Закрыть рекламу ^

Медицина будущего – сегодня искусственные органы, завтра бессмертный человек

Медицина будущего – сегодня искусственные органы, завтра бессмертный человекТехнологии

По статистике, только 10 – 20% людей могут рассчитывать на успешную пересадку органа. До остальных очередь не доходит. Даже попасть в лист ожидания могут не все пациенты. Представьте, что можно было бы получить целый новый орган так же легко, как, например, новый зубной имплант – за один - два похода к стоматологу.

Вопросом искусственных органов занимается регенеративная медицина. Она включает смежную науку – биоинженерию, которая нацелена на выращивание тканей в лабораторных условиях.


Рассмотрим, какие же варианты синтеза человеческих органов существуют сегодня и чего ждать завтра.

Сегодняшние реалии

В настоящее время, чтобы заменить орган, проводят трансплантацию – берут у донора орган и пересаживают его больному. Но число людей, которым нужна трансплантация, значительно превышает число доноров. Это дорогое "удовольствие" доступно тем, у кого нет других серьезных патологий, это люди с адекватным иммунным ответом и с хорошим прогнозом в случае успешной пересадки. Но главная проблема в другом. Если Вам пересадили орган, это еще не значит, что он приживется.

Сегодняшние реалии
© Gpoint Studio

Отношения между донорским органом и организмом нового хозяина могут не сложиться, тогда либо иммунная система начнет атаковать пересаженную ткань, либо трансплантат "пойдет против хозяина", атакуя иммунными клетками первым. Поэтому врачи так тщательно подбирают донора. Донорский орган должен максимально подходить больному "по настройкам". На 100% схожесть могут рассчитывать только однояйцевые близнецы. Остальным подбирают орган в соответствии с группой и резусом крови и целой системой тканевой совместимости.

Но есть и хорошая новость! Искусственными органами уже сейчас можно частично или полностью заменить отсутствующие части тела и внутренние органы. Будущее не так уж далеко, как кажется на первый взгляд.

Что такое искусственный орган?

Под разряд искусственных органов попадают только те устройства, которые не привязаны к внешнему источнику питания. А значит, в современной регенеративной медицине громоздкие аппараты в клиниках под названием "искусственная почка", "искусственное легкое" и "искусственное сердце" никак не могут считаться органами. Их можно использовать во время операции, когда временно необходимо отключить естественные органы, но поддерживать кровообращение и дыхание.

Искусственный орган
© Ales_Utovko / Getty Images Pro

Но вот другой вопрос. Что считать искусственным – созданное из клетки или из неживого материала? Наука дает ответ – оба варианта будут искусственными, поскольку созданы лабораторно. Но важнее другое. В современной науке есть тренд – заменить заболевший орган искусственным и более выносливым, одним словом, создать кибер-человека. Природу и технику соединила бионика. В 1958 году военный врач Джек Стил использовал этот термин, чтобы описать нововведения в аэрокосмических исследованиях. "Бионика" в переводе с греческого означает "живущая единица". Человеку уже доступны некоторые дары бионики.

"Железное" рукопожатие

То, что мы можем видеть во многих фантастических фильмах, уже находится в разработке. Частично "Железным человеком" сегодня может стать любой желающий. В 2019 году Великобритания стала продавать кибер-руки Hero Arm. 3D-принтер собирает "руку героя" за 40 часов. Она служит в качестве протеза, но, по сути, это уже экзоскелет, причем более прочный, чем человеческая рука. Все же, у этого протеза есть недостаток – в нем нельзя почувствовать контакт с предметами. Другая компания по производству бионических протезов Bebionic уже решает эту проблему. Кончики пальцев бионического протеза их кибер-руки покрыты электронной кожей, в которой есть датчики давления. Они передают сигналы в мозг о предметах, к которым дотрагивается человек в протезе. Ощущается даже боль, но она возникает чуть позже действия сигнала и бывает не острой. Кибер-руки разноцветные, многие модели можно дополнить дизайном и превратить протез в деталь, создающую имидж.

Современные бионические протезы состоят из следующих компонентов:

  • внешняя оболочка – пластический или металлический каркас;
  • "машинное отделение" – вся механика с пружинами, амортизаторами, шарнирами и светопроводами;
  • "умная часть" – система управления, состоящая из процессора и датчиков, которые соединяют с культей органа, чтобы они могли фиксировать потенциалы, идущие из мозга.

