Трансплантация – Пересадка органов - Eurodoctor.ru - 2010

Идеи о замене больных органов здоровыми возникли у человека еще несколько веков назад. Но несовершенные методы хирургии и анестезиологии не позволяли осуществить задуманное. В современном мире трансплантация органов заняла достойное место в лечении терминальных стадий многих заболеваний. Были спасены тысячи человеческих жизней. Но проблемы возникли с другой стороны. Катастрофический дефицит донорских органов, иммунологическая несовместимость и тысячи людей в листах ожидания того или иного органа, которые так и не дождались своей операции.

Ученые всего мира все чащи задумывались над созданием искусственных органов, которые могли бы заменить настоящие по своим функциям, и в этом направлении были достигнуты определенные успехи. Нам известны искусственные почка, легкие, сердце, кожа, кости, суставы, сетчатка, кохлеарные импланты.

Один из самых необходимых искусственных органов - это почка. В настоящее время сотни тысяч людей в мире для того, чтобы жить, должны регулярно получать лечение гемодиализом. Беспрецедентная « машинная агрессия», необходимость соблюдать диету, принимать медикаменты, ограничивать прием жидкости, потеря работоспособности, свободы, комфорта и различные осложнения со стороны внутренних органов сопровождают эту терапию.

Искусственная вентиляция легких (ИВЛ) – эффективное средство интенсивной терапии, обеспечивающее газообмен, имеет все необходимые режимы для обеспечения различных вариантов вентиляции легких. Но как самостоятельное лечение малоэффективно, все достоинства этого метода проявляются в комплексной терапии основного заболевания. При длительном применении также возможно развитие различных осложнений.

Принципы создания искусственного сердца были разработаны В. П. Демиховым еще в 1937 г. С течением времени это устройство претерпело колоссальные преобразования в размерах и способах использования Искусственное сердце – механический прибор, который временно берет на себя функцию кровообращения, в случае если сердце пациента не может полноценно обеспечивать организм достаточным количеством крови. Существенным его недостатком является потребность в постоянной подзарядке от электросети.

Все эти устройства можно рассматривать как временную меру, пока пациент ждет орган для пересадки. Все они далеки от совершенства и доставляют больному массу неудобств.

Идеальный искусственный орган должен соответствовать следующим параметрам:

его можно имплантировать в организм человека;
он не имеет сообщения с окружающей средой;
изготовлен из легкого, прочного, обладающего высокой биологической совместимостью материала;
полностью моделирует функции естественного аналога.

В начале XXI века возникли предпосылки появления принципиально новых подходов к восстановлению функций жизненно важных органов, основанных на технологиях клеточной и тканевой хирургии.

Современная медицинская техника позволяет заменять полностью или частично больные органы человека. Электронный водитель ритма сердца, усилитель звука для людей, страдающих глухотой, хрусталик из специальной пластмассы -- вот только некоторые примеры использования техники в медицине. Все большее распространение получают также биопротезы, приводимые в движение миниатюрными блоками питания, которые реагируют на биотоки в организме человека.

Во время сложнейших операций, проводимых на сердце, легких или почках, неоценимую помощь медикам оказывают «Аппарат искусственного кровообращения», «Искусственное легкое», «Искусственное сердце», «Искусственная почка», которые принимают на себя функции оперируемых органов, позволяют на время приостановить их работу.

«Искусственное сердце»

Более 2300 лет назад греческий философ Аристотель учил, что сердце является вместилищем души. Сегодня мы знаем: величиной с кулак и весящий 300 граммов полый мускул каждую минуту прокачивает все шесть литров крови человека через сеть сосудов, протянувшуюся более чем на 1000 километров, и обеспечивает питательными веществами каждую из 100 миллиардов клеток тела. В зависимости от возраста и нагрузки, сердце бьется 40-200 раз в минуту, при этом ритм орган задает себе сам: электрический задатчик такта в сердечной стенке управляет ударами в зависимости от физических требований. Имплантируемый насос из стали, снабженный батарейкой и индукционной катушкой для заряда через кожу, в будущем должен заменять неизлечимо больное сердце. При небольших дефектах, например, клапанов, хирурги пересаживают запчасти из свиных сердец или из пластика. Если сердце то и дело сбивается с ритма, корректирующие импульсы задает электронный водитель сердечного ритма, вшиваемый в грудную клетку.

