Створення штучних органів людини. Вирощування штучних органів. Базова технологія вирощування органів

Вже сьогодні технології вирощування нових органів широко використовуються в медицині та дозволяють освоювати нові методи вивчення імунної системи та різних захворювань, а також знижують потребу в трансплантатах. Пацієнти, яким зробили пересадку будь-яких органів, потребують великої кількості токсичних препаратів для придушення своєї імунної системи; інакше їхній організм може відкинути пересаджений орган. Однак завдяки розвитку тканинної інженерії пересадка органів може залишитися в минулому. Використовуючи клітини самих пацієнтів як матеріал для вирощування в лабораторії нових видів тканини, вчені відкривають нові технології створення людських органів.

Вирощування органів – перспективна біоінженерна технологія, метою якої є створення різних повноцінних життєздатних біологічних органів для людини. Поки що технологія не застосовується на людях.

Створення органів стало можливим трохи більше 10 років тому завдяки розвитку біоінженерних технологій. Для вирощування використовують стволові клітини, взяті у пацієнта. Розроблена нещодавно технологія ІПК (індуковані плюрипотентні клітини) дозволяє перепрограмувати стовбурові клітини дорослої людини так, щоб з них міг вийти будь-який орган.

Вирощування органів або тканин людини може бути як внутрішнім, так і зовнішнім (у пробірках).

Найвідоміший вчений у цій галузі – Ентоні Атала, визнаний Лікарем року-2011, голова лабораторії в Інституті регенеративної медицини Вейк Сіті (США). Саме під його керівництвом 12 років тому було створено перший штучний орган – сечовий міхур. Спочатку Атала з колегами створили штучну матрицю з біосумісних матеріалів. Потім взяли у пацієнта здорові стовбурові клітини сечового міхура та перенесли на каркас: одні зсередини, інші зовні. Через 6-8 тижнів орган був готовий до пересадки.

«Мене вчили, що нервові клітини не відновлюються, – згадував пізніше Атала. - Як же ми були вражені, коли спостерігали, як пересаджений нами сечовий міхур покривається сіткою нервових клітин! Це означало, що він, як і має бути, спілкуватися з мозком і функціонуватиме як у всіх здорових людей. Дивно, як багато істин, які ще 20 років тому здавались непорушними, спростовано, і тепер нам відчинені ворота у майбутнє».

Для створення матриксу застосовують донорські чи штучні тканини, навіть вуглецеві нанотрубки та нитки ДНК. Наприклад, шкіра, вирощена на каркасі з вуглецевих нанотрубок, у десятки разів міцніша за сталі - невразлива, як у супермена. Тільки незрозуміло, як із такою людиною потім працювати, наприклад, хірургу. Шкіру на каркасі з павукового шовку (теж міцніше стали) вже виростили. Щоправда, людині поки що не пересаджували.

А, мабуть, передова технологія - друкування органів. Придумав її той самий Атала. Метод підходить для суцільних органів і особливо гарний для трубчастих. Для перших експериментів використовували звичайний струменевий принтер. Пізніше, звісно, ​​винайшли спеціальний.

Принцип простий, як і все геніальне. Замість чорнила різного кольору картриджі заправлені суспензіями різних типів стовбурових клітин. Комп'ютер обчислює структуру органу та задає режим друку. Він, звичайно, складніше звичайного друку на папері, в ньому багато шарів. За їх рахунок і створюється обсяг. Потім усе це має зрости. Вже вдалося «надрукувати» кровоносні судини, у тому числі складно розгалужені.

Шкіра та хрящі. Їх виростити найпростіше: достатньо було навчитися розмножувати шкірні та хрящові клітини поза організмом. Хрящі пересаджують вже близько 16 років, це досить поширена операція.

Кровоносні судини. Виростити їх трохи складніше, ніж шкіру. Адже це трубчастий орган, який складається з двох типів клітин: одні вистилають внутрішню поверхню, інші формують зовнішні стінки. Першими виростили судини японці під керівництвом професора Кадзува Накао з медичної школи Кіотського університету ще 2004 року. Трохи пізніше, 2006 року, директор Інституту стовбурової клітини університету Міннесоти в Міннеаполісі (США) Катрін Верфейл продемонструвала вирощені клітини м'язів.

Серце. Шістнадцяти дітям у Німеччині вже пересаджено клапани серця, вирощені на каркасі від свинячого серця. Двоє дітей живуть із такими клапанами вже 8 років, і клапани ростуть разом із серцем! Американо-гонконзька група вчених обіцяє розпочати пересадку «латок» для серця після інфаркту через 5 років, а англійська команда біоінженерів через 10 років планує пересаджувати ціле нове серце.

Нирки, печінка, підшлункова залоза. Як і серце, це звані суцільні органи. Вони найвища щільність клітин, тому виростити їх найважче. Вже вирішено головне питання: як зробити так, щоб вирощені клітини склали форму печінки чи нирки? Для цього беруть матрицю у формі органа, поміщають у біореактор та заповнюють клітинами.

Сечовий міхур. Найперший «орган із пробірки». Сьогодні операції з вирощування та пересадки власного «нового» сечового міхура вже зроблено кільком десяткам американців.

Верхня щелепа. Фахівці з Інституту регенеративної медицини при університеті Тампере (Фінляндія) примудрилися виростити верхню щелепу людини… у його черевній порожнині. Вони перенесли стовбурові клітини на штучну матрицю з фосфату кальцію та зашили чоловікові у живіт. Через 9 місяців щелепу витягли та поставили на місце рідної, віддаленої через пухлину.

Сітківка ока, нервова тканина мозку. Досягнуто серйозних успіхів, але поки що про вагомі результати говорити зарано.

Штучні механічні органи - мабуть, найбільш реалістичний на сьогодні спосіб полагодити тіло, що зносилося порядком, якому вже не допоможе традиційний терапевтичний «ремонт». Щодо інших методів, то пересадка органів ускладнюється дефіцитом донорів та біологічною несумісністю. А стовбурові клітини, про які так багато говорять, на жаль, поки що занадто далекі від практичного застосування.

Першими штучними органами, певне, варто вважати зубні протези. Пізніше хірурги почали вживлювати металеві суглоби та зв'язки, а потім з'явилися й електронні протези кінцівок. Але назвати ці апарати «революцією у штучних органах» можна лише з натяжкою. Звісно, ​​вони покращують якість життя, але прожити можна і без них. Для створення таких апаратів головне – підібрати міцний, легкий та безпечний матеріал, виготовити з нього потрібну деталь та розробити технологію «установки» у людське тіло.

