Современная медицинская техника: искусственные органы

У всех приборов, аппаратов и механизмов есть запчасти. Ведь это так удобно: износилась деталь, поставили новую — и нет никаких проблем! Вот бы создать «фабрику» запасных органов для человека! Этой работой с энтузиазмом занимаются медики, инженеры, химики, физики, биологи и кибернетики. И хотя задача оказалась не из легких, некоторые успехи в создании «человеческих запчастей» все же имеются.

Заменим конечности

Проблему замены органов пытались решить еще древние целители, и начали они с протезирования конечностей (греч. prosthesis — приложение, прибавление). Первый действующий протез обнаружили ученые Мюнхенского университета, исследовавшие мумию египтянки, умершей в 700 г. до н.э...##. У нее был ампутирован большой палец на правой ноге, а вместо него установлен деревянный. По мнению исследователей, этот протез успешно решал все проблемы, связанные с нормальной ходьбой.

Со временем научились мастерить деревянные руки и ноги, которые трудно было отличить от настоящих. Позже на смену протезам из дерева пришли пластмассовые и металлические. Но все они в основном имели эстетическое значение, даже механические искусственные конечности не могли полностью удовлетворить потребности пациентов, оставшихся без руки или ноги.

Более 130 лет назад хирурги прусской армии Фритч и Гетциг загорелись идеей создания управляемых искусственных конечностей. О том, что эта фантазия может стать реальностью, свидетельствовали результаты научного эксперимента, проведенного ими после битвы под Седаном. Фритч и Гетциг, раздражая током мозг погибших солдат, обнаружили, что у них начинали двигаться конечности. Испытателей осенило: «мозговое электричество» — вот что поможет «оживить» искусственные конечности.

Однако в то время реализовать идею не удалось. В 90-х годах прошлого века ее попытались возродить Петер Фромхерц и его коллеги из Мюнхенского института Макса Планка. Ученые установили двустороннюю связь между нервной клеткой (правда, не человеческой, а пиявки) и микроскопическим кремниевым чипом. Связь осуществлялась точно так же, как в нервной системе. Этот принцип и должен был лежать в основе системы управления идеальным протезом. П. Фромхерц понимал, что сделан всего лишь маленький шажок на пути к созданию искусственных биоконечностей.

Во многих странах изучают различные сочетания искусственных материалов и живой ткани. Так, в Буффальском университете, в Морской лаборатории в Вашингтоне, университете Лозанны и в лаборатории фирмы «Кодак» в Рочестере «связывают» нервные клетки с тефлоном. Кто знает, может быть идея создания нового вида биопротеза вскоре принесет плоды...

Робототехниеская рука XXI века

А пока изобретают биоконечности, специалисты британской компании «Shadow Robot» создали робот-руку с дистанционным управлением. Конструкция из металла и «пневматических» мышц стала настоящей сенсацией на японской выставке высоких технологий 2002 г. Стоимость «руки» сегодня составляет 90 тыс. евро. Основатель компании Ричард Гринхилл сообщил, что скоро поступит в продажу также и робот-нога.

Ученые из Чикагского университета пошли дальше и подсоединили робот-руку сначала к мозгу рыбы, затем — обезьяны: «Таким образом, мы можем наблюдать, как мозг животных контролирует движения робота». Они считают, что в будущем смогут подсоединить роботы-конечности к мозгу пациента. В случае успеха откроются новые перспективы в области протезирования, а у людей, утративших руку или ногу, появится надежда на полноценную замену.

Даешь искусственные органы!

Современная медицинская техника позволяет частично либо полностью заменять больные органы человека. Искусственные суставы, хрусталики, слуховые аппараты, электронные сердечные водители ритма, биопротезы, приводимые в движение миниатюрными блоками питания, реагирующими на человеческие биотоки — вот далеко не полный перечень достижений медицинской технологии.

Во время сложнейших операций на легких, сердцеили почках неоценимую помощь медикам оказывают аппараты искусственного кровообращения, искусственное легкое, искусственная почка. Они принимают на себя функции оперируемых органов и позволяют на время приостановить их работу.

