Создание искусственных органов человека. Искусственные механические органы

ВВЕДЕНИЕ В КЛИНИЧЕСКУЮ ТРАНСПЛАНТОЛОГИЮ

Начиная краткий обзор трансплантологических методов лечения больных, приведем сообщение, датированное 1993 г (Нью-Йорк): "В одной из клиник США проведена уникальная хирургическая операция - пятилетней английской девочке Лоре Дейвис пересадили печень, желудок, почки, поджелудочную железу и часть кишечника. Необходимость в столь сложной операции возникла в связи с тем, что девочка родилась с врожденным пороком органов пищеварения. В июне прошлого года ей пересадили часть кишечника и печень. Однако летом этого года началась реакция отторжения организмом пересаженных органов....". Указанное сообщение показывает, что в настоящее время клиническая трансплантология, опережая самые смелые фантастические мысли, прочно вошла в практику лечения ранее обреченных пациентов.

Понятие о трансплантологии как о науке. Трансплантология - это наука о пересадках органов и тканей. Успехи трансплантологии, опирающиеся на достижения современной научно-технической революции, получили признание общественности и практических врачей. Наиболее фко об этом свидетельствует накопленный к настоящему времени опыт пересадок почки, сердца, печени и применения искусственных устройств для поддержания функции жизненно важных органов. При этом аутотрансплантацией считают пересадку собственной ткани (или органа) в другую позицию (например - аутотрансплантация пальцев или кожи). Изотрансплантация предполагает пересадку между двумя генетически идентичными организмами (однояйцевыми близенецами). Подобные операции очень редки. Гомотрансплантация (аллотрансплантация) - это трансплантация органа или ткани от одного человека другому. Гетеротрансплантация (ксенотрансплантация) означает пересадку от животных человеку с применением ксеногенного органа или ткани.

Донор - это человек, у которого забирают орган (или ткань) для последующей операции трансплантации. Рецепиент - человек, которому имплантируют донорский орган (или ткань).

Донорский орган при трансплантации может быть инплантирован как в ортотопическую (прежнюю) или гетеротопическую (на другое место) позицию.

Трансплантология выкристаллизовалась из хирургии и в современном понятии основной деятельностью трансплантологов является хирургическая, но с многими специфическими особенностями, включающими иммунологический подбор рецепиентов и доноров; решение вопросов иммуносупрессии и вторичной инфекции; забора, транспортировки и временной консервации органов и тканей, а также ряд дру. гих важных проблем, в том числе и временного поддержания функции больных до операции (и в последствии трансплантированных после операции) органов при помощи искусственных систем.

Создание искусственных органов находится в числе основных направлений современной науки и решается на стыке биологических, медицинских и точных наук. Под искусственными органами принято понимать «устройства, предназначенные для постоянной или временной активной замены функции природного прототипа (В.И.Шумаков, 1990). Необходимость разработки искусственных органов обусловлена возможностью временного замещения утраченной функции природного прототипа, тем более, что хирургическая служба пересадки органов от доноров не может полностью обеспечить каждого больного из-за дефицита самих донорских органов.

Последние 20 лет отмечены бурным развитием трансплантолс гии, при этом советские ученые и медики внесли существенный вклад в развитие данной науки. Прежде всего этому способствовало решение технологических задач для создания биологически инертных материалов, способных не изменять своих свойств со временем, не вызывать тромбов и воспалительных реакций.

Особое значение в решении указанной задачи сыграла разработка экспресс-методов оценки гемосовместимости, токсичности и других качественных характеристик полимеров.

Значительное значение в развитии науки об искусственных органах имели разработки в области вспомогательного кровообращения, создания различных моделей искусственного сердца; совершенствовании биологических и полимерно-металлических конструкций клапанов сердца; новых моделей дозаторов лекарственных веществ и электростимуляторов; разработку и серийный выпуск фракционаторов крови, гибридных перфузионных систем и совершенствование устройств для детоксикации и модификации крови (гемосорбции, обменного гравитационного и фильтрационного плазмафереза, ультрафильтрации и гемодиализа). Все это позволило оценить данное направление медицинской науки как приорететное и требующее дальнейших изысканий.

История трансплантологии и роль отечественных ученых.

История трансплантологии насчитывает многовековой период. Еще в Аюрведе (древнем индийском трактате о способах лечения) имеется упоминание в факте пересадки нижней конечности от негра белому человеку. Данное сообщение свидетельствует о необычайной смелости врачей-хирургов и о том, что уже в древние времена мысли о возможной замене больного органа на здоровый занимали умы медиков.

История научной трансплантологии началась в XIX веке. Многие десятилетия эта наука плодотворно развивалась в рамках хирургии. Наибольший вклад в развитие трансплантологии внесли хирурги, особенно из тех, кто занимался восстановительной и пластической хирургией. К числу таких исследователей и клиницистов относят Эриха Лексера. В частности, данный хирург занимался вопросами свободной пересадки костей от трупа больным пациентам и разрабатывал методы аллотрансплантации суставов. В 1907 году в Кенигсберге Лексер выполнил первую в мире успешную клиническую аллотрансплантацию сустава. Лексер занимался также трансплантациями сосудов, а именно вен; а также сухожилий; фасций и жировой ткани. В периоде 1914-1924 он издал 2-томное руководство "Свободные трансплантации". Это издание долгие годы было на вооружении трансплантологов и хирургов.

Русский ученый профессор С.В. Шамов не без оснований называл переливание крови пересадкой крови. Ведь действительно, в данном случае ткань одного человека (кровь) вводится другому, то есть имеет место гомологическая трансплантация.