Возвращение слуха

Кохлеарноый имплант
© ELizabethHoffmann / Getty Images Pro

Почти полностью оглохшие люди могут вернуть слух с помощью кохлеарного импланта. Это не всем известный слуховой аппарат, который просто усиливает звук до уровня "слышимости" улитки. Миниатюрный кохлеарный имплант передает звуковые волны в виде цифрового кода на слуховой нерв, полностью заменяя своим действием поврежденную улитку внутреннего уха.

Клапаны и кардиостимуляторы

В кардиологии активно применяют механические или биологические протезы для замены сердечных клапанов. Оба варианта полностью имитируют работу клапана – устройство открывается во время наполнения желудочков и герметично закрывается в момент сокращения сердца. Если пострадала электрическая функция сердца или способность генерировать импульсы для сокращения, пациенту имплантируют небольшие аппараты – пейсмейкеры или кардиостимуляторы, задающие нужный ритм работы сердца. Устройство пришивают к грудной мышце и соединяют его проводами к сердечной мышце.

Полностью искусственное сердце

В 2013 году французские кардиохирурги и биоинженеры пересадили нескольким добровольцам полностью искусственное сердце. Рукотворные аналоги этого органа были и раньше. Их ставили человеку, которому планировалось пересадить донорское сердце, но работали они не более 18 месяцев.

Новое изобретение специалистов компании CARMAT максимально похоже на оригинальный насос нашего тела. Правда, сам аппарат в три раза тяжелее, чем сердце взрослого человека, поскольку сделан он не их живых тканей.

Автономное искусственное сердце CARMAT имеет следующее особенности:

  • Аппарат состоит из двух желудочков и двух насосов.
  • Желудочки разделены тонкой мембраной, как и в живом сердце. В один желудочек поступает кровь, а в другой – жидкость из внешнего устройства.
  • Насосы создают давление внутри полости, чтобы сердце сократилось и вытолкнуло кровь.
  • Функция искусственного насоса контролируется микропроцессором и датчиками, которые похожи на чувствительные нервные клетки живого сердца, реагирующие на артериальное давление и скорость кровотока.
  • Внешний блок питания, который помещается в небольшую сумочку и вешается на плечо. После зарядки аккумулятора сердце работает в течение 12 часов.

Сердце
© Science Photo Library

Еще одна особенность нового искусственного сердца – полная биосовместимость. Красные кровяные клетки при контакте с внутренней поверхностью не склеиваются друг с другом, поэтому отсутствует риск образования внутрисердечных тромбов. Французские ученые утверждают, что устройство сможет прослужить верой и правдой до 5 лет, как обычный кардиостимулятор.

Подробнее об исследовании можете узнать, перейдя по ссылке в списке литературы.

Бионический протез глаз

Людям с дистрофией сетчатки успешно ставят аппараты, которые частично помогают вернуть зрение. Устройство состоит из датчиков, которые вживляют в сетчатку больного, и камеры, которую носят на очках. Камера посылает сигнал со своего видеопроцессора на импланты в сетчатке. Четкое изображение, увы, в мозг не передается. Глаз – слишком сложная структура, чтобы его можно было заменить обычной камерой. Но благодаря бионическому протезу глаза человек воспринимает контуры больших предметов и даже может прочитать текст, написанный крупным шрифтом.

Стволовые клетки

Известную фразу "нервные клетки не восстанавливаются" можно считать устаревшей. Медицина утверждает, что можно создать любой орган, используя одну единственную стволовую клетку. Трудно представить такое? Но вспомните, что новая жизнь создается именно из одной клетки – оплодотворенной яйцеклетки. Все органы плода образуются благодаря делению клетки на две. Затем из двух клеток образуются 4, и так пока не сформируется зачаток. Постепенно клетки группируются в ткани, затем в органы. Ученые подумали, что если у них в распоряжении будут эти самые клетки эмбриона или стволовые клетки, то можно будет собрать орган не эмбриона, а взрослого человека.

