Какие органы можно заменить на искусственные
Трансплантация легких представляет собой сложную и еще нерешенную проблему трансплантологии в рамках СССР. Трансплантация легких в России начала активно развиваться после 2011 года, когда команда под руководством М.Ш. Хубутия при участии с Е.А. Тарабрина, С.В. Головинского впервые выполнили успешную трансплантацию легких в стране за долгие годы. Уже к 2018 году было выполнено более 58 успешных трансплантаций. Подробнее с состоянием трансплантации легких можно ознакомиться ниже, а мы вернемся к истории вопроса.
Несмотря на то что первые пересадки легких в эксперименте были осуществлены еще в 1947 г. (В. П. Демихов), а в клинике в 1963 г. (Харли), эта операция до сих пор не вошла в клиническую практику: к 1978 г. в мире произведено всего около 40 операций. Причиной являются неудовлетворительные результаты — небольшая продолжительность жизни больных после операции из-за возникновения инфекционных осложнений. Проблема трансплантации легких нуждается в энергичной экспериментально-клинической разработке. По мнению трансплантологов, пересадка легких прежде всего показана больным, страдающим двусторонними патологическими процессами, которые приводят к прогрессирующим необратимым изменениям паренхимы легкого (эмфизема легких, пневмосклероз, прогрессирующий силикоз и т. д.). Одним из показаний к пересадке легкого являются односторонние патологические процессы (например, рак легкого) при низких функциональных возможностях противоположного легкого.
Трансплантация поджелудочной железы. В клинической практике используются два метода пересадки поджелудочной железы: тотальная пересадка железы с сегментом двенадцатиперстной кишки и пересадка хвоста и тела поджелудочной железы. В клинике первую пересадку поджелудочной железы больному, длительное время страдавшему сахарным диабетом с развившейся диабетической нефропатией, произвел Лиллихай (1967). Одним из наиболее сложных этапов операции является выведение протока поджелудочной железы таким образом, чтобы обеспечить отток ее секрета в кишечник. Клиническая пересадка поджелудочной железы в настоящее время производится эпизодически в ряде трансплантационных центров.
Новым интересным направлением в проблеме трансплантации поджелудочной железы и лечения диабета является разрабатываемая в последние годы пересадка бета-клеток (островков Лаигергаиса). Наиболее трудным при этом является выделение р-клеток из донорской поджелудочной железы; затем выделенные клетки выращиваются в культуре тканей. Сама операция пересадки бета-клеток является предельно простой и заключается в инъекции взвеси клеток в брюшную полость. На VI Международном конгрессе трансплантологов (1976) уже сообщалось о первом опыте применения этого метода в клинической практике.
Искусственные органы
Важным разделом трансплантологии, получающим все более плодотворное развитие, является создание и применение искусственных органов. Созданию искусственных органов способствуют современные достижения математики, механики, электроники, химии полимеров и инженерного освоения различных видов энергии: эти достижения реализуются в конкретных конструкциях, способных имитировать функции природных прототипов. Необходимость создания искусственных органов обусловлена, во-первых, большими возможностями интенсивной терапии и, во-вторых, тем, что хирургическая служба трансплантации ис сможет полностью решить проблему замещения утраченных жизненно важных органов человека из-за дефицита пригодных донорских органов.
Искусственные органы — это устройства, предназначенные для временной или постоянной активной замены утраченной функции природного прототипа (правда, эта функция еще не может быть замещена полностью, особенно если конкретный прототип, например легкое, печень, почка или поджелудочная железа, обладает комплексом сложных функций). С искусственным органом не следует отождествлять функциональный протез — устройство, пассивно воспроизводящее основную утраченную функцию природного прототипа за счет своей формы или конструктивной особенности.
Первые исследования по этому разделу выполнил С. С. Брюхоненко, создавший автожектор (1928)—первое в мире искусственное сердце. Большое значение имело изобретение искусственной почкн Колфом (1944).
Искусственные органы можно подразделить на неимплантируемые и частично или полностью имплантируемые. Примером исимплантируемого искусственного органа, временно и прерывисто возмещающего утраченную жизненно важную функцию организма, является искусственная почка, обеспечивающая экстракорпоральный гемодиализ. Этот искусственный орган уже нашел широкое клиническое применение как в комплексном методе длительного лечения хронической почечной недостаточности, так и для временного поддержания жизнедеятельности организма в период подбора донорской почки для ее трансплантации, а также в восстановительном периоде сразу же после операции и при подготовке к повторным трансплантациям, если они необходимы. К неимплантируемым временно действующим искусственным органам относится оксигенатор (искусственное легкое), который используется в кардиохирургии при операциях на открытом сердце и в специальных перфузионных системах для интенсивного лечения острой дыхательной недостачточности.
