Вбити рак і лагодити мозок. Які біотехнології чекають нас у недалекому майбутньому

Це технології якщо не завтрашнього, то післязавтрошнього дня. Вони вже сьогодні демонструють ефективність у доклінічних випробуваннях на тваринах, а завтра можуть бути готові до перевірки на людях, щоб у разі успіху післязавтра увійти в наше життя.

Гібридний мозок від Neuralink

Компанія Neuralink, заснована Ілоном Маском чотири роки тому, взялася комп'ютеризувати мозок. 28 серпня на YouТube-каналі компанії відбулася онлайн-презентація, в ході якої був представлений інвазивний нейроінтерфейс "мозок — комп'ютер".

Маск показав роботу пристрою на свині, якій вживили електроди за два місяці до презентації. Під час демонстрації імплант передавав активність нейронів свині, коли вона шукала і знаходила їжу. На прикладі іншої свині Маск показав, що установка і потім вилучення нейрочіпа ніяк не вплинули на її мозок і здоров'я.

Пристрій розміром 23×8 мм має 1024 електроди, які розташовані на гнучких нитках і прикріплені до підкладки-чіпу. Електроди імплантують у мозок інвазивно, але в майбутньому Маск обіцяв, що провести нитки до кори мозку можна буде за допомогою лазера. Чіп, до якого приєднані що імплантуються електроди, поміщається під шкіру.

Усе зчитування електричної активності відбувається на самому чіпі, а дані з нього (і в нього) передаються в бездротовому режимі. Радіус роботи — 5-10 м.

Також Маск показав робота-хірурга, який здійснює вживлення пристрою, уникаючи пошкодження мозку і кровоносних судин. За словами Маска, процес займає кілька годин і залишає тільки невеликий шрам.

Інженери Neuralink спроектували робота, а потім об'єдналися з промисловими дизайнерами Woke Studios, щоб створити його. Висота робота становить майже 2,5 м. Він може рухатися по п'яти осях. Усе це необхідно, щоб направляти голку для точного введення нейрочіпа.

Пристрій призначений насамперед для людей з паралічем. Компанія оголосила про плановані клінічні тести, в рамках яких систему хочуть випробувати на людині, у якої паралізовані кінцівки. У планах Neuralink — використання нейроінтерфейсів при депресії, тривожності, травмах головного мозку, втрати слуху, інсультах, судомах, залежностях і інших захворюваннях. Також Маск заявив, що за допомогою нейроінтерфейсів можна буде керувати іншими пристроями, наприклад смартфоном.

Біонічний зір від Monash Vision

Команда австралійських учених з Університету Монаша витратила понад 10 років на розробку першого в світі пристрою, який повертає зір повністю сліпим людям за допомогою імплантованих електродів, невеликої камери і відеопроцесора. Ця система, названа Gennaris, вже успішно довела ефективність у доклінічних випробуваннях на вівцях, про що розповіла стаття в Journal of Neural Engineering. А у вересні дослідники повідомили, що вони вже отримали необхідні дозволи для перших клінічних випробувань на людях.

Пристрій виглядає як невеликий головний убір з вбудованими окулярами і може стати прямим конкурентом технології Neuralink. Gennaris обходить пошкоджені зорові нерви і по повітрю передає інформацію, зібраною камерою і проаналізованою блоком відеопроцесора, в набір квадратних імплантів з дуже тонкими електродами, які вводяться безпосередньо в мозок. Імпланти (вони мають розмір 9×9 мм) перетворять зображення в електричні імпульси, що передаються нейронам мозку через тонкі мікроелектроди.

У результаті система повинна дозволити людям, що втратили зір, "бачити" навколишній світ, розрізняти предмети, обходити перешкоди, впізнавати людей і т. д. Це буде специфічний зір, що складається всього лише з 172 світлових плям, але досліди на вівцях показали, що цього вистачає, щоб досить ефективно взаємодіяти з навколишнім світом.

При цьому Gennaris може бути використана не тільки як засіб боротьби зі сліпотою, але і для вирішення складніших проблем, пов'язаних з мозком. Вчені обіцяють застосувати систему, щоб допомогти паралізованим людям і які страждають на хворобу Паркінсона. Що стосується більш примітивних завдань, то Gennaris вже здатна транслювати музику прямо в мозок, про що мріє Маск в рамках свого проєкту Neuralink.

Команда Monash Vision Group фінансується австралійським урядовим фондом Medical Research Future Fund. Зараз вона розраховує отримати нові інвестиції для виробництва та комерціалізації Gennaris.

Магнітний мікроробот для лагодження мозку

Корейські вчені з Інституту науки і технології міста Тегу розробляють технологію ремонту і апгрейда мозку без хірургічного втручання. Вони вже сконструювали мікроскопічного робота, який управляється магнітним полем і доставляє культивовані нейрони в ізольовані in vitro (тобто поза організмом) тканини гіпокампу щура. Це дозволяє вибірково з'єднувати і заново запускати нейронні мережі, зв'язки в яких раніше були порушені. Технологія потенційно здатна допомогти відновити роботу пошкодженого мозку. Про це повідомляє стаття, що вийшла у вересні в журналі Science Advances.

