Замена органов — решение, которое врачи принимают лишь в крайних случаях. Тем не менее, в нашем мире, где организм человека быстро изнашивается, она становится постоянной практикой.
Основным методом остаётся пересадка живых органов от человека к человеку. На поиски донора с нужными характеристиками, порой, уходят годы, и пациент может погибнуть, не дождавшись спасения. Именно поэтому учёные ищут альтернативы донорской пересадке. Разбираемся, какие нестандартные способы "ремонта" человеческого организма предлагают специалисты.
Один из вариантов решения проблемы — печать новых органов на специальных 3D-принтерах. Если уж современные технологии позволяют изготавливать из различных материалов механические детали, почему бы не попробовать таким же образом напечатать и "запчасти" для человеческого организма?
В 2019 году израильские учёные из Университета Тель-Авива напечатали на 3D-принтере миниатюрную копию живого сердца из человеческих тканей. Размер органа составил около 2,5 см, а создать крошечный прототип удалось за 3,5 часа.
В качестве материала учёные использовали человеческие клетки, преобразованные в стволовые клетки сердечно-сосудистой мышцы и смешанные с соединительной тканью. Несмотря на крохотные размеры, сердце успешно сокращалось и впервые включало все необходимые черты: кровеносные сосуды, желудочки и камеры. По словам специалистов, уже на этом этапе микроорган подошёл бы для пересадки кролику.
Такой прогресс в печати органов не был бы достигнут, если бы ещё в 2017 году специалисты из Оксфорда не усовершенствовали биологическую 3D-печать, решив две важные проблемы.
Чтобы преодолеть эти препятствия, специалисты придумали покрывать каждую клетку перед печатью оболочкой из липидов. В итоге клетки для печати становились похожими на "кирпичики", из которых было проще "построить" орган.
Не отстают от земных коллег и специалисты космические: в 2018 году на Международной космической станции был успешно испытан биопринтер "Орган.Авт", созданный российскими учёными из компании 3D Bioprinting Solutions. Технологию адаптировали под невесомость: биологическое вещество не накладывалось на поверхность слоями (что было бы невозможным без земного притяжения), а выталкивалось силой магнита. В результате на МКС были успешно напечатаны биологические образцы с хорошей жизнеспособностью.
Несмотря на разнообразие, все экспериментальные искусственные органы печатаются по одной схеме, состоящей из трёх этапов.
Сфера биопечати органов активно развивается: в мире уже сформировано более сотни компаний, выпускающих биопринтеры. Тем не менее. пока для развития данной отрасли (и пересадки напечатанных сложных органов живым людям, а не только подопытным животным) существуют серьёзные препятствия.
Учитывая, что печатные органы надо будет не только создать, но и испытать на безопасность, специалисты предсказывают полноценное внедрение в медицину 3D-печатных органов лишь спустя 10-15 лет. Чуть более оптимистичный прогноз — по 3D-печати кожи: предполагается, что самый большой человеческий орган можно будет печатать прямо на пациентах уже через 5 лет.
Что если пойти чуть более простым путём — и элементарно вырастить нужный орган?
Самое нестандартное решение в этой сфере обдумывают исследователи из Оксфордского университета. Объединившись с робототехнической компанией Devanthro, специалисты предложили использовать для пересадки человеческих тканей самых необычных доноров — специальных роботов!
Как считают учёные, гораздо результативнее будет, если ткани, к примеру, мышцы и сухожилия — будут расти в условиях постоянных нагрузок, к которым они должны быть приспособлены, чтобы успешно прижиться в теле. И сымитировать такую среду прекрасно может двигающийся роботизированный "скелет". Именно его и сконструировали специалисты, решив поэкспериментировать с выращиванием сухожилий плеча.
Встроив в плечо робота биореактор, где на натянутых волокнах росли человеческие клетки, учёные каждый день в течение получаса заставляли искусственные сухожилия двигаться, растягиваясь и скручиваясь. "Тренированные" клетки росли быстрее и действительно претерпели изменения в сравнении с контрольными образцами. Учёные предположили, что в будущем технология может также заменить животных в ходе научных испытаний и пригодиться в создании биогибридных роботов, в телах которых механика будет смешана с живой тканью.
Одним из будущих "доноров" тканей для людей может стать, к примеру, Eccerobot — пластиковый робот с "живыми" костями, сухожилиями и кожей, созданный в Цюрихском университете в 2011 году.
Над синтезом биологии с технологией работают и в Израиле. В 2016 году специалисты из Тель-Авивского университета создали искусственную сердечную ткань, объединившую в себе живые клетки и гибкую электронику. Такой материал позволит в случае сбоя сердца не пересаживать "двигатель" человеческого организма целиком, а просто поставить "заплатку" на нужное место органа, заменив его повреждённую часть. При этом, "вплетённая" в искусственную ткань электроника позволит удалённо следить за работой сердца пациента и в случае необходимости электрически стимулировать орган.