Основные положения теории трансплантационного иммунитета разработал наш соотечественник И.И.Мечников.

В 1929 году видный русский ученый С.С.Брюхоненко на съезде патофизиологов впервые в мире демонстрировал аппарат («автожектор»), предназначенный для оксигенации и нагнетания крови. При этом изолированная от туловища голова собаки, перфузируемая согретой и оксигенированной кровью сохраняла рефлексы, лакала воду и пыталась лаять. Для того времени это был гигантский скачок вперед, позволивший создать в скором времени аппараты для искусственного кровообращения и по сути дела открыть этап операций на "сухом" сердце.

Нельзя не вспомнить о великом исследователе и экспериментаторе, нашем современнике В.П. Демихове, работы которого по пересадке сердца, комплекса "сердце-легкие", создании банка органов, аортокоронарном шунтировании, а также гемикорпорэктомии с последующей трансплантацией туловища являются классикой в трансплантологии. Полученные отечественным ученым результаты послужили путеводной вехой клинической пересадки указанных органов. В.П. Демиховым еще в 1960 г показана принципиальная возможность поддержания кровообращения в организме животного с помощью механического устройства, имплантированного на место удаленного собственного сердца. После такой операции собака жила в течение 2,5 часов. Хирург Барнард (ЮАР), впервые выполнивший клиническую пересадку сердца, и другие видные исследователи считали В.П. Демихова своим учителем.

Первую в мире клиническую пересадку почки выполнил в Киеве в апреле 1933 года отечественный хирург Ю.Ю.Вороной. Почку от трупа в 1965 году первым в Союзе пересадил академик Б.В.Петровский.

Все изложенное выше свидетельствует о большом пути, пройденном экспериментальной и клинической трансплантологией, о вкладе многих и многих исследователей и о существенной роли отечественных ученых в развитие науки о методах пересадки органов и тканей.

К настоящему времени уже сделано большое число самых разных трансплантаций, позволивших спасти жизнь и улучшить ее качество многим тысячам больных. В таблицах 1 и 2 приведена сводная статистика о числе и результатах данных операций.

Рекорды международной выживаемости трансплантатов (1992 г)

Приведенные в таблицах 1 и 2 данные убедительно свидетельствуют о возрастающем интересе хирургов к трансплантологиии о существенном позитивном вкладе данной науки в сохранении жизни и здоровья населения планеты.

Забор органов, проблема "смерти мозга", иммуносупрессия.

В числе ведущих медико-биологических "нехирургических" проблем в трансплантологии находятся проблемы, связанные со смертью мозга, сроками и способами забора органов и тканей, иммунологическим подбором пары "донор-рецепиент" и последующей иммунологической супрессией.

Необходимо отметить, что имеются определенные ограничения забора органов со стороны доноров. При отсутствии таковых донорами могут быть люди, в возрасте от 5 до 50 лет. К ним относятся:

Изолированная черепно-мозговая травма.

Разрыв аневризмы сосудов головного мозга.

Некоторые заболевания головного мозга.

Суицидные попытки.

Отравление барбитуратами.

При этом доноры не должны страдать хроническими органическими заболеваниями жизненно важных органов или инфекционной патологией.

Не вдаваясь глубоко в данные проблемы, отметим, что термин "смерть мозга" является не только медицинским, но и общефилософским понятием. Вплоть до недавнего времени (до 1993 г) советские трансплантологи не имели юридической базы для изъятия органов у больных при гибели коры головного мозга и работающем сердце. Это создавало целый ряд серьезных препятствий для пересадки сердца, легкого, почки и печени. В самом деле, ранее считали, что если бьется сердце, то человек жив и изымать его органы - это преступление. В настоящее время в большинстве развитых стран мира принято, что в тех ситуациях, когда зафиксирована гибель коры головного мозга и неблагоприятный прогноз становится ясным, возможно использовать функционирующие органы больного для спасения жизни других людей.

В настоящее время критериями смерти мозга считают прямую линию на энцефалограмме; отрицательные атропиновый тест и тест с насыщением крови кислородом; отсутствие нистагма при раздражении слухового канала водой. Данные положения совпадают с международными требованиями и защищены соответствующим законодательством. В России органное донорство регулируется двумя законами - Законом «О трансплантации органов и (или) тканей человека», принятом 22 декабря 1992 г.. и Законом «О погребении и похоронном деле», принятом 8 декабря 1995 г. В совокупности они допускают изъятие органов у трупов при согласии родственников или их законных представителей или при их отсутствии, как это бывает при гибели неизвестных лиц.

В специализированных учреждениях имеются функциональные подразделения, ответственные за выявление, типирование и забор органов - так называемые центры забора. Центры являются координационной структурой, определяющей и реализующей тактику получения донорских трансплантатов с их иммунологической селекцией и распределением на основе "листа ожидания". Такие центры обладают опытом обмена донорскими органами подобными структурами в США, Израиле, Германии, Англии и других странах. Вся работа в них ведется в режиме круглосуточного дежурства, а сами трансплантологические операции носят характер экстренных, ввиду ограниченных временных сроков хранения донорских органов.

Современная схема забора органов предусматривает следующее: оповещение о больном со смертью мозга; экспресс обследование на месте бригадой трансплантологов и изъятие на месте (почка) или транспортировку донора в трансплантологический центр (сердце, легкие и др). Как правило, стараются применить схему полиорганного забора (рис.1) с последующим типированием иммунологических показателей и оповещением нескольких подходящих рецепиентов, находящихся в листе ожидания.

ßРис. 1. Схема мультиорганного забора органов.

