Аве, гомункулус! Когда появится первый синтетический человек
Полвека назад Станислав Лем написал юмористическую пьеску "Существуете ли вы, мистер Джонс?". По сюжету известный автогонщик Гарри Джонс столько раз попадал в аварии, что постепенно стал состоять из механических и электронных устройств, включая протез мозга. Несмотря на хороший заработок, Джонс был не в состоянии оплатить все свои протезы - фирма предоставляла их в кредит. А потом потребовала вернуть свою собственность, раз Джонс не может заплатить. Если бы это произошло, мистер Джонс просто перестал бы существовать. И хотя до протезов мозга человечеству еще далеко, ученые во всем мире работают над тем, чтобы современные медики могли "собрать" человека, заменяя его родные органы искусственными.
Кожа, напечатанная на принтере
Заявления о том, что наконец-то создана искусственная человеческая кожа, появляются на протяжении последних лет десяти. О революционных открытиях заявляют и крупные корпорации, и отдельные ученые, но до полноценного практического применения их разработок дело все еще не дошло. Тем не менее существующие технологии уже помогают лечить последствия ожогов и активно используются в косметологии.
Принято считать, что искусственную кожу впервые создали в 1996 г. Тогда она была использована для пересадки пациентам, чей кожный покров был сильно поврежден ожогами. В 2001 г. удалось создать самовосстанавливающуюся искусственную кожу, для чего был использован коллаген из хрящей животных. Полученная таким образом матрица стала основой для кожи, выращенной в искусственных условиях.
Английским ученым удалось воссоздать в лабораторных условиях клетки, которые генерируют коллаген и воспроизводят реальные клетки человеческого организма, не дающие коже стареть. С возрастом количество этих клеток уменьшается, вследствие чего кожа покрывается морщинами. Между тем искусственные клетки, введенные непосредственно в морщины, начинают производить коллаген, и через некоторое время внешний вид кожи восстанавливается.
Эксперименты проводятся не только с 3D-печатью искусственной кожи в лабораториях - ученые пробуют "печатать" кожу прямо на месте поврежденного участка
Ученые из британской компании Intercytex в 2007 г. создали искусственную кожу под названием ICX-SKN. Ее назначение — закрытие ран. Основное достоинство ICX-SKN в том, что она практически идеально срастается с настоящей кожей человека. Образцы, которые были получены британскими специалистами, представляли собой матрицу из белка фибрина (именно его вырабатывает организм для заживления ран), в которую внедрены фибробласты (клетки, отвечающие за формирование новых тканей и выработку коллагена). Таким образом, ICX-SKN очень похожа на человеческую кожу по своему составу. Она не только не разрушается со временем, но и не отторгается организмом.
В порядке эксперимента эта искусственная кожа была трансплантирована шести добровольцам. Здоровая кожа у них была снята с овального участка на верхней части руки. Затем на этот участок каждому трансплантировали образец ICX-SKN. Уже через 28 дней как визуальный, так и гистологический анализы показали прекрасный результат: искусственная кожа не только не разложилась и не растрескалась, в ней даже проросли капилляры и клетки кожи пациентов.Через некоторое время поврежденные участки кожи пациентов затянулись, хотя в нескольких случаях все же остались небольшие рубцы.
После эксперимента руководитель Intercytex Пол Кемп заявил: "То, насколько быстро зажили раны, поразило даже меня. Если дальнейшие испытания пройдут так же успешно, мы произведем переворот в лечении ран и ожогов".
В 2010 г. ученым из испанского университета Гранады удалось вырастить искусственную кожу при помощи современных методов тканевой инженерии. При ее создании использовался человеческий фибрин из плазмы донора, ряд химических препаратов и небольшие фрагменты человеческой кожи. Биологическая культура развивалась в лабораторных условиях. После ученые сделали необходимые анализы и привили искусственный биоматериал на спины мышей. Ни инфекции, ни отторжения обнаружено не было. Рубцевание завершилось в течение двадцати дней. Ученые отметили, что кожу этого типа отличает эластичность, так что раны на ней отлично затягиваются.
Искусственная кожа требуется не только для лечения больных, но и для тестирования новых препаратов, а также косметических средств. Так, косметическая корпорация L'Oreal уже несколько лет проводит испытания новых препаратов на искусственно выращенной, реконструированной человеческой коже. Для ее создания ученые используют кусочки донорской кожи, которая поступает к ним из клиник пластической хирургии. Эти образцы разделяются на отдельные клетки, рекультивируют и выращивают до размеров в половину квадратного сантиметра.
Также полным ходом идут разработки технологий для печати кожи на 3D-принтерах. Обычно в качестве расходных материалов для таких установок используют плазму крови, фибробласты, хлорид кальция и кератиноциты (клетки эпидермиса, наружного слоя кожи). Причем эксперименты проводятся не только с 3D-печатью искусственной кожи в лабораториях — ученые пробуют "печатать" кожу прямо на месте поврежденного участка.