Исследования поначалу проводились в направлении частичной замены функции одного из отделов сердца (правый или левый желудочек), и только с созданием аппарата искусственного кровообращения стало возможным всерьез задуматься над тем, как полностью заменить сердце механическим аналогом. Великий советский ученый-экспериментатор Владимир Демихов еще в 1937 году показал принципиальную возможность поддержания кровообращения в организме собаки с помощью пластикового насоса, приводимого в движение электродвигателем. Два с половиной часа, которые прожила собака с этим механическим устройством, имплантированным на место удаленного собственного сердца, стали отсчетом новой эры в медицине.

Эстафету подхватили американские ученые, но лишь два десятилетия спустя В. Кольф и Т. Акутсу разработали искусственное сердце из полихлорвинила, состоящее из двух мешочков, включенных в единый корпус. Оно имело 4 трехстворчатых клапана из того же материала и работало от пневмопривода, расположенного снаружи. Эти исследования положили начало целой серии конструктивных решений искусственного сердца с внешним приводом. Почти четверть века потребовалась для того, чтобы в эксперименте были достигнуты стабильные результаты выживания животных и созданы предпосылки для использования этой технологии в клинической практике. Работы по созданию искусственного сердца интенсивно проводились несколькими группами ученых в США, СССР, ФРГ, Франции, Италии, Японии.

К 1970 году были получены обнадеживающие показатели - животные выживали до 100 часов (Университет штата Юта, Солт-Лейк-Сити, США). Однако затем в связи с хроническими неудачами экспериментаторов встал вопрос: а возможно ли в принципе выживание животного с искусственным сердцем более 100 часов? К счастью, на него сравнительно быстро удалось ответить утвердительно - к 1974 году была достигнута выживаемость животных в течение месяца, а три года спустя организм уже 75 проц. животных стабильно работал в течение этого срока. Полученные результаты позволили считать, что метод замены собственного сердца искусственным,как временная мера может быть применен в клинике.

Модель искусственного сердца, разработанного в Берлине. Эта модель была впервые имплантирована профессором Хетцером в 1987 г.

Идея имплантации искусственного сердца для поддержания жизни реципиента на период поиска подходящего донора была реализована в 1969 году, когда американский хирург Д.Кули произвел имплантацию искусственного сердца больному, которого после резекции обширной аневризмы левого желудочка не удавалось отключить от аппарата искусственного кровообращения. Через 64 часа работы искусственное сердце было заменено на аллотрансплантат, однако еще 36 часов спустя больной погиб от пневмонии. Это был первый случай двухэтапной операции трансплантации сердца, которая сегодня распространена очень широко. В настоящее время, правда, на первом этапе проводят имплантацию не искусственного сердца, а искусственного левого желудочка, но об этом дальше.

Начиная с 1982 года Де Вриз выполнил шесть операций по имплантации искусственного сердца с внешним приводом больным в терминальной стадии сердечной недостаточности. Уже первый больной, несмотря на ряд технических осложнений, прожил с искусственным сердцем "Джарвик-7" 112 суток, затем выживаемость больных была доведена до 603 суток. Все шесть пациентов в конце концов погибли от инфекций. Эти операции, несмотря на общественный интерес, не получили распространения в дальнейшем, так как у больных, привязанных к громоздкому внешнему приводу, не было ни единого шанса на сколько-нибудь полноценную жизнь.

В нашей стране серьезные исследования в области создания искусственного сердца возобновились в 1966 году по инициативе и под руководством тогда еще никому неизвестного молодого хирурга, а впоследствии академика Валерия Шумакова сначала в Институте клинической и экспериментальной хирургии, а с 1975 года - в НИИ трансплантологии и искусственных органов. В течение многих лет над этим работали сотрудники НИИТиИО В. Толпекин, А. Дробышев, Г. Иткин. В 70-е годы советские ученые шли вровень с американскими в разработке искусственного сердца. Не случайно в 1974 году министры иностранных дел СССР и США А. Громыко и Г. Киссенджер в числе других важных документов подписали межправительственное соглашение по исследованиям в области искусственного сердца и вспомогательного кровообращения. Как говорит Валерий Шумаков, этому соглашению в отличие от многих других была уготована счастливая судьба. Оно выполнялось на протяжении двух десятилетий, в результате были созданы искусственное сердце и искусственные желудочки сердца, применявшиеся в клинической практике.