Інша справа – наші внутрішні органи. Мільйони людей щорічно помирають від тяжких хвороб серця, легень, печінки та нирок, і допомогти їм часто немає жодної можливості. Майже всі винайдені апарати для підтримки життя - штучна легеня, печінка або нирки - займають місця не менше, ніж холодильник і розглядаються лише як тимчасовий захід. Як правило, пацієнт знаходиться біля такої машини постійно і чекає на орган для пересадки. Але потрібних донорів вдається знайти далеко не завжди.

Але не все так безнадійно. Найпростішим із цих органів є серце. Ще 1938 року американські хірурги вперше використовували апарат штучного кровообігу. Нещодавно було створено штучне серце AbioCor, яке дозволяє людині не просто «доживати», а ходити і навіть займатися спортом. А остання розробка - австралійський прилад VentrAssist - має працювати 50 років. Але про цей апарат ми розповімо пізніше, тому що його технічні характеристики виглядатимуть надто блякло без теоретичного вступу.

Параметри штучного тіла

Ідеальні штучні органи - це машини, які працюватимуть десятки років під великими навантаженнями та не вимагатимуть будь-якого технічного обслуговування. Скажімо, потужність серця людини у спокої становить трохи більше 3 ватів. Це означає, що за день воно виконує роботу майже 90 кілоджоулів. Тобто піднімає тонну вантажу на четвертий поверх. При фізичному навантаженні, природно, його продуктивність має значно зростати. А тепер уявіть, що такий апарат ще повинен уміщатися у грудях, мати запас енергії, і не зупинятися ні на хвилину протягом усього життя.

Штучні легені – не менш складне завдання. Поверхня «оригінальних» дихальних органів приблизно дорівнює тенісному корту. За одну хвилину на ній двадцять разів рівномірно «розливається» і забирається склянка крові. Крім того, постійно відбувається самоочищення легень від сажі, пилу та інших шкідливих частинок, які ми вдихаємо. Якщо додати, що такий орган за обсягом не повинен перевищувати п'яти літрів, стає зрозуміло, що робота над таким апаратом ще далека від завершення.

Печінка - теж досить невеликий орган, в якому міститься «хімічний завод» і сильна система фільтрації. Тільки за одну хвилину через неї проходить півтора літри крові, яку потрібно очистити від продуктів життєдіяльності, не порушивши при цьому електролітний, гормональний та білковий баланс. Багато речовин, наприклад - алкоголь, ліки, жири, не просто затримуються в печінці, а й переробляються у форму, найбільш зручну для виведення з організму. Крім того, цей орган відповідає за синтез приблизно літра жовчі – емульгатора пишних жирів.

Ще один орган, без якого людина прожити не може – це нирка. Апарат, що його заміщає, повинен, як і печінка, фільтрувати всю кров організму. Але на цьому функція нирок не закінчується: їхній біологічний «комп'ютер» аналізує склад крові і на підставі цих даних підтримує в дуже вузьких межах вміст практично всіх розчинених у ній речовин.

Бездротове серце

Тепер, коли ми оцінили масштаби завдання, подивимося, як воно вирішується щодо серця. Апарат AbioCor денверської компанії Abiomed - це справжнє штучне серце, яке замінює обидва шлуночки і забезпечує надходження крові до легень та інших органів людини. У приладі розміром з грейпфрут та вагою 900 грамів знаходяться титановий насос, блок керування та батарея. Її ємності вистачає на 30 хвилин автономної роботи, а зарядка відбувається через шкіру: на поверхню тіла не виходить жодних проводів. Зовнішня батарея, що носиться на поясі, дозволяє залишатися без підзарядки кілька годин.

Такий апарат призначений для пацієнтів із кінцевою стадією серцевої недостатності та несприятливим прогнозом. Причому творці апарату заявляють, що він дозволяє хворим не просто «доживати», але гарантує їм цілком прийнятну якість життя.

Перше серце AbioCor було пересаджено у 2001 році. З того часу було встановлено не більше 20 апаратів, проте в компанії дивляться на перспективи апарату оптимістично і оцінюють ринок у 100 000 операцій на рік.

Серце AbioCor

Апарат VentrAssist, створений австралійськими дослідниками, на відміну серця AbioCor, може повністю замінити природний орган. VentrAssist лише допомагає перекачувати кров лівому шлуночку - навантаженому відділу серця.

Всередину тіла міститься лише титановий роторний насос. Його ресурс австралійці оцінюють як 50 років безперервної роботи. Контролер та батарею, ємності якої вистачає на 8 годин, хворий носить на поясі.

За задумом розробників, такий прилад має допомогти багатьом людям із серцевою недостатністю. Однак у медичній практиці він з'явиться лише після відповідного дозволу ліцензуючих органів.

Серце AbioCor зараз коштує трохи менше 100 тисяч доларів, VentrAssist обійдеться приблизно в 50. Однак ця ціна значно менша за витрати, пов'язані з кожною пересадкою донорського серця.

Якщо врахувати ще й ті засоби, які йдуть на медичне обслуговування хворих із серцевою недостатністю, стане зрозумілим: штучне серце не тільки корисне, а й вигідне для медичної індустрії. А фінансові стимули, як відомо – найсильніші. У тому числі й для технічного прогресу.

Залишається лише уточнити, що підтримувати цей прогрес ціною власного життя необов'язково. За своєчасної профілактики серцевих захворювань ваше власне серце може прослужити значно довше, ніж 50 років. І головне практично безкоштовно.

Нова, значно вдосконалена модель тривимірного принтера для друку органів. З його допомогою вдалося створити штучну модель кістки черепа, вухо та м'яз. Причому всі органи, пересаджені лабораторною твариною, прижилися. Ми вирішили згадати, які ще органи та тканини вчені вже вміють створювати штучно і як це робиться сьогодні.

Практично будь-який орган людини складається із трьох тісно пов'язаних структур. По-перше, це сполучнотканинний позаклітинний матрикс - розгалужена мережа колагенових волокон, яка надає органу форми і щільності, а також служить каркасом для клітин. По-друге, це клітини, завдяки яким орган виконує свої біологічні функції (у багатьох органах є кілька типів клітин). По-третє, це судинна мережа, яка приносить артеріальну кров, насичує тканини киснем та поживними речовинами, забираючи в них вуглекислий газ та продукти обміну. Створення кожної з цих структур є окремим складним завданням тканинної інженерії.

