Собираем человека

Собираем человека

ExpertOnline.kz выяснял размер инвестиций, которые потребуются, чтобы  заменить «устаревшие» части тела, 453 миллиона тенге – по нашим подсчетам, это нынешняя цена здоровья. За эти деньги, теоретически, можно практически полностью собрать свое тело по запчастям, заменив изношенные органы на новые и даже усовершенствованные. Искусственно выращенные органы, биотехнологические протезы a la терминатор, даже кожа и кровь, все это, и не только, - разработки и исследования ученых со всего света, приближающие нас к грани, где фантастика и реальность не просто соприкасаются, но потихоньку начинают становиться одним целым, растворяясь друг в друге.

Они работают

О невероятных свойствах стволовых клеток и о сомнениях в моральности их использования давно ведутся споры. Но одно известно точно: они работают. О пересадке искусственно выращенного мочевого пузыря заявлено еще в 2006 году, когда в медицинской школе университета Уэйк Форест пациенту пересадили полученный  “в пробирке” орган, выращенный из образца ткани мочевого пузыря. Теперь на подходе новые открытия. 

Японским  ученым из Городского университета Йокогама удалось создать “рабочую” человеческую печень на основе стволовых клеток. Заготовка, выращенная за два месяца из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, имела функционал печени на ранних этапах ее развития и формирования. После трансплантации органа в организм лабораторной крысы печень адаптировалась. Присоединившись к кровеносной системе грызуна, еще через два месяца она трансформировалась в полнофункциональную печень.

Экспериментами, основанными на вводе в организм крысы противовоспалительных препаратов, имеющих разные эффекты для человеческого организма и печени грызуна, было доказано, что орган, выращенный в теле грызуна, имеет свойства и выполняет функции человеческой печени. Подобное открытие сулит огромный шаг в регенеративной медицине; если оно и не позволит выращивать полноценные органы в организме, то хотя бы даст возможность создавать временные альтернативы поврежденным, пока пациент ждет подходящую замену. А на последних стадиях исследования, когда уже можно будет трансплантировать выращенные органы людям, это уменьшит стоимость операций. Нынешняя стоимость почки составляет от 50 до 100 тыс. долларов. А “вырастить” ее можно за 30-40 тыс. долларов.

“Нуждающихся в трансплантации печени много, но не всем показана трансплантация, и делается она, если нет противопоказаний. По статистике, в Казахстан примерно 1200-1300 человек нуждаются в трансплантации печени, а в нашем листе ожидания стоит около 60% людей, которые нуждаются в трансплантации печени и в донорских органах”, – говорит заведующий отделением хирургии печени Национального научного центра хирургии им. Сызганова Данияр Токсанбаев.  “Операция бесплатна для граждан Казахстана по гарантированной квоте. Донорский орган не продается и не покупается, это законом запрещено, и в принципе цены нет на него. Если донор родственник, то он безвозмездно отдает половину печени на родственную трансплантацию”, уточняет Токсанбаев.

Что касается болезней сердца, то в США  стоимость искусственного сердца, включая расходы на хирургическую процедуру и непрерывное медицинское наблюдение, составляет сумму  в диапазоне от 100 до 300 тыс. долларов на пациента в первый год. С учетом того, что программа реабилитации рассчитана на 5 лет, общая стоимость программы на пятом году примерно составит 1,5 млн долларов.

Метод Харольда Отто, хирурга и исследователя из Массачусетского госпиталя в городе Бостон, позволяет создавать органы, причем - такие сложные, как сердце или легкие, из настоящей живой ткани. Это позволит забыть о проблеме нехватки донорских органов. Ученый поддерживает метод децеллюляризации, при котором стволовые клетки пациента добавляют к извлеченным клеткам из здорового донорского органа, после чего весь этот “коктейль” трансплантируют обратно пациенту. Благодаря клеткам пациента и клеткам живого донорского органа, об отторжении можно будет больше не беспокоиться.

Искусственно выращенное сердце - это уже не фантастика, а реальность биоинженерии. На основе матричного каркаса животного (крыс и свиней) сердца, очищенного от собственных клеток и заселенного смесью кардиомиоцитов и клеток эндотелия (клеток новорожденных животных) , ученым из университета Миннесоты удалось создать работоспособное сердце. После заселения органического материала в каркас, на 8-й день развития, орган был подвергнут  воздействию электрического тока для стимуляции сокращения. Вот только работоспособность исчисляется всего лишь двумя процентами от эффективности сердца взрослого животного. Но в медицине считается, что орган (в данном случае сердце), выполняющий свою функцию (подразумевается - насосную) хотя бы на 10%, является пригодным для трансплантации.

