Искусственные органы человека. Создание искусственных органов и тканей

Искусственные механические органы - пожалуй, наиболее реалистичный на сегодня способ починить порядком износившееся тело, которому уже не поможет традиционный терапевтический «ремонт». Что касается других методов, то пересадка органов осложняется дефицитом доноров и биологической несовместимостью. А стволовые клетки, о которых так много говорят, к сожалению, пока слишком далеки от практического применения.

Первыми искусственными органами, видимо, стоит считать зубные протезы. Позднее хирурги стали вживлять металлические суставы и связки, а затем появились и электронные протезы конечностей. Но назвать эти аппараты «революцией в искусственных органах» можно лишь с натяжкой. Конечно, они улучшают качество жизни, но прожить можно и без них. Для создания таких аппаратов главное - подобрать прочный, легкий и безопасный материал, изготовить из него нужную деталь и разработать технологию «установки» в человеческое тело.

Другое дело - наши внутренние органы. Миллионы людей ежегодно умирают от тяжелых болезней сердца, легких, печени и почек, и помочь им зачастую нет никакой возможности. Почти все изобретенные аппараты для поддержания жизни - искусственное легкое, печень или почки - занимают места не меньше, чем холодильник и рассматриваются лишь как временная мера. Как правило, пациент находится около такой машины постоянно и ожидает органа для пересадки. Но подходящих доноров удается найти далеко не всегда.

Но не все так безнадежно. Самым «простым» из этих органов является сердце. Еще в 1938 году американские хирурги впервые использовали аппарат искусственного кровообращения. Не так давно было создано искусственное сердце AbioCor, которое позволяет человеку не просто «доживать», а ходить и даже заниматься спортом. А последняя разработка - австралийский прибор VentrAssist - вовсе должна работать 50 лет. Но об этом аппарате мы расскажем позднее, потому что его технические характеристики будут выглядеть слишком блекло без теоретического вступления.

Параметры искусственного тела

Идеальные искусственные органы - это машины, которые будут работать десятки лет под большими нагрузками и не требовать какого-либо технического обслуживания. Скажем, мощность сердца человека в покое составляет чуть больше 3 ватт. Это значит, что за день оно совершает работу почти в 90 килоджоулей. То есть «поднимает» тонну груза на четвертый этаж. При физической нагрузке, естественно, его производительность должна значительно возрастать. А теперь представьте, что такой аппарат еще должен умещаться в груди, иметь запас энергии, и не останавливаться ни на минуту в течение всей жизни.

Искусственные легкие - не менее сложная задача. Поверхность «оригинальных» дыхательных органов примерно равна теннисному корту. За одну минуту на ней двадцать раз равномерно «разливается» и убирается стакан крови. Кроме того, постоянно происходит самоочищение легких от сажи, пыли и других вредных частиц, которые мы вдыхаем. Если добавить, что такой орган по объему не должен превышать пяти литров, становится понятно, что работа над таким аппаратом еще очень далека от завершения.

Печень - тоже довольно маленький орган, в котором умещается «химический завод» и мощная система фильтрации. Только за одну минуту через нее проходит полтора литра крови, которую нужно очистить от продуктов жизнедеятельности, не нарушив при этом электролитный, гормональный и белковый баланс. Многие вещества, например - алкоголь, лекарства, жиры, не просто задерживаются в печени, но и перерабатываются в форму, наиболее удобную для выведения из организма. Кроме того, этот орган отвечает за синтез примерно литра желчи - эмульгатора пишевых жиров.

Еще один орган, без которого человек прожить не может - это почка. Аппарат, его замещающий должен, как и печень, фильтровать всю кровь организма. Но на этом функция почек не заканчивается: их биологический «компьютер» анализирует состав крови и на основании этих данных поддерживает в очень узких пределах содержание практически всех растворенных в ней веществ.

Беспроводное сердце

Теперь, когда мы оценили масштабы задачи, посмотрим, как она решается в отношении сердца. Аппарат AbioCor денверской компании Abiomed - это настоящее искусственное сердце, которое заменяет оба желудочка и обеспечивает поступление крови в легкие и остальные органы человека. В приборе размером с грейпфрут и весом 900 граммов находятся титановый насос, блок управления и батарея. Ее емкости хватает на 30 минут автономной работы, а зарядка происходит через кожу: то есть на поверхность тела не выходит никаких проводов. Внешняя батарея, носимая на поясе, позволяет оставаться без подзарядки несколько часов.

Такой аппарат предназначен для пациентов с конечной стадией сердечной недостаточности и неблагоприятным прогнозом. Причем, создатели аппарата заявляют, что он позволяет больным не просто «доживать», но гарантирует им вполне приемлемое качество жизни.

Первое сердце AbioCor было пересажено в 2001 году. С тех пор было установлено не более 20 аппаратов, однако в компании смотрят на перспективы аппарата оптимистично и оценивают рынок в 100000 операций в год.

Сердце AbioCor

Аппарат VentrAssist, созданный австралийскими исследователями, в отличие от сердца AbioCor, не может полностью заменить природный орган. VentrAssist лишь помогает перекачивать кровь левому желудочку - самому нагруженному отделу сердца.

Внутрь тела помещается лишь титановый роторный насос. Его ресурс австралийцы оценивают как 50 лет непрерывной работы. Контроллер и батарею, емкости которой хватает на 8 часов, больной носит на поясе.

По замыслу разработчиков, такой прибор должен помочь многим людям с сердечной недостаточностью. Однако в медицинской практике он появится лишь после соответствующего разрешения лицензирующих органов.

Сердце AbioCor сейчас стоит чуть меньше 100 тысяч долларов, VentrAssist обойдется примерно в 50. Однако эта цена значительно меньше затрат, связанных с каждой пересадкой донорского сердца.

Если учесть еще и те средства, которые уходят на медицинское обслуживание больных с сердечной недостаточностью, станет понятно: искусственное сердце не только полезно, но и выгодно для медицинской индустрии. А финансовые стимулы, как известно - самые сильные. В том числе и для технического прогресса.

Остается только уточнить, что поддерживать этот прогресс ценой собственной жизни совершенно необязательно. При своевременной профилактике сердечных заболеваний ваше собственное сердце может прослужить значительно дольше, чем 50 лет. И главное, практически бесплатно.



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.

Спецпроект о проблемах старения мы продолжим рассказом о самых выдающихся и знаменитых исследователях, положивших начало работам по созданию искусственных органов. Большинство из них и сейчас продолжает работу над новыми амбициозными проектами.

Цикл статей, задуманных в рамках спецпроекта «биомолекулы» для фонда «Наука за продление жизни ».

В этом цикле рассмотрим общие проблемы старения клеток и организмов, научные подходы к долголетию и продлению здоровой жизни, связь сна и старения, питания и продолжительности жизни (обратимся к нутригеномике), расскажем про организмы с пренебрежимым старением , осветим темы (эпи)генетики старения и анабиоза.

Конечно, феномен старения настолько сложен, что пока рано говорить о радикальных успехах в борьбе с ним и даже о четком понимании его причин и механизмов. Но мы постараемся подобрать наиболее интересную и серьёзную информацию о нащупанных связях, модельных объектах, разрабатываемых и уже доступных технологиях коррекции возрастзависимых нарушений.