При отсутствии таких больных в известность ставят другие трансплантологические центры у нас в стране и за рубежом. При этом очень важен фактор времени, так как результаты пересадок существенно зависят от сроков ишемии и консервации донорских органов.

В настоящее время подбор донора осуществляется по двум основным системам антигенов: АВО (антигены эритроцитов) и HLA (антигены лейкоцитов или антигены гистосовместимости).

Иммуносупрессивная терапия после трансплантации - это основа консервативного лечения. При подавлении трансплантологического иммунитета длительное время использовали гормоны - преднизолон и стероидные препараты. Разработки последних 20 лет позволили внедрить новые фармакологические средства, супрессивное действие которых существенно выше, а побочные эффекты (цитотоксичность, гормональные язвы, артериальная гипертензия, сепсис) ниже. Таким препаратом, например, является циклоспорин "А", созданный фирмой "Сандос" (Швейцария). По структуре - это метаболит некоторых низших грибов, обладающий иммунодепрессивным действием без миелотоксичных реакций. Циклоспорин "А" предотвращает распознавание антигена лимфоцитами, которые не превращаются в цитотоксичные киллеры. Введение в 80-х годах в клиническую практику данного препарата имело революционный характер и почти повсеместно увеличило выживаемость трансплантатов на 15-20%. Однако к настоящему времени выявлены и отрицательные побочные действия циклоспорина "А" - гепато- и нефротоксичность, а также увеличение частоты вирусных инфекций у рецепиентов.

Следует отметить, что применение циклоспорина "А " мало повлияло на лечение кризов отторжения - самых опасных иммунологических состояний, обусловленных несовместимостью антигенных структур пары "донор-рецепиент". В данном случае применяют моноклональные антитела, стероидные гормоны, антимоноцитарный глобулин и обменный плазмаферез. К другим фармакологическим препаратам, подавляющим трансплантационный иммунитет являются азатиоприн, ортоклон и антилимфоцитарные сыворотки.

Изложенное свидетельствует о значительной специфике лечения трансплантологических больных, что требует специальных многопрофильных знаний.

Помимо чисто хирургических причин неблагоприятных исходов (кровотечения; несостоятельность соустий, интраоперационная эмболия, сердечная слабость, травматический шок и другие) в трансплантологии, наиболее частыми осложнениями являются острое отторжение органа; нежизнеспособность трансплантата; сепсис; сердечно-сосудистая недостаточность и синдром взаимного отягощения с нарушением функции нескольких жизненноважных органов.

Частная трансплантология

С е р д ц е. В эксперименте первую пересадку сердца, как указывалось ранее, осуществил отечественный ученый, хирург-трансплантолог В.П.Демихов в 50-х годах.

Пересадка сердца у больного впервые выполнена К.Барнардом из ЮАР (1967 г). Пациент после операции прожил 16 суток. С этой поры открыта новая важная веха лечения больных с необратимыми и несовместимыми с жизнью нарушениями структуры и функции сердца.

В СССР первая трансплантация сердца сделана А.В.Вишневским (больной после операции прожил 33 часа). Успешная пересадка сердца осуществлена академиком РАН профессором В.И.Шумаковым в 1986 году. Всего за период с 1986 по 2001 год только в НИИ трансплантологии и искусственных органов РАМН выполнено 99 пересадок этого органа. Данные операции проведены также в ВНЦХ РАМН, а также в Вильнюсе. Таким образом, можно уже говорить о завершении этапа отработок и о запуске их "на поток".

Показаниями к ортотопической трансплантации сердца считают тяжелую хроническую недостаточность кровообращения, резистентную к медикаментозной терапии (дилатационная кардиомиопатия; ИБС и др.).

Противопоказаниями к данной операции считают легочную гипертензию выше 50 мм рт.ст.; хронические заболевания почек; печени; желудочно-кишечные заболевания; болезни периферических сосудов и крови, а также злокачественные опухоли.

Забор сердца может быть дистанционный (в лечебном учреждении, где находится донор) или в учреждении, где планируется операция пересадки. В ряде ситуаций перед пересадкой сердца используют разные варианты подключения вспомогательного кровообращения или искусственного имплантируемого сердца в целях продления жизни рецепиенту и для поиска необходимого донорского сердца.

Основными осложнениями после пересадки сердца являются острая (чаще правожелудочковая) сердечная недостаточность и острые кризы отторжения. Частота инфекционных осложнений достигает 12-16%. Пересадка сердца осуществляется в ортотопическую позицию.

В нашей стране к настоящему времени успешных пересадок комплекса "сердце-легкие" в настоящее время нет. Показаниями к данной операции служат грубые, несовместимые с жизнью сочетанные поражения сердца и легких.

Почка. Пересадку почки на заре развития метода начинали осуществлять от живых родственников. В последующем (и по настоящее время) применять стали пересадку трупной почки с давностью тепловой ишемии не более суток.

Из истории вопроса о пересадке почки известно, что первую пересадку этого органа в эксперименте выполнена Каррелем и Ульманом (1902). В 1934 году отечественным хирургом Вороным сделана первая попытка трансплантации почки больной при острой почечной недостаточности. В 1953 г Хьюм сделал первую в мире успешную клиническую трансплантацию почки от родственного донора.

В настоящее время в России ежегодно почку пересаживают около 700 пациентов (в странах Европы - около 10000).