К числу полностью имплантируемых устройств, постоянно и непрерывно выполняющих функцию природного аналога, следует отнести искусственные клапаны сердца. На первых этапах их разработки кардиохирурги н инженеры стремились воспроизвести конструкцию природного прототипа. Однако значительно более долговечными и оптимальными по гемодинамическим параметрам оказались совсем иные—шариковые, полусферические н дискообразные каркасные конструкции искусственных клапанов сердца, которые н нашли широкое применение в кардиохирургической практике. В качестве имплантируемых устройств применяются элсктрокардиостимулиторы, постоянно н непрерывно возмещающие функцию пронодящей системы естественного сердца. Их используют и как внешние неимплантируемые аппараты, временно применяемые н критических ситуациях до имплантации постоянного электрокардиостимулятора.
Усилия ученых сосредоточены на создании для клинического применения трех искусственных жизненно важных органов — сердца, печени, поджелудочной железы, а также на дальнейшем совершенствовании разнообразных моделей искусственной почки.
Современные модели искусственного сердца имеют различное целевое назначение. Так, модели, имплантируемые на место выходящего из строя природного прототипа, способны временно, до подбора и трансплантации донорского сердца, обеспечить непрерывное кровообращение в организме реципиента. Экспериментально уже доказана возможность многодневной, многонедельной функции искусственного сердца. Разработаны также модели имплантируемых искусственных желудочков сердца, которые при параллельном подключении можно использовать для временной непрерывной и прерывистой помощи правому или левому желудочку естественного аналога при интенсивном лечении острой сердечной недостаточности.
Искусственная поджелудочная железа выполняет только ту часть функции естественного аналога, которая «по требованию» обеспечивает поступление в кровь необходимой дозы инсулина при лечении сахарного диабета. Система этого имплантируемого, постоянно и прерывисто действующего устройства состоит из датчика, быстро определяющего концентрацию глюкозы в крови или ткани, и управляемого с помощью мини-ЭВМ элемента, осуществляющего иифузню инсулина. Экспериментальные и пока немногочисленные клинические исследования функции искусственной поджелудочной железы (первая в мире имплантация искусственной поджелудочной железы произведена в СССР; Шума» ков В. И. и др., 1976) показали высокую эффективность ее работы.
В настоящее время еще нет устройств или аппаратов, которые можно было бы назвать искусственной леченью. Создание их в ближайшем будущем также весьма проблематично. Однако уже сейчас созданы неимплантнруемые устройства, временно и прерывисто обеспечивающие гсмосорбцню, т. е. имитирующие ту или иную функцию печени (удаление из крови аммиака, билирубина и других шлаков), что помогает более эффективно вести борьбу с печеночной недостаточностью. Проблема создания н применения искусственных органов продуктивно разрабатывается в СССР, США, ЧССР, Франции.
Испортилось? Починим! Что можно заменить в организме человека?
Благодаря последним открытиям регенеративной медицины, те идеи, которые считались лишь игрой воображения писателей–фантастов, очень скоро могут стать реальностью. Уже нельзя отнести к области научной фантастики выращивание искусственных человеческих органов и тканей. Идея создать здоровый и дееспособный орган для замены больного или отсутствующего оказалась вполне осуществимой.
Когда возникла трансплантация?
О пересадке органов люди стали задумываться очень давно. Например, процедура имплантации зубов была знакома ещё древним египтянам. Богачам и аристократам пересаживали зубы бедняков и невольников. А для фараонов делали зубы из слоновой кости.
Но операции по пересадке жизненно важных органов и тканей стали проводиться лишь к середине 20 века. В 1951 году российский учёный Владимир Демихов впервые в мире заменил сердце собаки на донорское, что доказывало возможность проведения подобной операции на людях. В 1954 году американский хирург Джозеф Мюррей трансплантировал человеку почку. А в 1967 году хирург из Кейптауна Кристиан Барнард, прошедший стажировку у Демихова, смог пересадить человеку сердце.