Ученым из Массачусетса уже удалось вырастить искусственную почку и оценить ее эффективность, трансплантировав крысе. Эффективность органа составила всего 20%, то есть она очищает кровь немного медленнее и может производить лишь одну треть урины от объема, производимого обычной почкой. Но на этом этапе исследования подобная почка может стать альтернативой диализу и временным решением для людей, ожидающих донорский орган.

Защитный слой

Самый большой орган человека - кожа. Она составляет до 16%  от веса тела, а площадь может составлять до двух квадратных метров. Сложность ее выращивания состоит в том, что наша оболочка поддерживает температуру в организме, защищает от обезвоживания, а также имеет высокую осязательную чувствительность благодаря большому количеству нервных окончаний. В составе кожи имеется множество элементов: эластичные волокна, кровеносные и лимфатические сосуды, датчики холода и тепла, клетки иммунной системы, потовые и сальные железы.

Тканевая инженерия требует много времени и труда, и моделирование человеческой кожи удавалась в редких случаях. Ученые Института изучения пограничных процессов и биотехнологий IGB Общества имени Фраунгофера в Штутгарте, во главе с биологом Хайке Валлес, в 2011 году разработали технологию, позволяющую создавать кожу в промышленных масштабах. Мощность производства составила около 5 тысяч лоскутков кожи размером с почтовую марку в месяц. Прототип заменителя кожи обладал двумя слоями до 2012 года, сейчас их три: эпидермис (наружный слой), дерма (внутренний слой), гиподерма (подкожный слой). В ближайший год планируется разработка других тканей, например - хрящевых.

“Создание” кожи происходит в несколько этапов. Сначала у пациента извлекаются клетки, которые впоследствии будут размножаться в лаборатории. Получив нужное количество этих клеток, их наносят на матрицу, которая послужит чем-то вроде каркаса. Прирастая к ней, клетки в скором времени ее ликвидируют, заменив своими клетками белка. Кожа готова. Такой продукт не только хорошо приживается, так как в его создании использованы клетки пациента, но и имеет собственный потенциал регенерации и роста.

На сегодня заменитель используется, чтобы “залатать” небольшие по размеру повреждения кожи, и для косметологических тестов. Но что - если биоинженеры смогут не выращивать органы, а “печатать” их? Мало того, что это ускорит сам процесс выращивания устройств жизнеобеспечения, но и позволит “печатать” органы прямо в человеке, во время операции. А поврежденный участок тела, словно из баллончика с жидким клеем, будет покрываться живой, здоровой кожей на основе клеток пациента.

Подобная технология называется биопринтинг. Принтингу органов дают такое определение: компьютеризированная и роботизированная послойная аддитивная 3D-биофабрикация функциональных человеческих тканей и частей органов. То есть, проще говоря, это “распечатка” органов на 3D-принтерах (биопринтерах) таким же послойным методом, но с использованием биологических строительных ресурсов (самоскладывающиеся сфероиды тканей в качестве строительных блоков).

Биопринтинг является неотъемлемой частью регенеративной медицины, и если столь амбициозная идея сможет воплотиться в реальность, то человеческие возможности в плане длительности жизни возрастут вдвое. Воплощением этой задумки занимается московская компания 3D Bioprinting Solutions. Единственной проблемой может стать этическая сторона вопроса и возможность свободного пользования подобными биопринтерами в домашних условиях, а также срок в 20-25 лет, когда технология, по прогнозам экспертов, сможет выйти на рынок.

С конечностями - проще

Что делать, если по неудачному стечению обстоятельств человек потерял руку, но его активный образ жизни или специфический род деятельности требует от него больше, чем просто кусок пластика как протез, создающий только внешний вид полноценности, да еще - позволяющий выполнять простенькие хватательные операции? Сейчас протезы рук разделяются на два типа: механические и биоэлектрические. Механические имеют внешний вид, схожий с обычной рукой. Но протезы такого типа имеют малый функционал и крепятся на бандажи.