К настоящему времени наиболее перспективна пересадка почки, которую забрали в процессе мультиорганного забора при смерти мозга. Пересадка почки - наиболее разработанный аспект проблемы клинической трансплантологии. Как свидетельствует табл. 1 и табл.2 сейчас имеются тысячи больных с пересаженными почками, у которых сроки выживания трансплантатов вполне удовлетворительны. В техническом отношении современное решение места пересадки почки - это пересадка к внутренним подвздошным сосудам с анастомозом мочеточника и мочевого пузыря. По числу реимплантаций к настоящему времени есть пациенты с 3-5 пересадками почек. Следует помнить, что до 40-50% почечных трансплантатов гибнет в течение 1-го года после операции.

Показаниями к пересадке почки в настоящее время считают терминальную стадию хронической почечной недостаточности (ХПН) разной причины (хронический гломерулонефрит, хронический пиелонефрит, поликистоз почек, мочекаменную болезнь с исходом в гидронефроз и др.). Следует отметить, что трансплантацию почки осуществляют в гетеротопическую позицию на подвздошные сосуды.

Печень. Первая ортотопическая пересадка печени осуществлена профессором Старлзом в 1963 году. В СССР первую ортотопическую трансплантацию печени выполнили в 1990 году больной с гепатоцеллюлярным раком печени. Из показаний к пересадке данного органа наибольшую группу составляют пациенты с циррозом и раком печени. Операция по срокам составляет 12-16 часов. Объем гемотрансфузий за время операции и после нее может достигать 12-15 литров крови при общем объеме трансфузий - до 30 литров. В периоде операции, наряду с чисто хирургическими задачами, решаются проблемы вено-венозного перфузионного обхода печени (рис.2), трансфузиологии и анестезиологического пособия.

ß Рис.2. Схема перфузионного обхода печение при ее пересадке.

Показаниями к пересадке печени являются цирроз, первичный рак печени, склерозирующии холангит, атрезия желчевыводящих путей и другие заболевания.

Абсолютным противопоказанием к пересадке печени считают сепсис вне билиарной системы; метастатические поражения вне печени; активный алкоголизм; выраженную гипоксию; несогласие больного или родственников на операцию; прогрессирующие сердечно-легочные заболевания; СПИД. При этом основную группу рецепиентов составляют больные с циррозом и с раком печени.

Поджелудочная железа . Если хирургические аспекты пересадки сердца, комплекса сердце-легкие; почки и печени уже решены, то нельзя сказать то же самое о пересадке поджелудочной железы. Первую пересадку этого органы выполнили в 1966 году Келли и Лиллехай. К настоящему времени в мире осуществлено свыше 10000 трансплантаций.

При этом возможны как ортотопическая (с сохранением экзокринной функции), так и гетеротопическая (с прекращением экзокринной функции) железы. В ряде случаев используют пломбировку протоков полимеризующимися смесями. Наиболее перспективна пересадка железы с анастомозом площадки 12-перстной кишки с большим дуоденальным сосочком - с одной стороны, и кишечником или мочевым пузырем - с другой.

Достаточно перспективным считают трансплантации клеточных структур и тканей (костного мозга, островкового аппарата поджелудочной железы, печени, надпочечников, селезенки и др.).

ИСКУССТВЕННЫЕ ОРГАНЫ

Полимеры медицинского назначения. В конце 70-х годов, в связи с широким внедрением в практику здравоохранения аппаратов для искусственного кровообращения и гемодиализа, а также имплантируемых устройств, резко возросло число публикаций, посвященных разработке и исследованию гемосовместимых полимеров и заданным комплексом физико-химических и медико-биологических свойств.

Необходимость в полимерных материалах медицинского назначения подтверждается данными долгосрочного прогнозирования использования искусственных органов в мире в 1990 г, по сравнению с 1980 г, сделанном департаментом науки и техники Японии. Так, потребность в биоматериалах возрасла для изготовления костей и суставов - в 1,3 раза; кровеносных сосудов - в 3,2; аппаратов "сердце-легкие" - в 2,3; клапанов сердца - в 3,0; водителей ритма сердца - в 1,5; искусственных почек - в 2,2; аппаратов вспомогательного кровообращения (искусственный желудочек сердца) - в 3,3 раза. В среднем предполагаемый ежегодный прирост производства изделий для сердечно-сосудистой хирургии до 1990 года составит 10-15%.

Таким образом, важность данного аспекта и его перспектива в трансплантологии сомнению не подлежит.

Искусственное сердце. Концепция замещения функции сердца механическим аналогом не нова. Еще в 1812 году la Gallois заметил, что если удастся заместить сердце каким-либо насосом крови, то можно успешно сохранить живой любую часть тела. Первые успешные экспериментальные исследования по имплантируемому сердцу выпонены W.Kolff (1980). Полученные результаты позволили считать, что метод замены собственного сердца искусственным, как временная мера, может быть применен в клинике. К настоящему времени в мире проведено свыше 50 операций в клинике, где имплантация искусственного сердца явилась временной мерой для сохранения жизни пациенту. В 1/3 клинических наблюдений имплантация искусственного сердца была первым этапом операции с последующей заменой насоса трансплантатом.

Вспомогательное кровообращение. В лечении острой сердечной недостаточности различного генеза, которая резистента к применению фармакологических препаратов большое значение придают методам вспомогательного кровообращения.

Поскольку основным воздействием вспомогательного кровообращения является влияние его на метаболизм сердечной мышцы, этот показатель и положен в основу классификации методов вспомогательного кровообращения:

1- методы, улучшающие метаболизм миокарда за счет снижения постнагрузки - методы контрпульсации;

2- методы, улучшающие метаболизм за счет уменьшения преднагрузки - методы шунтирования;

3- методы, улучшающие метаболизм за счет уменьшения конечно-диастолического объема - кардиомассаж и внутрижелудочковое вспомогательное кровообращение;

4 - методы, улучшающие непосредственно коронарную перфузию - ретроградная перфузия и окклюзия коронарного синуса, перфузия коронарных артерий.

