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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

«Искусственное сердце»

Более 2300 лет назад греческий философ Аристотель учил, что сердце является вместилищем души. Сегодня мы знаем: величиной с кулак и весящий 300 граммов полый мускул каждую минуту прокачивает все шесть литров крови человека через сеть сосудов, протянувшуюся более чем на 1000 километров, и обеспечивает питательными веществами каждую из 100 миллиардов клеток тела. В зависимости от возраста и нагрузки, сердце бьется 40-200 раз в минуту, при этом ритм орган задает себе сам: электрический задатчик такта в сердечной стенке управляет ударами в зависимости от физических требований. Имплантируемый насос из стали, снабженный батарейкой и индукционной катушкой для заряда через кожу, в будущем должен заменять неизлечимо больное сердце. При небольших дефектах, например, клапанов, хирурги пересаживают запчасти из свиных сердец или из пластика. Если сердце то и дело сбивается с ритма, корректирующие импульсы задает электронный водитель сердечного ритма, вшиваемый в грудную клетку.

Исследования поначалу проводились в направлении частичной замены функции одного из отделов сердца (правый или левый желудочек), и только с созданием аппарата искусственного кровообращения стало возможным всерьез задуматься над тем, как полностью заменить сердце механическим аналогом. Великий советский ученый-экспериментатор Владимир Демихов еще в 1937 году показал принципиальную возможность поддержания кровообращения в организме собаки с помощью пластикового насоса, приводимого в движение электродвигателем. Два с половиной часа, которые прожила собака с этим механическим устройством, имплантированным на место удаленного собственного сердца, стали отсчетом новой эры в медицине.

Эстафету подхватили американские ученые, но лишь два десятилетия спустя В. Кольф и Т. Акутсу разработали искусственное сердце из полихлорвинила, состоящее из двух мешочков, включенных в единый корпус. Оно имело 4 трехстворчатых клапана из того же материала и работало от пневмопривода, расположенного снаружи. Эти исследования положили начало целой серии конструктивных решений искусственного сердца с внешним приводом. Почти четверть века потребовалась для того, чтобы в эксперименте были достигнуты стабильные результаты выживания животных и созданы предпосылки для использования этой технологии в клинической практике. Работы по созданию искусственного сердца интенсивно проводились несколькими группами ученых в США, СССР, ФРГ, Франции, Италии, Японии.

К 1970 году были получены обнадеживающие показатели - животные выживали до 100 часов (Университет штата Юта, Солт-Лейк-Сити, США). Однако затем в связи с хроническими неудачами экспериментаторов встал вопрос: а возможно ли в принципе выживание животного с искусственным сердцем более 100 часов? К счастью, на него сравнительно быстро удалось ответить утвердительно - к 1974 году была достигнута выживаемость животных в течение месяца, а три года спустя организм уже 75 проц. животных стабильно работал в течение этого срока. Полученные результаты позволили считать, что метод замены собственного сердца искусственным,как временная мера может быть применен в клинике.

Модель искусственного сердца, разработанного в Берлине. Эта модель была впервые имплантирована профессором Хетцером в 1987 г.

Идея имплантации искусственного сердца для поддержания жизни реципиента на период поиска подходящего донора была реализована в 1969 году, когда американский хирург Д.Кули произвел имплантацию искусственного сердца больному, которого после резекции обширной аневризмы левого желудочка не удавалось отключить от аппарата искусственного кровообращения. Через 64 часа работы искусственное сердце было заменено на аллотрансплантат, однако еще 36 часов спустя больной погиб от пневмонии. Это был первый случай двухэтапной операции трансплантации сердца, которая сегодня распространена очень широко. В настоящее время, правда, на первом этапе проводят имплантацию не искусственного сердца, а искусственного левого желудочка, но об этом дальше.