В НИИТиИО были проведены исследования по созданию насосных устройств, систем управления и контроля работы протеза сердца в длительных медико-биологических экспериментах на телятах. Длительность работы модели искусственного сердца с внешним приводом "Поиск-10М" была доведена к 1985 году до 100 суток. Все это позволило начать его клинические испытания. Показаниями к применению искусственного сердца были резкое ухудшение состояния пациентов, включенных в лист ожидания на пересадку сердца; критические ситуации у больных, которые после окончания операции не могут быть отключены от аппарата искусственного кровообращения; резко прогрессирующие явления отторжения трансплантата.

С декабря 1986 года специалистами НИИТиИО было выполнено 17 трансплантаций искусственного сердца "Поиск-10М", из них 4 в Польше, куда бригада выезжала по экстренному вызову. К сожалению, несмотря на героические усилия врачей, максимальная продолжительность работы искусственного сердца не превысила 15 суток. Но, как это ни цинично звучит в данном случае, отрицательный результат в науке - тоже результат.

Мы убедились, что искусственное сердце с внешним приводом имеет серьезные отрицательные стороны, - говорит заведующий лабораторией вспомогательного кровообращения и искусственного сердца НИИТиИО профессор Владимир Толпекин. Прежде всего, это большая травматичность, ведь сначала нужно удалить собственное сердце больного и лишь потом на его место поставить сердце искусственное. При этом возникает много осложнений, воспаление тканей, из-за чего повторная трансплантация затруднительна.

Из 17 больных, которым трансплантировали "Поиск-10М", донорское сердце удалось пересадить лишь одному, но и у него за 3,5 суток жизни на искусственном сердце ткани изменились настолько сильно, что на 7-е сутки после пересадки донорского органа развился воспалительный процесс, приведший к смерти. В настоящее время лишь одна фирма в мире выпускает искусственное сердце с внешним приводом, и на практике в последнее время они практически не применяются ни в качестве "моста" к трансплантации донорского сердца, ни тем более как длительно работающий орган. В результате искусственное сердце было вытеснено менее травматичной системой - искусственным левым желудочком (обход левого желудочка).

21/06/2017

Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Регулярно поступающие новости из сферы регенеративной медицины звучат обнадеживающе и многообещающе. Кажется, что уже не за горами тот день, когда биоинженерные ткани и органы будут так же доступны, как запчасти к автомобилям

Успехи регенеративной медицины

Методы терапии с использованием клеточных технологий уже многие годы успешно применяют во врачебной практике. Созданы и успешно используются искусственные органы и ткани, полученные с помощью методов клеточной терапии и тканевой инженерии. К практическим достижениям в области регенеративной биомедицины относится выращивание хрящевых тканей, мочевого пузыря, уретры, сердечных клапанов, трахеи, роговицы и кожи. Удалось вырастить искусственный зуб, пока только в организме крысы, но стоматологам стоит задуматься о кардинально новых подходах. Была разработана технология восстановления гортани после операции по ее удалению и уже выполнено много таких операций. Известны случаи успешной имплантации трахеи, выращенной на донорской матрице из клеток пациента. В течение многих лет осуществляют трансплантацию искусственной роговицы.

Уже налажено серийное производство биопринтеров, которые слой за слоем печатают живые ткани и органы заданной трехмерной формы

Самыми простыми для выращивания оказались хрящевая ткань и кожа. В деле выращивания костей и хрящей на матрицах достигнут большой прогресс. Следующий уровень по сложности занимают кровеносные сосуды. На третьем уровне оказались мочевой пузырь и матка. Но эта ступень уже пройдена в 2000–2005 гг., после успешного завершения ряда операций по трансплантации искусственного мочевого пузыря и уретры. Тканевые имплантаты вагины, выращенные в лаборатории из мышечных и эпителиальных клеток пациенток, не только успешно прижились, сформировав нервы и сосуды, но и нормально функционируют уже около 10 лет.