Биоэлектрические протезы способны считывать ток, вырабатываемый  мышцами человека при их сокращении, благодаря электродам, находящимся в основе протеза. Следующим шагом идет обработка полученных данных в микропроцессоре, который, управляя моторами устройства, приводит в действие кисть, пальцы и суставы протеза. Этот тип заменителя конечности отличается тем, что позволяет пользоваться мелкими предметами, в частности - авторучками и ложками. Такие протезы позволяют вернуть определенный процент чувствительности, а также имеют возможность крепиться непосредственно к живой материи пациента благодаря специально выращенной человеческой ткани, что позволяет устройству прижиться без проблем.

Примером второго типа устройства является случай трансплантации, которую провел доктор Швейцарского  федерального института Сильвестро Мисера. Биомеханический протез, который поможет пациенту не только свободно управлять конечностью, словно родной, но и получать тактильные ощущения, присоединен проводами непосредственно к нервной системе человека во время операции. Чувствительные сенсоры на его поверхности будут отвечать за ощущения.

Но, по статистике, чаще люди теряют ноги. В протезировании ног все немного проще. В основном усовершенствуется внешний дизайн протеза и программная составляющая (если протез оснащен микропроцессором). Сейчас пока это все те же протезы, состоящие из двух ключевых элементов: коленного модуля и стопы. Присоединение устройства осуществляется благодаря гильзе для культи и бандажей. Микропроцессоры, превращающие обычные протезы в умное и технологичное продолжение конечности, в основном отвечают за корректировку своей работы: например, они “на ходу” меняют сопротивление, нагнетая или откачивая магнитную жидкость в шарнирах искусственной ноги - в зависимости от полученных данных. Наиболее сложной в производстве протеза является стопа. При ее создании нужно учитывать сложную гидравлику, она будет имитировать основные положения, которые принимает стопа при ходьбе, стоянии, поворотах. Нововведением в технологии протезирования стали сухожилиеподобная пружина и электрический двигатель.

Если в технологичном плане проблем нет, то материальная часть ситуации довольно печальна для потенциального пациента: стоимость составляет от 6 тыс. долларов за протез ниже колена и от 12 тыс. долларов за протез выше колена. Цена за биомеханические руки стартует с 18 тыс. долларов. Подавляющее большинство людей с потерянными конечностями продолжат использовать более дешевые и менее функциональные аналоги.

Что касается протезов, являющихся более органическими, то ученые Корнельского университета уже распечатали, благодаря технологиям 3D-печати, ухо, выглядящее и действующее как настоящее. Орган служит для помощи детям с редкими врожденными деформациями, например - микротией. При этом заболевании ухо новорожденного ребенка деформировано либо полностью отсутствует. Лечение включает в себя несколько операций, длящихся от нескольких месяцев до нескольких лет, с использованием хрящей грудной клетки ребенка.

Уникальность разработки в том, что процесс создания органа облегчен точным сканированием и печатью, а основой служат животный коллаген (взятый из крысиных хвостов) и 250 миллионов хрящевых клеток (взятых у коров). После вживления протеза крысе, за 3 месяца, хрящевые клетки вырастают, заменив собой коллагенную основу. Ученные ожидают, что вживленное ухо будет расти вместе с ребенком, а общая практика протезирования начнется уже через пару лет. 

Протезирование глаз тоже перестает быть фантастикой. В общей практике - больной или потерянный орган заменяют косметическим протезом: шариком или специальной вставкой, стилизованными под глаз. Впрочем, уже существуют специализированные протезы-камеры, выдающие более-менее сносное нецветное изображение, позволяющее различать лишь силуэты. Но в Японии уже начали работать над созданием полноценных электронных глаз; правда, когда будут закончены исследования, неясно.

Статьи по теме:
Казахстан

От практики к теории

Состоялась презентация книги «Общая теория управления», первого отечественного опыта построения теории менеджмента

Тема недели

Из огня да в колею

Итоги и ключевые тренды 1991–2016‑го, которые будут влиять на Казахстан в 2017–2041‑м

Казахстан

Не победить, а минимизировать

В Казахстане бизнес-сообщество призывают активнее включиться в борьбу с коррупцией, но начать эту борьбу предлагают с самих себя

Международный бизнес

Интернет больших вещей

Освоение IoT в промышленности позволит компаниям совершить рывок в производительности