекты глаз. Из двух десятков вариантов каждый может выбрать для себя наиболее подходящий.

Пользоваться очками совсем не трудно: надо надеть их и включить питание. Источником энергии для них служит плоский аккумулятор размерами с сигаретную пачку. Здесь же, в блоке, помещается и генератор.

Излучаемые им сигналы, натолкнувшись на преграду, возвращаются назад и улавливаются «линзами-приемниками». Принятые импульсы усиливаются, сравниваются с пороговым сигналом, и, если есть преграда, тотчас звучит зуммер – тем громче, чем ближе подошел к ней человек. Дальность действия прибора можно регулировать, используя один из двух диапазонов.

Работы по созданию электронной сетчатки успешно ведутся американскими специалистами НАСА и Главного центра при университете Джона Гопкинса.

На первых порах они постарались помочь людям, у которых еще сохранились кое-какие остатки зрения. «Для них созданы телеочки, – пишут в журнале «Юный техник» С. Григорьев и Е. Рогов, – где вместо линз установлены миниатюрные телеэкраны. Столь же миниатюрные видеокамеры, расположенные на оправе, пересылают в изображение все, что попадает в поле зрения обычного человека. Однако для слабовидящего картина еще и дешифруется с помощью встроенного компьютера. Такой прибор особых чудес не создает и слепых зрячими не делает, считают специалисты, но позволит максимально использовать еще оставшиеся у человека зрительные способности, облегчит ориентацию.

Например, если у человека осталась хотя бы часть сетчатки, компьютер «расщепит» изображение таким образом, чтобы человек мог видеть окружающее хотя бы с помощью сохранившихся периферийных участков.

По оценкам разработчиков, подобные системы помогут примерно 2,5 миллионов людей, страдающих дефектами зрения. Ну а как быть с теми, у кого сетчатка практически полностью утрачена? Для них ученые глазного центра, работающего при университете Дюка (штат Северная Каролина), осваивают операции по вживлению электронной сетчатки. Под кожу имплантируются специальные электроды, которые, будучи соединены с нервами, передают изображение в мозг. Слепой видит картину, состоящую из отдельных светящихся точек, очень похожую на демонстрационное табло, что устанавливают на стадионах, вокзалах и в аэропортах. Изображение на «табло» опять-таки создают миниатюрные телекамеры, укрепленные на очковой оправе».

И, наконец, последнее слово науки на сегодняшний день – попытка методами современной микротехнологии создать новые чувствительные центры на поврежденной сетчатке. Такими операциями занимаются сейчас в Северной Каролине профессор Рост Пропет и его коллеги. Совместно со специалистами НАСА они создали первые образцы субэлектронной сетчатки, которая непосредственно имплантируется в глаз.

«Наши пациенты, конечно, никогда не смогут любоваться полотнами Рембрандта, – комментирует профессор. – Однако различать, где дверь, а где окно, дорожные знаки и вывески они все-таки будут…»