Наши дни
Какие органы трансплантируют сегодня, а какие пересадить нельзя? Современные технологии позволяют успешно пересаживать сердце, лёгкие, почки, печень, поджелудочную железу, кости, суставы, вены, роговицу и некоторые другие органы. Невозможна в настоящее время трансплантация головы и сетчатки глаза.
В последние годы нередко затрагиваются вопросы дефицита доноров для пересадки органов и связанные с трансплантацией вопросы биоэтики, что подталкивает учёных к поиску решений данных проблем.
Травмированные кости, например, можно заменить протезами из керамики, металлов или полимеров. Но у этих материалов есть как плюсы, так и минусы. У керамики хорошая биосовместимость с человеческим организмом, так как у неё и костной ткани похожий состав. Но керамика － довольно хрупкий материал. Металл более твёрдый и лучше поддаётся обработке, однако его биосовместимость намного хуже. К тому же он не такой эластичный, как кость человека, и может спровоцировать получение новых травм. Протезы из полимерных материалов способны воссоздать структуру костной ткани, но они непрочные и плохо поддаются стерилизации.
Сейчас динамично развивается технология 3D–биопринтинга (трёхмерной печати органов). Вначале создаётся цифровой образец, который печатают на биопринтере. В качестве материала используются клетки и биочернила. Подготовленную ткань размещают в специальных ящиках с питательной средой, где она созревает. Для объёмной печати применяются биочернила из гидрогеля и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Они могут преобразовываться в какой угодно элемент, к примеру, в клетку печени или волос. С помощью биочернил можно распечатать любой объект тела человека.
Новые технологии дают возможность печатать искусственную кожу прямо на пациенте. Прежде всего сканируется повреждённый участок, устанавливается его толщина и контуры. Далее послойно печатается дерма (плотная соединительная ткань), потом эпидермис (поверхностный слой кожи).
Посредством 3D–биопечати сгенерированы эпителий роговицы, хрящевая ткань и кожа. Напечатать работоспособный орган, например, сердце, печень или мозг, учёные пока не могут.
Но научные исследования продолжаются. И вполне возможно, что уже в ближайшем будущем данная методика позволит отказаться от использования донорских органов. Это решило бы этический вопрос трансплантации органа, полученного от живого донора или из мёртвого тела, а также проблему иммунологической совместимости, потому как биопечать подразумевает использование стволовых клеток самого пациента, который будет и донором, и реципиентом.
Учёные прогнозируют создание первого живого работоспособного органа к 2030 году.
Какие органы мы можем заменить на искусственные?
Удивительно, но первые попытки протезирования начались уже в XVI веке. Но, с начала 2000-х технический прогресс смог коснуться на только конечностей человека, но также зубов, сердца, и даже…мозга.
В 2017 году Илон Маск презентовал разработки основанной им компании Neuralink. Результатом их работы стала возможность подключать головной мозг непосредственно к компьютеру. Передаточным звеном служат электроды, сечение которых не превосходят размеры нервных клеток. Тысячи таких приборов вживляются в кору при помощи своеобразной «швейной машинки». Это позволит управлять большей частью сигналов, проходящих через синапсы и лечить такие заболевания как эпилепсия и паралич.
В 2010 году на мировом рынке появился первый бионический протез кисти, разработанный британской компанией RSLSteeper. Их преимуществом была способность улавливать и воспроизводить сигналы, подаваемые от здоровых мышц. Уже в 1997 году компанией Blatchford был разработан прообраз бионического колена, а в 2013 году – первый протез ноги, полностью контролируемый мозгом.
В 2013 году появился первый сертифицированный заменитель поджелудочной железы. Прибор, разработанный компанией Medtronic крепится на пояс и состоит из датчика уровня глюкозы и инсулиновой помпы, которая при необходимости, вводит определенное количество инсулина в кровь.
Полностью автономный AbioCor – сердечный имплант, в отличие от CardioWest и SynCardia, оснащенных внешним источником питания, имеет встроенную батарею. Максимальный известный период жизни с прибором составляет 17 месяцев.
Альтернативой человеческому уху стал кохлеарный имплантат. Он представляет собой имплантируемый во внутреннее ухо преемник с дешифратором сигналов и электродами и внешнюю часть – микрофон.
Сходный принцип действия имеет современный заменитель глаза, который состоит из имплантируемого в сетчатку датчика, очков с камерой и внешним процессором. Такой прибор стоит около 150 тысяч долларов, однако позволяет видеть далеко не на 100%.
