Выращивание и пересадка органов для продления жизни

Трансплантация органов

Трансплантация органов является жизненно важной технологией, которая ежедневно спасает жизни людей. Однако современная трансплантация имеет существенные недостатки. Главный из них – необходимость получить донорский орган от другого человека. Поскольку такой человек не является генетически идентичным больному, велика вероятность отторжения донорского органа. Поэтому мечтой хирургов является выращивание нового органа из собственных клеток пациента.

Теоретически все органы и ткани человеческого тела можно вырастить из плюрипотентных эмбриональных стволовых клеток. Это те клетки, из которых на ранних стадиях эмбриона возникают все виды тканей. Однако откуда их взять для лечения пациентов пожилого возраста?

Международная группа исследователей под руководством Роберта Ланци впервые выполнила терапевтическое клонирование клеток взрослых людей. Они удалили ядра нескольких женских половых клеток – яйцеклеток – и внесли в них ядра, полученные от клеток взрослых и пожилых мужчин. Образовавшийся зародыш развивался до стадии бластоцисты, полностью состоящей из эмбриональных стволовых клеток, которые относительно легко перепрограммировать в любые типы клеток, воздействуя на них определенными сигнальными белками – ростовыми факторами.

Важным компонентом для выращивания органа является биодеградируемый каркасный материал, на который наносятся клетки (он также носит название «скаффолд»). Такой материал не должен вызывать отторжения и в идеале рассасываться и замещаться соединительной тканью. Создаваемые каркасные материалы могут быть как натуральными, например из такого же органа умершего человека, либо синтетическими, состоящими из полимеров или керамики.

Энтони Атала, директор Института регенеративной медицины в США, выделяет несколько проблем, решение которых необходимо для успешного воссоздания органов вне тела.

Необходимо научиться культивировать клетки разных типов вне организма и в больших количествах. Важным фактором является подбор факторов роста, позволяющий клеткам созревать в нужный для данного органа тип клеток. В этой области достигнуты определенные успехи. Например, «в пробирке» уже выращивают клетки хряща и кожи. Вслед за плоскими тканями сотрудники Аталы научились выращивать вне тела кровеносные сосуды и полые органы, например мочеточник и мочевой пузырь, матку, влагалище. Сложностью их создания является не только форма, но и необходимость образовывать слои, состоящие из клеток разного типа.

Здесь на помощь приходят искусственные биосовместимые материалы, которые приживаются в организме пациента, не вызывая отторжения.

Помимо сложности выращивания и операции по пересадке, существует необходимость интеграции имплантируемого органа и ткани в тело человека, проникновение в них кровеносных сосудов и нервов. Уже сейчас проводятся операции или идут клинические испытания технологий по пересадке и приживлению искусственно выращенных хрящей, кожи, мочевого пузыря и влагалища.

Выращивание твердых органов, таких как сердце, печень или почки, является наиболее деликатной и амбициозной задачей. Еще труднее добиться их интеграции в систему нервов и сосудов тела. Такие органы имеют более сложную структуру и включают в себя много типов клеток. Для их создания используют основу, полученную из донорских органов. С целью предотвращения отторжения исходные органы очищают от собственных клеток донора, оставляя только соединительнотканный каркас, который обрабатывают стволовыми клетками пациента, выращенными вне организма. По мере роста в биореакторе, стволовые клетки образуют на основе пустого каркаса полноценный орган, генетически идентичный организму реципиента.

Еще один перспективный подход к созданию твердых органов – технология 3D-печати. Похожий на струйный принтер прибор послойно наносит суспензии живых клеток на биосовместимый каркас. На биопринтере пока что удается «распечатать» довольно простые органы, например кровеносные сосуды. Технология постоянно совершенствуется, количество органов, которые можно распечатать, и их качество будут расти, и, возможно, в ближайшем будущем это внесет свой вклад в решение проблемы нехватки донорских органов.

А прототип мощного 3D-принтера будущего мы уже видели: подобное устройство и его работа были ярко изображены в фильме «Пятый элемент», в эпизоде, когда тело главной героини Лилу восстанавливали после космической катастрофы.

Уже сейчас исследования по созданию и приживлению сложных органов удалось провести на лабораторных животных. В 2010 году из стволовых клеток была собрана мини-селезенка. Подобным же образом летом 2013 года японские ученые воссоздали ткань человеческой печени и вживили миниатюрный орган мыши, в теле которой он пророс кровеносными сосудами и взял на себя функцию данного органа.

Впервые создать фрагмент почки из стволовых клеток удалось австралийским ученым осенью 2013 года. Используя клетки кожи человека, при помощи генной терапии они перепрограммировали их в нужные типы клеток почек и впервые воссоздали миниатюрный действующий фрагмент данного органа. В это же время американским коллегам впервые удалось трансформировать стволовые клетки человека в клетки легочных альвеол, что позволит выращивать для пересадки легочную ткань. Зимой 2014 года исследователи из Техаса сумели вырастить на каркасе легких человека, лишенном клеток, новые легкие с использованием стволовых клеток. В настоящий момент идет конкурентная борьба за увеличение искусственных твердых органов до размеров, применимых для трансплантации человеку, и улучшения их качества.