Следите за обновлениями!

Линда Гриффит и Чарльз Ваканти

Линда Гриффит - профессор биоинженерии и механической инженерии . В 2006 году получила стипендию Мак-Артура, также известную как «грант для гениев». Соавтор пионерской работы по выращиванию хряща в форме человеческого уха. На данный момент развивает технологии культивации 3D-культур клеток, а также участвует в проекте «Человек на чипе».

Чарльз Ваканти - профессор медицинской школы Гарварда . Соавтор пионерских работ по выращиванию хряща в форме человеческого уха, а также первой искусственной кости анатомической формы (для пациента с травмой большого пальца). Убежден в существовании способа переключения специализированных клеток в состояние стволовых, не использующего генетические модификации. Его убежденность не поколебал даже скандал с его бывшей аспиранткой, Харуко Обоката, сфабриковавшей результаты эксперимента по получению стволовых клеток. Чарльз Ваканти до последнего момента утверждал, что протоколы Харуко Обоката должны работать. В сентябре прошлого года, после того, как фальсификация данных японской исследовательницей была доказана, ушел в годовой академический отпуск. Судя по всему, после его окончания Чарльз Ваканти планирует продолжать поиски простого способа получения стволовых клеток.

В конце 1990-х годов по интернету разошлась жуткая картинка - мышь с человеческим ухом на спине (рис. 1). Картинку рассылали в основном по электронной почте, и подписи к ней со временем терялись. Многие люди не верили, что картинка настоящая, а другие начинали активно протестовать против генетической инженерии, в результате которой, по мнению этих людей, уродливая мышь появилась на свет. Картинка была настоящей. Человеческое ухо на спине у мыши вырастили, разумеется, без применения генетических модификаций (уже в те времена было понятно, что органы формируются при сложном взаимодействии многофункциональных генов, и никакого «гена человеческого уха» существовать не может). А работа, для которой была получена несчастная мышь, была одной из пионерских в области инженерии искусственных органов человека .

Рисунок 1. Знаменитая фотография из работы, сделанной в 90-х годах. Животное, вопреки предположениям многих напуганных людей, не подвергалось генетическим модификациям, а всего лишь служило средой, в которой синтетическая основа уха заселялась нанесёнными на нее клетками. Биореакторов, более подходящих для инкубации искусственного органа, в то время просто не существовало.

Ухо, по правде говоря, было человеческим лишь по форме, а составляющие его клетки были взяты у теленка. Тем не менее авторы работы, в числе которых были Линда Гриффит и Чарльз Ваканти, сделали первый шаг к созданию таких пугающе сложных структур как человеческие органы. Донорских органов настолько мало, и с ними так много проблем (и иммунологических, и психологических), что робость перед созданием искусственных частей человеческого тела было просто необходимо преодолеть.

Стратегия, которую применили Линда Гриффит и Чарльз Ваканти, до сих пор популярна в биоинженерии искусственных органов со сложной структурой. Сначала получают каркас из деградируемого полимера, а потом заселяют его клетками, которые постепенно разъедают каркас, делятся и осваивают освободившееся пространство. В менее «чистом» варианте того же метода используют основы органов, полученные от других животных или доноров, уничтожают их клетки, и заселяют полученный матрикс клетками реципиента. Такой орган нельзя считать полностью искусственным, и все же, он лучше донорского, так как не содержит его клеток и не вызывает отторжения иммунной системой. Такой вариант метода применяют, когда каркас сложно получить искусственно из-за его сложной структуры или состава и когда этот каркас должен войти в состав получившегося органа, а не разъедаться в процессе заселения клетками.

Заселение каркаса должно происходить в условиях, максимально приближенных к условиям внутри организма - с правильной температурой и течением питательных растворов через его части. Сейчас для этого используют специальные реакторы, которые приходится настраивать на форму определенного органа. А в первых работах 90-х годов в качестве биореакторов использовали мышей и крыс, которым заселенные клетками основы органов просто вживляли под кожу. Выглядели такие животные пугающе, зато цель - первые искусственные хрящи в форме человеческого уха - была достигнута.

Линда Гриффит продолжила работу в области инженерии искусственных тканей. Сейчас под ее руководством в специальном биореакторе поддерживают трехмерную культуру клеток печени. Такой культуре далеко до искусственной печени - она не похожа на нее по структуре, но тем не менее подходит для исследований лекарств и метаболизма гепатоцитов в условиях, близких к природным. Занимается исследовательница и разработкой органов на чипах, которые изобрел в 2010 году Дональд Ингбер (о нем речь пойдет позже).

Чарльз Ваканти заинтересовался другой стороной вопроса о выращивании искусственных органов - исследованиями стволовых клеток. Дело в том, что клетки, необходимые для выращивания нового органа, не всегда удобно (если вообще возможно) брать у донора. Поэтому, прежде чем учиться выращивать из подходящих клеток сложные структуры, сначала разумнее научиться получать эти подходящие клетки. Чарльза Ваканти интересовало преобразование клеток, которые легко взять у донора (например, с поверхности кожи), в клетки требуемого типа. Для этого нужно было научиться превращать специализированные клетки в стволовые - то есть способные приобрести любую специализацию. И, конечно, для биоинженеров важно, чтобы способ перепрограммирования клеток был не слишком сложным, иначе выгоды от его применения сойдут на нет. Чарльз Ваканти был убежден, что у организма должен быть способ переключать клетки в стволовое состояние , если это необходимо, - такая способность казалась ему слишком выгодной.

Возможно, решение кроется в ИПСК - индуцированных плюрипотентных стволовых клетках, которые можно получать из клеток различной специализации. О проблемах их получения и рисках использования читайте в статьях «В поисках клеток для ИПСК - шаг за шагом к медицине будущего » и «Предохранитель ИПСК » , .

Организму могут понадобиться стволовые клетки, если он испытывает сильный стресс, поэтому Чарльз Ваканти считал, что именно стресс может заставить клетки переключиться в стволовое состояние. Убедительных доказательств этой гипотезы ученому найти не удавалось. Зато ему удалось заинтересовать своими идеями японскую аспирантку Харуко Обоката . Поработав в лаборатории Ваканти в Гарварде, молодая исследовательница вернулась в институт RIKEN , где продолжила искать тот самый тип стресса, который заставит специализированные клетки стать стволовыми. Через Харуко Обоката история Чарльза Ваканти переплелась с судьбой еще одного выдающегося биоинженера - Ёсики Сасаи.

Ёсики Сасаи

Ёсики Сасаи - выдающийся биоинженер, пионер в области получения мини-органоидов методом воспроизведения первых этапов эмбрионального развития человека. Воспроизвел начальные этапы развития коры головного мозга, а также глазного бокала и гипофиза зародыша. В его лаборатории молодая исследовательница Харуко Обоката вела поиски простого метода превращения специализированных клеток в стволовые. Данные об успехе ее исследований Харуко Обоката сфабриковала. Устав от внимания прессы и обвинений научной общественности в недостаточном контроле за ходом работ под его руководством, Ёсики Сасаи в августе 2014 года повесился на перилах лестницы своего института .