Надати форму

Для отримання позаклітинного матриксу використовують два принципово різні підходи. Можна створювати його з нуля - брати відповідний матеріал і, вигадуючи інженерні хитрощі, надавати йому потрібну структуру. Альтернативний шлях - взяти «готовий» орган тваринного або мертвого донора і очистити його від усього зайвого, залишивши тільки чистий каркас, вільний від клітин і не викликає реакції відторгнення. Кожен із цих методів має переваги та недоліки.

Штучний матрикс синтезують із синтетичних та природних речовин. З перших найчастіше використовують полілактид (полімер молочної кислоти), полігліколеву кислоту та полікапролактон. Усі вони згодом розсмоктуються в організмі без виділення шкідливих речовин, заміщаючись натуральним позаклітинним матриксом. Природні матеріали мають білкову (наприклад, колаген) або вуглеводну (наприклад, гіалуронова кислота) природу. Для надання матеріалам потрібної тривимірної сітчастої структури в експериментах і на практиці використовують безліч способів (самозбір нановолокон, текстильні технології, часткове розчинення, спінювання, електроспінінг, тривимірний друк та інші). Ці методи не відтворюють тонкощів мікроструктури органу і не формують каркас для судинної мережі. Тому вони підходять лише для органів із відносно простою будовою — шкіри, судин, хрящів тощо.

Найбільш перспективна на даний момент технологія отримання позаклітинного каркасу складних органів, наприклад, серця або нирки - це децелюляризація (очищення від клітин) відповідного органу мертвого донора або відповідного за розміром тварини (найчастіше свині). Для цього через судини органу повільно протягом декількох днів пропускають розчин миючого засобу зростаючої концентрації. Коли всі клітини видалені, матрикс промивають, і готовий до заселення клітинами нового господаря. Метод хороший і тим, що безклітинний матрикс складається з природного матеріалу, який забезпечує правильне прикріплення та проліферацію клітин. Основний недолік цієї технології полягає в тому, що вона руйнує мікросудинну мережу - капіляри, які фактично складаються з одного шару ендотеліальних клітин, видаляються при промиванні.

Через це до клінічного застосування поки що дійшли тільки створені таким методом дихальні шляхи, а менш досконале, на перший погляд, штучне отримання матриксу вже використовується в практичному та експериментальному протезуванні.

Примусити працювати

Функціональну тканину спочатку нарощували на матрикс, занурюючи його в живильний розчин із клітинами та факторами росту. Останнім часом все частіше з цією метою використовують гідрогелі, які, застигаючи, забезпечують рівномірний розподіл клітин, їхнє найкраще закріплення та дифузію поживних речовин і газів. При використанні децелюляризованого донорського матриксу розчин клітин та факторів росту пропускають через його судини.

Окрему проблему представляє розмноження та виживання клітин — у диференційованій тканині їхня можливість ділитися та розвиватися обмежена довжиною теломер («насадок» на кінцях молекул ДНК, необхідних для її реплікації, які коротшають з кожним розподілом клітини). Вирішенням цієї проблеми може стати використання індукованих плюрипотентних стовбурових клітин, які за здатністю проліферувати та диференціюватися близькі до ембріональних стовбурових клітин.

Забезпечити повітрям та їжею

Створення судинної мережі, як говорилося, є однією з найскладніших завдань. Жоден з існуючих методів не забезпечує достатньої щільності та функціональності - капіляри або протікають, або їх занадто мало для кровопостачання органу (а частіше і те, й інше). Подолати цю проблему різними способами намагаються багато лабораторій світу. Більш-менш обнадійливі попередні результати отримані при використанні мікрорідинних пристроїв з біорозчинних матеріалів, проте повноцінну судинну мережу цілого органу в такий спосіб створити не вдалося.

Оригінальне рішення нещодавно запропонували співробітники американського Університету Вандербільта. Вони отримали полімерну мережу з товщиною волокон, близькою до капілярів, за допомогою апарату для виготовлення солодкої вати. Потім цю мережу заливали гідрогелем з клітинами і після його застигання вимивали полімер і пропускали через мікросудини, що вийшли, поживний розчин. Ця методика поки що знаходиться на початкових етапах розробки; отриманий гідрогель з живими клітинами та судинами не має позаклітинного матриксу.

Використовуючи безклітинний матрикс для відновлення шкіри та власні клітини пацієнта, японські дослідники виростили на живильному середовищі та успішно пересадили пацієнтам слизову оболонку ротової порожнини.

Ще одна тканина, порівняно проста для створення методом тканинної інженерії, - це хрящ. У дорослої людини він практично не постачається кров'ю, через що не відновлюється. Проте вкрай низька потреба зрілого хряща у кисні та харчуванні суттєво полегшує роботу з ним — не доводиться забезпечувати зростання судин, оскільки хрящова тканина отримує все необхідне дифузією. У 2006 році співробітники Брістольського університету успішно відновили пошкоджені колінні суглоби за допомогою штучних хрящів, вирощених з клітин пацієнтів на матриксі з гіалуронової кислоти.

Штучно вирощена хрящова тканина застосовувалася ще в одній серії експериментів на людях, та й то з сумнівним результатом. Йдеться про роботу хірурга Паоло Маккіаріні, виконану на базі Барселонського університету в Іспанії, Каролінського інституту в Швеції та Кубанського медичного університету в Краснодарі. Він пересаджував трахеї та бронхи, вирощені на децелюляризованому матриксі мертвих донорів із власних мезенхімальних стовбурових та епітеліальних клітин пацієнтів. Після звинувачень у порушенні етики проведення досліджень та на підставі даних про високу смертність реципієнтів Каролінський інститут ухвалив рішення звільнити МакКіаріні.

Також слід згадати про роботу Стівена Баділака (Stephen Badylak) з Університету Піттсбурга. Він використовував висушений порошок з децелюляризованого матриксу свинячого сечового міхура, що містить колаген та фактори росту, для усунення травматичних дефектів тканин. Біосумісний матеріал стимулював стовбурові клітини дорослих, завдяки чому вдалося відновити пацієнтам відрізаний пропелером авіамоделі фалангу пальця, м'яз, практично втрачений під час військових дій, та інші пошкоджені тканини.