Наиболее часто применимые имплантаты – зубные. Стоимость одного – около 100 долларов. Внедряется на место утраченного зуба с погружением в костную ткань.
Как еще раз показали последние достижения науки – незаменимых нет. Однако полнейшего аналога естественным частям тела разработать пока не удалось никому.
Как ученые пытаются создать искусственные человеческие органы
И станет ли замена печени такой же привычной манипуляцией, как смена тормозных колодок в автомобиле.
В начале XXI века наука только-только подступалась к идее создания искусственных человеческих органов, которые можно было бы использовать для трансплантации. Спустя 20 лет десятки лабораторий по всему миру проводят эксперименты в этой области, мыши с искусственно выращенными яичниками приносят потомство, а производители косметики тестируют новинки на выращенной в пробирке коже – потому что на мышах и кроликах это делать теперь запрещено (по крайней мере в Европе). GQ поговорил с экспертами из трех российских центров, в которых пытаются наладить производство «запчастей» для человека, и о совершенно фантастических разработках, которые вот-вот изменят медицину и мир.
Биопринтинг
Биопринтинг – это «печать» тканей живых существ. Принцип такой же, как и в обычном офисном устройстве для распечатки документов, только вместо чернил из картриджа подается биоматериал – клетки различных тканей организма. К слову, первый биопринтер, созданный в 2001 году, представлял собой как раз модернизированный офисный девайс Hewlett Packard.
Юсеф Хесуани
Соучредитель и управляющий партнер лаборатории 3D Bioprinting Solutions.
«Многие представляют себе 3D-принтинг как послойную печать объектов из пластика согласно заданной цифровой модели – и это действительно самая близкая аналогия биопринтинга, – рассказывает Юсеф Хесуани, глава лаборатории 3D Bioprinting Solutions. – Естественно, мы избегаем в работе высоких температур, чтобы не повредить «расходный материал», в основе которого – белки. Способы печати бывают разными – мы, например, придумали технологию управления клетками с помощью магнитных полей. Исходный материал «левитирует» в жидкой питательной среде, а когда он попадает в магнитную ловушку – клетки начинают взаимодействовать друг с другом, и формируется нужная нам ткань. Еще одна технология – печать прямо в зоне дефекта, например, на месте повреждения кожи. Всю работу в этом случае выполняет роботический манипулятор, к которому мы приделали нашу форсунку с биоматериалами и для которого написали софт. Оператор выводит механическую руку в «точку ноль», а дальше робот сам начинает латать дефект».
В российской лаборатории с помощью такого манипулятора уже проводили эксперименты по устранению дефектов кожи у крыс и минипигов. (За границей пошли еще дальше: в прошлом году интернациональная команда ученых в ОАЭ впервые сделала «заплатку» на коже человека.) Кроме того, в 2015 году в России напечатали мышиную щитовидную железу, которую потом успешно трансплантировали. Эксперимент доказал: биопринтинг позволяет создавать и заменять целые органы не только в теории, но и на практике. Щитовидную железу выбрали для опыта по нескольким причинам. Во-первых, легко проверить ее работоспособность – просто измерив уровень гормонов в крови. Во-вторых, в структуре щитовидки нет сложных участков, которые не могли бы воспроизвести существующие на данный момент принтеры. Тем временем ученые из Чикаго поставили схожий эксперимент – пересадили мышке напечатанный яичник. Опыт также был удачным, мышь дала потомство.
Биопринтер Fabion
На таком устройстве был создан «тканеинженерный конструкт» щитовидной железы мыши. Искусственную щитовидку успешно пересадили, гормональный баланс у грызуна был в норме.
А вот печатать жизнеспособные человеческие органы пока что мешают два ограничения. Первое – большой размер этих самых органов и, как следствие, их сложная структура. Современные технологии не позволяют создать внутри искусственного органа систему сосудов, необходимых для его нормальной работы после пересадки, – клетки внутри напечатанного объекта не получают питания и погибают от нехватки кислорода. В случае с мышиной щитовидной железой ученые использовали эмбриональные клетки, в которых уже заложена необходимая информация о сосудах, то есть условия для их прорастания были созданы заранее. Да и тот факт, что мышиный орган в десятки раз меньше человеческого, тоже сыграл важную роль в успешном завершении эксперимента.
