Аве, гомункулус! Коли з'явиться перший синтетичний осіб

Півстоліття тому Станіслав Лем написав гумористичну п'єску "Існуєте ви, містер Джонс?". За сюжетом відомий автогонщик Гарі Джонс стільки разів потрапляв в аварії, що поступово став складатися з механічних і електронних пристроїв, включаючи протез мозку. Незважаючи на гарний заробіток, Джонс був не в змозі оплатити всі свої протези - фірма надавала їх в кредит. А потім зажадала повернути свою власність, раз Джонс не може заплатити. Якщо б це сталося, містер Джонс просто перестав би існувати. І хоча до протезів мозку людству ще далеко, вчені в усьому світі працюють над тим, щоб сучасні медики могли "зібрати" людини, замінюючи його рідні органи штучними.

Шкіра, надрукована на принтері

Заяви про те, що нарешті створена штучна людська шкіра, з'являються протягом останніх десяти років. Про революційні відкриття заявляють і великі корпорації, і окремі вчені, але до повноцінного практичного застосування їх розробок справа ще не дійшла. Тим не менш вже існуючі технології допомагають лікувати наслідки опіків і активно використовуються в косметології.

Прийнято вважати, що штучну шкіру вперше створили в 1996 р. Тоді вона була використана для пересадки пацієнтам, чий шкірний покрив був сильно пошкоджений опіками. В 2001 р. вдалося створити самовідновлюється штучну шкіру, для чого був використаний колаген з хрящів тварин. Отримана таким чином матриця стала основою для шкіри, вирощена в штучних умовах.

Англійським вченим вдалося відтворити в лабораторних умовах клітини, які виробляють колаген і відтворюють реальні клітини людського організму, не дають шкірі старіти. З віком кількість цих клітин зменшується, внаслідок чого шкіра покривається зморшками. Між тим штучні клітини, введені безпосередньо в зморшки, починають виробляти колаген, і через деякий час зовнішній вигляд шкіри відновлюється.

Експерименти проводяться не тільки з 3D-печаткою штучної шкіри в лабораторіях вчені пробують "друкувати" шкіру прямо на місці пошкодженої ділянки

Вчені з британської компанії Intercytex в 2007 р. створили штучну шкіру під назвою ICX-SKN. Її призначення — закриття ран. Основне гідність ICX-SKN в тому, що вона практично ідеально зростається з справжньою шкірою людини. Зразки, які були отримані британськими фахівцями, представляли собою матрицю з білка фібрину (саме його організм виробляє для загоєння ран), в яку впроваджено фібробласти (клітини, що відповідають за формування нових тканин і вироблення колагену). Таким чином, ICX-SKN дуже схожа на людську шкіру за своїм складом. Вона не тільки не руйнується з часом, але і не відторгається організмом.

У порядку експерименту ця штучна шкіра була трансплантирована шести добровольцям. Здорова шкіра у них була знята з овального ділянки на верхній частині руки. Потім на цю ділянку кожному трансплантували зразок ICX-SKN. Вже через 28 днів як візуальний, так і гістологічний аналізи показали прекрасний результат: штучна шкіра не тільки не розклалася і не потріскалася, в ній навіть проросли капіляри і клітини шкіри пацієнтів.Через деякий час пошкоджені ділянки шкіри пацієнтів затягнулися, хоча в декількох випадках все ж залишилися невеликі рубці.

Після експерименту керівник Intercytex Пол Кемп заявив: "Те, наскільки швидко зажили рани, вразило навіть мене. Якщо подальші випробування пройдуть успішно, ми зробимо переворот в лікуванні ран і опіків".

У 2010 р. вченим з іспанського університету Гранади вдалося виростити штучну шкіру за допомогою сучасних методів тканинної інженерії. При її створенні використовувався людський фібрин з плазми донора, ряд хімічних препаратів і невеликі фрагменти людської шкіри. Біологічна культура розвивалася в лабораторних умовах. Після учені зробили необхідні аналізи і прищепили штучний біоматеріал на спини мишей. Ні інфекції, ні відторгнення виявлено не було. Рубцювання завершилося протягом двадцяти днів. Вчені відзначили, що шкіру цього типу відрізняє еластичність, так що рани на ній відмінно затягуються.