Мабуть, найбільшого на даний момент успіху в експериментах на людях досяг вже згаданий Атала. Його колектив ще у 2000-х роках використав 3D-принтер для створення матриксу сечового міхура.

Отримані каркаси заселили клітинами, забраними при біопсії, і виростили повноцінні органи, які успішно пересадили пацієнтам.

У 2014 році Ясуо Курімото (Yasuo Kurimoto) з Медичного центру Кобе пересадив жінці з віковою макулярною дегенерацією сітківку ока. Її виростили співробітники інституту RIKEN на чолі з Масайо Такахасі (Masayo Takahashi) з індукованих плюрипотентних стовбурових клітин (за розробку технології їх отримання співвітчизник учених Сінья Яманака у 2012 році отримав Нобелівську премію). Шляхом довгих експериментів лабораторії RIKEN вдалося направити диференціювання цих клітин пігментний епітелій сітківки і отримати плоский прямокутник тканини розміром 1,3 на 3,0 міліметра, придатний для трансплантації. Операція пройшла без ускладнень; кровотечі, відторгнення та загального погіршення самопочуття у 70-річної пацієнтки не спостерігалося. Однак про те, чи настала відбудова зору, повідомлень не було.

На сьогодні цими роботами клінічні випробування органів, отриманих методом тканинної інженерії, практично вичерпуються. Негусто, але звістки з лабораторій дозволяють найближчим часом чекати набагато вражаючих результатів. Про них ми розповімо в одному з таких матеріалів.

Типи тканин

Епітеліальна тканина

Епітеліальна (покривна) тканина, або епітелій, являє собою прикордонний шар клітин, який вистилає покриви тіла, слизові оболонки всіх внутрішніх органів та порожнин, а також становить основу багатьох залоз.

Епітелій відокремлює організм (внутрішнє середовище) від зовнішнього середовища, але одночасно служить посередником при взаємодії організму з навколишнім середовищем. Клітини епітелію щільно з'єднані один з одним і утворюють механічний бар'єр, що перешкоджає проникненню мікроорганізмів та чужорідних речовин усередину організму. Клітини епітеліальної тканини живуть нетривалий час і швидко замінюються новими (цей процес називається регенерацією).

Епітеліальна тканина бере участь і в багатьох інших функціях: секреції (залізи зовнішньої та внутрішньої секреції), всмоктуванні (кишковий епітелій), газообміні (епітелій легень).

Головною особливістю епітелію є те, що він складається з безперервного шару щільно прилеглих клітин. Епітелій може бути у вигляді пласта з клітин, що вистилають всі поверхні організму, і у вигляді великих скупчень клітин - залоз: печінка, підшлункова, щитовидна, слинні залози та ін. У першому випадку він лежить на базальній мембрані, яка відокремлює епітелій від сполучної тканини, що підлягає . Однак є винятки: епітеліальні клітини в лімфатичній тканині чергуються з елементами сполучної тканини, такий епітелій називається атипічним.

Епітеліальні клітини, що розташовуються пластом, можуть лежати у багато шарів (багатошаровий епітелій) або в один шар (одношаровий епітелій). По висоті клітин розрізняють епітелії плаский, кубічний, призматичний, циліндричний.

Сполучна тканина

<<<назад

Складається з клітин, міжклітинної речовини та сполучнотканинних волокон. З неї складаються кістки, хрящі, сухожилля, зв'язки, кров, жир, вона є у всіх органах (пухка сполучна тканина) у вигляді так званої строми (каркаса) органів.

На противагу епітеліальній тканині у всіх типах сполучної тканини (крім жирової) міжклітинна речовина переважає над клітинами за обсягом, тобто міжклітинна речовина дуже добре виражена. Хімічний склад та фізичні властивості міжклітинної речовини дуже різноманітні у різних типах сполучної тканини. Наприклад, кров – клітини у ній «плавають» і пересуваються вільно, оскільки міжклітинна речовина добре розвинена.

В цілому, сполучна тканинастановить те, що називають внутрішнім середовищем організму. Вона дуже різноманітна і представлена ​​різними видами – від щільних та пухких форм до крові та лімфи, клітини яких перебувають у рідині. Принципові відмінності типів сполучної тканини визначаються співвідношеннями клітинних компонентів та характером міжклітинної речовини.

У щільнийволокнистої сполучної тканини (сухожилля м'язів, зв'язки суглобів) переважають волокнисті структури, вона відчуває суттєві механічні навантаження.

Пухкаволокниста сполучна тканина надзвичайно поширена в організмі. Вона дуже багата, навпаки, клітинними формами різних типів. Одні з них беруть участь в утворенні волокон тканини (фібробласти), інші, що особливо важливо, забезпечують насамперед захисні та регулюючі процеси, у тому числі через імунні механізми (макрофаги, лімфоцити, базофіли тканини, плазмоцити).

Кісткова тканина

<<<назад

Кісткова тканина, що утворює кістки кістяка, відрізняється великою міцністю. Вона підтримує форму тіла (конституцію) та захищає органи, розташовані в черепній коробці, грудній та тазовій порожнинах, бере участь у мінеральному обміні. Тканина складається з клітин (остеоцитів) та міжклітинної речовини, в якій розташовані живильні канали з судинами. У міжклітинній речовині міститься до 70% мінеральних солей (кальцій, фосфор та магній).

У своєму розвитку кісткова тканина проходить волокнисту та пластинчасту стадії. На різних ділянках кістки вона організується у вигляді компактної або губчастої кісткової речовини.

Хрящова тканина

<<<назад

Хрящова тканинаскладається з клітин (хондроцитів) та міжклітинної речовини (хрящового матриксу), що характеризується підвищеною пружністю. Вона виконує опорну функцію, оскільки утворює основну масу хрящів.

Розрізняють три різновиди хрящової тканини: гіалінову, що входить до складу хрящової трахеї, бронхів, кінців ребер, суглобових поверхонь кісток; еластичну, що утворює вушну раковину та надгортанник; волокнисту, що розташовується в міжхребцевих дисках та з'єднаннях лобкових кісток.