Как вырастить кровь
Кровь человека выполняет огромное количество самых разнообразных задач. Создать ее полноценный заменитель ученым пока не удалось: на сегодня искусственная кровь выполняет две основные функции - увеличение объема кровяных телец и обогащение кислородом.
Толчком к созданию искусственной крови послужили дефицит и сложность длительного хранения настоящей донорской крови. Искусственная же кровь позволяет не беспокоиться о группах и совместимости - она подходит абсолютно всем пациентам. К тому же можно не переживать о том, что кровь чем-то заражена. Первое в мире переливание искусственной крови прошло в 1979 г., начав целую веху новых исследований в этой области.
В 2004 г. ученым из трех ведущих университетов Японии удалось создать искусственную кровь на основе альбумина. Этот белок содержится в человеческой крови, и его основная задача - поддерживать стабильный объем "воды жизни" в организме. Особенностью японской разработки было то, что частицы искусственной крови по размерам были меньше, чем эритроциты. Это давало им неоспоримое преимущество — возможность лучше проникать в ткани и снабжать их кислородом даже в тех случаях, когда сосуды закупорены тромбами. Таким образом искусственная кровь на основе альбумина могла помочь больным с инсультом.
В США действует программа BloodPharming, в рамках которой ведутся разработки искусственной крови. А шотландские специалисты из Эдинбургского университета создают биоматериал из стволовых клеток. Примерно половина исходного материала превращается в искусственную кровь. Сам процесс занимает около месяца. Сейчас ученые ожидают результатов клинических испытаний.
В 2007 г. японские ученые из университета Хоккайдо первыми в мире создали искусственные кровеносные сосуды, используя коллаген, полученный из кожи лосося. Одним из преимуществ такого экзотического "сырья" является то, что вирусы от лосося людям не передаются. А значит, это куда безопаснее, чем использование материала коров и свиней, которые часто болеют с человечком одними и теми же болезнями.
В начале исследований ученые столкнулись с тем, что коллаген из кожи лосося разрушался при температурах выше 19 градусов Цельсия, что означало невозможность его использования в человеческом организме. Но ученым удалось поднять допустимую температуру до 55 градусов. Первые искусственные сосуды испробовали на крысах и никаких проблем не обнаружили.
Ученые из Миннесотского университета (США) в 2016-м закончили работу над созданием искусственных кровеносных сосудов, которые после имплантации смогли бы расти вместе с организмом. Ранее выращивать сосуды приходилось из клеток самого пациента, что требовало времени и обходилось очень дорого.
По новой технологии клетки соединительной ткани, взятые из кожи ягнят, помещают в специальную трубку, в которую вводят питательные вещества. Со временем клетки растут и формируют слой, повторяющий форму трубки. При этом клетки окружают себя запасами белков. Далее ученые удаляют сами клетки, оставляя белковый коллагеновый "каркас". Поскольку в искусственных сосудах нет живых клеток, их производство можно значительно ускорить. Кроме того, значительно снижается шанс на отторжение таких сосудов.
Для проверки экспериментальные сосуды трансплантировали пятинедельным ягнятам. Белковые трубки довольно быстро наполнили собственные клетки ягнят. За год ягнята выросли, никаких негативных эффектов от пересадки замечено не было. Имплантаты за это время увеличились в длину и ширину в полтора раза.
В случае если дальнейшие клинические испытания будут успешными, искусственные сосуды смогут стать настоящим спасением для детей с врожденными пороками сердца. Им не придется переносить регулярные операции на открытом сердце для замены старых сосудов на новые, подходящие по размеру, ведь сосуды будут расти вместе с ними.
Сегодня ученые активно работают над созданием более сложных кровеносных сосудов, включающих клапаны. Ученые уверены, что созданные ими искусственные сосуды с успехом смогут заменить поврежденные кровеносные сосуды человека. Тем не менее к экспериментам на людях исследователи из Миннесотского университета пока не готовы.
Чемоданчик в придачу к сердцу
Сегодня под искусственным сердцем понимают две различные группы технических устройств. Первая группа - внешние аппараты искусственного кровообращения. Они активно используются в кардиохирургии при проведении операций на сердце. Вторая группа - это кардиопротезы, которые имплантируются в организм человека и заменяют сердечную мышцу. Такие бионические имплантаты способны поддерживать нормальное кровообращение пациента в естественных условиях жизни. Но имплантаты, полностью заменяющие сердце, еще не изобретены. Сегодня главное предназначение искусственного сердца - возможность продлить жизнь в ожидании полноценной трансплантации донорского органа.