В 1999 году открытие стволовых клеток было признано журналом Science одним из трех важнейших открытий в биологии. Стволовая клетка – это незрелая предшественница всех клеток, которые образуются в организме. Стволовую клетку можно представить как выпускника школы, который выбирает профессию. Он может стать любым специалистом. Из одного школьника может получиться профессионал в определенной отрасли. Точно так же одна клетка может стать сердцем, почками, желудком и так далее.

Самое важное в технологии создания органов из стволовой клетки – это полная генетическая идентичность натуральному органу человека и никакого риска отторжения материала.

Откуда берутся стволовые клетки?

Раньше считалось, что у взрослых в организме нет стволовых клеток и что все "запасы" истощаются сразу после формирования эмбриона. Но в начале прошлого столетия российский ученый Александр Максимов выдвинул идею, что все кровяные клетки образуются из одной клетки-предшественницы. Термин "стволовая клетка", кстати, предложил именно Максимов. Через 60 лет другая группа исследователей выяснила, что обитает стволовая клетка у взрослых в костном мозге.

Стволовые клетки
© CIPhotos / Getty Images

Стволовые клетки тоже бывают разными. Те, что имеются у эмбриона, действительно "способны на все", но есть и чуть более узконаправленные столовые клетки. Они могут создать неограниченное количество клеток, но только для одного типа тканей.

В костном мозге у взрослых стволовые клетки бывают двух видов:

  • Кроветворные, из которых создаются кровяные клетки разных классов;
  • Мезенхимальные, которые превращаются в хрящевую, костную или жировую ткань.

Чтобы получить эмбриональную стволовую клетку, способную собрать, как конструктор лего, новый организм, приходится использовать именно зародышевые клетки. Такого "универсального солдата" можно выделить только на этапе раннего зародыша, когда оплодотворенная яйцеклетка разделилась на четыре или восемь клеток. На более позднем сроке доступны только региональные или узконаправленные стволовые клетки. Их можно выделить из околоплодной жидкости, плаценты или пупочного канатика.

К сожалению, пока лабораторно вырастить из эмбрионального зачатка целый орган не удалось. Однако оказалось, что достаточно создать немного подготовленный и развитый зачаток, внедрить его в нужную ткань, чтобы создать орган или ткань не в лаборатории, а в организме.

Из стволовых клеток, взятых из костного мозга человека, можно создать следующие ткани:

  • мышца конечностей;
  • сердечная мышца;
  • нервные волокна;
  • почечная ткань;
  • клетки, выделяющие инсулин;
  • кожа;
  • кости;
  • хрящи;
  • кишечник.

В перспективе можно будет создать даже сложную структуру глаза и внутреннего уха.

Интересно, что стволовые эмбриональные клетки обнаружены в зачатках зубов "мудрости", в слизистой матки, грудном молоке и даже в жировой и мышечной ткани взрослого человека. По-видимому, в каждом органе есть запас клеток, которые могут быть использованы для регенерации. Это вполне логично, если вспомнить, что в природе есть организмы, способные вырастить поврежденную часть своего организма сами, например, морская звезда. Возможно, этот механизм закодирован и в наших генах.

Сердце без пересадки

Вместо того чтобы пересаживать сердце, можно ввести группу стволовых клеток прямо в сердечную мышцу, запустить процесс образования новых мышечных клеток и заменить ими разрушенные. Такие опыты уже проводились как на животных, так и на людях. В зону инфаркта вводили стволовые клетки. Они быстро "переквалифицировались" в клетки сердечной мышцы, помогали предотвратить развитие сердечной недостаточности после инфаркта и повысить сократимость сердца.

Вторая печень

Сложнее задача создать орган, в котором есть своя архитектоника – точное взаимное расположение клеток, соединительного каркаса, сосудов и протоков. Таким органом является главная биолаборатория организма – печень. Японские ученые отважились на эксперимент и в 2013 году пересадили мышам с печеночной недостаточностью зачатки искусственной печени, которую вырастили в чашке Петри. Через 48 часов после пересадки зачаток печеночной ткани был принят организмом – в него вросли местные сосуды, а продукты, производимые новой печенью, стали поступать в кровь. Это значительно улучшило состояние организма мышей, так как у них была теперь "запасная" печень. Ссылку на это исследование Вы найдете в списке литературы.

А правда, что есть искусственный мозг?

Несмотря на то, что создать нервную ткань технически очень сложно, первые успехи уже есть.