Для использования вспомогательного кровообращения применяют различные устройства - насосы (мембранные, роликовые, желудочковые; турбинные) (рис.3.4,5); баллончик Брегмана (рис.6.) с датаскопом - синхронизатором пневмопривода с фазами работы сердца; пластиковые приспособления на конечности и грудную клетку при наружней контрпульсации; различные катетеры с окклюзионными манжетками и устройством для оксигенации крови и т.д.

ßРис.3. Вспомогательное кровообращение с применением искусственного желудочка сердца.

Рис.4. Возможные локализации подключения искусственных желудочков сердца для вспомогательного кровообращения.

ß Рис.5. Разрез искусственного желудочка сердца:1-клапан входа крови; 2-клапан выхода крови; 3-пневмопривод; 4-камера крови; 5-воздушная камера.

Рис.6. Места введения баллончика Брегмана для вспомогательного кровообращения.

Для вспомогательного кровообращения могут использоваться также имплантируемые системы как полностью автономные, так и частично автономные.

Применение искусственной оксигенации крови при гипоксиях, в частности при критических состояниях различного генеза, является чрезвычайно важной проблемой медицины. Лечение острой гипоксии чаще всего связывают с различными режимами искусственной вентиляции (ИВЛ) легких (собственно говоря их протезированием), реже - с применением гипербарической оксигенации. Однако, в ряде клинических ситуаций использование указанных методов явно недостаточно. В случае острой дыхательной недостаточности применяют внелегочные пути и устройства для экстракорпоральной оксигенации крови - чаще речь идет о м е м б р энной оксигенации. Принцип действия данных приборов заключается в использовании полунепроницаемых мембран, с одной стороны которых протекает кровь, с другой - подается газ под давлением. При этом кислород диффундирует в кровь, а из крови элиминируется углекислая кислота. Оксигенация не менее 1/3 минутного выброса сердца с помощью этого экстракорпорального устройства, подключенного к периферическим сосудам, позволяет заместить на время до 3-х суток оксигенирующую функцию легких. В этом периоде возможно провести ряд мер интенсивного лечения больных и добиться успеха.

Мембранные оксигенаторы могут быть применены также при операциях на открытом сердце в сочетании с искусственным кровообращением. В данном случае они более предпочтительтны (особенно при длительных перфузиях) перед другими конструкциями оксигенаторов - пузырьковыми; пено-пленочными и др.

Важным направлением клинического применения мембранных оксиненаторов служат гибридные перфузионные системы и изолированные перфузии цельных органов, например селезенки.

В случае поражения функции печени и почек применяют искусственные перфузионные системы, временно замещающие функцию жизненноважных органов типа гибридных систем (с применением живых изолированных гепатоцитов) (Рис.7,8); гемосорбции и обменного плазмафереза; гемодиализа. Принцип действия этих устройств различен, тем не менее из организма при помощи указанных устройств удается вывести токсичные и балластные субстанции и тем самым обеспечить условия жизни пациенту.

При наличии у больного некорригируемого инсулином сахарного диабета могут быть использованы: подсадка клеток инсулярного аппарата, выделенных или полученных при культивации; аппарат типа "Биостатор" с обратной связью для коррекции в реальном режиме времени уровня сахара в крови; паракорпоральные и имплантируемые дозаторы инсулина.

Таким образом, приведенные данные о результатах многих медикотехнических и клинических проблем науки о трансплантологии и искусственных органах убедительно свидетельствуют о успехах лечения самых тяжелых больных различного профиля, а также о множестве имеющихся нерешенных проблем. Все это диктует необходимость поиска решений и развития данной науки.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

АО «Медицинский университет Астана»

Кафедра: Медбиофизики и ОБЖ

Тема: «Искусственные органы»

Астана 2014

Идея о замене больных органов здоровыми возникла у человека еще несколько веков назад. Но несовершенные методы хирургии и анестезиологии не позволяли осуществить задуманное. В современном мире трансплантация органов заняла достойное место в лечении терминальных стадий многих заболеваний. Были спасены тысячи человеческих жизней. Но проблемы возникли с другой стороны. Катастрофический дефицит донорских органов, иммунологическая несовместимость и тысячи людей в листах ожидания того или иного органа, которые так и не дождались своей операции.

Ученые всего мира все чащи задумывались над созданием искусственных органов, которые могли бы заменить настоящие по своим функциям, и в этом направлении были достигнуты определенные успехи. Нам известны искусственные почка, легкие, сердце, кожа, кости, суставы, сетчатка, кохлеарные имплантаты.

Искусственные органы

Применение искусственных органов началось довольно давно, начиная с 1982 года, когда шестидесятиоднолетний человек по имени Барни Кларк, в прошлом дантист, первым получил искусственное сердце Jarvik-7. Аппаратура, которая поддерживала жизнь Кларка, была большой и громоздкой, но она делала свою работу, обеспечивая кровообращение в организме Кларка в течение 112 дней, пока он в конце концов не умер из-за сгустков крови и других осложнений.

Jarvik-7 до сих пор используется как временное устройство для продления жизни людей с больным сердцем до тех пор, пока им не сделают операцию по пересадке сердца. Однако очень скоро стало очевидно, что эта машина не пригодна для постоянного применения. Она слишком сложна, слишком неуправляема и слишком неэффективна для практического применения, но она действительно открыла дверь для создания целого ряда новых искусственных органов, многие из которых, несмотря на то что находятся пока в стадии разработки, дают большую надежду на продление продолжительности жизни человека.

