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
Искусственные органы человека
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…»
Из книги Большая Советская Энциклопедия (ВО) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЗУ) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (ИС) автора БСЭ Из книги Большая Советская Энциклопедия (СП) автора БСЭ Из книги Промальп в ответах на вопросы автора Гофштейн Александр Ильич Из книги Тайны драгоценных камней автора Старцев Руслан Владимирович Из книги Странности нашего тела – 2 автора Джуан Стивен3.9. Искусственные точки закрепления веревок (искусственные точки опоры - ИТО) Если нет возможности надежно закрепить несущую и (или) страховочную веревку (точки закрепления отсутствуют вовсе или их надежность сомнительна), а использование локальных петель по каким-либо
Из книги Правоведение: Шпаргалка автора Автор неизвестенИскусственные рубины Уже было сказано о том, что давно люди пытались получать драгоценные камни сами. Но только с получением обширных знаний по физике и химии это в конце концов оказалось возможно.Еще в 1837 году некий Марк Годен - французский химик - поставил и успешно
Из книги Биология [Полный справочник для подготовки к ЕГЭ] автора Лернер Георгий ИсааковичСуществуют ли искусственные почки? Можно сказать, что подобие искусственных почек существует с 1944 г. Функции почек выполняет аппарат для диализа, но его размещают вне тела. Диализ можно проводить, используя стационарную больничную установку (обычно два раза в неделю),
Из книги Осмысление процессов автора Тевосян Михаил Из книги Макияж [Краткая энциклопедия] автора Колпакова Анастасия Витальевна5.5. Анализаторы. Органы чувств, их роль в организме. Строение и функции. Высшая нервная деятельность. Сон, его значение. Сознание, память, эмоции, речь, мышление. Особенности психики человека 5.5.1 Органы чувств (анализаторы). Строение и функции органов зрения и слуха Основные
Из книги Катастрофы тела [Влияние звезд, деформация черепа, великаны, карлики, толстяки, волосатики, уродцы...] автора Кудряшов Виктор Евгеньевич6.5. Происхождение человека. Человек как вид, его место в системе органического мира. Гипотезы происхождения человека. Движущие силы и этапы эволюции человека. Человеческие расы, их генетическое родство. Биосоциальная природа человека. Социальная и природная среда,
Из книги Универсальный энциклопедический справочник автора Исаева Е. Л. Из книги автораИскусственные ресницы Современные технологии позволяют сделать взгляд неотразимым. Этого можно достичь наращиванием ресниц. Искусственные ресницы стали актуальными в последнее время, несмотря на то, что процедура довольно дорогая и трудоемкая.Существует несколько
Из книги автораИскусственные карлики Первые попытки искусственного создания карликов имели место на закате Римской Империи. Когда они оказались удачными, тут же возник целый промысел, специализирующийся на производстве и продаже искусственных карликов. Среди римского плебса агенты
Из книги автораВнутренние органы человека Дыхательная
Искусственные механические органы - пожалуй, наиболее реалистичный на сегодня способ починить порядком износившееся тело, которому уже не поможет традиционный терапевтический «ремонт». Что касается других методов, то пересадка органов осложняется дефицитом доноров и биологической несовместимостью. А стволовые клетки, о которых так много говорят, к сожалению, пока слишком далеки от практического применения.
Первыми искусственными органами, видимо, стоит считать зубные протезы. Позднее хирурги стали вживлять металлические суставы и связки, а затем появились и электронные протезы конечностей. Но назвать эти аппараты «революцией в искусственных органах» можно лишь с натяжкой. Конечно, они улучшают качество жизни, но прожить можно и без них. Для создания таких аппаратов главное - подобрать прочный, легкий и безопасный материал, изготовить из него нужную деталь и разработать технологию «установки» в человеческое тело.
Другое дело - наши внутренние органы. Миллионы людей ежегодно умирают от тяжелых болезней сердца, легких, печени и почек, и помочь им зачастую нет никакой возможности. Почти все изобретенные аппараты для поддержания жизни - искусственное легкое, печень или почки - занимают места не меньше, чем холодильник и рассматриваются лишь как временная мера. Как правило, пациент находится около такой машины постоянно и ожидает органа для пересадки. Но подходящих доноров удается найти далеко не всегда.
Но не все так безнадежно. Самым «простым» из этих органов является сердце. Еще в 1938 году американские хирурги впервые использовали аппарат искусственного кровообращения. Не так давно было создано искусственное сердце AbioCor, которое позволяет человеку не просто «доживать», а ходить и даже заниматься спортом. А последняя разработка - австралийский прибор VentrAssist - вовсе должна работать 50 лет. Но об этом аппарате мы расскажем позднее, потому что его технические характеристики будут выглядеть слишком блекло без теоретического вступления.