Искусственный мозг
© metamorworks / Getty Images Pro

В Австралийской Академии наук решили получить зачатки человеческого мозга. Ученые попытались воссоздать не просто нервное волокно, но и клейкое вещество, которое заполняет пространство между нейронами – глию. Первые зачатки мозга совсем небольшие, размером с горошину. Но при рассмотрении видно, что в нем есть отделы, похожие на передний мозг и сетчатку глаза. Подробнее об исследовании Вы можете прочитать, перейдя по ссылке в списке источников.

Вряд ли такой мозг можно будет пересаживать. Но наличие подопытного мозга поможет узнать больше об этом малоизученном органе. На искусственном мини-мозге возможно проводить исследования лекарств и других способов лечения патологий головного мозга, узнать подробно о механизме развития болезней и создать новые методы их коррекции.

У мышей ученым также удалось вырастить из стволовых клеток переднюю часть гипофиза – главной железы в организме, синтезирующей гормоны. Это значит, что, возможно, в скором времени можно будет пересадить человеку с разрушенным гипофизом новую железу и избавить его от необходимости пожизненно принимать гормоны.

3D-печать органов

В 2010 году был напечатан первый орган. Это был "голый" сосуд, не связанный с какой-либо тканью. В 2011 году на международной конференции TED (Технологии, Развлечения и Дизайн) представили напечатанную почку. По крайней мере, внешне орган точно выглядел как почка. Ученые были воодушевлены, но почка была далека от совершенства. Ее клеточную структуру еще предстояло доработать.

3D-печать органов
© Science Photo Library

Первым идею печати органов предложил Томас Боланд. Он попытался использовать обычный принтер, чтоб напечатать белки и бактерии. Конечно, обычный принтер не мог создать трехмерный объект. Но используя идею печати органов, инженер Габор Форгач смог придумать первый 3D-биопринтер "Organovo" и основал компанию "Modern Meadow", успешно напечатавшую кожу и даже мясо, которое можно употреблять как пищу.

В основе работы трехмерного биопринтера лежит свойство клеток склеиваться друг с другом и создавать любую белковую структуру. Аппарат печатает с помощью "биочернил" – клеток, взятых у человека. Чтобы в принтере они не слиплись, их хранят в специальном геле. Печать на биопринтере напоминает приготовление слоеного пирога. Печатает "станок" не по одной клетке, а сфероидами – округлыми скоплениями клеток. Когда первый слой ткани напечатан, аппарат выделяет гель и отделяет уже созданный пласт от нового.

До настоящего времени с помощью 3D-биопринтера уже напечатаны сердечный клапан, фрагмент ткани печени и кожа. Недавно с легкой руки главы австралийского научно-исследовательского института Гордона Уоллеса биопринтер стал печатать не сфероидами, а по одной клетке и "сотворил" нервную ткань, в которой удалось правильно расставить все нейроны.

В настоящее время все эти искусственные ткани используются для тестирования лекарств и косметических средств.

Органы на чипе

Органы на чипе – это миниатюрная "визитная карточка" органа. Такой орган помещается в ладони, содержит человеческие клетки, соединенные каналами, похожими на сеть сосудов. Чип ставят в специальный биореактор, который работает как помпа и контролирует циркуляцию жидкости по искусственным сосудам. Причем многие реакторы полностью моделирует кровоток, имитируя колебания давления в сосудах чипа – подают жидкость порциями, как это делает сердце. Ритм подачи также соответствует сердечному. Раствор нагревают до естественной температуры тела, добавляют в него газ, поэтому жидкость в сосудах не только циркулирует, но и "дышит", как это происходит в живом организме.

В чем разница между органом на чипе и "напечатанным" органом?

Орган на чипе отличается от напечатанного с помощью биопринтера тем, что форма органа не принципиальна, главное – чтобы ткань функционировала. Конечно, органы на чипе не предназначены для пересадки, их используют, чтобы тестировать лекарства. Любые исследования на тканях, полученных у человека, будут намного точнее, чем тесты на мышах.