Ожидается, что искусственно выращенные сложные органы, подобные печени, почкам, сердцу и легким, войдут в медицинскую практику в ближайшие 10–15лет. Чуть позже ученые научатся воссоздавать и регенерировать отдельные структуры головного мозга. Положительное влияние подобного изменения трудно переоценить. Отказ органа из-за болезни или травмы, атрофию органа (напомним, возрастной атрофии подвергается тимус, играющий важную роль в работе иммунитета), врожденные дефекты органа – все эти проблемы можно будет решить, вернув тысячам людей здоровье и высокое качество жизни.

Создание искусственных органов

Прогресс в материаловедении, создании автономных источников питания и микродвигателей дает принципиальную возможность создания автоматических протезов для замены дефектных органов. Это направление радикального продления жизни носит название киборгизации.

Достаточно давно в медицинской практике используется протезирование – искусственные зубы и кости, искусственная кожа, клапаны сердца и сосуды. Создана даже искусственная сетчатка глаза. В тело человека вживляются различные датчики и устройства, например кардиостимуляторы. Изношенные биологические органы также могут быть заменены на искусственные протезы целиком. Уже в наше время существуют электронные устройства, способные подсоединяться к нервной системе человека, что привело к созданию аппаратов для зрения, слуха, протезов конечностей нового поколения, приближающихся по своей функциональности к естественным. Мы можем двигать механическими пальцами искусственной руки, ходить на протезированных ногах, видеть электронными глазами и слышать через электронный слуховой аппарат. Разработанный по программе Министерства обороны США DARPA компьютерный нос уже умеет с точностью до 97 % различать несколько десятков запахов.

В настоящее время успешно проходит клинические испытания в США бионическая поджелудочная железа – прибор, способный отслеживать уровень глюкозы в крови и вводить требуемые концентрации гормонов инсулина и глюкагона.

Еще более востребованными являются устройства, заменяющие функцию почек и сердца. Миллионы людей по всему миру страдают острой почечной недостаточностью и тяжелыми заболеваниями сердца. Здесь не идет речь об аппарате для гемодиализа и сердечно-легочном аппарате, которые временно подключают при некоторых хирургических операциях. Необходимы вживляемые искусственные заменители данных органов, которые бы не ограничивали свободу перемещений пациента или хотя бы позволяли ему дожить до своей очереди на пересадку донорского органа (или до выращивания нового органа).

Конструкция первого механического сердца была разработана еще в 1937 году хирургом Владимиром Петровичем Демиховым. Устройство это представляло собой насос, приводящийся в действие электромотором. Прибор удалось успешно вживить собаке и тем самым доказать принципиальную возможность такого прибора. Первое искусственное сердце, которое было вживлено человеку, носило название по фамилии создателя «Ярвик-7» и увидело свет в 1982 году. С тех пор в США, Японии и Франции предпринималось несколько попыток имплантаций полностью искусственных сердец, однако они позволили продлить жизнь пациентов максимум на несколько месяцев.

Искусственную почку удалось создать и успешно применить в 1943 году голландскому врачу Виллему Йохану Кольфу. В настоящее время в мире создано несколько десятков моделей аппаратов «искусственная почка» и проведены тысячи операций с их применением. Однако это большие стационарные приборы. Существует также компактный носимый прибор, разработанный в 2008–2010 годах. Имплантируемая искусственная почка до сих пор не прошла клинических испытаний, хотя и существуют отдельные многообещающие разработки, которые найдут свое применение в ближайшие десять лет.

Много раз облетали мир новости о создании имплантов для мозга насекомых, мышей и крыс, позволяющие человеку дистанционно управлять их движениями. В настоящее время существуют аппараты, с помощью которых человек может мысленно управлять механической рукой, движением персонажей в компьютерной игре, посылать короткое мысленное сообщение по электронной почте или сканировать в компьютер визуальные образы, возникающие в его воображении.

Не за горами электронные протезы отдельных структур нашего головного мозга. Уже есть некоторые наработки в этой области. Американские исследователи в 2013 году разработали электронный интерфейс, который позволял нервным импульсам «обходить» травмированный участок нервной ткани и стимулировать следующие за ним отделы мозга, и успешно испытали его на крысах. Как предполагается, данная разработка поможет людям, пережившим инсульт, удаление опухолей мозга или травматическое повреждение.

Учеными из Университета Тель-Авива в 2012 году был создан электронный мозжечок, который смог полностью заменить разрушенный мозжечок в мозге крыс.

Оказалось, что дублировать природу – очень трудная задача. Полученные результаты не вполне надежны и продлевают жизнь лишь ненадолго. Это и неудивительно, поскольку биологические органы имеют встроенную систему борьбы с отказами, способны самовосстанавливаться, в то время как механические заменители на это не способны и их отказ может вызвать смерть их обладателя.

Но не стоит забывать, что разработка кибернетических органов направлена на сохранение жизни и повышение ее качества, а значит, они будут совершенствоваться, становиться более надежными и удобными, пока в один прекрасный день мы не увидим на Паралимпиаде спортсменов, чьи искусственные руки и ноги будут неотличимы от настоящих.