По сравнению с другими органами, такими как печень и поджелудочная железа, сердце - это относительно простой механизм. Ему не нужно переваривать химические вещества, производить ферменты или фильтровать жидкости - оно просто должно перекачивать кровь. Учитывая ошибки, допущенные при создании первого искусственного сердца, исследователи в настоящее время работают над усовершенствованием аппаратов искусственного сердца последнего поколения для того, чтобы создать миниатюрный насос, который был бы настолько маленьким, чтобы его можно было внедрить в тело и не использовать при этом большую систему поддержки. И, кроме того, сейчас они в основном оставили идею создания целого механического сердца, сконцентрировавшись вместо этого на создании устройств, которые помогают жить пациентам с сердечной недостаточностью до тех пор, пока для больного сердца не будет найдена подходящая замена.

Самый впечатляющий пример такого вспомогательного сердечного аппарата - это устройство, поддерживающее работу левого желудочка (LVAD). Это устройство, которое использовалось в течение нескольких прошлых лет, питается от маленького аккумулятора, который носится на теле в области живота. С его помощью устройство выкачивает кровь из левого желудочка. LVAD дает дополнительное время пациентам с больным сердцем, которые ожидают операции по пересадке.

Следующим шагом, говорят ученые, явится создание искусственного сердца, которое будет полностью вживляться в тело, не требуя большого блока питания, и которое сможет работать точно так же, как настоящее сердце. Одна из главных проблем, связанных с искусственным сердцем, заключается в том, как оно перекачивает кровь. Более ранние аппараты, такие как Jarvik-7, полагались на систему диафрагмы, которая перекачивала кровь. Однако ученые говорят, что они нашли более надежный и совершенный способ - посредством крошечных двигателей, устанавливаемых внутрь устройства с помощью магнита.

Такое искусственное сердце, экспериментальный орган, получивший название Стримлайнер (Streamliner), было разработано в Центре МакГована. Это легкое устройство имплантируется в область живота и перекачивает кровь через естественное сердце и артерии при помощи пары трубок. Питание поступает от индуктивного сцепления, которое передает энергию от катушки, прикрепленной к маленькой батарее, которая носится на поясе, ко второй катушке и батарее, имплантированной прямо под кожей. Такая система обеспечила бы пользователю почти полную свободу - то, чего никогда не было у Барни Кларка. Однако Стримлайнер станет доступным еще не скоро; для его разработки потребуется еще много месяцев, и только после этого начнутся испытания, - говорят его создатели.

Создание искусственного сердца - это детская игрушка по сравнению с созданием более сложных органов, таких как печень, почки или поджелудочная железа. Эти органы часто называют «умными органами» из-за того, что они выполняют сложные функции, и их механические заменители почти наверняка должны будут содержать органические ткани для того, чтобы они могли работать должным образом. Почему? Науке предстоит пройти еще очень длинный путь, прежде чем она сможет создать механические заменители органов, которые смогли бы работать также, как настоящие.

Большинство исследований, направленных на создание биохимических «умных» органов, включают искусственное выращивание клеток органа, взятых у человека или животного, затем эту ткань помещают в так называемый биореактор - коробка или цилиндр, в котором с помощью постоянной подачи кислорода и необходимых питательных веществ создаются условия для поддержания жизни и функционирования ткани. В большинстве случаев сейчас во время таких исследований биореактор помещается в большой механизм, который перекачивает по трубам кровь. Использование полностью вживляемых биореакторов будет возможным, по крайней мере, лет через десять, - говорят ученые-медики, хотя аппараты временного пользования, которые можно носить на теле, возможно, появятся несколько раньше.

Один из самых необходимых искусственных органов - это почка. В настоящее время десятки тысяч людей для того, чтобы выжить, должны регулярно подвергаться диализу - вредной и отнимающей много времени процедуре. А диализ - это несовершенная процедура. Здоровые почки отфильтровывают отходы мочевины из крови и снабжают организм важными питательными веществами, такими как сахара и соли, полученные из этих отфильтрованных отходов. К сожалению, механизмы, с помощью которых сегодня осуществляется диализ, просто не могут выполнять вторую задачу.

Ее решение, говорят ученые, возможно с помощью искусственной биологической почки, которая представляла бы собой специально выращенную ткань, помещенную в механическое устройство. Искусственный орган такого типа мог бы справиться со всеми функциями настоящей почки, и таким образом отпала бы необходимость в традиционном диализе для большинства людей.

Такой орган в настоящее время пытаются разработать исследователи Мичиганского университета. Они культивировали проксимальные клетки канальцев, взятые из почек свиньи, и переплели их с чрезвычайно тонкими волокнами, помещенными внутрь фильтрационного патрона. Этот патрон содержится в механизме, который фильтрует кровь пациента и возвращает ей необходимые питательные вещества, которые в противном случае были бы потеряны. Эта система успешно испытана на собаках, и в тот момент, когда эта книга готовилась к изданию, исследователи ждали разрешения на проведение испытаний на людях.

искусственный орган имплантация

Скорее всего, биопочка, разработанная в Университете Мичигана, будет использоваться как временная мера, устройство, которое позволит людям с острой почечной недостаточностью жить до тех пор, пока не будет найден настоящий орган для трансплантации. Однако его создатели говорят, что появление более маленького и более совершенного аппарата - это лишь вопрос времени. Такое устройство, даже и не столь совершенное, как настоящая почка, могло бы сократить время процедуры диализа на целых 50 процентов, и, возможно, даже позволить обходиться без нее совсем.