Органы на чипе
© Zinco79 / Getty Images Pro

Ученые считают, что органы на чипе могут в будущем использоваться в качестве основы для индивидуальной медицины. Представьте, у Вас возьмут немного клеток, создадут из них в лаборатории ткань на чипе, а затем введут туда лекарство. Врач еще до лечения сможет узнать, в какой дозе назначить препарат, будут ли побочные эффекты, а главное, можно будет подобрать из нескольких средств именно то, которое точно поможет Вам. Что-то подобное делают сейчас в лабораториях, чтобы определить чувствительность бактерий к антибиотикам. Когда бактерии в лаборатории вырастают, на них воздействуют разными антибиотиками, а затем назначают больному тот препарат, который сильнее других подавил рост болезнетворного микроба.

На чипах уже воспроизводят работу следующих органов:

  • почки;
  • печень;
  • легкие;
  • сердце;
  • мышцы;
  • жировая ткань;
  • гематоэнцефалический барьер;
  • мозг;
  • кожа;
  • кишечник с микрофлорой.

Российские ученые не отстают от мировых трендов. В научно-техническом центре "Биоклиникум" в России был создан микробиореактор "Гомункулус". В отличие от других разработок, "Гомункулус" позволяет поместить на чипе не просто ткань, а прототипы сразу нескольких органов и изучить их взаимодействие. Фактически, можно на системе чипов воспроизвести работу всего организма, создать лабораторную модель человеческого тела.

С помощью модели человеческого организма на чипе можно оценить следующие этапы действия лекарства:

  • скорость действия лекарства при введении внутривенно, приеме внутрь, ингаляции или нанесении на кожу;
  • процесс переработки препаратов в печени;
  • скорость действия препарата;
  • длительность пребывания препарата в крови;
  • побочные эффекты со стороны жизненно важных органов – сердца, легких, мозга.

Подробнее о том, какие лекарства уже испытаны на органах на чипе, можете узнать, перейдя по ссылке в списке литературы.

Выращивание органа на каркасе

Вы, наверняка, видели фото мыши с человеческим ухом на спине. Этот эксперимент провели в 90-х годах 20-го века, используя мышь в качестве каркаса для создания органа. Дело в том, что выращивать живое легче на чем-то живом. Эта идея легла в основу выращивания органа на биологической матрице или каркасе с нуля. Метод биологически активного импланта стал перспективным, а главное получить "запчасть" таким способом можно быстрее, чем печатать орган слой за слоем на биопринтере.

Биоактивный имплант состоит из следующих компонентов:

  • стволовые клетки;
  • полимерная матрица;
  • дополнительные вещества, создающие благоприятную среду для роста клеток.

Каркас должен полностью совпадать с формой создаваемого органа, чтобы клетки "знали", какие очертания принять. Матрицу или каркас делают из тканей животных. Чтобы не возникло отторжения, ее тщательно очищают от всех белковых веществ, способных вызвать иммунную реакцию. Каркас заполняют клетками, взятыми у человека, которому нужен новый орган, и помещают всю заготовку в биореактор. Там орган держат несколько недель или месяцев при привычной для него температуре и среде до полной готовности.

Выращивание органа на каркасе
© Science Photo Library

Энтони Атала, директор института регенеративной медицины "Уэйк Форест", уже создал на каркасе следующие органы:

  • мочевой пузырь;
  • вагину;
  • мочеиспускательный канал;
  • пенис.

Эти органы в биореакторе обрели полноценную сосудистую сеть. После пересадки они прекрасно прижились. Не было зафиксировано случаев отторжения, при этом половые органы были полностью функциональными и позволяли вести человеку полноценную половую жизнь. Другими учеными были созданы сердечные клапаны, трахея, мышцы, кости и хрящи.

Органы на подходе - что сейчас в разработке?

Ученые совместно с медиками пытаются создать все органы человека, начиная с синтеза сложных тканей. Но можно выделить несколько разработок, которые, возможно, уже скоро будут доступны в качестве метода лечения в клиниках.

В ближайшее время ожидаются результаты исследований следующих искусственных органов:

  • сфинктер заднего прохода;
  • сеть кровеносных сосудов;
  • яичники;
  • почки;
  • печень;
  • ухо;
  • легкие;
  • поджелудочная железа;
  • визуальный протез или искусственный глаз.