Разработки в области создания "механического" сердца начались в 1960-х. Но создать его и успешно имплантировать удалось только в 2007 г.
Одна из таких разработок - кардиопротез американской компании SynCardia. Его автономность очень ограничена - пациентам с таким искусственным сердцем нужно постоянно посещать больницу, а в обычной жизни не всякая активность разрешена. Тем не менее он спас уже не одну сотню жизней.
Первую операцию по имплантации механического сердца в прошлом году сделали и в Украине. Во время операции одна часть механического сердца устанавливается внутрь грудной клетки и проводками соединяется со второй (наружной) — блоком питания. Его надо регулярно подзаряжать. Блок помещается в маленькой сумочке, которую пациент постоянно носит через плечо.
В 2006-м ученые из университета Цюриха (Швейцария) под руководством доктора Саймона Хоерстрапа впервые вырастили человеческие сердечные клапаны, воспользовавшись стволовыми клетками, взятыми из околоплодной жидкости. Если дальнейшие испытания будут удачными, в случае выявления дефектов сердца у еще не родившегося ребенка, врачи смогут вырастить для него здоровые сердечные клапаны. А после его рождения - имплантировать их.
По следам терминатора
Современная медицина позволяет относительно легко заменить компоненты суставов человека имплантатами, имеющими анатомическую форму здорового сустава. Они позволяют забыть о болях, выполнять любые движения и вернуть больного к здоровой и активной жизни.
Искусственные суставы и кости создают из керамики, особо прочных полимеров, а также из биоинертных нержавеющих сплавов железа. Часто используются различные сплавы титана. В качестве соединяющего материала применяют смесь акриловой смолы и различные сплавы кобальта и хрома. Все эти материалы обладают высокой прочностью и отлично принимаются организмом человека. Как правило, их срок службы составляет 15–20 лет, хотя часто люди живут с искусственными суставами намного дольше.
Современные бионические протезы могут заменять утраченные органы и конечности, взаимодействуя с нервными клетками человека. Их производят из искусственных материалов, а человек может управлять ими при помощи собственной нервной системы
Однако в эпоху использования 3D-принтеров появились и новые, более современные методы создания таких протезов. Ученые из частного Университета Джона Хопкинса (Балтимор, США) изобрели материал, который является и биоинертной основной для клеток костной ткани, и в то же время может быть использован как сырье для печати на 3D-принтере.
В специальный легкоплавкий пластик добавили стволовые клетки из жировой ткани, собранной при липосакции, смешанные с костной пылью. При печати состав нагревается до 80-100 градусов, так что добавленные в него живые клетки не успевают разрушиться. В результате эксперимента через три недели напечатанная искусственная кость начала накапливать кальций, а значит, полностью адаптировалась.
Современные бионические протезы могут заменять утраченные органы и конечности, взаимодействуя с нервными клетками человека. Их производят из искусственных материалов, а человек может управлять ими при помощи собственной нервной системы. Для этого его двигательные нервы соединяют с сохранившимися мышцами, а те посылают сигналы на электронные датчики протеза. Импульс фиксируется электродами, которые отправляют его по проводам в микропроцессор внутри электрической "руки" или "ноги". Процессор дает команду сервоприводам и те приводятся в действие. Таким образом, протез совершает требуемое движение. Человеку достаточно просто подумать, что он хочет пошевелить пальцем, а бионический протез тут же исполнит его желание.
Для того чтобы человек мог чувствовать давление, прикосновения или тепло электронной конечностью, хирурги пришивают чувствительный нерв к определенному участку кожи. Датчики бионического протеза через процессор передают электронный импульс на этот участок кожи, а оттуда и пациенту в мозг. Человек одернет руку, если чувствует, например, высокую температуру. Первая бионическая нога SymbionicLeg, которая полностью контролировалась мозгом, появилась в 2013 г. Сегодня ученые продолжают работу над тем, чтобы создать максимально функциональную искусственную конечность.
Отдельный класс таких устройств - экзоскелеты. Это внешний моторизированный скелет, который закрепляется на теле человека. С помощью чувствительных датчиков, точных сервоприводов и электроники он повторяет движения, значительно усиливая их. Экзоскелет может заменять или дополнять отдельные парализованные или отсутствующие конечности, а иногда и моторику всего тела пациента. Так, экзоскелет компании EKSO Bionics предназначен для парализованных людей с травмами спинного мозга или поражениями нервной системы.
Второй мозг из пробирки
Вторым мозгом медики иногда называют... кишечник. Он не только переваривает пищу, впитывает питательные вещества, обеспечивает перистальтику и вырабатывает защитную слизь, но и постоянно обновляет свою эпителиальную выстилку. Для такой сложной и активной деятельности ему необходима сложная нервная система. То есть он представляет собой один из сложнейших органов человека.