Штучна шкіра потрібно не тільки для лікування хворих, але і для тестування нових препаратів, а також косметичних засобів. Так, косметична корпорація L'oreal вже кілька років проводить випробування нових препаратів на штучно вирощеної, реконструйованої людській шкірі. Для її створення вчені використовують шматочки донорської шкіри, яка надходить до них з клінік пластичної хірургії. Ці зразки поділяються на окремі клітини, рекультивируют і вирощують до розмірів половину квадратного сантиметра.

Також повним ходом йдуть розробки технологій для друку шкіри на 3D-принтерах. Зазвичай в якості витратних матеріалів для таких установок використовують плазму крові, фібробласти, хлорид кальцію і кератиноцити (клітини епідермісу, зовнішнього шару шкіри). Причому експерименти проводяться не тільки з 3D-печаткою штучної шкіри в лабораторіях вчені пробують "друкувати" шкіру прямо на місці пошкодженої ділянки.

Як виростити кров

Кров людини виконує величезну кількість найрізноманітніших завдань. Створити повноцінний замінник ученим поки не вдалося: на сьогодні штучна кров виконує дві основні функції - збільшення обсягу кров'яних тілець і збагачення киснем.

Поштовхом до створення штучної крові послужили дефіцит і складність тривалого зберігання цієї донорської крові. Штучна ж кров дозволяє не турбуватися про групи і сумісності - вона підходить абсолютно всім пацієнтам. До того ж можна не переживати про те, що кров чимось заражена. Перше в світі переливання штучної крові пройшло в 1979 р., почавши цілу віху нових досліджень у цій області.

У 2004 р. вченим з трьох провідних університетів Японії вдалося створити штучну кров на основі альбуміну. Цей білок міститься в людській крові, і його основне завдання - підтримувати стабільний обсяг "води життя" в організмі. Особливістю японської розробки було те, що частинки штучної крові за розмірами були менше, ніж еритроцити. Це давало їм незаперечна перевага — можливість краще проникати в тканини і забезпечувати їх киснем навіть у тих випадках, коли закупорені судини тромбами. Таким чином штучна кров на основі альбуміну могла допомогти хворим з інсультом.

У США діє програма BloodPharming, в рамках якої ведуться розробки штучної крові. А шотландські фахівці з Единбурзького університету створюють біоматеріал зі стовбурових клітин. Приблизно половина вихідного матеріалу перетворюється в штучну кров. Сам процес займає близько місяця. Зараз вчені очікують результатів клінічних випробувань.

У 2007 р. японські вчені з університету Хоккайдо першими у світі створили штучні кровоносні судини, використовуючи колаген, отриманий з шкіри лосося. Одним з переваг такого екзотичного "сировини" є те, що віруси від лосося людям не передаються. А значить, це куди безпечніше, ніж використання матеріалу корів і свиней, які часто хворіють з чоловічком одними і тими ж хворобами.

На початку досліджень вчені зіткнулися з тим, що колаген з шкіри лосося руйнувався при температурах вище 19 градусів Цельсія, що означало неможливість його використання в людському організмі. Але вченим вдалося підняти допустиму температуру до 55 градусів. Перші штучні судини випробували на пацюках і ніяких проблем не виявили.

Вчені з Міннесотського університету (США) в 2016-му закінчили роботу над створенням штучних кровоносних судин, які після імплантації змогли б рости разом з організмом. Раніше вирощувати судини доводилося з клітин самого пацієнта, що вимагало часу й обходилося дуже дорого.

За новою технологією клітини сполучної тканини, взяті з шкіри ягнят, поміщають в спеціальну трубку, в яку вводять поживні речовини. З часом клітини ростуть і формують шар, що повторює форму трубки. При цьому клітини оточують себе запасами білків. Далі вчені видаляють самі клітини, залишаючи білковий колагеновий каркас". Оскільки в штучних судинах немає живих клітин, їх виробництво можна значно прискорити. Крім того, значно знижується шанс на відторгнення таких судин.

Для перевірки експериментальні судини трансплантували пятинедельным ягнятам. Білкові трубки досить швидко наповнили власні клітини ягнят. За рік ягнята зросли, ніяких негативних ефектів від пересадки помічено не було. Імплантати за цей час збільшилися в довжину і ширину в півтора рази.

У разі якщо подальші клінічні випробування будуть успішними, штучні судини зможуть стати справжнім порятунком для дітей з вродженими вадами серця. Їм не доведеться переносити регулярні операції на відкритому серці для заміни старих судин на нові, відповідні за розміром, адже судини будуть зростати разом з ними.
Сьогодні вчені активно працюють над створенням більш складних кровоносних судин, що включають клапани. Вчені впевнені, що створені ними штучні судини з успіхом зможуть замінити пошкоджені кровоносні судини людини. Тим не менш до експериментів на людях дослідники з Міннесотського університету поки що не готові.

Валізка на додачу до серця

Сьогодні під штучним серцем розуміють дві різні групи технічних пристроїв. Перша група - зовнішні апарати штучного кровообігу. Вони активно використовуються в кардіохірургії при проведенні операцій на серці. Друга група - це кардиопротезы, які імплантують в організм людини і замінюють серцевий м'яз. Такі біонічні імплантати здатні підтримувати нормальний кровообіг пацієнта в природних умовах життя. Але імплантати, повністю замінюють серце, ще не винайдено. Сьогодні головне призначення штучного серця - можливість продовжити життя в очікуванні повноцінної трансплантації донорського органу.

Розробки в області створення "механічного" серця почалися в 1960-х. Але створити його і успішно імплантувати вдалося тільки в 2007 р.

Одна з таких розробок - кардиопротез американської компанії SynCardia. Його автономність дуже обмежена - пацієнтам з таким штучним серцем потрібно постійно відвідувати лікарню, а в звичайному житті не всяка активність дозволена. Тим не менш він врятував вже не одну сотню життів.

Першу операцію по імплантації механічного серця в минулому році зробили і в Україні. Під час операції одна частина механічного серця встановлюється всередину грудної клітини і проводками з'єднується з другої (зовнішньої) — блоком живлення. Його треба регулярно заряджати. Блок поміщається в маленькій сумочці, яку пацієнт постійно носить через плече.

У 2006-му вчені з університету Цюріха (Швейцарія) під керівництвом доктора Саймона Хоерстрапа вперше виростили людські серцеві клапани, скориставшись стовбуровими клітинами, узятими з навколоплідної рідини. Якщо подальші випробування будуть вдалими, у разі виявлення дефектів серця у ще не народженої дитини, лікарі зможуть виростити для нього здорові серцеві клапани. А після його народження - імплантувати їх.

Слідами термінатора

Сучасна медицина дозволяє відносно легко замінити компоненти суглобів людини імплантатами, мають анатомічну форму здорового суглоба. Вони дозволяють забути про болі, виконувати будь-які рухи і повернути хворого до здорового та активного життя.

Штучні суглоби і кістки створюють з кераміки, особливо міцних полімерів, а також з біоінертних нержавіючих сплавів заліза. Часто використовуються різні сплави титану. В якості з'єднує матеріалу застосовують суміш акрилової смоли і різні сплави кобальту і хрому. Всі ці матеріали мають високу міцність і відмінно приймаються організмом людини. Як правило, їх термін служби складає 15-20 років, хоча часто люди живуть з штучними суглобами набагато довше.

Сучасні біонічні протези можуть замінювати втрачені органи та кінцівки, взаємодіючи з нервовими клітинами людини. Їх виробляють з штучних матеріалів, а людина може керувати ними за допомогою власної нервової системи

Однак в епоху використання 3D-принтерів з'явилися і нові, більш сучасні методи створення таких протезів. Вчені з приватного Університету Джона Хопкінса (Балтімор, США) винайшли матеріал, який є і биоинертной основною для клітин кісткової тканини, і в той же час може бути використаний як сировина для друку на 3D-принтері.

У спеціальний легкоплавкий пластик додали стовбурові клітини з жирової тканини, зібраної при ліпосакції, змішані з кісткової пилом. При друку складу нагрівається до 80-100 градусів, так що додані до нього живі клітини не встигають зруйнуватися. В результаті експерименту через три тижні надрукована штучна кістка почала накопичувати кальцій, а значить, повністю адаптувалася.

Сучасні біонічні протези можуть замінювати втрачені органи та кінцівки, взаємодіючи з нервовими клітинами людини. Їх виробляють з штучних матеріалів, а людина може керувати ними за допомогою власної нервової системи. Для цього його рухові нерви з'єднують з збереженими м'язами, а ті посилають сигнали на електронні датчики протеза. Імпульс фіксується електродами, які відправляють його по проводах в мікропроцесор всередині електричної "руки" або "ноги". Процесор дає команду сервоприводам і ті приводяться в дію. Таким чином, протез здійснює необхідний рух. Людині досить просто подумати, що він хоче поворухнути пальцем, а біонічний протез тут же виконає його бажання.

Для того щоб людина могла відчувати тиск, дотику або тепло електронної кінцівкою, хірурги пришивають чутливий нерв до певної ділянки шкіри. Датчики біонічного протеза через процесор передають електронний імпульс на цю ділянку шкіри, а звідти і пацієнту в мозок. Людина обсмикне руку, якщо відчуває, наприклад, високу температуру. Перша біонічна нога SymbionicLeg, яка повністю контролювалася мозком, з'явилася в 2013 р. Сьогодні вчені продовжують роботу над тим, щоб створити максимально функціональну штучну кінцівку.

Окремий клас таких пристроїв - екзоскелети. Це зовнішній моторизований скелет, який закріплюється на тілі людини. З допомогою чутливих датчиків точних сервоприводів і електроніки він повторює руху, значно посилюючи їх. Екзоскелет може замінювати або доповнювати окремі паралізовані або відсутні кінцівки, а іноді і моторику всього тіла пацієнта. Так, екзоскелет компанії EKSO Bionics призначений для паралізованих людей з травмами спинного мозку або ураженнями нервової системи.

Другий мозок з пробірки

Другим мозком медики іноді називають... кишечник. Він не тільки перетравлює їжу, вбирає поживні речовини, забезпечує перистальтику і виробляє захисну слиз, але і постійно оновлює свою епітеліальну вистилку. Для такої складної і активної діяльності йому необхідна складна нервова система. Тобто він являє собою один з найскладніших органів людини.

І якщо якийсь час назад сенсацією було створення штучного кишечника із спеціального пластику та металу (це вдалося англійським вченим), то сьогоднішня новина номер один - вирощування повноцінної тканини кишки з функціонуючої нервовою системою.

Цю сенсаційну розробку зробили вчені з медичного центру дитячої лікарні Цинциннаті під керівництвом Джима Уеллса. Експеримент проходив у співпраці з колегами з інших наукових центрів США, Франції та Австралії. Перші результати були у 2010-му, а в минулому році вдалося отримати кишкові всіх органел (тривимірні структури, що нагадують органи) з автономною нервовою системою. Вони здійснювали перистальтичні рухи як в пробірці, так і після їх впровадження в нирку піддослідної миші. Дослідники відзначили схожість їх гістологічної будови з тонкою кишкою людини. Незважаючи на володіння власною нервовою системою, у кишкових органоїдів не було власних кровоносних судин і імунних клітин. Але після імплантації їх мишам організм тварин почав забезпечувати їх усім необхідним.