Активнее всего, пожалуй, исследуют печень. Профессор регенеративной медицины Доктор Колин Макгаклин, который работает в университете Ньюкасла, утверждает, что искусственную печеночную ткань уже через 5 лет можно будет использовать для лечения печеночных болезней. Правда, пока вживлять эту печень не планируют. Ее будут использовать только вне тела, как аппарат для диализа. А вот с анальным сфинктером повезло больше. После его пересадки мышкам он легко прижился и функционировал как "заводской". Подробнее об исследованиях читайте, перейдя по ссылке в источниках.

Мы будем киборгами?

Почти каждый обитатель Земного шара в глобальном смысле мечтает о двух вещах – освоить космос и жить вечно. Планируя полеты на дальние планеты, ученые поняли – чтобы освоить космос, надо жить почти что вечно. Именно при разработке вариантов освоения космоса был придуман термин "киборг" – гибрид человека и машины, который может выживать в непригодных для обычного человека условиях.

Киборги
© Juanmrgt / Getty Images

Многие ученые считают, что homo sapiens скоро перестанет существовать, а люди превратятся в киборгов. Известный предприниматель, реализующий научную фантастику, Илон Маск уверен, что мы – уже нечто похожее на киборгов, ведь смартфоны стали частью нас и продолжением нас самих. Илья Чех, основатель компании по производству детских протезов "Моторика", высказал мнение, что в будущем бионическая искусственная рука и вовсе заменит нам смартфоны. Вместе со всеми возможностями современных гаджетов кибер-конечность будет обладать чувствительностью, подвижностью и даже достаточной силой.

Мы уже живем в эпоху искусственного интеллекта. В 2016 году был создан первый робот с искусственным интеллектом Софи. По словам его создателей, он будет использован на благо человечества. Однако, "рожденная" в США Софи на вопрос журналиста, есть ли у нее в планах уничтожить человечество, ответила положительно.

Трансгуманизм

Уже с 80 годов прошлого века существует философия трансгуманизма. Ее последователи считают, что с помощью техники человек перестанет болеть, страдать, а на Земле наступит "дивный, новый мир". Бионика, объединенная с генетикой, может в ближайшем будущем создать человека с нужными способностями, абсолютно здорового физически и развитого умственно. Есть вероятность, что появятся "искусственные люди", запрограммированные на раскрытие конкретных генов и, возможно, "выношенные" не в утробе матери, а в лабораторных условиях.

Желание обладать здоровым телом, без недостатков и даже с дополнительными возможностями, которые не даются при рождении, похоже, заложено в каждом из нас. Но споры об изменениях в моральном и психологическом облике кибер-человека ведутся до сих пор. Как техника внутри организма, дающая его владельцу большие возможности, повлияет на его характер, мысли и чувства? Будет ли ценить человек то, что не будет бояться потерять – здоровье и жизнь, и останется ли в усовершенствованной модели человека его человечность?

Какой будет медицина через 100 лет?

Вероятно, что медицина будущего будет ограничена одной сферой – заменой органов. Деятельность врача станет похожа на работу автомеханика, который делает тюнинг автомобиля, меняет мотор на новый "движок" с большей скоростью, ставит бронированные стекла.

Медицина через 100 лет
© Science Photo Library

У гениальных умов есть цель – сохранить свой мозг, несмотря на старение тела. "Мозга достаточно" – утверждает наука, которая уже смогла соединить мозговые центры парализованной женщины с авиасимулятором с помощью нейронных передатчиков. Эксперимент был поставлен в 2015 году. Женщина полностью управляла самолетом с помощью мысленных команд. Вполне возможно, что вместо лечения нам просто предложат новое бионическое тело, куда переместят наше сознание. После обычного наркоза человек проснется в новом теле, сохранив свой импринт – опыт прошлого, убеждения, стереотипное поведении, одним словом, свое "Я".

Материал несёт информационно-справочную функцию! Перед применением любых средств или услуг необходимо проконсультироваться со специалистом!

Источники информации:
  • Ncbi.Nlm.Nih  —  3D-печать органов
  • Organovo  —  Трехмерная биопечать
  • BioClinicum  —  Научные публикации
  • School.WakeHealth  —  Искусственные органы и ткани
  • Nature  —  Васкуляризированная и функциональная печень человека
  • BBC  —  Пересадка искусственных органов
  • Carmatsa  —  Искусственное сердце
Оставить комментарий
Оставить комментарий
 
Текст сообщения*
 
Популярные темы: