Искусственные органы виды. Создание искусственных органов

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

Искусственная почка

Искусственное сердце

Искусственный кишечник

Искусственная кожа

Искусственная кровь

Искусственное лёгкое

Искусственные кости

Заключение

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.

. 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 создания «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.

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., Hämodialyse, Stuttg., 1966..

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

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

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

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

В середине двадцатого века в создание искусственных органов вряд ли кто мог поверить всерьёз, это было что-то из разряда фантастики. В наши дни в обозначенном направлении органов ведутся активные исследовательские работы, результаты которых мы уже можем наблюдать, однако остаётся и множество проблем, связанных с технической сложностью реализации данной идеи. Рассмотрим проблематику на примере создания искусственного сердца.

Одна из основных задач состоит в том, чтобы получить трехмерную ткань стенки сердца толщиной в палец или два. Получать монослои клеток и выращивать такие ткани мы уже можем. Проблема же в том, чтобы одновременно с мышечной тканью вырастить и сосудистое русло, через которое эта мышечная ткань будет снабжаться кислородом и питательными веществами и будут выводиться продукты метаболизма. Без сосудистого русла, без адекватного снабжения клетки в толстом слое погибнут. В тонком слое они могут питаться благодаря диффузии питательных веществ и кислорода, а в толстом слое диффузии уже недостаточно, и глубокие слои клеток будут погибать. Сейчас мы можем делать порядка трех слоев сердечных клеток, которые способны выжить.

Говоря о перспективных имплантатах, нужно помнить, что сосудистое русло имплантата необходимо будет подключить к сосудистому руслу, которое уже имеется в другой части сердца реципиента, то есть нужно вырастить сосудистое русло определенной анатомии. Выращивание целого сердца с множеством его отделов, клеток и собственной проводящей системой - это очень сложная многоклеточная задача. Точная копия человеческого сердца может быть получена приблизительно через 7–10 лет в хорошо оснащенных лабораториях развитых стран. Сердце - это не железа, которая вырабатывает гормоны, это насос. Нам нужно, чтобы кровь прокачивалась и не травмировалась при прокачке. Травмирование крови - это как раз проблема внешних насосов, которые используются при операциях на сердце. Когда их только разрабатывали, основной трудностью было то, что эритроциты и другие элементы крови этими насосами повреждались.

Современное развитие материалов может привести к тому, что будет создано механическое сердце, которое можно будет подшить, чтобы оно спокойно выполняло функции биологического сердца, которое дает человеку природа.

Если в целом говорить об импортируемых системах, то сердце здесь не самый удобный объект. Разумнее продвигать эксперименты на печеночных или почечных тканях. Например, полоски печени легко выживают сами по себе и относительно легко прирастают. Дать человеку, у которого печень поражена циррозом, новую часть печени, которая могла бы начать регенерировать и расти сама по себе, - это гораздо более разумное приложение сил.

В перспективе 5–10 лет станет понятно, стоит ли тратить время и силы на то, чтобы выращивать новое сердце, или проще будет поставить человеку механическое сердце, примеры успешного применения которого уже есть на данный момент.

Проблема с существующими вариантами искусственного сердца заключается в том, что для выполнения аналогичной работы они должны биться 100 тыс. раз в день и 35 млн. раз в год, поэтому быстро изнашиваются. Если бы речь шла о машине, то вопрос можно было бы легко решить – поменять масло и свечи зажигания, но в случае с сердцем все не так просто.

Уникальность нового устройства, примененного докторами из Техасского института сердца (Texas Heart Institute in Houston) как раз в том, что оно непрерывно гонит кровь и человеческий пульс прощупывается. Оно помогает справиться с образованием тромбов и кровотечением, предоставляет больше возможностей людям с тяжелой стадией сердечной недостаточности, которые ранее имели только два варианта: искусственное сердце или длительное ожидание в очереди на трансплантацию органа. Полученный аппарат предлагает третий вариант для больных с острой сердечной недостаточностью.

Для оценки прогресса в разработке и применениях искусственных органов можно обратиться также к опыту западных учёных и медиков.

Ученым из Западного резервного университета Кейза (Case Western Reserve University) удалось создать искусственное легкое, которое, в отличие от других подобных систем, использует воздух, а не чистый кислород. Прибор полностью копирует дыхательный орган. В его конструкцию включены аналоги кровеносных сосудов, выполненные из дышащей силиконовой резины. Подобно настоящим сосудам, они разветвляются и имеют разный размер: диаметр самых тонких из них составляет примерно четверть толщины человеческого волоса.

Хирурги Каролинского университета (Karolinska University Hospital) в Стокгольме впервые в мире провели операцию по трансплантации синтетической трахеи, созданной из стволовых клеток самого пациента. Данная технология позволяет обойтись без донора и избежать риска отторжения тканей, а изготовление органа достаточно быстрое и занимает от двух дней до недели.

Уже сегодня технологии выращивания новых органов широко используются в медицине и позволяют осваивать новые методы изучения иммунной системы и различных заболеваний, а также снижают потребность в трансплантатах. Пациенты, которым сделали пересадку каких-либо органов, нуждаются в большом количестве токсических препаратов для того, чтобы подавлять свою иммунную систему; иначе их организм может отвергнуть пересаженный орган. Однако, благодаря развитию тканевой инженерии, пересадка органов может остаться в прошлом. Используя клетки самих пациентов в качестве материала для выращивания в лаборатории новых видов ткани, ученые открывают все новые технологии создания человеческих органов.

Выращивание органов -- перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание различных полноценных жизнеспособных биологических органов для человека. Пока технология не применяется на людях.

Создание органов стало возможным чуть более 10 лет назад благодаря развитию биоинженерных технологий. Для выращивания используют стволовые клетки, взятые у пациента. Разработанная недавно технология ИПК (индуцированные плюрипотентные клетки) позволяет перепрограммировать стволовые клетки взрослого человека так, чтобы из них мог получиться любой орган.

Выращивание органов или тканей человека может быть, как внутренним, так и наружным (в пробирках).

Самый известный ученый в этой области - Энтони Атала, признанный Врачом года-2011, глава лаборатории в Институте регенеративной медицины Вейк Сити (США). Именно под его руководством 12 лет назад был создан первый искусственный орган - мочевой пузырь. Вначале Атала с коллегами создали искусственную матрицу из биосовместимых материалов. Затем взяли у пациента здоровые стволовые клетки мочевого пузыря и перенесли на каркас: одни изнутри, другие снаружи. Через 6-8 недель орган был готов к пересадке.

«Меня учили, что нервные клетки не восстанавливаются, - вспоминал позже Атала. - Как же мы были поражены, когда наблюдали, как пересаженный нами мочевой пузырь покрывается сеткой нервных клеток! Это значило, что он будет, как и должно, общаться с мозгом и функционировать как у всех здоровых людей. Удивительно, как много истин, которые еще 20 лет назад казались незыблемыми, опровергнуто, и теперь нам открыты ворота в будущее».

Для создания матрикса применяют донорские или искусственные ткани, даже углеродные нанотрубки и нити ДНК. Например, кожа, выращенная на каркасе из углеродных нанотрубок, в десятки раз прочнее стали - неуязвима, как у супермена. Только непонятно, как с таким человеком потом работать, например, хирургу. Кожу на каркасе из паучьего шелка (тоже прочнее стали) уже вырастили. Правда, человеку пока не пересаживали.

А самая, пожалуй, передовая технология - печатание органов. Придумал ее все тот же Атала. Метод годится для сплошных органов и особенно хорош для трубчатых. Для первых экспериментов использовали обычный струйный принтер. Позже, конечно, изобрели специальный.

Принцип прост, как все гениальное. Вместо чернил разного цвета картриджи заправлены суспензиями разных типов стволовых клеток. Компьютер вычисляет структуру органа и задает режим печати. Он, конечно, сложнее обычной печати на бумаге, в нем много-много слоев. За счет них и создается объем. Потом все это должно срастись. Уже удалось «напечатать» кровеносные сосуды, в том числе сложно ветвящиеся.

Кожа и хрящи. Их вырастить проще всего: достаточно было научиться размножать кожные и хрящевые клетки вне организма. Хрящи пересаживают уже около 16 лет, это достаточно распространенная операция.

Кровеносные сосуды. Вырастить их несколько сложнее, чем кожу. Ведь это трубчатый орган, который состоит из двух типов клеток: одни выстилают внутреннюю поверхность, а другие формируют наружные стенки. Первыми вырастили сосуды японцы под руководством профессора Кадзува Накао из Медицинской школы Киотского университета еще в 2004 году. Чуть позже, в 2006 году, директор Института стволовой клетки университета Миннесоты в Миннеаполисе (США) Катрин Верфэйл продемонстрировала выращенные клетки мышц.

Сердце. Шестнадцати детям в Германии уже пересажены клапаны сердца, выращенные на каркасе от свиного сердца. Двое детей живут с такими клапанами уже 8 лет, и клапаны растут вместе с сердцем! Американо-гонконгская группа ученых обещает начать пересадку «заплаток» для сердца после инфаркта через 5 лет, а английская команда биоинженеров через 10 лет планирует пересаживать целое новенькое сердце.

Почки, печень, поджелудочная железа. Как и сердце, это так называемые сплошные органы. В них самая высокая плотность клеток, поэтому вырастить их труднее всего. Уже решен главный вопрос: как сделать так, чтобы выращенные клетки составили форму печени или почки? Для этого берут матрицу в форме органа, помещают в биореактор и заполняют клетками.

Мочевой пузырь. Самый первый «орган из пробирки». Сегодня операции по выращиванию и пересадке собственного «нового» мочевого пузыря уже сделаны нескольким десяткам американцев.

Верхняя челюсть. Специалисты из Института регенеративной медицины при университете Тампере (Финляндия) умудрились вырастить верхнюю челюсть человека… в его собственной брюшной полости. Они перенесли стволовые клетки на искусственную матрицу из фосфата кальция и зашили мужчине в живот. Через 9 месяцев челюсть извлекли и поставили на место родной, удаленной из-за опухоли.

Сетчатка глаза, нервная ткань мозга. Достигнуты серьезные успехи, но пока о весомых результатах говорить рано.

Евсеева Екатерина Андреевна

Глава 1. История создания искусственных органов и развитие современной биологической науки в данном направлении

Глава 2. Современные искусственные органы, материалы для их создания

Глава 3. Отношение общественности к искусственным органам

Глава 4. Практическая значимость искусственных органов и тенденция развития российской науки в данном направлении

Скачать:

Подписи к слайдам:

Муниципальное общеобразовательное учреждение -Средняя общеобразовательная школа № 3 г. Аткарска
Автор: Евсеева Екатерина учащаяся 11 класса
средней общеобразовательной школы № 3 г. Аткарска
Научный руководитель: Кузнецова Наталья Владимировна учитель биологии и химии общеобразовательной школы № 3 г. Аткарска
Аткарск 2012
или
Лечить
заменить орган? Выяснить, кода появились первые попытки воссоздания человеческих органов. Рассказать о современных искусственных органах.Показать «плюсы» и «минусы» искусственных органов. Раскрыть принцип практического применения искусственных органов. Провести социологические опросы и выявить отношение современных людей к внедрению в организм искусственных органов. Выявить тенденции развития биологической науки в направлении создании искусственных органов в России.
Разработка приборов, способных брать на себя функции органов человеческого тела - одно из передовых направлений современной медицины.
История развития искусственных органов насчитывает не один десяток лет. Создать «запасные части» - заменители естественных органов - люди стремились уже с давних времен.
Первые научные разработки в данной области относятся к 1925, когда С. Брюхоненко и С. Чечулин (советские ученые) провели опыт со стационарным аппаратом, способным заменить сердце
Рисунок 2.Брюхоненко Сергей Сергеевич
1925 год принято считать началом отсчета в истории разработок искусственных органов.
В 1936 году ученый С. Брюхоненко самостоятельно разрабатывает оксигенатор – аппарат заменяющий функцию легких.
В начале 1937 г. В. Демихов кустарно изготавливает первый образец имплантируемого сердца и испытывает его на собаке.
В 1943 году нидерландский ученый В. Кольф разрабатывает первый аппарат гемодиализа, то есть, первую искусственную почку.
В 1953 г. Дж. Гиббон, ученый из Соединенных штатов, при операции на человеческом сердце впервые успешно применяет искусственные стационарные сердце и лёгкие.
В 1969 Д. Лиотта и Д. Кули впервые испытывают в теле человека имплантируемое искусственное сердце.
В 2007 поставлен рекорд по продолжительности жизни пациента с полностью искусственными (но стационарными) лёгкими: 117 дней.
В 2008 врачи впервые в истории поддерживают жизнедеятельность пациента с одновременным искусственным восполнением функции сердца и лёгких в течение 16 дней в ожидании донорского сердца.
Современная биологическая индустрия достигла своего пика. Появляются все новые и новые аппараты и приборы, на разработки которых уходит не десятки лет, а месяцы. Если раньше создание киборгов, было только сказкой, то современные изобретения позволяют в этом усомниться.
Профессор Университета Южной Каролины после длительных исследований создал чип, способный заменить гиппокампус - часть мозга, ответственную за кратковременную память, а также ориентацию в пространстве.
Немецким ученым из Института биохимии имени Макса Планка после длительных исследований удалось совместить живые клетки головного мозга с полупроводниковым чипом.
А калифорнийской компанией Neuropace был разработан электростимулирующий прибор для эпилептиков, названный «нейростимулятором ответных реакций»
Группа специалистов консорциума Bionic Vision Australia презентовали свой бионический глаз в Университете Мельбурна
А вот подход британцев, разработавших технологию BrainPort, принципиально отличается от всех вышеописанных в части метода передачи информации.
Первая группа – лица от 16 до 25 лет. Вторая группа – от 26 до 45 лет. Количество участников в каждой группе 30 человек. Опрос состоял из следующих вопросов: Как вы относитесь к искусственным органам? Считаете ли вы, что искусственные органы способны продлить жизнь человеку? Как бы вы ответили на вопрос: «Лечить или заменить орган»?
Разработка и создание искусственных органов в ведущих западных странах относится к главным государственным программам.
Все эти годы работы по созданию и клиническому применению искусственных органов в ведущих странах и, в особенности, в России не только не прекращались, но обеспечивались приоритетным финансированием. Сегодня это направление объединяет последние мировые медико-биологические и технические разработки и технологии, в том числе, с привлечением к их созданию новейших достижений военно-промышленного комплекса. Стимулом являются невероятные рыночные прибыли и неограниченная востребованность разработок на медицинском рынке. К основным медицинским направлениям, для которых осуществляются разработки, являются сердечно - сосудистые заболевания, сахарный диабет, онкология, травматология.
заменить орган?
или
Лечить
Я считаю, что в будущем человечество либо усовершенствует ныне существующие органы, либо найдет альтернативный путь решения этой проблемы. И кто знает, может, к концу 21 века люди будут иметь неограниченные возможности, и киборги станут не сказкой, а самой настоящей реальностью. Задачи, поставленные мной в начале проекта, достигнуты. Открыто новое научное знание. Получены практические, полезные результаты. Данный проект может быть применен при проведении уроков, семинаров, в качестве учебного пособия.
Вывод:
Список используемой литературы: Брюхоненко С.С., Чечулин С.И. (1926), Опыты по изолированию головы собаки (с демонстрацией прибора) // Труды II Всесоюзного съезда физиологов. - Л.: Главнаука.Демихов В.П. (1960), Пересадка жизненно важных органов в эксперименте. - М.: МедгизГришманов В.Ю., Лебединский К.М. (2000). Искусственное питание: концепции и возможности // Мир Медицины (3-4). Шутов ЕВ (2010). Перитонеальный диализ – М.http://ru.wikipedia.org/wikihttp://medi.ru/doc/http://itc.ua/articles/iskusstvennye_organy_na_puti_k_kiborgamhttp://novostinauki.ru/news/19118/

Предварительный просмотр:

Введение

Глава 2. Современные искусственные органы, материалы для их создания

Глава 3. Отношение общественности к искусственным органам

Заключение

Приложения

Введение

В 20 веке научная индустрия приобрела новые приоритеты. Современный мир требует решения множества проблем: лечения смертельных болезней, возобновлению клеток человеческого тела, расшифрования генетического кода. Однако есть еще одна проблема - способность к «изнашиванию» человеческих органов. Искусственные органы – альтернативный путь решения данного вопроса. Сейчас вопрос: «Лечить или заменить орган?» - стоит ребром в биологической науке. Мой проект направлен на изучение данной проблемы и в связи с этим я ставлю для себя следующие задачи:

Выяснить, кода появились первые попытки воссоздания человеческих органов
Рассказать о современных искусственных органах
Объяснить принцип подбора материалов для их создания
Показать «плюсы» и «минусы» искусственных органов
Раскрыть принцип практического применения искусственных органов
Провести социологические опросы и выявить отношение современных людей к внедрению в организм искусственных органов
Выявить тенденции развития биологической науки в направлении создании искусственных органов в России.

Разработка приборов, способных брать на себя функции органов человеческого тела - одно из передовых направлений современной медицины. У организма есть множество функций: моторная, сенсорная, интеллектуальная и другие.

Но особое место среди функций человеческого организма занимает функция собственного жизнеобеспечения. Если она не выполнена, то нет смысла говорить и о реализации других функций. Критически важные для жизни органы - это лёгкие, сердце, почки, сосудистая и пищеварительная системы, печень, а также некоторые другие компоненты. Уже сегодня существует оборудование, способное восполнять функции большинства основных органов жизнеобеспечения в течение продолжительного времени. Например, максимальный срок жизни человека со вспомогательным искусственным сердцем составляет 9 лет, максимальный срок жизни с использованием искусственных почек – 40 лет, максимальное время жизни пациента, питающегося от капельницы (минуя желудочно-кишечный тракт) – более 30 лет. Результаты, касающиеся других органов, пока более скромны, но и по ним есть прогресс

Данной темой я заинтересовалась по нескольким причинам. Во-первых, у одного из моих родственников, попавшего в автомобильную катастрофу, полностью функционирует только одна почка. Ему сообщили, что в будущем ему может быть имплантирована искусственная почка. Однако для этого потребуется несколько лет исследований. Меня заинтересовал принцип замены настоящих органов на искусственные. Во-вторых, в этом году я собираюсь поступать в МГМСУ на «кафедру трансплантологии и искусственных органов» и связать свою жизнь с данным типом деятельности. В-третьих, данная тема достаточно актуальна в наши дни. Ведь, создание искусственных органов позволяет продлить и сохранить жизнь человека.

1. История создания искусственных органов и развитие современной биологической науки в данном направлении.

История развития искусственных органов насчитывает не один десяток лет. Создать «запасные части» - заменители естественных органов - люди стремились уже с давних времен. Еще 2000 лет назад греческий историк Геродот рассказывал о воине, который отрубил прикованную ступню, чтобы бежать из плена, и многие годы потом ходил с деревянной ногой. А при раскопках у итальянского города Капуи археологи нашли бронзовую ногу римского легионера, заменившую потерянную им в одном из сражений более 1500 лет назад. В средние века искусственные конечности - протезы стали делать подвижными.

Первые научные разработки в данной области относятся к 1925, когда С. Брюхоненко и С. Чечулин (советские ученые) провели опыт со стационарным аппаратом, способным заменить сердце (приложение 1). Вывод из этого опыта состоял в следующем: голова собаки, отделённая от туловища, но подключенная к донорским лёгким и новому аппарату способна сохранять жизнеспособность в течение нескольких часов, оставаясь в сознании и даже употребляя пищу. 1925 год принято считать началом отсчета в истории разработок искусственных органов.

В 1936 году ученый С. Брюхоненко самостоятельно разрабатывает оксигенатор – аппарат заменяющий функцию легких. С этого момента существует теоретическая возможность поддерживать полный цикл жизнеобеспечения отделённых голов животных до нескольких суток. Однако на практике этого достичь не удаётся. Выявляется множество недостатков оборудования: разрушение эритроцитов, наполнение крови пузырьками, тромбы, высокий риск заражения. По этой причине, первое применение аналогичных аппаратов на человеке затягивается ещё на 17 лет.

В начале 1937 г. В. Демихов кустарно изготавливает первый образец имплантируемого сердца и испытывает его на собаке. Но низкие технические характеристики нового прибора позволяют непрерывно использовать его в течение лишь полутора часов, после чего собака погибает.

В 1943 году нидерландский ученый В. Кольфф разрабатывает первый аппарат гемодиализа, то есть, первую искусственную почку. Через год он уже применяет аппарат во врачебной практике, в течение 11 часов поддерживая жизнь пациентки с крайней степенью почечной недостаточности.

В 1953 г. Дж. Гиббон, ученый из Соединенных штатов, при операции на человеческом сердце впервые успешно применяет искусственные стационарные сердце и лёгкие. Начиная с этого времени, стационарные аппараты искусственного кровообращения становятся неотъемлемой частью кардиохирургии.

В 1963 Р. Вайт в течение примерно 3 суток поддерживает жизнеспособность отдельного мозга обезьяны.

В 1969 Д. Лиотта и Д. Кули впервые испытывают в теле человека имплантируемое искусственное сердце. Сердце поддерживает жизнь пациента в течение 64 часов в ожидании человеческого трансплантанта. Но вскоре после трансплантации пациент погибает.

В течение последующих десятилетий разработки новых аппаратов не производятся. Устраняются ошибки предыдущих изобретений.

В 2007 поставлен рекорд по продолжительности жизни пациента с полностью искусственными (но стационарными) лёгкими: 117 дней.

В 2008 врачи впервые в истории поддерживают жизнедеятельность пациента с одновременным искусственным восполнением функции сердца и лёгких в течение 16 дней в ожидании донорского сердца. В том же году учёные Калифорнийского университета заявляют о выпуске первого в мире образца портативной искусственной почки. Помимо этих результатов, в 2008 году происходят знаковые события в области разработки и других искусственных органов и частей тела. Так, компанией Touch Bionics был создан революционный высокореалистичный протез руки.

В 2010 в Калифорнийском университете разработана первая, имплантируемая бионическая почка, пока что не доведённая до серийного производства (приложение 2).

2. Современные искусственные органы, материалы для их создания.

Современная биологическая индустрия достигла своего пика. Появляются все новые и новые аппараты и приборы, на разработки которых уходит не десятки лет, а месяцы. Если раньше создание киборгов, было только сказкой, то современные изобретения позволяют в этом усомниться.

Первая область развития искусственных органов касается области человеческого мозга, возможности которого до конца не изучены. Тем не менее, определенные манипуляции с мозгом проводятся, в основном с целью излечения болезней. Профессор Университета Южной Каролины после длительных исследований создал чип, способный заменить гиппокампус - часть мозга, ответственную за кратковременную память, а также ориентацию в пространстве. Поскольку гиппокампус зачастую подвергается нарушениям при нейродегеративных заболеваниях, то данный чип, ныне проходящий лабораторные испытания, может стать незаменимой вещью в жизни многих больных.

Немецким ученым из Института биохимии имени Макса Планка после длительных исследований удалось совместить живые клетки головного мозга с полупроводниковым чипом. Важность открытия заключается в том, что данная технология дает возможность выращивать очень тонкие полоски тканей на чипе, в результате чего он позволит очень подробно наблюдать взаимодействие всех нервных клеток между собой путем выявления сигналов, посылаемых клетками через синапсы.

А калифорнийской компанией Neuropace был разработан электростимулирующий прибор для эпилептиков, названный «нейростимулятором ответных реакций» (приложение 3). Принцип работы заключается в том, что устройство сдерживает поток неконтролируемых импульсов во время припадков с помощью электрических разрядов из внешнего источника. Испытания Neuropace проводились на сотне пациентов, удовлетворительный результат просматривался практически у половины.

Еще одной областью внедрения искусственных органов является глазной аппарат. Существует множество вариантов создания искусственных глаз.

Группа специалистов консорциума Bionic Vision Australia презентовали свой бионический глаз в Университете Мельбурна (приложение 4). Лабораторные испытания уже проводятся, а более массовое внедрение ожидается к 2013 году.

Ученым Калифорнийского университета удалось создать протез, который способен выполнять функции сетчатки глаза. На данном этапе тестирования человек способен видеть только размытую картинку, но дальнейшие перспективы достаточно позитивны. Данный протез устроен так: на оправе очков закрепляется камера, через которую изображение передается прямо на уцелевшие нейроны в сетчатке глаза. Для перевода входящего видеосигнала в импульсы, которые способны воспринять нервные клетки, пришлось разработать специальный программно-аппаратный конвертер.

Стоит отметить, что качество зрения, которое предлагает используемая во всех вышеупомянутых устройствах технология напрямую зависит от количества светочувствительных электродов в имплантанте. Если на нынешнем этапе их всего 60, то в скором будущем это число планируют довести до 1000, что радикально улучшит восприятие – не просто передавая пятна света, но гораздо полноценнее сообщая человеку о происходящем вокруг.

А вот подход британцев, разработавших технологию BrainPort, принципиально отличается от всех вышеописанных в части метода передачи информации. Идея в том, что человек должен начать видеть с помощью языка (приложение 5).

Внешняя часть устройства, как обычно, включает в себя небольшую видеокамеру, вмонтированную в оправу очков и конвертер, преобразующий сигнал. Однако, вместо электродов, вживляемых в сетчатку и передающих данные на зрительные нервы, BrainPort оборудован небольшой трубкой с прямоугольным передатчиком, который необходимо положить на язык. Электрические импульсы передаются на него и в зависимости от их интенсивности, человек может распознавать наличие препятствий на пути.

Следующая область, в которой искусственные органы применяются достаточно часто, это слуховой аппарат человека. К счастью, в отличие от зрения, частичное и даже полное восстановление слуха реализуется проще, поэтому уже достаточно давно существуют слуховые аппараты или, по научному, кохлеарные имплантанты. Принцип их работы прост: с помощью микрофона, расположенного за ухом, аудиосигнал передается на вторую часть аппарата, стимулирующую слуховой нерв – по сути, слуховой аппарат увеличивает громкость воспринимаемого звука.

Так, например, профессором Мириам Фарст-Юст из Школы электротехники Тель-авивского университета был разработан новый вид прикладного программного обеспечения «Clearcall». Данная программа предназначена сугубо для кохлеарных имплантантов и слуховых аппаратов и позволяет более четко слышать в шумных местах звуки, распознавать речь, а также отфильтровывать фоновые шумы. Для того, что бы человек воспринимал нормально звуки, Clearcall работает с собственной базой данных звуков, в результате чего идет максимально точное отфильтровывание посторонних шумов и усиление «полезных» сигналов.

Что касается материалов для создания искусственных органов, то в основном используются полимеры. Например, полиэтилен низкой плотности и поликапролактам используется для создания изделий, контактирующих с тканями организма. Поликарбонат используется для создания корпуса и деталей желудочков и стимуляторов сердца. Флоропласт-4 используется для протезов сосудов и клапанов сердца. Полиметилметакрилат применяют для создания деталей аппаратов «искусственная почка», «сердце - легкие». А для создания бесшовных соединений используется цианакрилатный клей. Что касается плюсов и минусов современных искусственных органов, то можно сказать следующее:

Плюсы:

Возможность сохранения человеческой жизни в случаях ожидания донорского органа
Большое количество разработок и усовершенствование ныне существующих искусственных органов
Возможность сохранения человеческой жизни в случае потери настоящего органа (имплантаты, протезы)
Возможность замены нефункционирующего органа с рождения (слепота)

Минусы:

Большой риск при внедрении нового органа
Дорогая стоимость искусственных органов
Отсутствие достаточного уровня развития современной биологической науки в данном направлении

Таким образом, подводя итог вышесказанного, можно сказать, что современная биологическая наука активно развивается в данном направлении.

3. Отношение общественности к искусственным органам

Как вы знаете, отношение к науке никогда не было однозначным. В истории развития человечества никогда не было единой точки зрения, как на происхождение человека, так и на пользу научных инноваций. Мною был проведен опрос среди 2-х социологических групп. Первая группа – лица от 16 до 25 лет. Вторая группа – от 26 до 45 лет. Количество участников в каждой группе 30 человек. Опрос состоял из следующих вопросов:

Как вы относитесь к искусственным органам?
Считаете ли вы, что искусственные органы способны продлить жизнь человеку?
Как бы вы ответили на вопрос: «Лечить или заменить орган»?

Результаты опроса я представила в виде диаграмм (приложение 6)

Таким образом, исходя из данных диаграмм, мы видим, что люди старшего поколения наиболее презрительно относятся к искусственным органам. А молодое поколение, наоборот, считает, что искусственные органы – это будущее человечества. Отношение к развитию биологической науки в этом направлении неоднозначно. Однако я, проделав множество исследований этой проблемы, считаю, искусственные органы со временем помогут продлить жизнь человека, помогут справиться с врожденными дефектами и заболеваниями.

4. Практическая значимость искусственных органов и тенденция развития российской науки в данном направлении

Разработка и создание искусственных органов в ведущих западных странах относится к главным государственным программам. В США эта программа постоянно находится под патронажем президентов страны. Суммарные инвестиции в этих странах только частного капитала по разным направлениям программы составляют ежегодно миллиарды долларов. При этом они обеспечивают инвесторам непосредственную стабильную прибыль и гарантируют надежные политические и экономические перспективы.

Большинство искусственных органов в настоящее время достаточно большая роскошь. Исключение этому составляют протезы и слуховые аппараты. Поэтому большинство опытов и разработок искусственных органов в настоящее время происходит за рубежом, в странах Европы, в США. Но, тем не менее, современная Россия пытается идти в ногу со временем. В нашей стране все чаще финансируются биологические разработки в данной области науки, открываются все новые и новые кафедры, направленные на подготовку высококвалифицированных ученых в данном направлении. В России это направление получило государственную поддержку в 1974 году после заключения Межправительственного соглашения о сотрудничестве между СССР и США в области создания искусственного сердца.

При Государственном комитете СССР по науке и технике была создана Межведомственная комиссия, которая разработала комплексную программу НИР и ОКР на два года, полностью обеспеченную финансированием.

К сожалению, неудачное завершение сотрудничества по программе создания искусственного сердца, последующее сокращение финансирования, ослабление интереса руководства страны к его продолжению и наступившие в стране экономические и политические перемены 90-х годов практически полностью остановили работы по этому направлению. Развивавшиеся в России на начальном этапе дикие рыночные отношения переориентировали интересы специалистов на пересадку жизненно важных органов. При этом не был принят во внимание западный опыт современной трансплантологии, где, наряду с хорошо организованной (например, система «Евротрансплант») и законодательно защищенной клинической практикой пересадки жизненно важных органов (сердце, почка, печень, поджелудочная железа, легкие) нуждающимся больным, наблюдалось развитие криминального сектора трансплантологии.

Все эти годы работы по созданию и клиническому применению искусственных органов в ведущих странах и, в особенности, в США не только не прекращались, но обеспечивались приоритетным финансированием. Сегодня это направление объединяет последние мировые медико-биологические и технические разработки и технологии, в том числе, с привлечением к их созданию новейших достижений военно-промышленного комплекса. Стимулом являются невероятные рыночные прибыли и неограниченная востребованность разработок на медицинском рынке. К основным медицинским направлениям, для которых осуществляются разработки, являются сердечно - сосудистые заболевания, сахарный диабет, онкология, травматология.

5. Заключение

Подводя итог вышесказанного, мне хочется сказать, что вопрос о развитии и применении искусственных органов – достаточно спорный. Не существует единой точки зрения на данную проблему. Нет единой технологии производства и разработок в данной сфере, что положительно сказывается на развитии биологической науки. Вопрос о будущем применении искусственных органов остается спорным. Но лично я считаю, что в будущем человечество либо усовершенствует ныне существующие органы, либо найдет альтернативный путь решения этой проблемы. И кто знает, может, к концу 21 века люди будут иметь неограниченные возможности, и киборги станут не сказкой, а самой настоящей реальностью. Задачи, поставленные мной в начале проекта, достигнуты. Открыто новое научное знание. Получены практические, полезные результаты. Данный проект может быть применен при проведении уроков, семинаров, в качестве учебного пособия.

Список использованной литературы

Брюхоненко С.С., Чечулин С.И. (1926), Опыты по изолированию головы собаки (с демонстрацией прибора) // Труды II Всесоюзного съезда физиологов. - Л.: Главнаука, - С. 289-290
Демихов В.П. (1960), Пересадка жизненно важных органов в эксперименте. - М.: Медгиз
Гришманов В.Ю., Лебединский К.М. (2000). Искусственное питание: концепции и возможности // Мир Медицины (3-4), 26-32 С.
Шутов ЕВ (2010). Перитонеальный диализ – М - 153 с
Интернет-ресурсы:

Новую, значительно усовершенствованную модель трехмерного принтера для печати органов. С его помощью удалось создать искусственную модель кости черепа, ухо и мышцу. Причем все органы, пересаженные лабораторным животным, прижились. Мы решили вспомнить, какие еще органы и ткани ученые уже умеют создавать искусственно, и как это делается сегодня.

Практически любой орган человека состоит из трех тесно связанных структур. Во-первых, это соединительнотканный внеклеточный матрикс — разветвленная сеть коллагеновых волокон, которая придает органу форму и плотность, а также служит каркасом для клеток. Во-вторых, это клетки, благодаря которым орган выполняет свои биологические функции (во многих органах присутствуют несколько типов клеток). В-третьих, это сосудистая сеть, которая приносит артериальную кровь, насыщает ткани кислородом и питательными веществами, забирая у них углекислый газ и продукты обмена. Создание каждой из этих структур представляет отдельную сложную задачу тканевой инженерии.

Придать форму

Для получения внеклеточного матрикса используют два принципиально разных подхода. Можно создавать его с нуля — брать подходящий материал и, придумывая инженерные ухищрения, придавать ему нужную структуру. Альтернативный путь — взять «готовый» орган животного или мертвого донора и очистить его от всего лишнего, оставив только чистый каркас, свободный от клеток и не вызывающий реакции отторжения. Каждый из этих методов имеет достоинства и недостатки.

Искусственный матрикс синтезируют из синтетических и природных веществ. Из первых чаще всего используют полилактид (полимер молочной кислоты), полигликолевую кислоту и поликапролактон. Все они со временем рассасываются в организме без выделения вредных веществ, замещаясь натуральным внеклеточным матриксом. Природные материалы имеют белковую (например, коллаген) или углеводную (например, гиалуроновая кислота) природу. Для придания материалам нужной трехмерной сетчатой структуры в экспериментах и на практике используют множество способов (самосборку нановолокон, текстильные технологии, частичное растворение, вспенивание, электроспиннинг, трехмерная печать и другие). Эти методы не воспроизводят тонкостей микроструктуры органа и не формируют каркас для сосудистой сети. Поэтому они подходят лишь для органов с относительно простым строением — кожи, сосудов, хрящей и т.п.

Наиболее перспективная на данный момент технология получения внеклеточного каркаса сложных органов, например, сердца или почки — это децеллюляризация (очистка от клеток) соответствующего органа мертвого донора или подходящего по размеру животного (чаще всего свиньи). Для этого через сосуды органа медленно, в течение нескольких дней пропускают раствор моющего средства возрастающей концентрации. Когда все клетки удалены, матрикс промывают, и он готов к заселению клетками нового хозяина. Метод хорош и тем, что бесклеточный матрикс состоит из природного материала, который обеспечивает правильное прикрепление и пролиферацию клеток. Основной недостаток этой технологии заключается в том, что она разрушает микрососудистую сеть — капилляры, фактически состоящие из одного слоя эндотелиальных клеток, удаляются при промывании.

Из-за этого до клинического применения пока дошли только созданные таким методом дыхательные пути, а менее совершенное, на первый взгляд, искусственное получение матрикса уже используется в практическом и экспериментальном протезировании.

Заставить работать

Функциональную ткань изначально наращивали на матрикс, погружая его в питательный раствор с клетками и факторами роста. В последнее время все чаще с этой целью используют гидрогели, которые, застывая, обеспечивают равномерное распределение клеток, их лучшее закрепление и диффузию питательных веществ и газов. При использовании децеллюляризированного донорского матрикса раствор клеток и факторов роста пропускают через его сосуды.

Отдельную проблему представляет размножение и выживание клеток — в дифференцированной ткани их возможность делиться и развиваться ограничена длиной теломер («насадок» на концах молекул ДНК, необходимых для ее репликации, которые укорачиваются с каждым делением клетки). Решением этой проблемы может стать использование индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, которые по способности пролиферировать и дифференцироваться близки к эмбриональным стволовым клеткам.

Снабдить воздухом и пищей

Создание сосудистой сети, как уже говорилось, представляет собой одну из наиболее сложных задач. Ни один из существующих методов не обеспечивает достаточной плотности и функциональности — капилляры либо протекают, либо их слишком мало для кровоснабжения органа (а чаще и то, и другое). Преодолеть эту проблему различными способами пытаются многие лаборатории мира. Более-менее обнадеживающие предварительные результаты получены при использовании микрожидкостных устройств из биорастворимых материалов, однако полноценную сосудистую сеть целого органа таким способом пока создать не удалось.

Оригинальное решение недавно предложили сотрудники американского Университета Вандербильта. Они получили полимерную сеть с толщиной волокон, близкой к капиллярам, с помощью аппарата для изготовления сладкой ваты. Затем эту сеть заливали гидрогелем с клетками и после его застывания вымывали полимер и пропускали через получившиеся микрососуды питательный раствор. Эта методика пока находится на начальных этапах разработки; полученный гидрогель с живыми клетками и сосудами не имеет внеклеточного матрикса.

Используя бесклеточный матрикс для восстановления кожи и собственные клетки пациента, японские исследователи вырастили на питательной среде и успешно пересадили пациентам слизистую оболочку ротовой полости.

Еще одна ткань, сравнительно простая для создания методом тканевой инженерии — это хрящ. У взрослого человека он практически не кровоснабжается, из-за чего не восстанавливается. Однако крайне низкая потребность зрелого хряща в кислороде и питании существенно облегчает работу с ним — не приходится обеспечивать рост сосудов, поскольку хрящевая ткань получает все необходимое путем диффузии. В 2006 году сотрудники Бристольского университета успешновосстановили поврежденные коленные суставы с помощью искусственных хрящей, выращенных из клеток пациентов на матриксе из гиалуроновой кислоты.

Искусственно выращенная хрящевая ткань применялась еще в одной серии экспериментов на людях, и то с сомнительным результатом. Речь идет о работе хирурга Паоло Маккиарини, выполненной на базе Барселонского университета в Испании, Каролинского института в Швеции и Кубанского медицинского университета в Краснодаре. Он пересаживал трахеи и бронхи, выращенные на децеллюляризованном матриксе мертвых доноров из собственных мезенхимальных стволовых и эпителиальных клеток пациентов. После обвинений в нарушении этики проведения исследований и на основании данных о высокой смертности реципиентов Каролинский институт принял решение уволить Маккиарини.

Также следует упомянуть о работе Стивена Бадилака (Stephen Badylak) из Университета Питтсбурга. Он использовал высушенный порошок из децеллюляризированного матрикса свиного мочевого пузыря, содержащий коллаген и факторы роста, для устранения травматических дефектов тканей. Биосовместимый материал стимулировал стволовые клетки взрослых, благодаря чему удалось восстановить пациентам отрезанную пропеллером авиамоделифалангу пальца , мышцу , практически утраченную в ходе военных действий, и другие поврежденные ткани.

Пожалуй, наибольшего на данный момент успеха в экспериментах на людях добился уже упомянутый Атала. Его коллектив еще в 2000-х годах использовал 3D-принтер для создания матрикса мочевого пузыря.

Полученные каркасы заселили клетками, забранными при биопсии, и вырастили полноценные органы, которые затем успешно пересадили пациентам.

В 2014 году Ясуо Куримото (Yasuo Kurimoto) из Медицинского центра Кобе пересадил женщине с возрастной макулярной дегенерациейсетчатку глаза. Ее вырастили сотрудники института RIKEN во главе с Масаё Такахаси (Masayo Takahashi) из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (за разработку технологии их получения соотечественник ученых Синъя Яманака в 2012 году получил Нобелевскую премию). Путем долгих экспериментов лаборатории RIKEN удалось направить дифференцировку этих клеток в пигментный эпителий сетчатки и получить плоский прямоугольник ткани размером 1,3 на 3,0 миллиметра, пригодный для трансплантации. Операция прошла без осложнений; кровотечения, отторжения и общего ухудшения самочувствия у 70-летней пациентки не наблюдалось. Однако о том, наступило ли восстановление зрения, сообщений не было.

На сегодняшний день этими работами клинические испытания органов, полученных методом тканевой инженерии, практически исчерпываются. Негусто, но известия из лабораторий позволяют в ближайшее время ожидать гораздо более впечатляющих результатов. О них мы расскажем в одном из следующих материалов.