Вторая проблема – нехватка материала. Для биопечати нужны клетки, которые сначала необходимо вырастить, а для этого требуется время. В случае с кожей, например, на подготовку уходит порядка 4–6 недель, но в целом у каждого типа клеток свои скорость и возможность деления. Клетки кожи и крови, например, постоянно обновляются – у них высокий регенеративный потенциал. А клетки эндокринных органов делают это значительно реже и воспроизводятся намного медленнее. Для печати мышиной щитовидной железы экспериментаторы взяли эмбриональные клетки, которые, по словам ученых, «дают отличный прирост в сотни процентов». Использование эмбриональных клеток человека в России запрещено, а клетки той же щитовидной железы растут заметно хуже, их прирост – всего 5–10 процентов.
Биопринтеры уже умеют «печатать» работоспособные органы животных и фрагменты кожи человека.
Наука развивается скачкообразно, и прорыв в сфере биопринтинга может случиться в любой момент: «В 2014 году Общество биофабрикации, членом которого является наша лаборатория, выпустило прогноз развития отрасли. И там говорилось, что искусственная кожа будет пересажена человеку примерно в 2030 году. А произошло это с опережением на десять лет, – говорит Юсеф Хесуани. – Поэтому вопрос о будущем – сложный. Биопринтинг – игра со множеством неизвестных. Когда мы открылись в 2013 году, мы были всего лишь шестой в мире коммерческой компанией, которая осваивала технологию трехмерной биопечати. А сейчас только производством биопринтеров занимаются больше 80 компаний в разных частях планеты, в том числе в Белоруссии и Армении».
В мире примерно половина компаний, экспериментирующих в области биопринтинга, существует с поддержкой государства, причем внимание этой технологии уделяют на самом высоком уровне. Так, весной президент США Джо Байден представил новый комитет по науке и объявил биопринтинг приоритетным направлением развития. Американцы уже готовят большую государственную программу, которая предусматривает солидные вложения в эту отрасль, поэтому можно предположить, что лучшие умы со всего мира будут переезжать поближе к этим деньгам.
По словам Юсефа Хесуани, заниматься наукой, запершись у себя в кабинете, сейчас крайне сложно, поэтому специалисты по биопринтингу из разных стран активно сотрудничают. Одновременно с этим развивается и конкуренция, ведь многие компании берут научные выкладки за основу бизнеса и уже могут похвастаться успешными кейсами их монетизации. Зарабатывать сегодня можно на производстве биопринтеров, расходных материалов к ним или же на печати образцов тканей – например, для исследования свойств лекарственных или косметических средств. Особенно это актуально в случае с клетками кожи: с 2012 года в Европе запрещены испытания косметики на животных, а тесты проводить нужно. Именно по этой причине гиганты уровня L’Oréal и BASF активно поддерживают компании, которые занимаются биопечатью кожи.
Биореакторы
Еще одно перспективное направление – выращивание органов в устройствах, именуемых биореакторами. В России этим занимаются в Национальном медицинском исследовательском центре трансплантологии и искусственных органов, а об особенностях технологии GQ рассказал глава центра Сергей Готье.
«Клетки не могут существовать в организме сами по себе – они закреплены на тонкой соединительнотканной основе, им там хорошо. В своих экспериментах мы в качестве такой основы используем специальные «подложки» – матриксы. У нас в институте разработаны и опробованы десятки матриксов и в итоге выбраны лучшие – те, которые могут обеспечить, например, жизнедеятельность хрящевых клеток и на основе которых можно вырастить новый хрящ. Но все-таки хрящ – это ткань, не орган. Основная задача, которую мы сейчас пытаемся решить, – обеспечить совместное существование большого количества клеток в одном конгломерате. Для этого нужно создать такую среду, которая могла бы не только питать клетки, но и выводить продукты распада, обмена веществ. Именно эту функцию и выполняют биореакторы, но в них пока что невозможно вырастить большой орган. Казалось бы, самая простая задача – создать миокардиоциты (мышечные клетки сердца. – Прим. GQ) и построить из них сердце. Мы делали такие попытки, и они были успешными, но пока только в случае с маленьким органом. С сердцем мыши. Проблема в том, что сейчас у нас нет технологических возможностей для создания большого объема функционирующей ткани».
Сергей Готье
Директор НМИЦ трансплантологии и искусственных органов имени академика В. И. Шумакова Минздрава России.
