Убить рак и починить мозг. Какие биотехнологии ждут нас в недалеком будущем

Это технологии если не завтрашнего, то послезавтрашнего дня. Они уже сегодня демонстрируют эффективность в доклинических испытаниях на животных, а завтра могут быть готовы к проверке на людях, чтобы в случае успеха послезавтра войти в нашу жизнь.

Гибридный мозг от Neuralink

Компания Neuralink, основанная Илоном Маском четыре года назад, взялась компьютеризировать мозг. 28 августа на YouTube-канале компании состоялась онлайн-презентация, в ходе которой был представлен инвазивный нейроинтерфейс "мозг – компьютер".

Маск показал работу устройства на свинье, которой вживили электроды за два месяца до презентации. Во время демонстрации имплант передавал активность нейронов свиньи, когда она искала и находила еду. На примере другой свиньи Маск показал, что установка и затем изъятие нейрочипа никак не повлияли на ее мозг и здоровье.

Устройство размером 23×8 мм имеет 1024 электрода, которые расположены на гибких нитях и прикреплены к подложке-чипу. Электроды вживляются в мозг инвазивно, но в будущем Маск обещал, что провести нити к коре мозга можно будет с помощью лазера. Чип, к которому присоединены вживляемые электроды, помещается под кожу.

Все считывание электрической активности происходит на самом чипе, а данные с него (и в него) передаются в беспроводном режиме. Радиус работы — 5–10 м.

Также Маск показал робота-хирурга, который осуществляет вживление устройства, избегая повреждения мозга и кровеносных сосудов. По словам Маска, процесс занимает несколько часов и оставляет только небольшой шрам.

Инженеры Neuralink спроектировали робота, а затем объединились с промышленными дизайнерами Woke Studios, чтобы создать его. Высота робота составляет почти 2,5 м. Он может двигаться по пяти осям. Все это необходимо, чтобы направлять иглу для точного введения нейрочипа.

Устройство предназначено прежде всего для людей с параличом. Компания объявила о планируемых клинических тестах, в рамках которых систему хотят испытать на человеке, у которого парализованы конечности. В планах Neuralink — использование нейроинтерфейса при депрессии, тревожности, травмах головного мозга, потере слуха, инсультах, судорогах, зависимостях и других заболеваниях. Также Маск заявил, что с помощью нейроинтерфейса можно будет управлять другими устройствами, например смартфоном.

Бионическое зрение от Monash Vision

Команда австралийских ученых из Университета Монаша потратила более 10 лет на разработку первого в мире устройства, которое возвращает зрение полностью слепым людям с помощью имплантируемых электродов, небольшой камеры и видеопроцессора. Эта система, названная Gennaris, уже успешно доказала эффективность в доклинических испытаниях на овцах, о чем рассказала статья в Journal of Neural Engineering. А в сентябре исследователи сообщили, что они уже получили необходимые разрешения для первых клинических испытаний на людях.

Устройство выглядит как небольшой головной убор со встроенными очками и может стать прямым конкурентом технологии Neuralink. Gennaris обходит поврежденные зрительные нервы и по воздуху передает информацию, собранную камерой и проанализированную блоком видеопроцессора, в набор квадратных имплантов с очень тонкими электродами, которые вводятся непосредственно в мозг. Импланты (они имеют размер 9×9 мм) преобразуют изображения в электрические импульсы, которые передаются нейронам мозга через тонкие микроэлектроды.

В итоге система должна позволить людям, лишившимся зрения, "видеть" окружающий мир, различать предметы, обходить препятствия, узнавать людей и т. д. Это будет специфическое зрение, состоящее всего лишь из 172 световых пятен, но опыты на овцах показали, что этого хватает, чтобы довольно эффективно взаимодействовать с окружающим миром.

При этом Gennaris может быть использована не только как средство борьбы со слепотой, но и для решения более сложных проблем, связанных с мозгом. Ученые обещают применить систему, чтобы помочь парализованным людям и страдающим болезнью Паркинсона. Что касается более примитивных задач, то Gennaris уже способна транслировать музыку прямо в мозг, о чем мечтает Маск в рамках своего проекта Neuralink.

Команда Monash Vision Group финансируется австралийским правительственным фондом Medical Research Future Fund. Сейчас она рассчитывает получить новые инвестиции для производства и коммерциализации Gennaris.

Магнитный микроробот для починки мозга

Корейские ученые из Института науки и технологии города Тэгу разрабатывают технологию починки и апгрейда мозга без хирургического вмешательства. Они уже сконструировали микроскопического робота, который управляется магнитным полем и доставляет культивированные нейроны в изолированные in vitro (то есть вне организма) ткани гиппокампа крысы. Это позволяет избирательно соединять и заново запускать нейронные сети, связи в которых ранее были нарушены. Технология потенциально способна помочь восстановить работу поврежденного мозга. Об этом сообщает статья, вышедшая в сентябре в журнале Science Advances.