Жирова тканина

<<<назад

Жирова тканинасхожа на пухку сполучну тканину. Клітини великі, заповнені жиром. Жирова тканина виконує живильну, формоутворюючу та терморегулювальну функції. Жирова тканина поділяється на два типи: білу та буру. У людини переважає біла жирова тканина, частина її оточує органи, зберігаючи їхнє положення в тілі людини та інші функції. Кількість бурої жирової тканини у людини невелика (вона є головним чином у новонародженої дитини). Головна функція бурої жирової тканини – теплопродукція. Бура жирова тканина підтримує температуру тіла тварин під час сплячки та температуру новонароджених дітей.

М'язова тканина

<<<назад

М'язові клітини називають м'язовими волокнами, оскільки вони постійно витягнуті щодо одного напрямі.

Класифікація м'язових тканин проводиться на підставі будови тканини (гістологічно): за наявності або відсутності поперечної смугастість, і на підставі механізму скорочення – довільного (як у скелетному м'язі) або мимовільного (гладкий або серцевий м'яз).

М'язова тканинамає збудливість і здатність до активного скорочення під впливом нервової системи та деяких речовин. Мікроскопічні відмінності дозволяють виділити два типи цієї тканини - гладку (несчерченную) і поперечносмугасту (смугастий).

Гладка м'язова тканинамає клітинну будову. Вона утворює м'язові оболонки стінок внутрішніх органів (кишкового тракту, матки, сечового міхура та ін.), кровоносних та лімфатичних судин; скорочення її відбувається мимоволі.

Поперечносмугаста м'язова тканина.складається з м'язових волокон, кожне з яких представлено багатьма тисячами клітин, що злилися, крім ядер, в одну структуру. Вона утворює скелетні м'язи. Їх ми можемо скорочувати за власним бажанням.

Різновидом поперечносмугастої м'язової тканини є серцевий м'яз, що володіє унікальними здібностями. Протягом життя (близько 70 років) серцевий м'яз скорочується понад 2,5 млн. разів. Жодна інша тканина не має такого потенціалу міцності. Серцева м'язова тканина має поперечну смугастість. Однак на відміну від кістякового м'яза тут є спеціальні ділянки, де м'язові волокна стуляються. Завдяки такій будові скорочення одного волокна швидко передається сусіднім. Це забезпечує одночасність скорочення великих ділянок серцевого м'яза.

Нервова тканина

<<<назад

Нервова тканинаскладається з двох різновидів клітин: нервових (нейронів) та гліальних. Гліальні клітини впритул прилягають до нейрона, виконуючи опорну, поживну, секреторну і захисну функції.

Нейрон – основна структурна та функціональна одиниця нервової тканини. Головна його особливість – здатність генерувати нервові імпульси та передавати збудження іншим нейронам або м'язовим та залізистим клітинам робочих органів. Нейрони можуть складатися з тіла та відростків. Нервові клітини призначені щодо нервових імпульсів. Отримавши інформацію на одній ділянці поверхні, нейрон дуже швидко передає її на іншу ділянку поверхні. Оскільки відростки нейрона дуже довгі, то інформація передається великі відстані. Більшість нейронів мають відростки двох видів: короткі, товсті, розгалужені поблизу тіла. дендритиі довгі (до 1.5 м), тонкі і розгалужені тільки на самому кінці – аксони. Аксони утворюють нервові волокна.

Нервовий імпульс - це електрична хвиля, що біжить з великою швидкістю по нервовому волокну.

Залежно від виконуваних функцій та особливостей будови всі нервові клітини поділяються на три типи: чутливі, рухові (виконавчі) та вставні. Двигуни, що йдуть у складі нервів, передають сигнали м'язам і залозам, чутливі волокна передають інформацію про стан органів у центральну нервову систему.

Тепер усю отриману інформацію ми можемо поєднати в таблицю.
<<<назад

Типи тканин

Органи- Це частини організму, що виконують певні функції. Вони мають певну форму та місце розташування.

Будова.

Зазвичай орган складається з декількох видів тканин, але якась із них може переважати: головна тканина залоз – епітеліальна, а м'яз – м'язова. Так, наприклад, у печінці, легенях, нирках, залозах основною, «робочою» тканиною є епітеліальна, у кістки – сполучна, у мозку – нервова. Орган має свою, тільки йому властиву форму та становище в організмі. Залежно від виконуваних функцій різним і будова органу.

Органи анатомічно та функціонально об'єднуються в системи органів, тобто у групи органів, пов'язаних один з одним анатомічно, що мають загальний план будови, єдність походження та виконують одну загальну функцію.

Функція

В організмі людини виділяють такі системи органів: травну, покривну, дихальну, сечовидільну, статеву, нервову, кровоносну, лімфатичнуі імунну. Деякі органи об'єднуються за функціональним принципом апарати. В апаратах органи мають різну будову та походження, але їх поєднує участь у виконанні загальної функції, наприклад, опорно-руховий, ендокринний апарат.

У покривну системувходять шкіра та слизові оболонки, що вистилають порожнину рота, дихальних шляхів, органів травлення. Покривна система оберігає організм від висихання, температурних коливань, ушкодження, проникнення в організм отруйних речовин і хвороботворних мікроорганізмів.

Система опори та рухувключає кістки і м'язи. Кістки, об'єднані в кістяк, створюють опору всім частин тіла. Кістки захищають внутрішні органи і разом із м'язами забезпечують рухливість тіла.

ВидільнаСистема забезпечує видалення з організму рідких продуктів обміну.

Дихальна системаскладається з цілого ряду порожнин і трубок і забезпечує обмін газів між кров'ю та зовнішнім середовищем.

Травна системавключає органи, що забезпечують перетравлення їжі і всмоктування в кров поживних в-в.

Функція статевої системи- Розмноження. У її органах формуються статеві клітини, а жіночих статевих органах, ще, відбувається розвиток плода.

Ендокринна системавключає в себе цілий ряд залоз внутрішньої секреції, що виробляють і виділяють у кров біологічно активні в-ва (горомони), що беруть участь у регуляції функцій всіх клітин та тканин організму.

Кровоносна системаскладається з серця і судин, а кров, що циркулює в них, забезпечує обмін в-в.

Нервова системапоєднує всі вищеперелічені системи, регулює та узгоджує їхню діяльність, а за допомогою рецепторів (органів почуттів) здійснює зв'язок організму з навколишнім середовищем. Психічна діяльність формується нервовою системою. Завдяки діяльності нервової та ендокринної систем організм функціонує як єдине ціле.