Самыми сложными органами для биомедицины остаются сердце и почки, которые имеют сложную иннервацию и систему кровеносных сосудов. До выращивания целой искусственной печени еще далеко, однако фрагменты ткани печени человека уже получены с помощью метода выращивания на матрице из биоразлагаемых полимеров. И хотя успехи очевидны, замена таких жизненно важных органов, как сердце или печень, их выращенными аналогами - все-таки дело будущего, хотя, возможно, и не очень далекого.

Матрицы для органов

Нетканые губчатые матрицы для органов делают из биоразрушаемых полимеров молочной и гликолевой кислот, полилактона и многих других веществ. Большие перспективы и у гелеобразных матриц, в которые, кроме питательных веществ, можно вводить факторы роста и другие индукторы дифференцировки клеток в виде трехмерной мозаики, соответствующей структуре будущего органа. А когда этот орган сформируется, гель бесследно рассасывается. Для создания каркаса также используют полидиметилсилоксан, который можно заселить клетками любой ткани.

Базовая технология выращивания органов, или тканевая инженерия, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных тканей

Следующий шаг - это выстилание внутренней поверхности полимера незрелыми клетками, которые затем образуют стенки кровеносных сосудов. Далее другие клетки желаемой ткани по мере размножения будут замещать биоразлагаемую матрицу. Перспективным считается использование донорского каркаса, определяющего форму и структуру органа. В экспериментах сердце крысы помещали в специальный раствор, с помощью которого удаляли клетки мышечной сердечной ткани, оставив другие ткани нетронутыми. Очищенный каркас засеивали новыми клетками сердечной мышцы и помещали в среду, имитирующую условия в организме. Всего через четыре дня клетки размножились настолько, что начались сокращения новой ткани, а через восемь дней реконструированное сердце уже могло качать кровь. С помощью этого же метода на донорском каркасе была выращена новая печень, которую затем пересадили в организм крысы.

Базовая технология выращивания органов

Пожалуй, нет ни одной биологической ткани, к попыткам синтезирования которой не приступила бы современная наука. Базовая технология выращивания органов, или тканевая инженерия, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных тканей. Эти клетки затем помещают внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена.

Матрицу из коллагена можно получить путем очистки от клеток донорской биологической ткани или создать ее искусственным путем из биоразрушаемых полимеров либо специальной керамики, если речь идет о костях. В матрицу помимо клеток вводят питательные вещества и факторы роста, после чего клетки формируют целый орган или его фрагмент. В биореакторе удалось вырастить мышечную ткань с готовой кровеносной системой.

Самыми сложными органами для биомедицины остаются сердце и почки, которые имеют сложную иннервацию и систему кровеносных сосудов

Эмбриональные стволовые клетки человека индуцировали к дифференцировке в миобласты, фибробласты и клетки эндотелия. Прорастая вдоль микротрубочек матрицы, эндотелиальные клетки сформировали русла капилляров, вошли в контакт с фибробластами и заставили их переродиться в гладкомышечную ткань. Фибробласты выделили фактор роста сосудистого эндотелия, который способствовал дальнейшему развитию кровеносных сосудов. При пересадке мышам и крысам такие мышцы приживались намного лучше, чем участки ткани, состоящие из одних мышечных волокон.

Органоиды

Используя трехмерные клеточные культуры, удалось создать простую, но вполне функциональную печень человека. В совместной культуре эндотелиальных и мезенхимальных клеток при достижении определенного соотношения начинается их самоорганизация и образуются трехмерные шарообразные структуры, представляющие собой зачаток печени. Через 48 ч после трансплантации этих фрагментов в организм мышей устанавливаются связи с кровеносными сосудами и внедренные части способны выполнять характерные для печени функции. Проведены успешные эксперименты по имплантации крысе легкого, выращенного на очищенной от клеток донорской матрице.

Воздействуя на сигнальные пути индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, удалось получить органоиды легких человека, состоящие из эпителиальных и мезенхимальных компартментов со структурными особенностями, характерными для легочных тканей. Биоинженерные зародыши подчелюстных слюнных желез, сконструированные in vitro , после трансплантации способны развиваться в зрелую железу путем формирования гроздьевидных отростков с мышечным эпителием и иннервацией.