Искусственные органы: человек умеет все
Основания для оптимизма, конечно же, есть. В наши дни в науке наметилось несколько направлений, которые, возможно, позволят в близком или дальнем будущем превратить Homo sapiens в более долговечную и надежную мыслящую конструкцию. Первое — это создание электронно-механических «подпорок» для недужного тела. Речь идет о роботизированных бионических протезах конечностей, достоверно воспроизводящих человеческую локомоторику, или даже целых экзоскелетах, которые смогут подарить радость движения парализованным.
Эти хитроумные изделия дополнит нейромашинный интерфейс, который позволит считывать команды прямо с соответствующих участков головного мозга. Действующие прототипы подобных устройств уже созданы, теперь главное — их совершенствование и постепенное удешевление.
Вторым направлением можно считать исследования генетических и прочих микробиологических процессов, вызывающих старение. Познание этих процессов, возможно, в будущем даст возможность затормозить увядание организма и продлить активную жизнь за вековой предел, а возможно, и далее.
И наконец, к третьему направлению относятся исследования в области создания подлинных запчастей к человеческому телу — тканей и органов, которые структурно и функционально будут мало чем отличаться от природных и позволят своевременно «отремонтировать» организм, пораженный тяжелой болезнью или возрастными изменениями. Известия о новых шагах в этой области приходят сегодня едва ли не ежедневно.
Запускаем печать
Базовая технология выращивания органов, или тканевой инженерии, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных клеток той или иной ткани, например гепатоцитов — клеток паренхимы (внутренней среды) печени. Эти клетки затем помещаются внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена.
Таким образом обеспечивается заполнение клетками всего объема выращиваемого органа. Матрицу из коллагена можно получить путем очистки от клеток донорской биологической ткани или, что гораздо проще и удобнее, создать ее искусственным путем из биоразрушаемых полимеров или специальной керамики, если речь идет о кости. В матрицу помимо клеток вводятся питательные вещества и факторы роста, после чего клетки формируют единый орган или некую «заплатку», призванную заместить собой пораженную часть.
Правда, выращивание искусственной печени, легкого и других жизненно важных органов для пересадки человеку сегодня пока недостижимо, в более простых случаях такая методика успешно применяется. Известен случай пересадки пациентке выращенной трахеи, осуществленной в РНЦ хирургии им. Б.В. Петровского под руководством итальянского профессора П. Маккиарини. В данном случае в качестве основы была взята донорская трахея, которую тщательно очистили от клеток. На их место были введены стволовые клетки, взятые из костного мозга самой пациентки. Туда же были помещены факторы роста и фрагменты слизистой оболочки — их также позаимствовали из поврежденной трахеи женщины, которую предстояло спасти.
Недифференцированные клетки в таких условиях дали начало клетками дыхательного эпителия. Выращенный орган имплантировали пациентке, причем были приняты специальные меры для проращивания имплантата кровеносными сосудами и восстановления кровообращения.
Впрочем, уже существует метод выращивания тканей без применения матриц искусственного или биологического происхождения. Метод нашел воплощение в устройстве, известном как биопринтер. В наши дни биопринтеры «выходят из возраста» опытных образцов, и появляются мелкосерийные модели. Например, аппарат компании Organovo способен распечатать фрагменты тканей, содержащих 20 и более клеточных слоев (причем туда входят клетки разных типов), объединенных межклеточной тканью и сетью кровеносных капилляров.
Соединительная ткань и клетки собираются воедино по той же технологии, которую используют при трехмерной печати: движущаяся головка, позиционирующаяся с микронной точностью в трехмерной сети координат, «выплевывает» в нужную точку капельки, содержащие либо клетки, либо коллаген и другие вещества. Разные производители биопринтеров сообщили, что их устройства уже способны распечатывать фрагменты кожи подопытных животных, а также элементы почечной ткани. Причем в результате удалось достичь правильного расположения клеток разных типов друг относительно друга. Правда, эпохи, когда принтеры в клиниках будут способны создавать органы разного назначения и больших объемов, придется еще подождать.
Мозг под замену
Развитие темы запчастей для человека неизбежно приводит нас к теме самого сокровенного — того, что делает человека человеком. Замена мозга — пожалуй, самая фантастическая идея, касающаяся потенциального бессмертия. Проблема, как нетрудно догадаться, в том, что мозг — похоже, самый сложный из известных человечеству материальных объектов во Вселенной. И, возможно, один из самых непонятных. Известно, из чего он состоит, но очень мало известно о том, как он работает.