Поджелудочная железа

Искусственная поджелудочная железа - это еще более сложное устройство, чем искусственная почка. Однако усилия, направленные на ее создание, того стоят, - говорят сторонники этой инициативы, поскольку такое устройство могло бы значительно улучшить здоровье и качество жизни миллионов людей, страдающих инсулинозависимой формой диабета.

Люди с инсулинозависимым диабетом должны регулярно проверять кровь на содержание сахара и вводить себе инсулин для того, чтобы держать болезнь под контролем. Один из самых больших недостатков такого лечения состоит в том, что невозможно узнать точно, сколько инсулина необходимо ввести больному. В большинстве случаев пациентам приходится исходить из собственного предположения. Это приводит к постоянным колебаниям уровня глюкозы, а это, как полагают, является причиной многих обычных осложнений, связанных с диабетом, включая болезнь сердца и проблемы со зрением.

Идеальная искусственная поджелудочная железа могла бы «догадываться» об уровне глюкозы по реакции организма для того, чтобы определить точно, когда и сколько инсулина ему требуется. В настоящее время на стадии разработки находится устройство под названием PancreAssist, над которым работают биомедики из Лексингтона, штат Массачусетс. Эта система контролирует химические процессы в организме и определяет, сколько инсулина ему требуется, и затем вводит его именно в то время, когда это необходимо.

PancreAssist - это устройство, состоящее из пластикового корпуса, вживляемой трубчатой мембраны, окруженной производящими инсулин «островками» из клеток, взятых у свиньи. Когда поток крови пользователя проходит по трубе, эти островки определяют уровень содержания в крови глюкозы и начинают вырабатывать инсулин, который в нужный момент поступает в кровоток, проходя через мембрану.

Мембрана также играет важную роль в защите этих островков от естественных систем защиты организма, которые сразу же начинали бы действовать, если бы была такая возможность. Если все будет идти хорошо, то клинические испытания этого устройства на людях могут начаться в течение нескольких ближайших лет, - говорят ученые.

Столь же важный, но еще более сложный орган - это печень. Расположенный в верхней правой области живота, он играет важную роль в усвоении организмом питательных веществ. Печень преобразовывает излишнюю глюкозу в гликоген, который она хранит и затем повторно преобразовывает в глюкозу, когда это необходимо. Печень также расщепляет излишние аминокислоты, превращая их в мочевину, помогает организму усваивать жир и выполняет ряд других функций. Когда печень повреждена болезнью (гепатит С) или в результате злоупотребления алкоголем, она не может функционировать должным образом. Печеночная недостаточность, как правило, означает смерть.

Печень - это трансплантабельный орган, но количество людей, нуждающихся в пересадке донорского органа, значительно превышает количество донорских органов, поэтому существует острая потребность в таком искусственном органе. Создание искусственной печени, которая могла бы функционировать на протяжении всей жизнь, могло бы помочь бесчисленному количеству пациентов, страдающих острой печеночной недостаточностью и находящихся в беспомощном положении. Однако такой орган появится еще очень нескоро. Лучшим и более надежным выходом из этого положения может стать биологическая искусственная система, которая могла бы выполнять большинство функций печени в течение короткого периода времени, достаточного для того, чтобы больной орган смог самостоятельно восстановиться.

Некоторые специалисты считают, что в большинстве случаев одной недели было бы достаточно для восстановления поврежденной печени настолько, чтобы она могла почти нормально функционировать.

Неудивительно, что несколько компаний упорно работают над созданием таких систем. К ним относится и компания Сере Биомедикал, которая в сотрудничестве со специалистами Седар-Синайского Медицинского центра в Лос-Анджелесе разработала экспериментальную систему под названием «Hepat Assist». Эта система, для создания которой использовались клетки, взятые из печени свиньи, выводит токсины из крови почти так же, как прототип биологической искусственной почки, - говорят исследователи. Пластмассовый патрон, изнутри покрытый искусственно выращенными клетками, вставляется в большой механизм, который очищает проходящую через него кровь. В лучшем случае пациенты будут использовать этот аппарат приблизительно шесть часов ежедневно в течение одной недели - времени, которого достаточно для того, чтобы печень могла себя восстановить.

Биологические искусственные органы - это лишь один подход, который ученые пытаются использовать в своем поиске способов продления жизни людей, организм которых по каким-либо причинам отказывается работать. Другой подход, который больше относится к научной фантастике, чем к реальности в этом отношении, но все-таки заслуживает обсуждения, - это концепция, связанная с понятием «ксенотрансплантация», которая основана на идее пересадки больным людям органов, полученных от других видов.

Проблему отторжения организмом получателя нового, чужеродного органа можно было бы предотвратить с помощью введения в эти органы человеческих генов, которые после этого не могли бы вызывать естественную иммунную реакцию организма, - говорят ученые.

Заключение

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.

Идеальный искусственный орган должен соответствовать следующим параметрам:

Его можно имплантировать в организм человека;

Он не имеет сообщения с окружающей средой;

Изготовлен из легкого, прочного, обладающего высокой биологической совместимостью материала;

Долговечный, выдерживающий большие нагрузки;

Полностью моделирует функции естественного аналога

Список использованной литературы

1. http://meduniver.com/Medical/Xirurgia/815.html\

2. http://transplantation.eurodoctor.ru/artificialorgan/

3. http://help-help.ru/old/239/

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Значение искусственных органов в современной медицине. Активные и пассивные протезы рук. Правильный выбор протеза для человека с физическим повреждением нижних конечностей. Прототипы эффективных имплантируемых искусственно человеку протезов всего сердца.