И если некоторое время назад сенсацией было создание искусственного кишечника из специального пластика и металла (это удалось английским ученым), то сегодняшняя новость номер один - выращивание полноценной ткани кишки с функционирующей нервной системой.
Эту сенсационную разработку сделали ученые из медцентра детской больницы Цинциннати под руководством Джима Уэллса. Эксперимент проходил в сотрудничестве с коллегами из других научных центров США, Франции и Австралии. Первые результаты были в 2010-м, а в прошлом году удалось получить кишечные органоиды (трехмерные структуры, напоминающие органы) с автономной нервной системой. Они совершали перистальтические движения как в пробирке, так и после их внедрения в почку подопытной мыши. Исследователи отметили схожесть их гистологического строения с тонкой кишкой человека. Несмотря на обладание собственной нервной системой, у кишечных органоидов не было собственных кровеносных сосудов и иммунных клеток. Но после имплантации их мышам организм животных начал снабжать их всем необходимым.
Главная цель этого эксперимента - создание полноценных фрагментов кишечника. Их можно будет имплантировать пациентам с различными его врожденными и приобретенными поражениями. Кроме того, такие органоиды можно будет использовать для изучения действия лекарств.
К настоящему времени уже созданы органоидные модели самых разных органов и тканей (включая печень, желудок, щитовидную железу, легкие и др.), но органоидов со своей автономной нервной системой получить до сих пор не удавалось.
Когда появится искусственная мать
Возможность создавать жизнь давно будоражит умы ученых. И пока одни из них думают над тем, как бы подправить геном, вторые работают над увеличением шансов недоношенных детей на выживание. Одно из самых перспективных направлений - создание искусственной матки, в которой можно было бы вырастить плод вне женского организма. Первого значительного успеха в этом направлении добился японский профессор акушерства и гинекологии Йошимори Кувабара. В 1997-м он проводил эксперименты на козах: помещал 17–18-недельные эмбрионы в специальные пластиковые контейнеры, заполненные синтетической амниотической (околоплодной) жидкостью. Для поддержания этой сложной среды в контейнеры вводили не только воду, белки, жиры и углеводородные соединения, а также различные гормоны и ферменты, антимикробные вещества. В ходе лабораторных экспериментов продолжительность жизни плода в искусственной среде достигала трех недель. Однако добиться полноценного развития эмбриона в доношенный плод Кувабаре так и не удалось.
Исследователи из Центра репродуктивной медицины и искусственного осеменения Корнельского университета смогли вырастить в лабораторных условиях подобие женской утробы. Для этого они использовали стволовые клетки, взятые у женщин. Кроме того, были проведены эксперименты по искусственному оплодотворению. По сообщению руководителя группы ученых доктора Хан-Чин Лиу, эмбрионы были успешно приживлены к стенкам лабораторных маток. Тем не менее вскоре эксперименты были остановлены по ряду морально-этических соображений.
Как "голубая кровь" погубила своего создателя
В истории создания искусственной крови есть глава, окутанная тайной. Речь о перфторане, так называемой "голубой крови", созданной на основе перфторорганических соединений и способной пассивно переносить кислород. Синтез перфторуглеродов - одно из наиболее весомых достижений химии XX в. Оказалось, что в эмульсии этих соединений растворяется огромное количество кислорода. И ученые решили использовать "жидкий воздух" вместо крови.
Перфторан был изобретен в 1982-м под руководством Феликса Белоярцева, заведовавшего лабораторией медицинской биофизики Института биофизики АН СССР. Препарат имел бело-голубой цвет, из-за чего и получил название "голубая кровь". Это изобретение было призвано решить проблему катастрофической нехватки донорской крови.
В 1984–1985 гг. Министерство здравоохранения СССР разрешило серию клинических испытаний перфторана, в которых приняли участие 234 пациента. Однако, несмотря на положительные результаты исследований, в 1985-м испытания биоматериала были запрещены. Пресса и простые обыватели передавали друг другу "сенсационные новости" о том, что будто бы ученые испытывают перфторан на умственно отсталых детях в детдомах, а в Афганистане от его применения погибли сотни военных. В декабре того же года, после травли со стороны властей и обыска на даче, создатель "голубой крови" профессор Белоярцев при невыясненных обстоятельствах скончался (по официальной версии — повесился). Почему ученых заставили прервать исследования — до сих пор неизвестно.
Вторую фазу испытаний провели лишь в 1990-1995 гг., а к клиническому использованию перфторан был допущен в 1996-м. Сегодня его используют в России, Казахстане, Киргизии, Украине, Мексике, Узбекистане. В частности, благодаря перфторану в Днепропетровском областном специализированном центре акушерской реанимации и интенсивной терапии удалось снизить летальность при острой кровопотере рожениц.