Таким образом, если мозг удастся воссоздать как совокупность нейронов, устанавливающих друг с другом связи, надо еще придумать, как поместить в него всю необходимую человеку информацию. Иначе в лучшем случае мы получим взрослого человека с «серым веществом» младенца. Несмотря на всю сверхфантастичность конечной цели, наука активно работает над проблемой регенерации нервной ткани. В конце концов, цель может быть и скромнее — например, восстановление части мозга, разрушенной в результате травмы или тяжелого заболевания.
Проблема искусственной регенерации мозговой ткани усугубляется тем, что мозг обладает высокой гетерогенностью: в нем присутствует множество типов нервных клеток, в частности тормозные и возбуждающие нейроны и нейроглия (буквально — «нервный клей») — совокупность вспомогательных клеток нервной системы. Кроме того, разные типы клеток определенным образом расположены в трехмерном пространстве, и это расположение необходимо воспроизвести.
Нервный чип
В одной из лабораторий знаменитого Массачусетского технологического института, известного своими разработками в сфере информационных технологий, подошли к созданию искусственной нервной ткани «по-компьютерному», применив элементы технологии изготовления микрочипов.
Исследователи из Бостона взяли смесь нервных клеток, полученных из первичной коры мозга крысы, и нанесли их на тончайшие пластины гидрогеля. Пластины образовали своего рода сэндвич, и теперь задача состояла в том, чтобы вычленить из него отдельные блоки с заданной пространственной структурой. Получив такие прозрачные блоки, ученые намеревались изучать процессы возникновения нервных связей внутри каждого из них.
Задача была решена с помощью фотолитографии. На пласты гидрогеля накладывались пластиковые маски, которые позволяли свету воздействовать лишь на определенные участки, «сваривая» их воедино. Так удалось получить разнообразные по размерам и толщине композиции клеточного материала. Изучение этих «кирпичиков» со временем может привести к созданию значимых фрагментов нервной ткани для использования в имплантах.
Если инженеры MIT подходят к изучению и воссозданию нервной ткани в инженерном стиле, то есть механически формируя нужные структуры, то в Центре биологии развития RIKEN в японском городе Кобе ученые под руководством профессора Йошики Сасаи нащупывают другой путь — evo-devo, путь эволюции развития. Если плюрипотентные стволовые клетки эмбриона могут при делении создавать самоорганизующиеся структуры специализированных клеток (то есть разнообразные органы и ткани), то нельзя ли, постигнув законы такого развития, направлять работу стволовых клеток для создания имплантатов уже с природными формами?
И вот главный вопрос, на который намеревались найти ответ японские биологи: насколько зависит развитие конкретных клеток от внешних факторов (например, от контакта с соседними тканями), а в какой степени программа «зашита» внутри самих стволовых клеток. Исследования показали, что есть возможность вырастить из изолированной группы стволовых клеток заданный специализированный элемент организма, хотя внешние факторы играют определенную роль — например, необходимы определенные химические индуцирующие сигналы, заставляющие стволовые клетки развиваться, скажем, именно как нервная ткань. И для этого не понадобится никаких поддерживающих структур, которые придется наполнять клетками — формы возникнут сами в процессе развития, в ходе деления клеток.
Вопрос о пересадке мозга, коль скоро мозг является вместилищем интеллекта и самого человеческого «я», по сути, не имеет смысла, так как если мозг уничтожен, то воссоздать личность невозможно (если только со временем не научатся делать «резервные копии» сознания). Единственное, что могло бы иметь резон – это пересадка головы, а точнее – пересадка тела голове, у которой с телом проблемы. Однако при невозможности на современном уровне медицины восстановления спинного мозга, тело с новой головой останется парализованным. Правда, по мере развития тканевой инженерии, возможно, нервную ткань спинного мозга можно будет восстанавливать с помощью стволовых клеток. На время операции мозг придется резко охлаждать для предотвращения смерти нейронов.
По запатентованной Сасаи методике японцам удалось вырастить трехмерные структуры нервной ткани, первой из которых стала полученная из эмбриональных стволовых клеток мышей сетчатка глаза (так называемый зрительный бокал), которая состояла из функционально различных типов клеток. Они были расположены так, как предписывает природа. Следующим достижением стал аденогипофиз, не просто повторяющий структуру природного, но и выделяющий при пересадке мыши необходимые гормоны.