Орган або система органів поза організмом функціонувати не може, а організм не може функціонувати без будь-якої зі своїх систем.

Це цікаво!

Створення штучних органів та тканин

М.В.Плетніков
переклад з англійської Science, 1995,
Vol. 270, N 5234, pp. 230-232.

Створення штучних органів прокуратури та тканин оформилося у самостійну галузь науки близько десяти років тому. Перші досягнення цього напряму – створення штучної шкіри та хрящової тканини, зразки яких вже проходять перші клінічні випробування у центрах трансплантації. Одне з останніх досягнень полягає у конструюванні хрящової тканини, здатної до активної регенерації.

Це справді величезний успіх, оскільки пошкоджена суглобова тканина не регенерує в організмі. У клініках США щороку оперують понад 500 тис. хворих із пошкодженнями суглобового хряща, але подібне хірургічне втручання лише на короткий час полегшує біль та покращує рухи у суглобі.

В даний час робляться спроби вирощування в лабораторних умовах печінки. Але печінка – складно влаштований орган, що складається з різних типів клітин, що забезпечують очищення крові від токсинів, перетворення надійшли ззовні поживних речовин у форму, що засвоюється організмом і виконують цілий ряд інших функцій. Тому створення штучної печінки вимагає набагато більш складної технології: всі ці різноманітні типи клітин повинні бути розміщені строго певним чином, тобто основа, на якій вони базуються, повинна мати високу вибірковість.

Серед органів і тканин, які в даний час інтенсивно досліджуються з метою їхнього біотехнологічного відтворення, можна відзначити також кісткову тканину, сухожилля, кишечник, серцеві клапани, кістковий мозок і трахею. Крім робіт зі створення штучних органів і тканин людського організму вчені продовжують розробляти і методи вживлення в організм хворих на діабет людей клітин, що продукують інсулін, а людям, які страждають на хворобу Паркінсона, - нервових клітин, що синтезують нейромедіатор дофамін, що дозволить позбавити пацієнтів від щоденних втомливих.

Кожна клітина організму виконує певну роботу і тому потребує постійного притоку кисню та поживних речовин, а також безперервного видалення продуктів обміну. Кисень та поживні речовини можуть проникати крізь мембрану клітини лише тоді, коли вони перебувають у розчиненому стані. Кожну клітину омиває рідина, що містить все необхідне її життєдіяльності. Це – тканинна рідина. З нього клітини отримують O 2 і поживні речовини, а нього віддають вуглекислий газ і відпрацьовані продукти обміну.

Безбарвна прозора тканинна рідиназаповнює в організмі проміжки між клітинами. Вона утворюється з рідкої частини крові - плазми, що проникає в міжклітинні щілини через стінки кровоносних судин, та з продуктів обміну, що постійно надходять з клітин. Її об'єм у дорослої людини становить приблизно 20 л.

Кровоносні капіляри не підходять до кожної клітини, тому поживні речовини та кисень із капілярів за законами дифузії спочатку надходять у тканинну рідину, а з неї поглинаються клітинами. Отже, через тканинну рідину здійснюється зв'язок між капілярами та клітинами. Діоксид вуглецю, вода та інші продукти обміну, що утворюються в клітинах, також за рахунок різниці концентрацій виділяються з клітин спочатку в тканинну рідину, а потім надходять до капілярів. Кров з артеріальної стає венозною і доставляє продукти розпаду до нирок, легень, шкіри, через які вони видаляються з організму.

Поживні речовини надходять до організму через органи травлення, а продукти розпаду виводяться з нього через органи виділення. Зв'язок між цими органами та клітинами тіла здійснюється через внутрішнє середовище організму, що складається з крові, тканинної рідини та лімфи.

1-клітини крові, 2-капіляр, 3-клітини тканин, 4-тканинна рідина,
5-початок лімфатичних капілярів

Кисень та поживні речовини надходять у міжклітинну речовину з крові, що циркулює по замкнутій системі кровоносних судин. Найдрібніші кровоносні судини – капілярипронизують усі тканини організму. Через стінки капілярів у міжклітинну річ - у постійно надходять містяться в крові різні хімічні сполуки і вода і поглинаються продукти обміну, що виділяються клітинами.

У міжклітинниках сліпо починаються лімфатичні капіляри, у яких надходить тканинна рідина, що у лімфатичних судинах стає лімфою. Колір лімфи жовтувато-солом'яний. Вона на 95% складається із води, містить білки, мінеральні солі, жири, глюкозу, а також лімфоцити (різновид лейкоцитів). Склад лімфи нагадує склад плазмиАле білків тут менше, і в різних ділянках тіла – вона має свої особливості. Наприклад, в області кишечника в ній багато жирових крапель, що надає їй білуватий колір.

Сучасна медична техніка дозволяє замінювати повністю чи частково хворі органи людини. Електронний водій ритму серця, підсилювач звуку для людей, які страждають на глухоту, кришталик зі спеціальної пластмаси - ось тільки деякі приклади використання техніки в медицині. Все більшого поширення набувають також біопротези, які рухаються мініатюрними блоками живлення, які реагують на біоструми в організмі людини.

Під час найскладніших операцій, що проводяться на серці, легенях або нирках, неоціненну допомогу медикам надають «Апарат штучного кровообігу», «Штучне легке», «Штучне серце», «Штучна нирка», які приймають на себе функції органів, що оперуються, дозволяють на час призупинити. їхню роботу.

«Штучне легке» є пульсуючим насосом, який подає повітря порціями з частотою 40-50 разів на хвилину. Звичайний поршень для цього не підходить, в струм повітря можуть потрапити частинки матеріалу його частин, що труться або ущільнювача. Тут, і в інших подібних пристроях використовують хутра з гофрованого металу або пластику – сильфони. Очищене та доведене до необхідної температури повітря подається безпосередньо в бронхи.

"Апарат штучного кровообігу" влаштований аналогічно. Його шланги підключаються до кровоносних судин хірургічним шляхом. Перша спроба заміщення функції серця механічним аналогом було зроблено ще 1812 року. Однак досі серед безлічі виготовлених апаратів немає цілком задовольняючого лікарів.

Вітчизняні вчені та конструктори розробили низку моделей під загальною назвою «Пошук». Це чотирикамерний протез серця із шлуночками мішчастого типу, призначений для імплантації в ортотопічну позицію.

У моделі розрізняють ліву та праву половини, кожна з яких складається зі штучного шлуночка та штучного передсердя. Складовими елементами штучного шлуночка є: корпус, робоча камера, вхідний та вихідний клапани. Корпус шлуночка виготовляється із силіконової гуми методом нашарування. Матриця занурюється в рідкий полімер, виймається і висушується - і так щоразу, поки на поверхні матриці не створюється багатошарова плоть серця. Робоча камера формою аналогічна корпусу. Її виготовляли із латексної гуми, а потім із силікону. Конструктивною особливістю робочої камери є різна товщина стінок, у яких розрізняють активні та пасивні ділянки. Конструкція розрахована таким чином, що навіть при повній напрузі активних ділянок протилежні стінки робочої поверхні камери не стикаються між собою, чим усувається травма формених елементів крові.

Російський конструктор Олександр Дробишев, незважаючи на всі труднощі, продовжує створювати нові сучасні конструкції «Пошуку», які будуть значно дешевшими від зарубіжних зразків.

Одна з найкращих на сьогодні закордонних систем «Штучне серце» «Новакор» коштує 400 тисяч доларів. З нею можна цілий рік вдома чекати на операції. У кейсі-валізі «Новакора» знаходяться два пластмасові шлуночки. На окремому візку зовнішній сервіс – комп'ютер управління, монітор контролю, який залишається в клініці на очах у лікарів. Вдома, з хворим на блок живлення, акумуляторні батареї, які змінюються і заряджаються від мережі. Завдання хворого – стежити за зеленим індикатором ламп, що показують заряд акумуляторів.

Апарати «Штучна нирка» працюють вже досить давно та успішно застосовуються медиками. Ще в 1837 році, вивчаючи процеси руху розчинів через напівпроникні мембрани, Т. Грехен вперше застосував і ввів у вживання термін «діаліз» (від грецького dialisis – відділення). Але лише 1912 року з урахуванням цього у США було сконструйовано апарат, з допомогою якого його автори проводили експериментально видалення саліцилатів із крові тварин. В апараті, названому ними «штучна нирка», як напівпроникну мембрану були використані трубочки з колодію, якими текла кров тварини, а зовні вони омивали ізотонічним розчином хлориду натрію. Втім, колодій, застосований Дж. Абелем, виявився досить крихким матеріалом і надалі інші автори для діалізу пробували інші матеріали, такі як кишечник птахів, плавальний бульбашок риб, очеревину телят, очерет, папір.

Для запобігання згортанню крові використовували гірудин - поліпептид, що міститься в секреті слинних залоз медичної п'явки. Ці два відкриття і з'явилися прототипом всіх подальших розробок в області очищення нирки.

Якими б не були вдосконалення в цій галузі, принцип поки що залишається одним і тим самим. У будь-якому варіанті «штучна нирка» включає напівпроникну мембрану, з одного боку якої тече кров, а з іншого боку - сольовий розчин. Для запобігання згортанню крові використовують антикоагулянти - лікарські речовини, що зменшують згортання крові. У цьому випадку відбувається вирівнювання концентрацій низькомолекулярних сполук іонів, сечовини, креатиніну, глюкози та інших речовин з малою молекулярною масою. При збільшенні пористості мембрани виникає переміщення речовин із більшою молекулярною масою. Якщо ж до цього процесу додати надлишковий гідростатичний тиск з боку крові або негативний тиск з боку розчину, що омиває, то процес перенесення буде супроводжуватися і переміщенням води - конвекційний масообмін. Для перенесення води можна скористатися осмотичним тиском, додаючи в діалізат осмотично активні речовини. Найчастіше з цією метою використовували глюкозу, рідше фруктозу та інші цукри та ще рідше продукти іншого хімічного походження. При цьому, вводячи глюкозу у великих кількостях, можна отримати дійсно виражений дегідратаційний ефект, проте підвищення концентрації глюкози в діалізі вище деяких значень не рекомендується через можливість розвитку ускладнень. Нарешті, можна взагалі відмовитися від розчину (діалізату), що омиває мембрану, і отримати вихід через мембрану рідкої частини крові вода і речовини з молекулярною масою широкого діапазону.

У 1925 році Дж. Хаас провів перший діаліз у людини, а в 1928 році він використовував гепарин, оскільки тривале застосування гірудину було пов'язане з токсичними ефектами, та й сам його вплив на згортання крові було нестабільним. Вперше гепарин був застосований для діалізу в 1926 році в експерименті X. Нехельсом і Р. Лімом.

Оскільки перелічені вище матеріали виявлялися малопридатними як основу створення напівпроникних мембран, продовжувався пошук інших матеріалів. І в 1938 році вперше для гемодіалізу був застосований целофан, який у наступні роки тривалий час залишався основною сировиною для напівпроникних мембран.

Перший апарат «штучна нирка», придатний широкого клінічного застосування, створили 1943 року В.Колффом і X.Берком. Потім ці апарати удосконалились. При цьому розвиток технічної думки в цій галузі спочатку стосувався переважно саме модифікації діалізаторів і лише в останні роки стало зачіпати значною мірою власне апарати. В результаті з'явилися два основні типи діалізатора. Так званих котушкових, де використовували трубки з целофану, та плоскопаралельних, у яких застосовувалися плоскі мембрани.

У 1960 році Ф.Кіїл сконструював дуже вдалий варіант плоскопаралельного діалізатора з пластинами з поліпропілену, і протягом ряду років цей тип діалізатора та його модифікації поширилися по всьому світу, посівши чільне місце серед інших видів діалізаторів. Потім процес створення більш ефективних гемодіалізаторів та спрощення техніки гемодіалізу розвивався у двох основних напрямках. Конструювання самого діалізатора, причому домінуюче положення з часом зайняли діалізатори одноразового застосування, і використання напівпроникної мембрани нових матеріалів. Діалізатор – серце «штучної нирки», і тому основні зусилля хіміків та інженерів були завжди спрямовані на вдосконалення саме цієї ланки у складній системі апарату загалом. Проте технічна думка не залишала без уваги і апарат як такий.

У 1960-х роках виникла ідея застосування про центральних систем, тобто апаратів «штучна нирка», у яких діалізат готували з концентрату - суміші солей, концентрація яких у 30-34 разу перевищувала концентрацію в крові хворого.

Комбінація діалізу «на злив» та техніки рециркуляції була використана в ряді апаратів «штучна нирка», наприклад, американською фірмою «Travenol». У цьому випадку близько 8 літрів діалізату з великою швидкістю циркулювало в окремій ємності, в яку був поміщений діалізатор, і яку кожну хвилину додавали по 250 мілілітрів свіжого розчину і стільки ж викидали в каналізацію.

Спочатку для гемодіалізу використовували просту водопровідну воду, потім через її забрудненість, зокрема мікроорганізмами, пробували застосовувати дистильовану воду, але це виявилося дуже дорогою і малопродуктивною справою. Радикально питання було вирішено після створення спеціальних систем підготовки водопровідної води, куди входять фільтри для її очищення від механічних забруднень, заліза та його оксидів, кремнію та інших елементів, іонообмінні смоли для усунення жорсткості води та встановлення так званого «зворотного» осмосу.

Багато зусиль витрачено на вдосконалення моніторних систем апаратів «штучна нирка». Так, крім постійного стеження за температурою діалізату, стали постійно спостерігати за допомогою спеціальних датчиків та за хімічним складом діалізату, орієнтуючись на загальну електропровідність діалізату, яка змінюється при зниженні концентрації солей і підвищується при збільшенні такої. Після цього в апаратах "штучна нирка" стали застосовувати іоно-селективні проточні датчики, які постійно стежили б за іонною концентрацією. Комп'ютер же дозволив керувати процесом, вводячи з додаткових ємностей елементи, що бракують, або змінювати їх співвідношення, використовуючи принцип зворотного зв'язку.

Величина ультрафільтрації в ході діалізу залежить не тільки від якості мембрани, завжди вирішальним фактором є трансмембранний тиск. Тому в моніторах стали широко застосовувати датчики тиску: ступінь розрідження за діалізатом, величина тиску на вході та виході діалізатора. Сучасна техніка, що використовує комп'ютери, дозволяє програмувати ультрафільтрацію. Виходячи з діалізатора, кров потрапляє у вену хворого через повітряну пастку, що дозволяє судити на око про приблизну величину кровотоку, схильність крові до згортання. Для попередження повітряної емболії ці пастки постачають повітропроводами, за допомогою яких регулюють у них рівень крові. В даний час у багатьох апаратах на повітряні пастки надягають ультразвукові або фотоелектричні детектори, які автоматично перекривають венозну магістраль при падінні в пастці рівня крові нижче заданого.

Нещодавно вчені створили прилади, які допомагають людям, які втратили зір, - повністю або частково.

Диво-окуляри, наприклад, розроблені у науково-впроваджувальній виробничій фірмі «Реабілітація» на основі технологій, які використовувалися раніше лише у військовій справі. Подібно до нічного прицілу, прилад діє за принципом інфрачервоної локації. Чорно-матове скло окулярів насправді є пластинами з оргскла, між якими укладено мініатюрний локаційний пристрій. Весь локатор разом із очковою оправою важить близько 50 грамів – приблизно стільки ж, скільки й звичайні окуляри. І підбирають їх, як і окуляри для зрячих, суворо індивідуально, щоб було зручно і красиво. Лінзи не тільки виконують свої прямі функції, але і прикривають дефекти очей. З двох десятків варіантів кожен може вибрати для себе найбільш вдалий. Користуватися окулярами зовсім не важко: треба надіти їх та включити живлення. Джерелом енергії для них є плоский акумулятор розмірами з пачку сигарет. Тут же, у блоці, міститься і генератор. Випромінені їм сигнали, натрапивши на перешкоду, повертаються назад і вловлюються «лінзами-приймачами». Прийняті імпульси посилюються, порівнюються з пороговим сигналом, і, якщо є перешкода, звучить зумер - тим голосніше, чим ближче підійшла до неї людина. Дальність дії приладу можна регулювати за допомогою одного з двох діапазонів.

Роботи зі створення електронної сітківки успішно ведуться американськими фахівцями НАСА та Головного центру при університеті Джона Гопкінса.

Спочатку вони постаралися допомогти людям, у яких ще збереглися деякі залишки зору. «Для них створені телеочки, – пишуть у журналі «Юний технік» С. Григор'єв та Є. Рогов, – де замість лінз встановлені мініатюрні телеекрани. Так само мініатюрні відеокамери, розташовані на оправі, пересилають у зображення все, що потрапляє в поле зору звичайної людини. Однак для слабозорого картина ще й дешифрується за допомогою вбудованого комп'ютера. Такий прилад особливих чудес не створює і сліпих зрячими не робить - вважають фахівці, але дозволить максимально використати зорові здібності, що ще залишилися в людини, полегшить орієнтацію.

Наприклад, якщо в людини залишилася хоча б частина сітківки, комп'ютер «розщепить» зображення таким чином, щоб людина могла бачити навколишнє хоча б за допомогою периферійних ділянок, що збереглися.

За оцінками розробників, подібні системи допоможуть приблизно 2,5 мільйонів людей, які страждають на дефекти зору. Ну а як бути з тими, у кого сітківка майже повністю втрачена? Для них вчені центру очей, що працює при університеті Дюка (штат Північна Кароліна), освоюють операції з вживлення електронної сітківки. Під шкіру імплантуються спеціальні електроди, які, будучи з'єднані з нервами, передають зображення мозок. Сліпий бачить картину, що складається з окремих точок, що світяться, дуже схожу на демонстраційне табло, що встановлюють на стадіонах, вокзалах і в аеропортах. Зображення на «табло» знову створюють мініатюрні телекамери, укріплені на очковій оправі».

І, нарешті, останнє слово науки на сьогоднішній день – спроба методами сучасної мікротехнології створити нові чутливі центри на пошкодженій сітківці. Такими операціями займаються зараз у Північній Кароліні професор Рост Пропет та його колеги. Спільно із фахівцями НАСА вони створили перші зразки субелектронної сітківки, яка безпосередньо імплантується у око.

«Наші пацієнти, звісно, ​​ніколи не зможуть милуватися полотнами Рембрандта, – коментує професор. - Однак розрізняти, де двері, а де вікно, дорожні знаки та вивіски вони таки будуть.

Співробітники найкращої приватної детективної агенції в Москві професійно вирішать ваші питання.