14 февраля 1911 года родился врач и изобретатель Виллем Кольф. В историю медицины он вошел как человек, впервые применивший искусственную почку — аппарат для гемодиализа. Сегодня гемодиализ используется повсеместно и помогает больным с тяжелыми почечными болезнями продлевать жизнь. Однако искусственная почка способна лишь временно замещать функции отказывающего органа, и такие пациенты все равно стоят в очереди на трансплантацию. Похожая ситуация наблюдается и в других направлениях, например, механические сердечные клапаны требуют периодической замены.
Современная медицина пытается решить эту проблему и создать органы, которые полностью замещали бы больные и оставались с пациентом на всю жизнь. По сути, являлись бы полноценной альтернативой трансплантации. MedAboutMe разбирался в новых разработках, проблемах и решениях создания искусственных органов.
Как сделать орган?
Для того чтобы искусственный орган полноценно функционировал в теле человека, он должен быть идентичным натуральному. По сути, его нужно вырастить из клеток, а не собрать из искусственных материалов. Практически все органы человека состоят из трех компонентов — матрикса (коллагенового каркаса), нескольких типов клеток, отвечающих за функции органа, и сосудистой сети, благодаря которой он кровоснабжается. Биоинженерия сегодня идет по двум направлениям создания таких структур:
- На искусственный матрикс из полимеров наращиваются клетки, которые постепенно делятся, разъедают его, замещают и превращаются в живую ткань заданной формы.
- Биопринтеры, на которых орган «распечатывается» слой за слоем. На биопринтерах проблемно создавать сложные биологические структуры, например, ткань сердца, клетки которой должны правильно реагировать на импульсы, обеспечивая синхронное сокращение. При этом более простые варианты, как кожа и хрящи, активно «печатаются» уже несколько лет коммерческими компаниями.
Еще одним вариантом выращивания органа является воспроизведение эмбрионального развития. Базируется метод на том факте, что любой орган человека претерпевает множество преобразований, прежде чем приобретает конечную форму. Это направление очень перспективно, но на сегодняшний день разработки находятся в начале пути — исследователям удается пройти только несколько первых стадий развития.
Биоинженеры создают два типа структур — органы и органоиды. Органоиды — это небольшие объекты, фрагменты, не повторяющие форму органа, но наделенные определенными его функциями. Конечно, они не подходят для трансплантаций, но зато играют важную роль с научной точки зрения. На них тестируются лекарства, изучается человеческое тело, проводятся различные эксперименты. Одним из вариантов органоидов является «орган на чипе» — пластина с колониями специализированных клеток того или иного органа.
Хрящи
Хрящ — одна из самых простых тканей для искусственного воссоздания. Она практически лишена кровеносных сосудов, а воспроизвести сосудистую сеть — наиболее сложная задача для биоинженеров. Одними из первых, кто попробовал сделать функционирующую ткань, были ученые University of Bristol, которые в 2006 году успешно восстановили хрящи коленных суставов. Сегодня с помощью искусственных тканей можно восстановить носовую перегородку и ушную раковину.
В швейцарском Karolinska Institute проводились операции по пересадке искусственной трахеи, но, к сожалению, многие случаи закончились летальным исходом. При этом исследования и эксперименты в области создания трахеи и бронхиального дерева ведутся и дальше. В частности, на биопринтере пробуют создавать дыхательные трубки, поддерживающие конструкции для бронхов.
Кожа
С искусственной кожей дела обстоят еще лучше — сегодня есть несколько торговых марок, под которыми она производится (Alloderm, Celaderm, Dermagraft). Самый простой вариант выглядит как пустой матрикс, который накладывается на поврежденный участок и постепенно зарастает клетками реципиента. Это позволяет быстрее лечить повреждения и при этом избавляет от рубцов. Более сложные материалы содержат не только матрикс, но и живые клетки. Такие варианты используются для лечения и для исследований. В частности, косметологические компании применяют их для тестирования своих средств. Сегодня искусственная кожа — это первый искусственный орган, получивший одобрение американской организации FDA.
В 2019 году исследователи из University of Connecticut и University of Toronto представили новую разработку — усовершенствованную искусственную кожу. В частности, она оснащена датчиками, контролирующими давление, магнитное поле и другие показатели. Пока это только разработка, но ученые говорят, что в перспективе ее можно будет использовать при работе на вредных производствах, а также для восстановления чувствительности после обширных ожогов или других травм.
Мочевой пузырь и мочеполовая система
Врачи уже относительно давно умеют создавать искусственный мочевой пузырь из кишечника. Большинство операций сегодня предполагают как раз такую реконструкцию. При этом этот вариант имеет ряд недостатков, главным из которых является разная функция стенок кишечника и мочевого пузыря. Если первый способен всасывать вещества, то второй предназначен лишь для удерживания жидкости.
Биологический заменитель выращивается на каркасе анатомической формы. Первые эксперименты по пересадке таких органов были проведены в 1999 году биоинженером Энтони Аталой. Искусственные пузыри были успешно пересажены пациентам с патологиями мочеполовой системы. Позже этот же ученый разработал искусственное влагалище и уретру. Эксперименты по пересадке органов также прошли успешно.
Сердце
Искусственные клапаны сердца сегодня достаточно часто имплантируются пациентам с кардиологическими проблемами. Наиболее прогрессивные модели — бионические, то есть такие, которые кроме искусственных элементов содержат натуральные ткани животного происхождения.
Искусственным сердцем в современной медицине называют электронно-механический имплант, созданный из полимеров. Например, в центре им. Алмазова в Санкт-Петербурге в начале 2019 года пациенту вживили компактный аппарат последнего поколения «Стрим Кардио». Стандартные варианты — это достаточно громоздкие конструкции с массивными аккумуляторами, обеспечивающими работу насоса. Изобретатели из Rice University придумали заменить аккумулятор генератором, который прикрепляется к ноге и при ходьбе вырабатывает энергию. И все же такие импланты — временная мера, которая помогает пациентам дожить до трансплантации органа.
Создать функционирующее сердце из живых тканей пока не удается. Основная проблема заключается в правильном выстраивании клеток — они должны быть расположены так, чтобы обеспечить правильное сокращение ткани от импульса. В противном случае сердце просто не будет биться. Частично проблема решена исследователями University of Toronto. Они создали каркас, напоминающий соты, в каждом отсеке которого клетки выстраиваются в одном направлении.
Глаза
Создать функционирующий глаз пока не удается, но разработки в этом направлении важны для науки, прежде всего, изучением свойств нервной ткани. В контексте этих исследований часто говорят о создании более сложных структур, а в перспективе — даже искусственного мозга.
Существенным прорывом стало создание японскими исследователями под руководством Йошики Сасаи органоида, трехмерной модели зрительного бокала, в котором были задействованы несколько видов клеток. Все они были правильно расположены и справлялись со своими функциями. В 2014 году еще одному японскому исследователю Ясуо Куримото удалось успешно пересадить выращенную из стволовых клеток сетчатку глаза.
Легкие
Одной из существенных проблем выращенных органов является создание сосудистой сети. И конечно, в этом плане легкие, в ткани которых осуществляется газообмен и которые пронизаны сосудами, являются особенно интересными для исследований.
Пока эксперименты ограничиваются пересадкой искусственных органов животным. Так в 2018 году ученые University of Texas (Medical Branch) сумели вырастить полноценное свиное легкое на каркасе животного происхождения с подсадкой клеток свиней-доноров. Орган рос на протяжении месяца в специальном растворе, после чего был пересажен животным. Примечательно, что в пересаженных легких за это время развилась сеть кровеносных сосудов, отторжения не наблюдалось.