Робот являє собою прямокутну пластинку з обложеними на ній шарами нікелю і діоксиду титану для забезпечення одночасно магнітних і біосумісних властивостей матеріалу. Довжина пластинки — всього лише близько 300 мкм (тобто 0,3 мм). По всій довжині розташовані поздовжні мікроканавки, ширина і глибина яких аналогічні поперечним розмірам нейронних відростків — аксонів і дендритів (приблизно 5 і 2 мкм відповідно). Саме завдяки таким направляючим мікроканавкам вдається вирівняти і направити відростки нейрона, розміщеного на мікророботі.

У порівнянні з контрольним досвідом, де донорські нейрони були розміщені на плоскій поверхні між двома кластерами клітин і демонстрували випадковий розподіл і напрямок росту аксонів і дендритів, відростки на мікророботі проростали виключно вздовж мікроканавок і відновлювали функціональні зв'язки в строго відведених місцях.

Оскільки структура самого робота неоднорідна за складом, магнітні маніпуляції дозволяють точно вирівняти його між двома нейронними кластерами і таким чином забезпечити з'єднання між ними. Саме в цьому місці згодом і формується потрібний нейронний зв'язок.

Використовуючи методи візуалізації клітинних процесів, що відбуваються (зокрема, конфокальную імунофлуоресценція), вченим вдалося підтвердити, що розміщені на мікророботі клітини дійсно демонструють вирівняне зростання аксонів і нормальне відновлення синаптичних зв'язків між нейронними кластерами.

Як виростити в собі нову печінку

Печінка — найбільша залоза в нашому організмі — відрізняється чудовими здібностями до регенерації і здатна відновитися при збереженні всього чверті нормальної маси. Однак при особливо важких захворюваннях тканини виявляються занадто вражені, і тоді основні клітини печінки, гепатоцити, не здатні ділитися в цій токсичній обстановці.

У таких випадках необхідна пересадка. Але команда американських вчених, яку очолює професор Медичної школи Університету Піттсбурга Ерік Лагассе, знайшов інший вихід: нову печінку можна виростити в собі самому.

Ще в 2010 р. Лагассе і його колеги виявили, що в лімфатичних вузлах хворих мишей зберігаються умови, які підходять для зростання і розмноження здорових гепатоцитів. Експерименти з лабораторними гризунами показали, що, якщо ін'єктувати в них ці клітини, вони починають ділитися і формують органоїд печінки, здатний частково брати на себе функції ураженої залози. Однак було неясно, чи працює цей механізм у більших тварин і чи здатний він виробляти органоїд достатніх розмірів.

Вчені вирішили перевірити це на свинях. Нові експерименти зайняли майже десятиліття. Їх результати вчені повідомили в серпні цього року в статті, опублікованій в журналі Liver Transplantation.

Дослідники взяли здорові гепатоцити у шести піддослідних тварин, потім стимулювали у цих тварин ураження печінки, після чого внесли здорові гепатоцити в лімфатичні вузли тих же тварин. Через деякий час там стали утворюватися тканинні структури печінки, включаючи жовчні протоки і густу мережу капілярів. Усі шість тварин продемонстрували часткове відновлення нормальних функцій печінки.

Вчені помітили, що абдомінальна (розташована не на своєму місці) печінка виростає тим крупніше, чим сильніше вражена справжня, як ніби організм прагне до підтримки оптимальної маси печінкової тканини. Автори роботи сподіваються, що їх метод через деякий час увійде в медичну практику і врятує чимало життів.

Як вживити в себе 3D-принтер

На жаль, але далеко не всі людські органи і тканини здатні регенерувати, як печінка. Вже є різні технології вирощування або 3D-друку органів і тканин в лабораторних умовах. У вересні журнал Scientific American розповів про те, що 3D-принтер можна вбудувати прямо всередину тіла пацієнта.

Автори винаходу — китайські вчені з Університету Цінхуа. У статті, опублікованій у журналі Biofabrication, вони представили робот-принтер, який можна вживити в організм людини, де пристрій буде виробляти нові тканини.

Дослідники вивчили попередні роботи в області біодруку, але помітили, що вони зосереджені в основному на лікуванні шкіри та інших зовнішніх тканин організму. Однак новий пристрій завдяки своїм мініатюрним розмірам дозволяє отримати доступ до шлунково-кишкового тракту та інших органів, причому без значних хірургічних втручань.

Таким способом можна вилікувати виразку шлунка та інші захворювання. Автори відзначають, що виразка та інші ушкодження шлунка спостерігаються у кожної восьмої людини в світі, при цьому звичайні методи лікування мають свої недоліки.

Щоб уникнути операцій, біопринтер вставляється в тіло пацієнта через невеликі розрізи. Мікроробот, який використовують вчені, має ширину всього 30 мм і може складатися до 43 мм в довжину. Потрапивши всередину тіла пацієнта, пристрій розкладається до 59 мм і починає біодрук. Поступове формування нових тканин займає кілька місяців. Коли потрібний результат досягнутий, пристрій розчиняється. І не залишається ніяких слідів ні хвороби, ні процедури лікування.

У майбутньому ця технологія зможе допомогти людям, які знаходяться в черзі на трансплантацію органів. Правда, щоб навчитися друкувати всередині пацієнта цілі органи, вченим доведеться ще допрацьовувати свій метод. Однак виробляти більш прості структури, такі як слизова оболонка шлунка, вони можуть вже тепер. Особливо важливо те, що цей метод обходиться без хірургії, яка несе за собою високий ризик інфекцій і довгий період відновлення пацієнта.

Електронні кровоносні судини

Для лікування серцево-судинних захворювань і відновлення пацієнтів після операцій неоціненну користь можуть надати штучні артерії і вени, створені китайськими вченими з Південного університету науки і технологій та Національного центру нанонауки і технологій. Дослідники взяли мембрану з металополімерного провідника, розробленого ними раніше, і згорнули її, помістивши в невелику прозору трубку. В результаті їм вдалося отримати гнучкий і біорозкладаючий аналог натуральної кровоносної судини зі схожою структурою. Свій винахід вчені назвали просто: електронні кровоносні судини. Розробку вже успішно протестували на кроликах. Результати тестів опубліковані в жовтні в журналі Matter.

Попередні досліди на штучній моделі рани показали, що електрична стимуляція створених кровоносних судин поліпшила проліферацію і міграцію ендотеліальних клітин до місця загоєння і може сприяти утворенню нової ендотеліальної тканини природних судин. Також вчені помітили, що впровадження пристрою разом з електропорацією успішно доставляє пофарбовані білки до кровоносних судин в лабораторії.

Потім пристрій протестували на кроликах, замінивши їх сонні артерії. Протягом трьох місяців команда спостерігала, як працюють електронні судини в кровоносній системі. Виявилося, штучні артерії забезпечують достатній приплив крові протягом всього терміну, функціонують так само добре, як природні, і без серйозної деформації. Після видалення імплантатів вчені проаналізували стан внутрішніх органів тварин і не знайшли ніяких ознак запалення.

Хоча тести на кроликах пройшли успішно, вченим належить виконати ще багато роботи по модернізації судин, перш ніж почнуться випробування на людях. Зокрема, необхідно провести перевірку безпеки на різних тваринах і оцінку довговічності.

"Конструктор LEGO" для боротьби з раком

Завдяки новим технологіям біоконструювання може абсолютно змінитися навіть боротьба з такою страшною хворобою, як рак. Німецькі вчені створили абсолютно новий спосіб лікування раку — він спрямований на руйнування структури злоякісних клітин, щоб запустити процес їх самознищення. Нова терапія вбиває ракові клітини за чотири години. Про це в вересні розповіли її винахідники з Інституту дослідження полімерів суспільства Макса Планка. Свої результати вони оприлюднили в Journal of the American Chemical Society.

У двох словах суть винаходу можна описати як конструктор, що сам збирається. Вчені розробили молекулярну "цеглинку LEGO", яка через спеціальну насадку може потрапляти всередину будь-яких клітин — як здорових, так і злоякісних. Сама по собі вона нешкідлива. Однак ракові клітини мають дві унікальні особливості.

По-перше, навколишнє середовище пухлини більш кисле. А по-друге, в самих клітинах набагато більше високореактивних окислювальних молекул через підвищену метаболічну активність раку. Саме цими особливостями і скористалися вчені для атаки на ракові клітини.

Якщо обидві умови дотримані, пояснюють автори розробки, тоді окремі "кубики" з'єднуються один з одним усередині клітини і утворюють велику мережу. Розростаючись, вона залишається дуже стійкою і незабаром деформує клітку зсередини.

Руйнування структури клітини змушує її запустити процес самознищення — так досягається головна мета лікування. "Ми атакуємо ракові клітини таким чином, щоб їм не вдавалося захистити себе", — пояснюють дослідники.

Перші доклінічні результати свідчать про багатообіцяючі перспективи майбутньої терапії. Експерименти на різних культурах ракових клітин показали, що після початку впливу новим препаратом вони вмирають протягом дуже короткого часу — в середньому протягом чотирьох годин. При цьому терапія абсолютно нешкідлива для здорових клітин.

Зараз команда працює над підвищенням ефективності лікування і біорзкладанням мережі "кубиків" після того, як ракові клітини загинуть. У майбутньому, на думку вчених, нова терапія може стати ефективною альтернативою променевої та хіміотерапії.