Параметры искусственного тела
Идеальные искусственные органы - это машины, которые будут работать десятки лет под большими нагрузками и не требовать какого-либо технического обслуживания. Скажем, мощность сердца человека в покое составляет чуть больше 3 ватт. Это значит, что за день оно совершает работу почти в 90 килоджоулей. То есть «поднимает» тонну груза на четвертый этаж. При физической нагрузке, естественно, его производительность должна значительно возрастать. А теперь представьте, что такой аппарат еще должен умещаться в груди, иметь запас энергии, и не останавливаться ни на минуту в течение всей жизни.
Искусственные легкие - не менее сложная задача. Поверхность «оригинальных» дыхательных органов примерно равна теннисному корту. За одну минуту на ней двадцать раз равномерно «разливается» и убирается стакан крови. Кроме того, постоянно происходит самоочищение легких от сажи, пыли и других вредных частиц, которые мы вдыхаем. Если добавить, что такой орган по объему не должен превышать пяти литров, становится понятно, что работа над таким аппаратом еще очень далека от завершения.
Печень - тоже довольно маленький орган, в котором умещается «химический завод» и мощная система фильтрации. Только за одну минуту через нее проходит полтора литра крови, которую нужно очистить от продуктов жизнедеятельности, не нарушив при этом электролитный, гормональный и белковый баланс. Многие вещества, например - алкоголь, лекарства, жиры, не просто задерживаются в печени, но и перерабатываются в форму, наиболее удобную для выведения из организма. Кроме того, этот орган отвечает за синтез примерно литра желчи - эмульгатора пишевых жиров.
Еще один орган, без которого человек прожить не может - это почка. Аппарат, его замещающий должен, как и печень, фильтровать всю кровь организма. Но на этом функция почек не заканчивается: их биологический «компьютер» анализирует состав крови и на основании этих данных поддерживает в очень узких пределах содержание практически всех растворенных в ней веществ.
Беспроводное сердце
Теперь, когда мы оценили масштабы задачи, посмотрим, как она решается в отношении сердца. Аппарат AbioCor денверской компании Abiomed - это настоящее искусственное сердце, которое заменяет оба желудочка и обеспечивает поступление крови в легкие и остальные органы человека. В приборе размером с грейпфрут и весом 900 граммов находятся титановый насос, блок управления и батарея. Ее емкости хватает на 30 минут автономной работы, а зарядка происходит через кожу: то есть на поверхность тела не выходит никаких проводов. Внешняя батарея, носимая на поясе, позволяет оставаться без подзарядки несколько часов.
Такой аппарат предназначен для пациентов с конечной стадией сердечной недостаточности и неблагоприятным прогнозом. Причем, создатели аппарата заявляют, что он позволяет больным не просто «доживать», но гарантирует им вполне приемлемое качество жизни.
Первое сердце AbioCor было пересажено в 2001 году. С тех пор было установлено не более 20 аппаратов, однако в компании смотрят на перспективы аппарата оптимистично и оценивают рынок в 100000 операций в год.
Сердце AbioCor
Аппарат VentrAssist, созданный австралийскими исследователями, в отличие от сердца AbioCor, не может полностью заменить природный орган. VentrAssist лишь помогает перекачивать кровь левому желудочку - самому нагруженному отделу сердца.
Внутрь тела помещается лишь титановый роторный насос. Его ресурс австралийцы оценивают как 50 лет непрерывной работы. Контроллер и батарею, емкости которой хватает на 8 часов, больной носит на поясе.
По замыслу разработчиков, такой прибор должен помочь многим людям с сердечной недостаточностью. Однако в медицинской практике он появится лишь после соответствующего разрешения лицензирующих органов.
Сердце AbioCor сейчас стоит чуть меньше 100 тысяч долларов, VentrAssist обойдется примерно в 50. Однако эта цена значительно меньше затрат, связанных с каждой пересадкой донорского сердца.
Если учесть еще и те средства, которые уходят на медицинское обслуживание больных с сердечной недостаточностью, станет понятно: искусственное сердце не только полезно, но и выгодно для медицинской индустрии. А финансовые стимулы, как известно - самые сильные. В том числе и для технического прогресса.
Остается только уточнить, что поддерживать этот прогресс ценой собственной жизни совершенно необязательно. При своевременной профилактике сердечных заболеваний ваше собственное сердце может прослужить значительно дольше, чем 50 лет. И главное, практически бесплатно.
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.
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.
Loading...