Порой, в создании органов специалисты обходятся и без электронно-механического подспорья. Например, в 2022 году японским специалистам из Института молекулярной эмбриологии и генетики Университета Кумамото удалось вырастить в лаборатории мышиную почку. На руках у учёных уже были результаты предыдущих исследований, в результате которых специалисты смогли вырастить зачатки отдельных составляющих мышиной почки — нефрона и мочеточника — из мышиных эмбриональных стволовых клеток. Присоединив эти две "детали" к искусственно выращенной соединительной ткани почки, учёные получили органоид, почти неотличимый от реальной почки мыши. Японские специалисты не желают останавливаться на достигнутом и собираются по аналогичной технологии выращивать почки человека.
Первые шаги уже делаются и в воссоздании органов непосредственно из человеческих клеток. В 2020 году специалисты из Университета штата Мичиган (США) вырастили из стволовых клеток человека рабочие "мини-сердца", похожие на сердечки человеческих эмбрионов. Крохотные органы включали все основные разновидности клеток, имели структуры, напоминающие камеры и сосуды, и регулярно сокращались. В микро-сердцах находились все гены, отвечающие за нормальную работу сердца, а сами органы развивались по той же "схеме", что и сердца человеческих эмбрионов.
Не меньшего успеха добились и специалисты из американского Медцентра Детской больницы Цинциннати, объединившиеся с земляками из других научных центров и коллегами из Франции и Австралии. В 2016 году они вырастили полноценную работоспособную ткань кишки с рабочей нервной системой, способную к перистальтике (сокращению). Как и "мини-сердца", искусственный орган развивался так же, как у реального эмбриона. Кишечная ткань была имплантирована мышам и успешно прижилась. Удалось обойтись даже без кровеносных сосудов и иммунных клеток: после пересадки организм подопытных обеспечивал новую "запчасть" всем необходимым.
Чуть проще, в сравнении с многослойными органами, обстоят дела с созданием хрящей. Ещё в 2006 году специалисты из Бристольского университета успешно вылечили травмированные коленные суставы пациентов, "подлатав" их искусственными хрящами, выращенными из клеток участников эксперимента.
В крайнем случае, можно попытаться заняться регенерацией. В 2015 году команда учёного Стивена Бадиляка из Питтсбургского университета (США) использовала порошок, изготовленный из высушенного межклеточного вещества мочевого пузыря свиней для регенерации кончика пальца человека, отрезанного в результате несчастного случая. Такой регенерационный порошок богат веществами, стимулирующими рост клеток.
Необычное лекарство после нанесения на повреждённый палец простимулировало стволовые клетки пострадавшего, в результате чего отрезанная плоть успешно выросла снова, и вместе с ней восстановился даже ноготь! Судьба необычной разработки пока не обсуждается, но исследование представляется очень перспективным для "ремонта" человеческого тела.
Пока учёные разбираются с печатью и искусственным выращиванием органов, искусственные сердца Aeson французской компании Carmat уже спасают жизнь своим первым хозяевам.
В отличие от предыдущих проектов, в этом искусственном органе больше от искусно сделанного механизма, чем от биологической плоти. Сердце подключается к внешнему источнику питания, заряда которого хватает минимум на 4 часа, и специальному устройству, отвечающему за сердцебиение. Всё это размещается в 4-килограммовой сумке, которую пациент должен постоянно носить с собой. Но это — лишь временные "неудобства": искусственное сердце устанавливается пациентам на срок примерно до полугода, пока не найдётся живой донорский орган с подходящими качествами.
Чтобы предотвратить отторжение организмом механической "запчасти", искусственное сердце изготовлено из биологически совместимых материалов — в том числе бычьей ткани. Подобно живому, искусственный орган откликается на активность хозяина: когда человек занимается спортом или волнуется, сердце начинает биться быстрее.
Проект Carmat прошёл непростой путь. К несчастью, первые несколько экспериментальных пациентов, которым проводили пересадку искусственного сердца ещё в 2013–2016 годах, погибли. Но спустя некоторое время испытания изобретения были вновь одобрены и достигли отличных результатов.
Одним из первых пациентов, успешно пережившим пересадку искусственного сердца и его замену на донорское, стал американец Мэтью Мур в 2021 году. Доступной становится новая технология и в "ближнем свете": ещё в 2017 году первые операции по пересадке инновационного органа проводились в Казахстане. Успешно прошедший операцию в 2021 году петропавловец Алексей Чабан сообщил изданию Aqmola News, что до замены искусственного сердца на донорское он чувствовал себя комфортно, даже занимался спортом — бегом и гантелями. Одно тревожащее неудобство, которое упомянули как американский, так и казахский пациенты — звук работы механического органа, напоминавший распил бревна или лай собак. Но главное — одно: искусственные органы уже пригодны к применению и спасают тех, кто нуждается в помощи.
* * *
Когда развитие технологий идёт на благо человека — это прекрасно. И наблюдая за прогрессом в создании искусственных тканей и органов, которые могут подарить жизнь людям в самых безнадёжных случаях, отчётливо понимаешь: это одна из тех сфер, которая действительно достойна повышенного внимания со стороны учёных. Разумеется, если ею не злоупотреблять.