100 великих загадок современной медицины - Александр Викторович Волков
Современный протез, в котором используется новейшая электроника
Самое трудное начинается, когда орган готов к трансплантации. Он должен срастись с биологическими структурами организма для того, чтобы он мог нормально функционировать. От точного воссоздания трехмерной структуры тончайших кровеносных сосудов и зависит успех операции. Ткани таких органов тела, как почки или поджелудочная железа, пронизаны многочисленными капиллярами. Всё это нужно научиться конструировать, прежде чем подобные операции станут чем-то обыденным.
Вообще, с помощью трехмерного биопринтера, разработанного учеными из Северной Каролины, можно всего за 5–8 минут воссоздать ушную раковину. Примерно сутки потребуются на изготовление прототипа искусственных почек. Правда, подобный принтер стоит более полумиллиона долларов, но можно предположить, что в недалеком будущем появятся региональные центры регенерации, которые станут снабжать все окрестные клиники органами для трансплантации.
Пока же полученные методами 3D-печати ткани наших органов тела интересны прежде всего фармацевтам, которые могут в течение многих недель испытывать на них действие новых лекарственных средств. Тем самым отпадает надобность в опытах над животными, которые в последнее время критикуются многими, тем более что примерно треть всех побочных действий выявляется не в этих опытах, а уже потом, во время клинических испытаний на человеке.
С каждым движением иглы трехмерного принтера на подложку, вплотную друг к другу, наносятся тысячи живых клеток. Это позволяет изготавливать самые разные биологические материалы, например ткани печени, почек, легких или мышц. Подобная ткань сохраняет жизнеспособность не менее 40 дней. Для лабораторных экспериментов – это целая вечность. Обычно клетки той же печени живут вне человеческого организма всего каких-нибудь 5–7 дней.
В конце 2014 года калифорнийская фирма «Organovo», один из пионеров в области трехмерной биологической печати, выпустила на рынок свой первый продукт: образцы ткани человеческой печени, квадратики с длиной стороны 3 миллиметра и высотой 0,5 миллиметра. Ее изделием сразу заинтересовались фармацевтические компании.
Живое сердце, мышцы, почки или печень из принтера? Еще недавно это звучало как фантазия, но на самом деле мы оказались на переднем фронте медицинских исследований. Трехмерная печать получит широкое применение в трансплантологии.
Упования очень велики. Трансплантология считается одним из важнейших направлений современной медицины. Только в США сейчас порядка 120 тысяч человек нуждаются в пересадке органов тела. Многим приходится месяцами, а то и годами ждать, когда появится подходящий для них донорский орган. Однако даже успешная операция приносит новые проблемы. У пациента могут наступить осложнения, так как его иммунная система начнет отторгать чужеродный орган.
В перспективе метод трехмерной печати мог бы многое решить. Ведь если зарядить принтер клетками, извлеченными из тела самого пациента, то он распечатает ткани органа тела, которые не будут отторгаться организмом больного.
Впрочем, до сих пор (по данным на конец 2015 года) ни фирме «Organovo», ни почти сотне других фирм во всем мире, которые специализируются на трехмерной печати человеческих тканей, так и не удалось создать с помощью принтера орган тела, который можно было бы сразу пересадить пациенту.
Главная проблема, уже упомянутая здесь вскользь, заключается в том, что не удается достичь нужной «васкуляризации». Вот что имеется в виду. Любой орган нашего тела представляет собой сложнейшую, необычайно плотную сеть из артерий, вен и капилляров, которые снабжают клетки организма кислородом и питательными веществами, а также выводят все ненужные продукты обмена веществ. Поэтому в большинстве органов клетки располагаются рядом с кровеносными сосудами, иначе им не выжить. Как правило, расстояние между клеткой и сосудом составляет всего 200–300 микронов. Вот именно такую ткань пока и не удается получить с помощью трехмерного принтера.
Но, как признают сами исследователи, даже несмотря на то, что мы продвигаемся вперед слишком медленно, это не перечеркивает наши надежды на то, что когда-нибудь мы научимся изготавливать органы тела методами трехмерной печати, и процедура эта станет такой же рутинной, как та, с которой мы начали разговор, – протезирование зубов.
На волшебных ногах к новым победам
Давно прошли те времена, когда единственной опорой и надеждой инвалидов была деревянная нога. В последние годы техника протезирования стремительно развивается. Используя самые современные материалы, инженеры и медики, разрабатывающие протезы рук и ног, стремятся как можно полнее воспроизвести функции утраченных частей тела.
«Надо следовать природе» – вот девиз, которого придерживаются изобретатели. Нужно досконально понять биомеханику человека, говорят они, и воссоздать ее особенности с помощью технических средств. Но здесь лишний раз приходится задуматься над тем, какая удивительная «машина» – человек! Как слаженны взаимные движения его костей и мышц, связок и сухожилий! Как чутко реагирует его нервная система на всё, что происходит вокруг! Так как же повторить всё это в точности, один к одному?
В принципе первые протезы появились еще в глубокой древности. Так, археологи обнаружили у одной из египетских мумий (ее возраст – 2600 лет) искусственный большой палец ноги, изготовленный из железа. На протяжении многих веков протезы мастерили из дерева и железа. Внешне они копировали утраченную часть тела. Но полностью перенять ее функции могут лишь современные протезы, в которых используется новейшая электроника.
С помощью таких протезов люди, лишенные рук или ног, могут брать любые предметы, бегать, принимать участие в соревнованиях. Протезы самых современных моделей способны думать сами. Об этом заботится встроенный в них микропроцессор. Например, в протезе ноги он обрабатывает всю информацию, получаемую от многочисленных сенсоров, – знает, под каким углом сейчас согнуто колено, с какой скоростью ступает нога, какая нагрузка приходится на стопу. Используя эти сведения, он, например, управляет гидравлическим демпфером, который смягчает колебания голени и стабилизирует положение колена.
Как создается такое чудо? Для того чтобы походка выглядела как можно более естественной, конструкторы должны тщательно проанализировать все фазы движений ноги. Какие силы возникают, когда мы ступаем по полу? Как вибрируют при этом кости и мышцы? Как можно стабилизировать ногу (и соответственно протез), чтобы свести к минимуму вероятность повреждения? Особенно важна предельная точность движений. Всё должно совершаться в считаные доли секунды. Здоровый человек автоматически поднимает ногу, сгибает ее в колене, вытягивает ее, наступает на переднюю часть ступни… Тут и думать не о чем! Другое дело – микропроцессор. Он вынужден каждые 0,02 секунды регистрировать положение протеза и управлять им.
Зато с электронным протезом можно не только без труда ходить или бегать, но и кататься на велосипеде, ездить на горных лыжах или скейтборде. Исландская фирма «Össur» выпустила даже модификацию электронного протеза, которая снабжена двигателем. Он вырабатывает