Робот представляет собой прямоугольную пластинку с осажденными на ней слоями никеля и диоксида титана для обеспечения одновременно магнитных и биосовместимых свойств материала. Длина пластинки — всего лишь около 300 мкм (то есть 0,3 мм). По всей длине расположены продольные микроканавки, ширина и глубина которых аналогичны поперечным размерам нейронных отростков — аксонов и дендритов (примерно 5 и 2 мкм соответственно). Именно благодаря таким направляющим микроканавкам удается выровнять и направить отростки нейрона, помещенного на микророботе.

По сравнению с контрольным опытом, где донорские нейроны были размещены на плоской поверхности между двумя кластерами клеток и демонстрировали случайное распределение и направление роста аксонов и дендритов, отростки на микророботе прорастали исключительно вдоль микроканавок и восстанавливали функциональные связи в строго отведенном месте.

Поскольку структура самого робота неоднородна по составу, магнитные манипуляции позволяют точно выровнять его между двумя нейронными кластерами и таким образом обеспечить соединение между ними. Именно в этом месте впоследствии и формируется нужная нейронная связь.

Используя методы визуализации происходящих клеточных процессов (в частности, конфокальную иммунофлуоресценцию), ученым удалось подтвердить, что размещенные на микророботе клетки действительно демонстрируют выровненный рост аксонов и нормальное восстановление синаптических связей между нейронными кластерами.

Как вырастить в себе новую печень

Печень — самая большая железа в нашем организме — отличается замечательными способностями к регенерации и способна восстановиться при сохранении всего четверти нормальной массы. Однако при особо тяжелых заболеваниях ткани оказываются слишком поражены, и тогда основные клетки печени, гепатоциты, не способны делиться в этой токсичной обстановке.

В таких случаях необходима пересадка. Но команда американских ученых, которую возглавляет профессор Медицинской школы Университета Питтсбурга Эрик Лагассе, нашла иной выход: новую печень можно вырастить в себе самом.

Еще в 2010 г. Лагассе и его коллеги обнаружили, что в лимфатических узлах больных мышей сохраняются условия, подходящие для роста и размножения здоровых гепатоцитов. Эксперименты с лабораторными грызунами показали, что, если инъецировать в них эти клетки, они начинают делиться и формируют органоид печени, способный частично брать на себя функции пораженной железы. Однако было неясно, работает ли этот механизм у более крупных животных и способен ли он производить органоид достаточных размеров.

Ученые решили проверить это на свиньях. Новые эксперименты заняли почти десятилетие. Их результаты ученые сообщили в августе этого года в статье, опубликованной в журнале Liver Transplantation.

Исследователи взяли здоровые гепатоциты у шести подопытных животных, затем стимулировали у этих животных поражение печени, после чего внесли здоровые гепатоциты в лимфатические узлы тех же животных. Спустя некоторое время там стали образовываться тканевые структуры печени, включая желчные протоки и густую сеть капилляров. Все шесть животных продемонстрировали частичное восстановление нормальных функций печени.

Ученые заметили, что абдоминальная (расположенная не на своем месте) печень вырастает тем крупнее, чем сильнее поражена истинная, как будто организм стремится к поддержанию оптимальной массы печеночной ткани. Авторы работы надеются, что их метод через некоторое время войдет в медицинскую практику и спасет немало жизней.

Как вживить в себя 3D-принтер

Увы, но далеко не все человеческие органы и ткани способны регенерироваться, как печень. Уже есть разные технологии выращивания или 3D-печати органов и тканей в лабораторных условиях. В сентябре журнал Scientific American рассказал о том, что 3D-принтер можно встроить прямо внутрь тела пациента.

Авторы изобретения — китайские ученые из Университета Цинхуа. В статье, опубликованной в журнале Biofabrication, они представили робот-принтер, который можно внедрить в организм человека, где устройство будет производить новые ткани.

Исследователи изучили предыдущие работы в области биопечати, но заметили, что они сосредоточены в основном на лечении кожи и других внешних тканей организма. Однако новое устройство благодаря своим миниатюрным размерам позволяет получить доступ к желудочно-кишечному тракту и другим органам, причем без обширных хирургических вмешательств.

Таким способом можно вылечить язву желудка и другие заболевания. Авторы отмечают, что язва и прочие повреждения желудка наблюдаются у каждого восьмого человека в мире, при этом обычные методы лечения имеют свои недостатки.

Чтобы избежать операций, биопринтер вставляется в тело пациента через небольшие разрезы. Микроробот, который используют ученые, имеет ширину всего 30 мм и может складываться до 43 мм в длину. Попав внутрь тела пациента, устройство раскладывается до 59 мм и начинает биопечать. Постепенное формирование новых тканей занимает несколько месяцев. Когда нужный результат достигнут, устройство растворяется. И не остается никаких следов ни болезни, ни процедуры лечения.

В будущем эта технология сможет помочь людям, которые находятся в очереди на трансплантацию органов. Правда, чтобы научиться печатать внутри пациента целые органы, ученым придется еще дорабатывать свой метод. Однако производить более простые структуры, такие как слизистая оболочка желудка, они могут уже теперь. Особенно важно то, что этот метод обходится без хирургии, которая несет за собой высокий риск инфекций и долгий период восстановления пациента.

Электронные кровеносные сосуды

Для лечения сердечно-сосудистых заболеваний и восстановления пациентов после операций неоценимую пользу могут оказать искусственные артерии и вены, созданные китайскими учеными из Южного университета науки и технологий и Национального центра нанонауки и технологий. Исследователи взяли мембрану из металлополимерного проводника, разработанного ими ранее, и свернули ее, поместив в небольшую прозрачную трубку. В итоге им удалось получить гибкий и биоразлагаемый аналог натурального кровеносного сосуда с похожей структурой. Свое изобретение ученые назвали просто: электронные кровеносные сосуды. Разработку уже успешно протестировали на кроликах. Результаты тестов опубликованы в октябре в журнале Matter.

Предварительные опыты на искусственной модели раны показали, что электрическая стимуляция созданных кровеносных сосудов улучшила пролиферацию и миграцию эндотелиальных клеток к месту заживления и может способствовать образованию новой эндотелиальной ткани естественных сосудов. Также ученые заметили, что внедрение устройства вместе с электропорацией успешно доставляет окрашенные белки к кровеносным сосудам в лаборатории.

Затем устройство протестировали на кроликах, заменив их сонные артерии. В течение трех месяцев команда наблюдала, как работают электронные сосуды в кровеносной системе. Оказалось, искусственные артерии обеспечивает достаточный приток крови в течение всего срока, функционируют так же хорошо, как естественные, и без серьезной деформации. После удаления имплантатов ученые проанализировали состояние внутренних органов животных и не нашли никаких признаков воспаления.

Хотя тесты на кроликах прошли успешно, ученым предстоит проделать еще много работы по модернизации сосудов, прежде чем начнутся испытания на людях. В частности, необходимо провести проверку безопасности на разных животных и оценку долговечности.

"Конструктор LEGO" для борьбы с раком

Благодаря новым технологиям биоконструирования может совершенно преобразиться даже борьба с такой страшной болезнью, как рак. Немецкие ученые создали совершенно новый способ лечения рака — он направлен на разрушение структуры злокачественных клеток, чтобы запустить процесс их самоуничтожения. Новая терапия убивает раковые клетки за четыре часа. Об этом в сентябре рассказали ее изобретатели из Института исследования полимеров общества Макса Планка. Свои результаты они обнародовали в Journal of the American Chemical Society.

В двух словах суть изобретения можно описать как самособирающийся конструктор. Ученые разработали молекулярный "кирпичик LEGO", который через специальную насадку может попадать внутрь любых клеток — как здоровых, так и злокачественных. Сам по себе он безвреден. Однако раковые клетки имеют две уникальные особенности.

Во-первых, окружающая среда опухоли более кислая. А во-вторых, в самих клетках намного больше высокореактивных окислительных молекул из-за повышенной метаболической активности рака. Именно этими особенностями и воспользовались ученые для атаки на раковые клетки.

Если оба условия соблюдены, объясняют авторы разработки, тогда отдельные "кубики" соединяются друг с другом внутри клетки и образуют большую сеть. Разрастаясь, она остается очень устойчивой и вскоре деформирует клетку изнутри.

Разрушение структуры клетки заставляет ее запустить процесс самоуничтожения — так достигается главная цель лечения. "Мы атакуем раковые клетки таким образом, чтобы им не удавалось защитить себя", — объясняют исследователи.

Первые доклинические результаты свидетельствуют о многообещающих перспективах будущей терапии. Эксперименты на разных культурах раковых клеток показали, что после начала воздействия новым препаратом они умирают в течение очень короткого времени — в среднем в течение четырех часов. При этом терапия абсолютно безвредна для здоровых клеток.

Сейчас команда работает над повышением эффективности лечения и биоразложением сети "кубиков" после того, как раковые клетки погибнут. В будущем, по мнению ученых, новая терапия может стать эффективной альтернативой лучевой и химиотерапии.