Разработаны 3D-органоиды глазного яблока и сетчатки глаза с фоторецепторными клетками: палочками и колбочками. Из недифференцированных эмбриональных клеток лягушки вырастили глазное яблоко и вживили его в глазную полость головастика. Через неделю после операции симптомы отторжения отсутствовали, и анализ показал, что новый глаз полностью интегрировался в нервную систему и способен передавать нервные импульсы.

А в 2000 г. опубликованы данные о создании глазных яблок, выращенных из недифференцированных эмбриональных клеток. Выращивание нервной ткани наиболее сложно из-за многообразия типов составляющих ее клеток и их сложной пространственной организации. Однако на сегодня существует успешный опыт выращивания аденогипофиза мыши из скопления стволовых клеток. Создана трехмерная культура органоидов клеток головного мозга, полученных из плюрипотентных стволовых клеток.

Напечатанные органы

Уже налажено серийное производство биопринтеров, которые слой за слоем печатают живые ткани и органы заданной трехмерной формы. Принтер способен с высокой скоростью наносить живые клетки на любую подходящую подложку, в качестве которой используют термообратимый гель. При температуре ниже 20 °С он представляет собой жидкость, а при нагреве выше 32 °С затвердевает. Причем печать осуществляется «из материала заказчика», то есть из растворов живых клеточных культур, выращенных из клеток пациента. Клетки, напыляемые принтером, через некоторое время сами срастаются. Тончайшие слои геля придают конструкции прочность, а затем гель можно легко удалить с помощью воды. Однако чтобы таким способом можно было сформировать функционирующий орган, содержащий клетки нескольких типов, необходимо преодолеть ряд сложностей. Механизм контроля, за счет которого делящиеся клетки формируют правильные структуры, еще не понятен до конца. Однако представляется, что несмотря на сложность этих задач, они все же решаемы и у нас есть все основания верить в стремительное развитие медицины нового типа.

Биобезопасность применения плюрипотентных клеток

От регенеративной медицины ждут очень многого и вместе с тем развитие этого направления порождает множество морально-этических, медицинских и нормативно-правовых вопросов. Очень важной проблемой является биобезопасность применения плюрипотентных стволовых клеток. Уже научились перепрограммировать клетки крови и кожи c помощью факторов транскрипции в индуцированные стволовые плюрипотентные клетки. Полученные культуры стволовых клеток пациента в дальнейшем могут развиваться в нейроны, ткани кожных покровов, клетки крови и печени. Следует помнить, что во взрослом здоровом организме плюрипотентных клеток нет, но они могут спонтанно возникать при саркоме и тератокарциноме. Соответственно, если ввести в организм плюрипотентные клетки или клетки с индуцированной плюрипотентностью, то они могут спровоцировать развитие злокачественных опухолей. Поэтому необходима полная уверенность в том, что в трансплантируемом пациенту биоматериале таких клеток не содержится. Сейчас разрабатываются технологии, позволяющие прямо получить клетки тканей определенного типа, минуя состояние плюрипотентности.

В XXI в. с развитием новых технологий медицина обязана перейти на качественно новый уровень, который позволит своевременно «отремонтировать» организм, пораженный тяжелой болезнью или возрастными изменениями. Хочется верить, что совсем скоро выращивать органы прямо в операционной из клеток пациента будет так же просто, как цветы в оранжереях. Надежду подкрепляет то, что технологии выращивания тканей уже работают в медицине и спасают жизни людей.

Уже сегодня технологии выращивания новых органов широко используются в медицине и позволяют осваивать новые методы изучения иммунной системы и различных заболеваний, а также снижают потребность в трансплантатах. Пациенты, которым сделали пересадку каких-либо органов, нуждаются в большом количестве токсических препаратов для того, чтобы подавлять свою иммунную систему; иначе их организм может отвергнуть пересаженный орган. Однако, благодаря развитию тканевой инженерии, пересадка органов может остаться в прошлом. Используя клетки самих пациентов в качестве материала для выращивания в лаборатории новых видов ткани, ученые открывают все новые технологии создания человеческих органов.

Выращивание органов -- перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание различных полноценных жизнеспособных биологических органов для человека. Пока технология не применяется на людях.