Головна мета цього експерименту - створення повноцінних фрагментів кишечника. Їх можна буде імплантувати пацієнтам з різними її вродженими і набутими поразками. Крім того, такі всіх органел можна буде використовувати для вивчення дії ліків.

До теперішнього часу вже створені органоидные моделі різних органів і тканин (включаючи печінку, шлунок, щитовидну залозу, легені та ін), але органоїдів зі своєю автономною нервовою системою отримати до цих пір не вдавалося.

Коли з'явиться штучна мати

Можливість створювати життя давно розбурхує уми вчених. І поки одні з них думають над тим, як би підправити геном, другі працюють над збільшенням шансів недоношених дітей на виживання. Одне з найбільш перспективних напрямків створення штучної матки, в якій можна було б виростити плід поза жіночого організму. Першого значного успіху в цьому напрямку досяг японський професор акушерства і гінекології Йошимори Кувабара. У 1997-му він проводив експерименти на козах: поміщав 17-18-тижневі ембріони в спеціальні пластикові контейнери, заповнені синтетичної амніотичної (навколоплідної) рідиною. Для підтримки цієї складної середовища в контейнери вводили не лише воду, білки, жири та вуглеводні сполуки, а також різні гормони і ферменти, антимікробні речовини. В ході лабораторних експериментів тривалість життя плода в штучної середовищі сягала трьох тижнів. Проте добитися повноцінного розвитку ембріона в доношена плід Кувабаре так і не вдалося.

Дослідники з Центру репродуктивної медицини та штучного осіменіння Корнельського університету змогли виростити в лабораторних умовах подобу жіночої утроби. Для цього вони використовували стовбурові клітини, взяті у жінок. Крім того, були проведені експерименти по штучному заплідненню. За повідомленням керівника групи вчених доктора Хан-Чин Ліу, ембріони були успішно приживлены до стінок лабораторних маток. Проте незабаром експерименти були зупинені по ряду морально-етичних міркувань.

Як "блакитна кров" погубила свого творця

В історії створення штучної крові є голова, оповита таємницею. Мова про перфторане, так званої "блакитної крові", створеної на основі перфторорганических з'єднань і здатною пасивно переносити кисень. Синтез перфторвуглеців - одне з найбільш вагомих досягнень хімії XX ст. Виявилося, що в емульсії цих сполук розчиняється величезна кількість кисню. І вчені вирішили використовувати "рідкий повітря" замість крові.

Перфторан був винайдений в 1982-му під керівництвом Фелікса Белоярцева, завідуючого лабораторією медичної біофізики Інституту біофізики АН СРСР. Препарат мав біло-блакитний колір, через що і отримав назву "блакитна кров". Цей винахід було покликане вирішити проблему катастрофічної нестачі донорської крові.

У 1984-1985 рр. Міністерство охорони здоров'я СРСР дозволив серію клінічних випробувань перфторана, в яких взяли участь 234 пацієнта. Однак, незважаючи на позитивні результати досліджень, в 1985-му випробування біоматеріалу були заборонені. Преса та прості обивателі передавали один одному "сенсаційні новини" про те, що начебто вчені відчувають перфторан на розумово відсталих дітей у дитбудинках, а в Афганістані від його застосування загинули сотні військових. У грудні того ж року, після цькування з боку влади і обшуку на дачі, творець "блакитної крові" професор Белоярцев за нез'ясованих обставин помер (за офіційною версією — повісився). Чому вчених змусили перервати дослідження — досі невідомо.

Другу фазу випробувань провели лише у 1990-1995 рр., а до клінічного використання перфторан був допущений в 1996-м. Сьогодні його використовують у Росії, Казахстані, Киргизії, Україні, Мексиці, Узбекистані. Зокрема, завдяки перфторану в Дніпропетровському обласному спеціалізованому центрі акушерської реанімації та інтенсивної терапії вдалося знизити летальність при гострій крововтраті породіль.