Начиная с 1982 года Де Вриз выполнил шесть операций по имплантации искусственного сердца с внешним приводом больным в терминальной стадии сердечной недостаточности. Уже первый больной, несмотря на ряд технических осложнений, прожил с искусственным сердцем "Джарвик-7" 112 суток, затем выживаемость больных была доведена до 603 суток. Все шесть пациентов в конце концов погибли от инфекций. Эти операции, несмотря на общественный интерес, не получили распространения в дальнейшем, так как у больных, привязанных к громоздкому внешнему приводу, не было ни единого шанса на сколько-нибудь полноценную жизнь.

В нашей стране серьезные исследования в области создания искусственного сердца возобновились в 1966 году по инициативе и под руководством тогда еще никому неизвестного молодого хирурга, а впоследствии академика Валерия Шумакова сначала в Институте клинической и экспериментальной хирургии, а с 1975 года - в НИИ трансплантологии и искусственных органов. В течение многих лет над этим работали сотрудники НИИТиИО В. Толпекин, А. Дробышев, Г. Иткин. В 70-е годы советские ученые шли вровень с американскими в разработке искусственного сердца. Не случайно в 1974 году министры иностранных дел СССР и США А. Громыко и Г. Киссенджер в числе других важных документов подписали межправительственное соглашение по исследованиям в области искусственного сердца и вспомогательного кровообращения. Как говорит Валерий Шумаков, этому соглашению в отличие от многих других была уготована счастливая судьба. Оно выполнялось на протяжении двух десятилетий, в результате были созданы искусственное сердце и искусственные желудочки сердца, применявшиеся в клинической практике.

В НИИТиИО были проведены исследования по созданию насосных устройств, систем управления и контроля работы протеза сердца в длительных медико-биологических экспериментах на телятах. Длительность работы модели искусственного сердца с внешним приводом "Поиск-10М" была доведена к 1985 году до 100 суток. Все это позволило начать его клинические испытания. Показаниями к применению искусственного сердца были резкое ухудшение состояния пациентов, включенных в лист ожидания на пересадку сердца; критические ситуации у больных, которые после окончания операции не могут быть отключены от аппарата искусственного кровообращения; резко прогрессирующие явления отторжения трансплантата.

С декабря 1986 года специалистами НИИТиИО было выполнено 17 трансплантаций искусственного сердца "Поиск-10М", из них 4 в Польше, куда бригада выезжала по экстренному вызову. К сожалению, несмотря на героические усилия врачей, максимальная продолжительность работы искусственного сердца не превысила 15 суток. Но, как это ни цинично звучит в данном случае, отрицательный результат в науке - тоже результат.

Мы убедились, что искусственное сердце с внешним приводом имеет серьезные отрицательные стороны, - говорит заведующий лабораторией вспомогательного кровообращения и искусственного сердца НИИТиИО профессор Владимир Толпекин. Прежде всего, это большая травматичность, ведь сначала нужно удалить собственное сердце больного и лишь потом на его место поставить сердце искусственное. При этом возникает много осложнений, воспаление тканей, из-за чего повторная трансплантация затруднительна.

Из 17 больных, которым трансплантировали "Поиск-10М", донорское сердце удалось пересадить лишь одному, но и у него за 3,5 суток жизни на искусственном сердце ткани изменились настолько сильно, что на 7-е сутки после пересадки донорского органа развился воспалительный процесс, приведший к смерти. В настоящее время лишь одна фирма в мире выпускает искусственное сердце с внешним приводом, и на практике в последнее время они практически не применяются ни в качестве "моста" к трансплантации донорского сердца, ни тем более как длительно работающий орган. В результате искусственное сердце было вытеснено менее травматичной системой - искусственным левым желудочком (обход левого желудочка).

М.В.Плетников
перевод с английского Science, 1995,
Vol. 270, N 5234, pp. 230-232.
Создание искусственных органов и тканей оформилось в самостоятельную отрасль науки около десяти лет тому назад. Первые достижения этого направления - создание искусственной кожи и хрящевой ткани, образцы которых уже проходят первые клинические испытания в центрах трансплантации. Одно из последних достижений состоит в конструировании хрящевой ткани, способной к активной регенерации. Это действительно огромный успех, поскольку поврежденная суставная ткань не регенерирует в организме. В клиниках США ежегодно оперируют более 500 тыс. больных с повреждениями суставного хряща, но подобное хирургическое вмешательство лишь на короткое время облегчает боль и улучшает движения в суставе. Ученые из Гётеборгского университета в Швеции экстрагировали хондроциты (клетки хряща) из суставов 23 пациентов, вырастили культуру клеток, которая образовала хрящевую ткань, а затем имплантировали ее в поврежденный коленный сустав. Результат оказался превосходным: у 14 из 16 пациентов было отмечено практически полное замещение поврежденного хряща новой тканью в месте ее имплантации. Выращивание хрящевой ткани занимает, к сожалению, много времени - несколько недель, поэтому ученые пытаются разработать методики более быстрого получения искусственных тканей. Например, группа экспериментаторов из биотехнологической компании "Organogenesis " провела выращивание пленки искусственной кожи на матриксе из природного коллагена, что позволяет практически сразу использовать эту новую ткань в клинике.

При клиническом испытании нового кожного трансплантата было показано, что он улучшает (не менее чем на 60% по сравнению с обычными материалами) заживление венозных язв и кожных повреждений. Однако кожа и хрящ - ткани, состоящие из одного или двух типов клеток, и требования к структуре основы, предназначенной для их выращивания в искусственных условиях, относительно невысоки. Со многими же другими органами дело обстоит гораздо сложнее. В настоящее время предпринимаются попытки выращивания в лабораторных условиях печени. Но печень - сложно устроенный орган, состоящий из разных типов клеток, обеспечивающих очищение крови от токсинов, преобразование поступивших извне питательных веществ в усваиваемую организмом форму и выполняющих целый ряд других функций. Поэтому создание искусственной печени требует гораздо более сложной технологии: все эти разнообразные типы клеток должны быть размещены строго определенным образом, то есть основа, на которой они базируются, должна обладать высокой избирательностью.
С этой целью на такую синтетическую основу наносятся молекулы, обладающие свойствами клеточной адгезии и межклеточного узнавания - функциями установления специфических межклеточных связей в организме. История создания такой подложки для клеток печени может служить иллюстрацией преимуществ комбинированной технологии.

Например, исследователям из Массачусетского технологического института удалось создать подложку, на которой закрепляются только клетки-гепатоциты. Хорошо известно, что клетки этого типа выполняют в организме больше метаболических функций, чем любые другие. Одной из таких функций является удаление из кровеносного русла поврежденных белков. Гепатоциты узнают эти белки по определенным углеводным последовательностям, которые и "маркируют" их как брак. Исследователи синтезировали молекулы с такой последовательностью звеньев и "прикрепили" их к искусственному полиакриламидному полимеру, полагая, что эти "приманки" будут избирательно "привлекать" гепатоциты. Действительно, гепатоциты узнавали метки и задерживались на поверхности полимера. Однако впоследствии оказалось, что полиакриламид не может служить подходящим материалом для искусственной печени, поскольку вызывает сильную иммунную реакцию со стороны организма. Необходимо было искать какой-то другой полимер, который бы не отторгался организмом, но при этом и не адсорбировал бы различные белки, которые, осев на полимере, тут же начинали бы привлекать все типы клеток без разбора. В конце концов старания ученых увенчались определенным успехом. Им удалось синтезировать сетчатую подложку из полиэтилен-оксида (ПЭО), не вызывающего иммунной реакции и не адсорбирующего белки. ПЭО представляет собой молекулу звездчатой формы, лучи которой расходятся в разные стороны от плотного центрального ядра. Когда молекулы ПЭО связываются между собой, концы лучей каждой "звезды" свободно плавают в водном растворе. При этом они несут на себе реактивные гидроксильные группы, к которым и прикрепляют углеводные "приманки" для гепатоцитов.

Было показано, что при добавлении в такой раствор гепатоцитов крысы они тут же связываются с углеводами и закрепляются на сетчатой подложке, в то время как фибробласты, внесенные в раствор, на полимере не оседают. Таким образом, ученым посчастливилось разрешить одну из самых больших проблем в создании искусственных органов: сконструировать высокоспецифический клеточный акцептор. Следующим этапом стало формирование трехмерной структуры сетчатой подложки. Здоровая печень состоит из массы клеток, пронизанных сложной сетью кровеносных сосудов. Для нормальной работы печени различные типы клеток должны быть расположены по отношению друг к другу в определенном порядке. Разработав способ укладки полимера (полиактиновой кислоты) на тончайшую бумажную основу под управлением компьютера, что позволяет в дальнейшем конструировать уже трехмерную архитектуру органа, исследователи теперь бьются над проблемой соединения с трехмерной структурой нового полимера молекул ПЭО, несущих "приманки". В будущем они надеются присоединить к полимеру и метки другого типа, например антитела, привлекающие к себе клетки, образующие желчные протоки. Наконец, предполагается использование аминокислот - глютаминовой, аспарагиновой и аргинина - для формирования специфического эндотелиального слоя печени. Так постепенно, шаг за шагом, ученые надеются создать полноценную искусственную печень. Гибридные основы-подложки хорошо зарекомендовали себя и в экспериментах по "выращиванию" нервных волокон. В этом случае в качестве подложки оказался особенно эффективен тефлон - материал, совершенно безвредный для организма. Соединение тефлоновой сетки с молекулами ламинина посредством модифицированных ионизированным газом атомов никеля представляет собой, по мнению исследователей, весьма перспективную основу, на которой может происходить рост отростков нервных клеток. Ламинин в данном случае выполняет функцию регуляции и направления роста нервов. Следующим шагом, приближающим клиническое применение индуцированного роста предназначенных для трансплантации нервов, должно стать изготовление специальных направляющих трубочек, которые можно было бы размещать в организме вдоль поврежденных нервных волокон. Тефлон также давно используют в искусственных кровеносных сосудах. Однако до сих пор из него производят только широкие (более 6 мм в диаметре) сосуды, так как сосуды меньшего диаметра через 1-2 года после имплантации закупориваются тромбоцитами и гладкомышечными клетками. Этого не происходило бы, если бы структура стенок имплантированного сосуда была похожа на выстилающий эпителий настоящих вен и артерий.

Проблему можно решить путем нанесения на полимер естественных эпителиальных клеток, образующих гладкую выстилку внутренних стенок сосудов, к которой не прилипают тромбоциты и гладкомышечные клетки. Создание такого искусственного эпителия и является основной проблемой конструирования кровеносных сосудов. К слову сказать, аналогичное налипание клеток, и как следствие, закупоривание сосудов, происходит и в самом организме из-за атеросклеротического изменения эпителия. При решении этой задачи, как и при попытках вызвать направленный рост нервных волокон, ученые пользуются "услугами" белков межклеточной адгезии и внеклеточного матрикса: фибронектина и ламинина. Среди органов и тканей, которые в настоящее время интенсивно исследуются с целью их биотехнологического воссоздания, можно отметить также костную ткань, сухожилия, кишечник, сердечные клапаны, костный мозг и трахею. Помимо работ по созданию искусственных органов и тканей человеческого организма ученые продолжают разрабатывать и методы вживления в организм больных диабетом людей клеток, продуцирующих инсулин, а людям, страдающим болезнью Паркинсона, - нервных клеток, синтезирующих нейромедиатор дофамин, что позволит избавить пациентов от ежедневных утомительных инъекций.

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.