Все живые организмы проходят долгий и трудный путь развития, прежде чем приобретают окончательную, зачастую очень сложную структуру. Если мы хотим получить копию искусственного органа, стоит вспомнить, как именно этот орган образуется в природе. Воспроизведение эмбрионального развития органа - очень перспективный путь для биоинженеров. Работами именно в этой области и прославился Ёсики Сасаи. В 2008 году были опубликованы результаты работы по воспроизведению первых этапов развития ни много ни мало человеческого мозга . А в 2011 году японские исследователи под руководством Сасаи получили зачатки гипофиза и глазных бокалов (рис. 2) . «В пробирке» (точнее, на чашке Петри) удается вырастить только мини-органоиды, потому что дальнейшие этапы их развития требуют сложного трехмерного окружения, которое, в свою очередь, тоже должно развиваться с ростом органа. Тем не менее, подбор условий, стимулирующих клетки повторять хотя бы первые стадии развития органа, уже дает много полезных данных для эмбриологии. Кроме того, на мини-органоидах, выращенных из клеток с генетическими мутациями, можно проследить становление патологии. И конечно, мини-органоиды подходят для тестирования лекарств и особенно для изучения их влияния на ранние стадии развития организма.

К несчастью для Ёсики Сасаи, под его руководством шли работы и на другие темы. В начале 2014 года в журнале Nature была опубликована статья, первым автором которой была Харуко Обоката, а последним - Ёсики Сасаи. В статье был описан на удивление простой метод перепрограммирования специализированных клеток в стволовые - с помощью непродолжительной инкубации в растворе лимонной кислоты. Стволовые клетки, полученные таким способом, назвали STAP (stimulus-triggered acquisition of pluripotency ). STAP-клетки могли бы вызвать настоящую революцию в регенеративной медицине - таким простым методом, как описали японские ученые, стволовые клетки можно было бы получать в огромных количествах. К сожалению, никаким другим исследователям, кроме Харуко Обоката, получить STAP-клетки не удалось. На японских ученых посыпались вопросы от разочарованных коллег и прессы, и Харуко Обоката пришлось повторить эксперименты в собственной лаборатории, чтобы доказать, что метод может работать. Ей это не удалось. В ходе расследования под эгидой института RIKEN выяснилось, что Харуко Обоката подтасовала данные скандальной публикации, а руководитель исследования - Ёсики Сасаи - об этом не знал. В августе 2014 ученый, тяжело переживавший скандал вокруг исследования, покончил жизнь самоубийством. Харуко Обоката не стала оспаривать решение экспертной комиссии о подтасовке результатов.

Интересно, что в ходе скандала Чарльз Ваканти (бывший руководитель Харуко Обоката) активно выступал в защиту японских ученых. В конце концов ему пришлось признать, что статья была отозвана обоснованно, но, несмотря на это, он не отказался от своей любимой идеи о возможности получить стволовые клетки из специализированных без трудоемких генетических модификаций. В сентябре прошлого года Чарльз Ваканти ушел в годовой академический отпуск, который к настоящему моменту как раз закончился.

Неизвестно, будет ли найден однажды простой способ получения стволовых клеток. Как бы то ни было, другое направление исследований Ёсики Сасаи - получение органоидов - оказалось очень плодотворным. В последующие годы ученым разных групп удалось получить мини-органоиды кишечника, желудка и почек . Последнее достижение в этой области - органоиды сердца - принадлежит знаменитому специалисту по созданию искусственных органов Энтони Атала .

Энтони Атала

Энтони Атала - директор . Научился получать из собственных клеток пациентов искусственный мочевой пузырь, уретру и влагалище. Сейчас во всем мире живут десятки людей с такими искусственными органами, созданными под руководством Энтони Атала. Сейчас знаменитый биоинженер работает над созданием искусственного пениса, который подошел бы жертвам несчастных случаев и мужчинам с врожденными патологиями репродуктивной системы.

Энтони Атала - директор целого института регенеративной медицины. Под руководством ученого в этой области было сделано много замечательных работ, все более и более сложных. В основном Энтони Атала занимается созданием искусственных органов мочеполовой системы. Начал он с самого простого - мочевого пузыря . По сути дела, мочевой пузырь - это просто мешок из клеток, и операции, в которых мочевые пузыри делают из тканей кишечника, проводятся уже довольно давно. Конечно, у этих органов очень разные функции - стенки кишечника всасывают питательные вещества, а мочевой пузырь просто служит резервуаром для мочи перед ее выведением. Поэтому, конечно, хотелось научиться получать этот несложный орган из более подходящего материала. Энтони Атала использовал для этого уже упомянутый метод - выращивание клеток на специальном каркасе анатомической формы. Такие искусственные мочевые пузыри вживили нескольким мальчикам с патологиями этого органа в 1999 году. Спустя 5 лет наблюдений Энтони Атала с коллегами доложили, что искусственные органы прижились хорошо, и не вызвали осложнений у реципиентов . После этого ученый перешел к более сложной задаче - созданию искусственных влагалищ. В отличие от мочевых пузырей, эти органы никогда не пытались получить искусственно. В то же время, устройство влагалища тоже не очень сложное - это трубка из клеток. В 2005-2009 годах четырем девочкам с редкими патологиями, при которых половая система развивается неправильно, были вживлены такие искусственные влагалища. В 2014 году ученый доложил об успехе всех операций, благодаря которым подросшие пациентки смогли жить нормальной половой жизнью . Параллельно ученые под руководством Энтони Атала научились получать другой орган трубчатой структуры - уретру (мочеиспускательный канал) . Такие искусственные органы вживили пяти мальчикам, и операции также прошли успешно и не вызвали осложнений.

На очереди оказался самый сложный орган мочеполовой системы - пенис. Современная хирургия уже позволяет пришивать пациентам, потерявшим пенис из-за несчастных случаев, орган донора. Первая такая операция была проведена еще в 2006 году. Однако спустя две недели после этой сложнейшей операции пациент попросил удалить донорский пенис . Такое решение кажется странным лишь на первый взгляд. Пенис относится к органам, которые жертвуют лишь посмертно, а привыкнуть к жизни с пенисом умершего человека явно сложнее, чем к жизни с донорской почкой. От первой в мире пересаженной руки, к примеру, реципиент также отказался вскоре после операции . Так что инженерия наружных органов - вопрос, в определенном смысле, даже более срочный, чем инженерия жизненно важных частей тела. Ведь, пока хирургам в качестве материала предоставляют только донорские органы, многие сложнейшие операции будут проходить напрасно. К тому же, помимо психологических проблем, с донорскими органами возникают еще и проблемы иммунологической совместимости - пациентам часто приходится принимать препараты, подавляющие деятельности иммунной системы, чтобы она не начинала атаковать чужеродную часть тела.

Пенис сконструировать намного труднее, чем просто пузырь или трубку из клеток, ведь для функционирования этого органа необходима правильная структура во всем его объеме. Совершенно необходимо воспроизвести губчатую ткань пещеристых тел, которые разбухают при эрекции, а также структуру сосудов, по которым к этой ткани поступает кровь. И, само собой, нужно разместить в нем уретру, которая не должна пережиматься при набухании пещеристых тел. С нуля воспроизвести такую структуру очень сложно, поэтому Энтони Атала использует для получения искусственных пенисов коллагеновые основы донорских органов, которые очищают от клеток с помощью ферментов. Потом ее заселяют клетками человека, которому орган впоследствии можно будет без проблем пересадить (пока такие операции не проводили). По словам Энтони Атала, какой бы тяжелой не была травма пениса, благодаря тому, что этот орган продолжается и внутри таза, у человека всегда можно взять клетки на выращивание нового .

Человеческие искусственные пенисы пока в разработке - чтобы их можно было пересаживать реципиентам, они должны пройти много сложных тестов. Зато уже есть успешные результаты для кроликов - животные с пенисами, полученными методом Энтони Атала, успешно спариваются и обзаводятся потомством. Однако перейти от кроликов к людям оказалось не так просто - чтобы получить орган большего размера, недостаточно просто пропорционально увеличить количество клеток, время инкубации и прочие параметры. К тому же с увеличением объема органа становятся выше и требования к его внутренней структуре - ведь каждая клетка живого организма должна находиться от ближайшего капилляра на расстоянии не больше 200 микрометров (что примерно равно толщине человеческого волоса). Поэтому вырастить крупный объемный орган всегда сложнее, чем плоский (как фрагмент кожи), трубчатый (как искусственная уретра) или мешковидный (как мочевой пузырь).

Интересы Энтони Атала не ограничиваются мочеполовой системой. В его лаборатории идут работы по получению искусственных тканей печени, сердца и легких. В 2011 году во время конференции TED знаменитый ученый взбудоражил общественность, продемонстрировав полученный методом 3D-печати прототип искусственной почки . Ключевым словом, на которое многие не обратили внимания, было «прототип» - искусственная почка имела правильную форму, а также доказывала, что с помощью 3D-печати можно получить нечто, хотя бы внешне сходное с желаемым объектом. Но структура прототипа почки даже близко не приближалась к сложности настоящего органа, которая совершенно необходима, чтобы почка выполняла свою функцию. Этот орган должен состоять из тончайших канальцев, опутанных сосудами, для того, чтобы выделять с мочой только ненужные вещества, а все полезное возвращать в кровь. К такой сложности биоинженерам до сих пор не удалось подойти, и, конечно, ее невозможно было достичь в 2011 году. Однако, по-видимому, именно метод биопечати со временем позволит ученым получать точно те биологические структуры, которые ему необходимы. Этот метод разработал и активно развивает еще один знаменитый биоинженер - Габор Форгач.

Габор Форгач

Габор Форгач - знаменитый биоинженер и предприниматель от науки. Под его руководством был создан первый коммерческий 3D-биопринтер, на котором уже напечатаны образцы многих тканей. Вместе со своим сыном Андрасом основал компанию Modern Meadow , производящую искусственную кожу и искусственное мясо для употребления в пищу.

В 1996 году Габор Форгач обратил внимание на факт, уже давно известный ученым -клетки, образовавшиеся в ходе деления зародыша, могут двигаться по нему, но, попав в окончательное место назначения, склеиваются с другими клетками. Это навело его на мысль, что клетки можно использовать в качестве элементарных единиц для конструирования - если подобрать правильные условия, то клетки, уложенные в желаемые структуры, сами склеятся между собой. Однако, идея о том, что для такого укладывания клеток можно применять специальный принтер, ему в голову не пришла.

Первым додумался печатать биологические объекты Томас Боланд . Он модифицировал обычный принтер таким образом, что на нем стало возможным печатать биологическими материалами, например, белками или бактериями. Для 3D-печати прибор не подходил. Идея, тем не менее, оказалась здравой, и со временем привела к разработке биопринтеров, способных печатать сложные объемные структуры.

Форгачу потребовалось много времени, чтобы развить свою идею о самостоятельном склеивании клеток в технологию получения трехмерных искусственных тканей. Несколько лет потребовалось и на разработку принтера, способного применить эту технологию. Устройство должно было стать достаточно точным и деликатным по отношению к чувствительным клеточным «чернилам». Такой прибор под названием Organovo компании Форгача удалось создать только в 2009 году . В 2010 году на этом первом биопринтере напечатали человеческий сосуд, и, что с самого начала было важно для Форгача, без всяких дополнительных каркасов. Благодаря этому появляется уверенность, что в органе не будет содержаться абсолютно ничего, вызывающего иммунологическое отторжение у реципиента (если орган выращивать из его собственных клеток).

Чтобы сделать из клеток аналог чернил принтера, их помещают в специальный гель, который не позволяет клеткам слипаться раньше времени. Принтер печатает, как правило, не единичными клетками, а их шарообразными скоплениями - сфероидами (хотя метод позволяет использовать для печати и отдельные клетки, что необходимо для некоторых структур), идея которых также принадлежит Габору Форгачу . Каждый напечатанный слой клеток отделяют слоем геля, а уже готовый орган отправляют дозревать в инкубатор. При этом гель, использованный для печати, растворяется, а внутри органа развивается его сосудистая сеть - от сосудов отрастают тончайшие капилляры. Это очень удобно для биоинженеров, потому что получать такие мелкие сосуды они пока не умеют. Кроме того, если орган пересадить реципиенту, то в новую часть тела обязательно проникнет сосудистая сеть хозяина. Однако такая практика скорее подходит для животных, а не для человека - в его случае слишком опасно полагаться на то, что нужные сосуды врастут в орган сами. К тому же надеяться на то, что сосуды сами вырастут как нужно, совершенно точно нельзя в случае органов со сложной структурой - таких, как уже обсуждавшиеся почки. Так что остается надеяться на повышение точности 3D-печати в будущем.

3D-биопечать продолжает развиваться уже во всем мире: в 2010 году впервые удалось напечатать фрагмент кожи , а в 2014 - сердечный клапан (рис. 3) и фрагмент ткани печени . Такие ткани прекрасно подходят для предварительных испытаний прототипов лекарственных препаратов, а кожа - еще и для тестов косметических средств (компания L’Oreal, к примеру, уже использует для тестов искусственную кожу, напечатанную Organovo ). Такие тесты проще организовать, чем тесты на животных, которые требуют согласования с биоэтическими комиссиями. Кроме того, тесты на человеческих, пусть и выращенных в лаборатории, органах и коже, дают более достоверные результаты о влиянии продукта на человеческий организм, чем исследования на лабораторных животных.

О том, как в России развивается 3D-печать, рассказано в статье «Органы из лаборатории » .

Последнее достижение биопечати на данный момент - фрагмент нервной ткани человека с точно позиционированными нейронами, полученный в этом году под руководством австралийского биоинженера Гордона Уэлласа (тот самый случай, когда необходимо печатать ткань отдельными клетками, а не сфероидами) .

Габор Форгач не только положил начало 3D-печати органов человека для больных людей или переживших несчастный случай. Он еще и первым понял, что искусственные ткани и органы могут пригодиться всем людям без исключения. Некоторые продукты животного происхождения - такие как мясо и кожа - настолько хороши, что им трудно создать полноценную замену. Но теперь, благодаря биоинженерии, их можно будет получать этичным образом - без убийств животных. Габору Форгачу первому пришло в голову, что мы уже знаем достаточно для выращивания искусственного бифштекса или куска кожи. Получать их значительно проще, чем многие искусственные органы, над разработкой которых бьются ученые, а потребность в мясе и коже значительно выше, чем в человеческих органах. Также переход на мясо и кожу искусственного происхождения благоприятно сказался бы на экологической ситуации - ведь биореакторы не вытаптывают огромные пастбища и не выделяют в атмосферу такое количество метана, какое может существенно усилить парниковый эффект.

Поэтому вторая компания Форгача, которую он основал вместе со своим сыном Андрасом - Modern Meadow - выращивает мясо и кожу в лабораторных условиях . Важный аспект деятельности компании - это оптимизация методик, поскольку сейчас искусственные копии продуктов животного происхождения обходятся дороговато. Другая проблема состоит в том, что общественность с недоверием относится к выращенным в лаборатории продуктам. Согласно опросу, проведенному в 2014 году, лишь 20% американцев готово попробовать полученное лабораторными методами мясо . Поэтому сам Форгач старается доказать людям, что его продукты безопасны, в том числе на собственном примере. Например, в 2011 году на конференции TedMed Форгач собственноручно приготовил, а затем съел выращенное в лаборатории мясо . Кроме того, биоинженер уверяет, что его лаборатории открыты для потенциальных клиентов, и каждый может увидеть, как делается сосиска, в то время как «бойни никогда не приглашают посетителей понаблюдать за их работой» .

Габор Форгач уловил, что в биотехнологиях не хватает собственно технологичности - многие методы, использовавшиеся при попытках воспроизвести сложнейшую структуру органов, были старомодными по своей сути. Биология остается не очень точной наукой, но при создании искусственных органов для живых людей, по мнению Форгача, неприемлемо рассчитывать на то, что правильная структура образуется как-нибудь сама. 3D-биопринтеры следуют веяниям времени и воплощают в жизнь мечты о точном контроле над тем, что кажется полностью хаотичным и загадочным, - жизнью. И только одно направление биоинженерии, возможно, еще более технологично и футуристично - органы на чипах.

Дональд Ингбер

Дональд Ингбер - биолог, знаменитый своим инженерным взглядом на живые объекты, благодаря которому ученый сделал несколько открытий в области биологии клетки (например, о влиянии механических воздействий на активность генов). Автор идеи «органа на чипе» - простейшей клеточной системы, расположенной на пластинке стандартного размера и воспроизводящей основные функции моделируемого органа. Создал множество органов на чипах, и сейчас работает над объединением десяти таких органов в «человека на чипе».

До начала двухтысячных Дональд Ингбер исследовал биологию рака - параметры, влияющие на развитие опухолей и метастазирование раковых клеток. При этом ученый смотрел на живую клетку как инженер. На подход ученого к исследованиям клеточной биологии повлияла, как ни странно, одна необычная скульптура, которую Дональд Ингбер увидел в середине 70-х годов. Скульптура была сконструирована по принципу тенсегрити . Такие конструкции состоят из прочных балок, которые не касаются друг друга благодаря системе натянутых тросов. Вся структура поддерживается за счет точно сбалансированных натяжений гибких элементов. Дональд Ингбер предположил, что и структура живой клетки может поддерживаться благодаря тем же принципам. И действительно, ему удалось показать, например, что приложенные к поверхности клетки механические воздействия могут повлиять на форму ее ядра и даже на экспрессию генов. Глубокое понимание того, как механические силы влияют на структуру и функцию клеток, помогло ученому продвинуться в исследовании биологии рака .

Вероятно, такое стремление ввести исследования клетки в более понятную, «механическую» плоскость, в конце концов и привело Дональда Ингбера к идее органов на чипах. Орган на чипе - это пластинка размером не более кредитной карточки. В пластинке есть ячейки, заселенные клетками определенных типов. Ячейки соединяются каналами, имитирующими кровоток или обмен тканевой жидкости между группами клеток органа. Разумеется, такое устройство не отражает форму природного органа, но зато в максимально компактной и контролируемой форме моделирует саму суть его работы. Жизнедеятельность клеток в органе на чипе нужно поддерживать, помещая чип в специальный реактор, который прогоняет по каналам чипа питательные растворы под правильным давлением и поддерживает определенную температуру и содержание растворенных газов в этих жидкостях.

Важнейшее преимущество органов на чипах соответствует технологическим трендам: это модульность - возможность составлять из таких устройств разные комбинации. Чипы, изображающие различные органы, можно соединять между собой, чтобы изучать влияние этих органов друг на друга, моделировать передвижения болезнетворных микробов по различным системам организма или же изучать, что происходит с молекулами лекарства, когда оно попадает в организм.

Первое устройство такого типа - легкое на чипе - Дональд Ингбер с коллегами разработали в 2010 году . Каналы этого устройства разделены на две части пористой мембраной, с одной стороны которой располагается слой клеток легкого, а с другой - слой клеток стенки сосуда. В той части каналов, где располагались клетки сосуда, циркулирует кровь, а та, где находятся клетки легкого, заполнена воздухом. В обе части каналов ведут специальные отверстия - туда можно добавлять лекарства или, к примеру, болезнетворных микроорганизмов, чтобы смоделировать их попадание в легкое из воздуха или с током крови.

С тех пор на чипах удалось воспроизвести работу почки , печени , а также кишечника с микробиомом и перистальтикой (рис. 4) . Особенно интересной для клинических исследований оказалась разработка чипа, отражающего устройство гематоэнцефалического барьера . Разработчики воспроизвели и плотные контакты между клетками сосудов мозга, и расположение глиальных клеток - особенности, благодаря которым многие молекулы из крови не могут легко проникнуть в мозг. При тестировании прототипов лекарств очень полезно узнать, способны ли они проникать сквозь гематоэнцефалический барьер, и если да, то с какой эффективностью. Кроме этого, на чипе удалось воспроизвести устройство гематопоэтической ниши костного мозга, что крайне полезно для исследований болезней, при которых нарушается нормальное развитие клеток крови .

Рисунок 4. «Кишечник на чипе». а . Схема устройства. Гибкая пористая мембрана, выстланная эпителиальными клетками кишечника, расположена горизонтально по центру микроканала, по бокам которого находятся вакуумные камеры. б . Фотография «кишечника на чипе», состоящего из прозрачного ПДМС-эластомера (эластомера из полидиметилсилоксана). По направлению стрелок насосом заливают красную и синюю жидкости в нижний и верхний отсеки микроканала, соответственно, чтобы их визуализировать.

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

Реферат

На тему: Искусственные органы

Выполнила: Нурпеисова Д.

Группа:144 ОМ

Проверила: Масликова Е.И.

Астана 2015 год

Введение

1. Искусственная почка

2. Искусственное сердце

3. Искусственный кишечник

4. Искусственная кожа

5. Искусственная кровь

6. Искусственное лёгкое

7. Искусственные кости

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Быстрое развитие медицинских технологий и все более активное использование в них последних достижений смежных наук позволяют сегодня решать такие задачи, которые еще несколько лет назад казались невыполнимыми. В том числе - и в области создания искусственных органов, способных все более успешно заменять свои природные прототипы.