Создание искусственного легкого не представляло трудностей. Довольно быстро инженеры сконструировали пульсирующий насос, подающий воздух с частотой 40– 50 раз в минуту. В качестве поршня используют мехи из гофрированного металла или пластика — сильфоны. Очищенный и доведенный до необходимой температуры воздух подается прямо в бронхи. Аналогично устроен аппарат искусственного кровообращения, только шланги подключают к кровеносным сосудам хирургическим путем. А вот с «почкой» пришлось повозиться, хотя разрабатывать этот аппарат начали значительно раньше, чем два предыдущих.

Движение растворов через полупроницаемые мембраны еще в 1837 г. изучал британский биолог Томас Грехен. Он же первый применил и ввел термин «диализ» (от греч. dialysis — отделение). Но лишь спустя 75 лет на основе этого метода американцу Дж. Абелю удалось сконструировать аппарат, названный искусственной почкой. В качестве полупроницаемой мембраны в нем использовали трубочки из коллодия. Этот материал оказался довольно хрупким. В конце концов остановились на трубочках из целлофана.

В 1925 г. с помощью такого аппарата был проведен первый диализ у человека, а в 1943 г. создана «почка» для широкого применения в клинической практике. Как бы ни усовершенствовали искусственную почку, принцип Абелевского аппарата остается неизменным: полупроницаемая мембрана, с одной стороны течет кровь, с другой — солевой раствор, а для предотвращения свертывания крови используют антикоагулянты.

Следует отметить, что данные аппараты не претендуют на полную замену человеческих органов. Эти громоздкие устройства можно использовать только в условиях стационара. Возможно, создателям искусственного сердца повезет больше?

Дела сердечные

После первых неудачных попыток создать механическое сердце в 1812 г. вновь полностью воспроизвести его конструкцию изобретатели долго не решались. Сначала пробовали заменять «отработанные» сосуды, затем клапаны. В имплантации искусственных клапанов даже добились серьезных успехов. Их начали использовать с конца прошлого века, а сегодня в арсенале кардиохирургов есть более 80 моделей клапанных протезов. «Старейшиной» механических искусственных клапанов сердца (МИКС) считается шариковый клапан «Старра-Эдвардса». Он выпускается корпорацией «Бакстер» с 1961 г. и применяется до настоящего времени. Остальные шариковые клапаны сегодня не используются. Больше повезло дисковым «собратьям». Самый популярный однодисковый клапан «Медтроник-Холл» выпускается в США (Миннеаполис) с 1977 г. Его износоустойчивость исчисляется тысячелетиями, а производится он под контролем компьютера.

Из двустворчатых механических протезов несомненным лидером является клапан «Сант Джуд Медикал-Регент». Он выпускается с 1977 г. и является «золотым стандартом» МИКС (с ним сравнивают все другие модели). В 2000 г. состоялось важное событие: был имплантирован миллионный образец этого клапана.

Наряду с механическими существуют и биологические протезы (БИКС). С 1975 г. и до настоящего времени корпорация «Бакстер» производит клапан «Карпентье-Эдвардса» (на кобальт-никелевое кольцо крепится свиной сердечный клапан). В распоряжении кардиохирургов и БИКС «Торонто», который имеет неоспоримое преимущество по сравнению с предыдущей моделью: в нем отсутствует металлическое опорное кольцо, которое мешает кровотоку.

К сожалению, не все болезни сердца можно лечить, вживляя клапанные протезы. Иногда этот орган изнашивается настолько, что требуется полная его замена.

Титановое сердце

Перед создателями искусственного сердца стояла задача: продлить жизнь пациента до тех пор, пока не будет найден подходящий донор для пересадки человеческого трансплантата. Ежегодно только в США 100 тыс. человек нуждаются в пересадке сердца, а донорских органов хватает лишь для 2 тыс. пациентов.

Среди множества сконструированных аппаратов долгое время не было ни одного, который удовлетворил бы и медиков, и больных. Ранее применяемые модели являлись стационарными и требовали постоянного подключения к внешнему блоку питания размером со стиральную машину. Кстати, одной из наиболее удачных систем является «Новакор» стоимостью 200 тыс. долларов. Такое «сердце» вмещается в чемоданчик, где находятся два пластмассовых желудочка. Пациент с чемоданчиком может находиться дома, но компьютер управления и монитор контроля остаются в клинике «на глазах» у специалистов. Подключенный к такому аппарату больной может в течение года ожидать операции по пересадке сердца.

В начале XXI века компания «Абиомед» разработала модель механического автономно работающего сердца — «Абио Кор» — стоимостью около 100 тыс. долларов. Протез размером с грейпфрут изготовлен из титана и пластика, весит он около 1 кг. Механическое сердце имплантируется вместе с батареей, которая может автономно работать в течение 30 минут. Подзарядка внутренней батареи производится через кожу от источника питания, который носят на поясе.

В 2001 г. была произведена первая пересадка автономного сердца пациенту с тяжелейшей сердечной недостаточностью. Прикованный до этого к постели, 59-летний Роберт Тулз после операции смог самостоятельно передвигаться, ходить в магазин и на прогулку. С новым сердцем Тулз прожил 151 день. Модель «Абио Кор» признана «Times» изобретением года. С 2001 по 2003 г.г. выполнено 10 таких операций. В настоящее время компания «Абиомед» занимается разработкой сердца меньшего размера, которое можно будет пересаживать женщинам.

Не смастерим,  так вырастим

Выращивать искусственные органы начали около 10 лет тому назад. Впервые экспериментальным путем были получены кожа и хрящевая ткань, образцы которых сегодня проходят клинические испытания в центрах трансплантации.

Гибридные основы-подложки уже прочно вошли в практику выращивания клеток. На тефлоновой основе ученые вырастили нервные волокна, на очереди — сосудистый эндотелий. Из тефлона давно изготавливают искусственные кровеносные сосуды, правда, только большого диаметра (более 6 мм), так как сосуды меньшего диаметра после имплантации быстро закупориваются тромбами. Этого можно было бы избежать, если бы структура тефлонового протеза напоминала естественный покров сосудистых стенок. Следующим этапом станет воссоздание костной ткани, сухожилий, кишечника, сердечных клапанов, костного мозга.

Однако кожа, хрящ и др. представляют собой ткани, состоящие из одного-двух типов клеток, и требования к основе для их выращивания невысоки. Что же касается печени, то ее создание требует сложной технологии: необходимо, чтобы различные типы клеток размещались определенным образом, то есть их подложка должна обладать высокой избирательностью и не вызывать реакции отторжения организмом. Работа по выращиванию искусственной печени ведется в нескольких исследовательских центрах.

Ученые калифорнийского университета внедрили живые гепатоциты крыс в отверстия кремниевых пластин. Кроме «ячеек» для клеток печени, пластины пронизаны порами разной величины, чтобы через них проходили различные химические вещества, но задерживались бактерии и вирусы. С такой «печенью» крысы прожили по 2 недели.

В Массачусетском технологическом институте синтезирована сетчатая подложка из полиэтиленоксида, задерживающая гепатоциты и не вызывающая иммунной реакции организма. Теперь предстоит сформировать трехмерную структуру этой основы и на ней в строгом порядке разместить различные типы клеток печени.

Ученым из университета штата Северная Каролина удалось создать искусственную печень из гепатоцитов человека. Ранее аналогичные аппараты механической фильтрации содержали клетки свиной печени, но они не обеспечивали необходимую степень очистки. Кроме того, при использовании такой печени возникала опасность заражения пациента «свиными болезнями». Руководитель нового проекта Рошан Шреста считает, что с помощью созданного устройства можно будет не только сохранить жизнь больного, но также избежать трансплантации печени, так как самое критическое состояние (острую печеночную недостаточность) поможет пережить искусственный орган, а в дальнейшем, возможно, начнет функционировать собственная печень.

Так, шаг за шагом создают искусственную печень. Остается надеяться, что заменитель будет не хуже настояще вживление протезов и органов может вызывать реакцию отторжения. Поэтому вживляют только то, без его жить невозможно, например, искусственное сердце.

Вопросы, ответы, комментарии