реферат , добавлен 09.04.2016

Изучение источников и особенностей применения стволовых клеток. Исследование технологии выращивания искусственных органов на основе стволовых клеток. Преимущества биологического принтера. Характеристика механических и электрических искусственных органов.

презентация , добавлен 20.04.2016

Понятие искусственного сердца, его назначение и показания к применению. Поиск искусственного сердца с наиболее продвинутыми технологиями. Особенности аналогов этого аппарата, их оценка. Моделирование прототипа и гипотезы по преодолению его недостатков.

реферат , добавлен 12.07.2012

Имплантация искусственного хрусталика (интраокулярной линзы) в глаз. Виды искусственных хрусталиков. Особенности проведения операции по имплантации искусственного хрусталика при его помутнении (катаракте), при выраженных нарушениях остроты зрения.

презентация , добавлен 13.01.2014

Патогенез поражения нервной системы при соматических заболеваниях. Заболевания сердца и магистральных сосудов. Неврологические нарушения при острых и хронических заболеваний легких, печени, поджелудочной железы, почек. Поражения соединительной ткани.

лекция , добавлен 30.07.2013

Обзор и сравнительная характеристика искусственных клапанов. Механические искусственные клапаны. Дисковые и двухстворчатые механические искусственные клапаны сердца. Искусственное сердце и желудочки, их характеристика, принцип работы и особенности.

реферат , добавлен 16.01.2009

Создание искусственных органов как одно из важных направлений современной медицины. Значение выбора материалов, адекватного поставленной цели инженерного решения. Искусственные кровь, кровеносные сосуды, кишечник, сердце, кости, матка, кожа, конечности.

презентация , добавлен 14.03.2013

Приобретенные пороки сердца (клапанные пороки). Недостаточность и стеноз митрального, аортального и трехстворчатого клапанов. Лечение врожденных и приобретенных пороков сердца. Радикальная пластика или имплантация искусственных клапанов, коарктация аорты.

презентация , добавлен 05.02.2015

Особенности изучения внешней и внутренней секреции поджелудочной железы. Белки, минеральный состав поджелудочной железы, нуклеиновые кислоты. Влияние различных факторов на содержание инсулина в поджелудочной железе. Описание аномалий поджелудочной железы.

реферат , добавлен 28.04.2010

Особенности расположения и функции поджелудочной железы. Специфика формирования и развития этого органа. Сравнительно-анатомические данные строения поджелудочной железы у разных видов животных. Значение поджелудочной железы в регуляции углеводного обмена.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Искусственные органы человека

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ВО) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЗУ) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ИС) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (СП) автора БСЭ

Из книги Промальп в ответах на вопросы автора Гофштейн Александр Ильич

Из книги Тайны драгоценных камней автора Старцев Руслан Владимирович

Из книги Странности нашего тела – 2 автора Джуан Стивен

3.9. Искусственные точки закрепления веревок (искусственные точки опоры - ИТО) Если нет возможности надежно закрепить несущую и (или) страховочную веревку (точки закрепления отсутствуют вовсе или их надежность сомнительна), а использование локальных петель по каким-либо

Из книги Правоведение: Шпаргалка автора Автор неизвестен

Искусственные рубины Уже было сказано о том, что давно люди пытались получать драгоценные камни сами. Но только с получением обширных знаний по физике и химии это в конце концов оказалось возможно.Еще в 1837 году некий Марк Годен - французский химик - поставил и успешно

Из книги Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ] автора Лернер Георгий Исаакович

Существуют ли искусственные почки? Можно сказать, что подобие искусственных почек существует с 1944 г. Функции почек выполняет аппарат для диализа, но его размещают вне тела. Диализ можно проводить, используя стационарную больничную установку (обычно два раза в неделю),

Из книги Осмысление процессов автора Тевосян Михаил

Из книги Макияж [Краткая энциклопедия] автора Колпакова Анастасия Витальевна

5.5. Анализаторы. Органы чувств, их роль в организме. Строение и функции. Высшая нервная деятельность. Сон, его значение. Сознание, память, эмоции, речь, мышление. Особенности психики человека 5.5.1 Органы чувств (анализаторы). Строение и функции органов зрения и слуха Основные

Из книги Катастрофы тела [Влияние звезд, деформация черепа, великаны, карлики, толстяки, волосатики, уродцы...] автора Кудряшов Виктор Евгеньевич

6.5. Происхождение человека. Человек как вид, его место в системе органического мира. Гипотезы происхождения человека. Движущие силы и этапы эволюции человека. Человеческие расы, их генетическое родство. Биосоциальная природа человека. Социальная и природная среда,

Из книги Универсальный энциклопедический справочник автора Исаева Е. Л.

Из книги автора

Искусственные ресницы Современные технологии позволяют сделать взгляд неотразимым. Этого можно достичь наращиванием ресниц. Искусственные ресницы стали актуальными в последнее время, несмотря на то, что процедура довольно дорогая и трудоемкая.Существует несколько

Из книги автора

Искусственные карлики Первые попытки искусственного создания карликов имели место на закате Римской Империи. Когда они оказались удачными, тут же возник целый промысел, специализирующийся на производстве и продаже искусственных карликов. Среди римского плебса агенты

Из книги автора

Внутренние органы человека Дыхательная

21/06/2017

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

Успехи регенеративной медицины

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

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

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

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

Матрицы для органов

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

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

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

Базовая технология выращивания органов

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

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

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

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

Органоиды

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

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

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

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

Напечатанные органы

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

Биобезопасность применения плюрипотентных клеток

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

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