Причем самое удивительное в этом то, что подобные факты, еще несколько лет назад способные стать основой для сценария очередного голливудского блокбастера, сегодня привлекают внимание публики всего на несколько дней. Вывод вполне очевиден: не за горами тот день, когда даже самые фантастичные идеи относительно возможностей замены природных органов и систем их искусственными аналогами перестанут быть некой абстракцией. А значит, однажды могут появиться и люди, у которых подобных имплантов окажется больше, чем собственных частей тела.

Пересадка органов воплощает извечное стремление людей научиться "ремонтировать" человеческий организм.

1. Искусственная почка

Один из самых необходимых искусственных органов -- это почка. В настоящее время сотни тысяч людей в мире для того, чтобы жить, должны регулярно получать лечение гемодиализом. Беспрецедентная « машинная агрессия», необходимость соблюдать диету, принимать медикаменты, ограничивать прием жидкости, потеря работоспособности, свободы, комфорта и различные осложнения со стороны внутренних органов сопровождают эту терапию.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.

В 2010 году в США был разработан имплантируемый в организм больного гемодиализный аппарат. Аппарат, разработанный в Калифорнийском университете в Сан-Франциско имеет размеры в целом соответствующие размеру человеческой почки. Имплантат, помимо традиционной системы микрофильтров, содержит биореактор с культурой клеток почечных канальцев, способных выполнять метаболические функции почки. Прибор не требует энергообеспечения и работает за счёт давления крови пациента. Данный биореактор имитирует принцип работы почки за счёт того, что культура клеток почечных канальцев находится на полимерном носителе и обеспечивает обратную реабсорбцию воды и полезных веществ, так же как это происходит в норме. Это позволяет значительно повысить эффективность диализа и даже полностью отказаться от необходимости трансплантации донорской почки.

Гемодиализатор

Иначе, искусственная почка - аппарат для временного замещения выделительной функции почек. Искусственную почку используют для освобождения крови от продуктов обмена, коррекции электролитно-водного и кислотно-щелочного балансов при острой и хронической почечной недостаточности, а также для выведения диализирующихся токсических веществ при отравлениях и избытка воды при отёках.

Функция

Основная функция очищение крови от различных токсичных веществ, в том числе продуктов метаболизма. При этом объём крови в пределе организма остаётся постоянным.

2. Искусственное сердце

Сердце - полый мышечный орган. Его масса у взрослого человека составляет 250-300 грамм. Сокращаясь, сердце работает как насос, проталкивая кровь по сосудам и обеспечивая её непрерывное движение. При остановке сердца наступает смерть, потому что прекращается доставка тканям питательных веществ, а так же освобождение тканей от продуктов распада.

От созд ания «сердца» до нашего времени.

Создателем искусственного сердца был В. П. Демихов еще в 1937 г. С течением времени это устройство претерпело колоссальные преобразования в размерах и способах использования Искусственное сердце - механический прибор, который временно берет на себя функцию кровообращения, в случае если сердце пациента не может полноценно обеспечивать организм достаточным количеством крови. Существенным его недостатком является потребность в постоянной подзарядке от электросети.

В 2009 году еще не было создано эффективного имплантируемого человеку протеза всего сердца. Ряд ведущих кардиохирургических клиник проводит успешные частичные замены органических компонентов на искусственные. По состоянию на 2010 год существуют прототипы эффективных имплантируемый искусственно человеку протезов всего сердца. искусственный протез имплантируемый

В настоящее время протез сердца рассматриваются как временная мера позволяющая пациенту с тяжелой сердечной патологией дожить до момента пересадки сердца.

Модель сердца .

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.

3. Искусственная кожа

Стадия разработки: исследователи на пороге создания настоящей кожи

Созданная в 1996 году искусственная кожа используется для пересадки пациентам, чей кожных покров был сильно поврежден сильными ожогами. Метод состоит в связывании коллагена, полученного из хрящей животных, с гликозаминогликаном (ГАГ) для развития модели внеклеточной матрицы, которая создает основание для новой кожи. В 2001 году на основе этого метода была создана самовосстанавливающаяся искусственная кожа.

Еще одним прорывом в области создания искусственной кожи стала разработка английских ученых, которые открыли удивительный метод регенерации кожи. Созданные в лабораторных условиях клетки, генерирующие коллаген, воспроизводят реальные клетки человеческого организма, которые не дают коже стареть. С возрастом количество этих клеток уменьшается, и кожа начинает покрываться морщинами. Искусственные клетки, введенные непосредственно в морщины, начинают вырабатывать коллаген и кожа начинает восстанавливаться.

В 2010 году - Ученые из университета Гранады создали искусственную человеческую кожу при помощи тканевой инженерии на основе арагозо-фибринного биоматериала.

Искусственная кожа была привита мышам и показала оптимальные результаты в плане развития, мейоза и функциональности. Это открытие позволит найти ей клиническое применение, а также применение в лабораторных тестах на тканях, что, в свою очередь, позволит избежать использования лабораторных животных. Более того, открытие может быть использовано при разработке новых подходов к лечению кожных патологий.

Исследование проводил Хосе Мария Хименес Родригес (Jose Maria Jimenez Rodriguez) из исследовательской группы тканевой инженерии при факультете гистологии Университета Гранады под руководством профессоров Мигеля Аламиноса Мингоранса (Miguel Alaminos Mingorance), Антонио Кампоса Муноса (Antonio Campos Munoz) и Хосе Мигеля Лабрадор Молина (Jose Miguel Labrador Molina).

Исследователи сначала выбрали клетки, которые впоследствии должны были быть использованы для создания искусственной кожи. Затем проанализировали развитие культуры в лабораторных условиях и в конце концов провели контроль качества путем прививания тканей мышам. С этой целью были разработаны несколько техник иммунофлуоресцентной микроскопии. Они позволили ученым оценить такие факторы как клеточная пролиферация, наличие маркеров морфологической дифференциации, экспрессия цитокреатина, инволюкрина и филагрина; ангиогенез и рост искусственной кожи в организме реципиента.

Для экспериментов исследователи взяли небольшие части человеческой кожи путем биопсии у пациентов после пластических операций в больнице University Hospital Virgen de las Nieves в Гранаде. Естественно, с согласия пациентов.

Для создания искусственной кожи был использован человеческий фибрин из плазмы здоровых доноров. Затем исследователи добавили транексамовую кислоту (для предотвращения фибринолиза), хлорид кальция (для предотвращения коагуляции фибрина) и 0,1% арагозы (aragose). Эти заменители были привиты на спины голых мышей с целью наблюдения их развития в естественных условиях.

Кожа, созданная в лаборатории, показала хороший уровень биосовместимости. Отторжения, расхождения или инфекции обнаружено не было. Плюс кожа на всех животных в исследовании проявила грануляцию через шесть дней после имплантации. Рубцевание завершилось в следующие двадцать дней.

Эксперимент, проведенный в Университете Гранады стал первым в ходе которого искусственная кожа была создана с дермой на основе арагозо-фибринного биоматериала. До сих пор использовались другие биоматериалы вроде коллагена, фибрина, полигликолиевой кислоты, хитозана и т.д.

4. Искусственный кишечник

В 2006 году английские ученые оповестили мир о создании искусственного кишечника, способного в точности воспроизвести физические и химические реакции, происходящие в процессе пищеварения.

Орган сделан из специального пластика и металла, которые не разрушаются и не подвергаются коррозии.

Тогда была впервые в истории проведена работа, которая демонстрировала, как плюрипотентные стволовые клетки человека в чашке Петри могут быть собраны в ткань организма с трехмерной архитектурой и типом связей, свойственных естественно развившейся плоти.

Искусственная кишечная ткань может стать терапевтическим средством №1 для людей, страдающих некротическим энтероколитом, воспалением кишечника и синдромом короткого кишечника.

В ходе исследований группа ученых под руководством доктора Джеймса Уэллса использовала два типа плюрипотентных клеток: эмбриональные человеческие стволовые клетки и индуцированные, полученные путем перепрограммирования клеток человеческой кожи.

Эмбриональные клетки называют плюрипотентными, потому что они способны превращаться в любой из 200 различных типов клеток человеческого организма. Индуцированные клетки подходят для «причесывания» генотипа конкретного донора, без риска дальнейшего отторжения и связанных с этим осложнений. Это новое изобретение науки, поэтому пока неясно, обладают ли индуцированные клетки взрослого организма тем же потенциалом, что и клетки зародыша.

Искусственная ткань кишечника была «выпущена» в двух видах, собранная из двух разных типов стволовых клеток.

Чтобы превратить отдельные клетки в ткань кишечника, потребовалось много времени и сил. Ученые собирали ткань, используя химикаты, а также белки, которые называют факторами роста. В пробирке живое вещество росло так же, как и в развивающемся эмбрионе человека. Сначала получается так называемая эндодерма, из которой вырастают пищевод, желудок, кишки и легкие, а также поджелудочная железа и печень. Но медики дали команду эндодерме развиться только лишь в первичные клетки кишечника. На их рост до ощутимых результатов потребовалось 28 дней. Ткань созрела и обрела абсорбционную и секреторную функциональность, свойственную здоровому пищеварительному тракту человека. В ней также появились и специфические стволовые клетки, с которыми теперь работать будет значительно легче.

5. Искусственная кр овь

Доноров крови всегда не хватает -клиники обеспечены препаратами крови всего на 40 % от нормы. Для проведения одной операции на сердце с использованием системы искусственного обращения требуется кровь 10 доноров. Есть вероятность, что проблему поможет решить искусственная кровь - ее, как конструктор, уже начали собирать ученые. Созданы синтетические плазма, эритроциты и тромбоциты.

Создание «крови»

Плазма - один из основных компонентов крови, ее жидкая часть. «Пластиковая плазма», созданная в университете Шеффилда (Великобритания), может выполнять все функции настоящей и абсолютно безопасна для организма. В ее состав входят химические вещества, способные переносить кислород и питательные вещества. На сегодняшний день искусственная плазма предназначена для спасения жизни в экстремальных ситуациях, но в ближайшем будущем ее можно будет использовать повсеместно.

Что ж, впечатляет. Хотя и немного страшновато представить, что внутри тебя течет жидкий пластик, точнее, пластиковая плазма. Ведь чтобы стать кровью, ее еще нужно наполнить эритроцитами, лейкоцитами, тромбоцитами. Помочь британским коллегам с «кровавым конструктором» решили специалисты из Калифорнийского университета (США). Они разработали полностью синтетические эритроциты из полимеров, способные переносить кислород и питательные вещества от легких к органам и тканям и обратно, то есть выполнять основную функцию настоящих красных кровяных клеток. Кроме того, они могут доставлять к клеткам лекарственные препараты. Ученые уверены, что в ближайшие годы завершатся все клинические испытания искусственных эритроцитов, и их можно будет применять для переливания. Правда, предварительно разбавив их в плазме - хоть в естественной, хоть в синтетической.

Не желая отставать от калифорнийских коллег, искусственные тромбоциты разработали ученые из университета Case Western Reserve штата Огайо. Если быть точным, то это не совсем тромбоциты, а их синтетические помощники, тоже состоящие из полимерного материала. Их главная задача - создать эффективную среду для склеивания тромбоцитов, что необходимо для остановки кровотечения. Сейчас в клиниках для этого используют тромбоцитарную массу, но ее получение - дело кропотливое и довольно долгое. Нужно найти доноров, произвести строгий отбор тромбоцитов, которые к тому же хранятся не более 5 суток и подвержены бактериальным инфекциям. Появление искусственных тромбоцитов снимает все эти проблемы. Так что изобретение станет хорошим помощником и позволит врачам не бояться кровотечений.

Настоящая или искусственная кровь. Что лучше?

Термин «искусственная кровь» немного неточен. Настоящая кровь выполняет большое количество задач. Искусственная кровь пока может выполнять только некоторые из них Если будет создана полноценная искусственная кровь, способная полностью заменить настоящую, это будет настоящий прорыв в медицине.

Искусственная кровь выполняет две основные функции:

1) увеличивает объем кровяных телец

2) выполняет функции обогащения кислородом.

В то время как вещество, увеличивающее объем кровяных телец, уже давно используется в больницах, кислородная терапия пока находится в стадии разработки и клинических исследований.

Предполагаемые достоинства и недостатки искусственной крови

Достоинство Недостатки

отсутствие риска заражения вирусами побочные эффекты

совместимость с любой группой крови токсичность

при переливании

производство в лабораторных условиях дороговизна

относительная лёгкость хранения

6. Искусственное легкое

Американские ученые из Йельского университета под руководством Лауры Никласон совершили прорыв: им удалось создать искусственное легкое и пересадить его крысам. Также отдельно было создано легкое, работающее автономно и имитирующее работу настоящего органа

Надо сказать, что человеческое легкое представляет собой сложный механизм. Площадь поверхности одного легкого у взрослого человека составляет около 70 квадратных метров, собранных так, чтобы обеспечивать эффективный перенос кислорода и углекислого газа между кровью и воздухом. Но ткань легкого трудно восстанавливать, поэтому на данный момент единственный способ заменить поврежденные участки органа - пересадка. Данная процедура весьма рискованна в виду высокого процента отторжений. Согласно статистике, через десять лет после трансплантации в живых остаются лишь 10-20% пациентов.

«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.

7. Искусственные кости

Медики из Империал колледжа в Лондоне утверждают, что им удалось изготовить костный материал, который наиболее похож по своему составу на настоящие кости и имеет минимальные шансы на отторжение. Новые искусственные костные материалы фактически состоят сразу из трех химических соединений, которые симулируют работу настоящих клеток костной ткани.

Медики и специалисты по протезированию по всему миру сейчас ведут разработки новых материалов, которые могли бы послужить полноценной заменой костной ткани в организме человека.

Впрочем, на сегодня ученые создали лишь подобные костям материалы, пересаживать которые вместо настоящих костей, пусть и сломанных, до сих пор не доводилось. Основная проблема таких псевдо-костных материалов заключается в том, что организм их не распознает как «родные» костные ткани и не приживается к ним. В итоге, в организме пациента с пересаженными костями могут начаться масштабные процессы отторжения, что в худшем варианте может даже привести к масштабному сбою в иммунной системе и смерти пациента.

Мозговые протезы

Мозговые протезы -- очень сложная, однако выполнимая задача. Уже сегодня возможно внедрение в человеческий мозг специального чипа, который будет отвечать за кратковременную память и пространственные ощущения. Такой чип станет незаменимым элементом для индивидуумов, страждущих на нейродегенеративные недуги. Мозговые протезы пока еще только тестируются, однако результаты исследований показывают, что человечество имеет все шансы на замену частей мозга в будущем.

Искусственные руки.

Искусственные руки в XIX в. разделялись на «рабочие руки» и «руки косметические», или предметы роскоши.

Для каменщика или чернорабочего ограничивались наложением на предплечье или плечо бандажа из кожаной гильзы с арматурой, к которой прикреплялся соответствующий профессии рабочего инструмент -- клещи, кольцо, крючок и т. п.

Косметические искусственные руки, смотря по занятиям, образу жизни, степени образования и другим условиям, бывали более или менее сложны. Искусственная рука могла иметь форму естественной, в изящной лайковой перчатке, способная производить тонкие работы; писать и даже тасовать карты (как известная рука генерала Давыдова).

Если ампутация не достигла локтевого сустава, то при помощи искусственной руки возможно было возвратить функцию верхней конечности; но если ампутировано верхнее плечо, то работа рукой была возможна лишь через посредство объемистых, весьма сложных и требующих большого усилия аппаратов.

Помимо последних, искусственные верхние конечности состояли из двух кожаных или металлических гильз для верхнего плеча и предплечья, которые над локтевым суставом были подвижно соединены в шарнирах посредством металлических шин. Кисть былa сделана из легкого дерева и неподвижно прикреплена к предплечью или же подвижна. В суставах каждого пальца находились пружины; от концов пальцев идут кишечные струны, которые соединялись позади кистевого сустава и продолжались в виде двух более крепких шнурков, причем один, пройдя по валикам через локтевой сустав, прикреплялся на верхнем плече к пружине, другой же, также двигаясь на блоке, свободно оканчивался ушком. Если желают при вытянутом плече сохранить пальцы сжатыми, то это ушко вешают на пуговку, имеющуюся на верхнем плече. При произвольном сгибании локтевого сустава пальцы смыкались в этом аппарате и совершенно закрывались, если плечо согнуто под прямым углом.

Для заказов искусственных рук достаточно было указать меры длины и объема культи, а равно и здоровой руки, и объяснить технику цели, которым они должны служить.

Протезы для рук должны обладать всеми нужными свойствами, к примеру, функцией закрытия и открытия кисти, удержания и выпускание из рук любой вещи, и у протеза должен быть вид, который как можно точнее копирует утраченную конечность. Существуют активные и пассивные протезы рук.

Пассивные только копируют внешний вид руки, а активные, которые делятся на биоэлектрические и механические, выполняют гораздо больше функций. Механическая кисть довольно точно копирует настоящую руку, так что любой человек с ампутацией сможет расслабиться среди людей, а также сможет брать предмет и выпускать его. Бандаж, который крепится на плечевом поясе, приводит кисть в движение.

Биоэлектрический протез работает благодаря электродам, считывающим ток, который вырабатывается мускулами во время сокращения, сигнал передаётся на микропроцессор и протез движется.

Искусственные ноги

Для человека с физическим повреждением нижних конечностей, конечно же, важны качественные протезы для ног.

Именно от уровня ампутации конечности и будет зависеть правильный выбор протеза, который заменит и сможет даже восстановить множество функций, которые были свойственны конечности.

Существуют протезы для людей, как молодых, так и пожилых, а также для детей, спортсменов, и тех, кто, несмотря на ампутацию, ведёт такую же активную жизнь. Протез высокого класса состоит из системы стоп, коленных шарниров, адаптеров, сделанных из материала высокого класса и повышенной прочности. Обычно при выборе протеза обращают самое пристальное внимание на будущие физические нагрузки пациента и на вес его тела.

С помощью высококачественного протеза человек сможет жить, как и прежде, практически не ощущая неудобств, и даже выполнять ремонт в доме, закупать кровельные материалы и делать другие виды силовых работ.

Чаще всего все отдельные детали протеза делают из самых прочных материалов, к примеру, из титана или легированной стали.

Если человек весит до 75 кг, то ему подбирают более лёгкие протезы из других сплавов. Существуют небольшие модули, специально разработанные для детей от 2 до 12 лет. Для многих людей с ампутацией стало настоящим спасением появление протезно - ортопедических компаний, которые выполняют протезы под заказ для рук и ног, изготавливают корсеты, стельки, ортопедические аппараты.

Заключение

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.

Таким образом, искусственные органы имеют огромное значение в современной медицине.

Список использованной литературы

1. Искусственная почка и её клиническое применение, М., 1961; Fritz К. W., Hдmodialyse, Stuttg., 1966..

2. Буреш Я. Электрофизиологические методы исследования. Медиина. М., 1973.

3. Трансплантация органов и тканей в многопрофильном научном центре, Москва, 2011, 420 стр. под ред. М.Ш. Хубутия.

4. Отторжение трансплантированного сердца. Москва, 2005, 240 стр. Соавторы: В. И. Шумаков и О. П. Шевченко.

5. . Галлетти П. М., Бричер Г. А., Основы и техника экстракорпорального кровообращения, пер. с англ., М., 1966

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

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


Заболевание вен нижних конечностей. Венозные дисплазии, варикозное расширение вен нижних конечностей, острый тромбофлебит поверхностных вен, острые тромбозы глубоких вен нижних конечностей. Посттромбофлебитический синдром, тромбоэмболия легочной артерии.

реферат , добавлен 15.03.2009


Протезы, в которых соединение отдельных частей производится бюгелем. Фиксация протеза в полости рта. Бюгельные протезы на телескопических коронках. 5 типов опорно-удерживающих кламмеров. Отличия бюгельных протезов от других видов съемных конструкций.

презентация , добавлен 14.11.2016


Изучение съемных протезов, таких как пластмассовые пластинчатые протезы, пластмассовые пластинчатые иммедиатпротезы, бюгельные протезы, съемные сектора, сегменты зубных рядов. Протезы на телескопических коронках. Уход за пластиночным съемным протезом.

контрольная работа , добавлен 17.11.2010


Топографические особенности полости рта при полном отсутствии зубов, подвижность и податливость. Рассмотрение основных методов постановки искусственных зубов. Описание припасовки и наложения протезов. Изготовление съемных протезов с мягкой подкладкой.

презентация , добавлен 11.12.2014


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


Одно из важных направлений современной медицины - создание искусственных органов. Искусственное сердце, легкие (оксигенаторы), почка (гемодиализ). Технические устройства: гемооксигенераторы, кардиопротезы. Кардиостимуляторы. Кардиовертер-дифибриллятор.

презентация , добавлен 08.05.2015


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


Клинические проявления варикозного расширения вен нижних конечностей, симптомы. Пигментация кожи, вторичный экзематозный дерматит и трофические язвы. Венозная гипертензия, несостоятельность прямых перфорантных вен и дисфункция мышечно-венозной помпы.

реферат , добавлен 15.03.2009


Хронические облитерирующие заболевания артерий нижних конечностей как врожденные или приобретенные нарушения проходимости артерий в виде стеноза или окклюзии. Хроническая ишемия тканей нижних конечностей различной выраженности и изменения в клетках.