Создание органов стало возможным чуть более 10 лет назад благодаря развитию биоинженерных технологий. Для выращивания используют стволовые клетки, взятые у пациента. Разработанная недавно технология ИПК (индуцированные плюрипотентные клетки) позволяет перепрограммировать стволовые клетки взрослого человека так, чтобы из них мог получиться любой орган.

Выращивание органов или тканей человека может быть, как внутренним, так и наружным (в пробирках).

Самый известный ученый в этой области - Энтони Атала, признанный Врачом года-2011, глава лаборатории в Институте регенеративной медицины Вейк Сити (США). Именно под его руководством 12 лет назад был создан первый искусственный орган - мочевой пузырь. Вначале Атала с коллегами создали искусственную матрицу из биосовместимых материалов. Затем взяли у пациента здоровые стволовые клетки мочевого пузыря и перенесли на каркас: одни изнутри, другие снаружи. Через 6-8 недель орган был готов к пересадке.

«Меня учили, что нервные клетки не восстанавливаются, - вспоминал позже Атала. - Как же мы были поражены, когда наблюдали, как пересаженный нами мочевой пузырь покрывается сеткой нервных клеток! Это значило, что он будет, как и должно, общаться с мозгом и функционировать как у всех здоровых людей. Удивительно, как много истин, которые еще 20 лет назад казались незыблемыми, опровергнуто, и теперь нам открыты ворота в будущее».

Для создания матрикса применяют донорские или искусственные ткани, даже углеродные нанотрубки и нити ДНК. Например, кожа, выращенная на каркасе из углеродных нанотрубок, в десятки раз прочнее стали - неуязвима, как у супермена. Только непонятно, как с таким человеком потом работать, например, хирургу. Кожу на каркасе из паучьего шелка (тоже прочнее стали) уже вырастили. Правда, человеку пока не пересаживали.

А самая, пожалуй, передовая технология - печатание органов. Придумал ее все тот же Атала. Метод годится для сплошных органов и особенно хорош для трубчатых. Для первых экспериментов использовали обычный струйный принтер. Позже, конечно, изобрели специальный.

Принцип прост, как все гениальное. Вместо чернил разного цвета картриджи заправлены суспензиями разных типов стволовых клеток. Компьютер вычисляет структуру органа и задает режим печати. Он, конечно, сложнее обычной печати на бумаге, в нем много-много слоев. За счет них и создается объем. Потом все это должно срастись. Уже удалось «напечатать» кровеносные сосуды, в том числе сложно ветвящиеся.

Кожа и хрящи. Их вырастить проще всего: достаточно было научиться размножать кожные и хрящевые клетки вне организма. Хрящи пересаживают уже около 16 лет, это достаточно распространенная операция.

Кровеносные сосуды. Вырастить их несколько сложнее, чем кожу. Ведь это трубчатый орган, который состоит из двух типов клеток: одни выстилают внутреннюю поверхность, а другие формируют наружные стенки. Первыми вырастили сосуды японцы под руководством профессора Кадзува Накао из Медицинской школы Киотского университета еще в 2004 году. Чуть позже, в 2006 году, директор Института стволовой клетки университета Миннесоты в Миннеаполисе (США) Катрин Верфэйл продемонстрировала выращенные клетки мышц.

Сердце. Шестнадцати детям в Германии уже пересажены клапаны сердца, выращенные на каркасе от свиного сердца. Двое детей живут с такими клапанами уже 8 лет, и клапаны растут вместе с сердцем! Американо-гонконгская группа ученых обещает начать пересадку «заплаток» для сердца после инфаркта через 5 лет, а английская команда биоинженеров через 10 лет планирует пересаживать целое новенькое сердце.

Почки, печень, поджелудочная железа. Как и сердце, это так называемые сплошные органы. В них самая высокая плотность клеток, поэтому вырастить их труднее всего. Уже решен главный вопрос: как сделать так, чтобы выращенные клетки составили форму печени или почки? Для этого берут матрицу в форме органа, помещают в биореактор и заполняют клетками.

Мочевой пузырь. Самый первый «орган из пробирки». Сегодня операции по выращиванию и пересадке собственного «нового» мочевого пузыря уже сделаны нескольким десяткам американцев.

Верхняя челюсть. Специалисты из Института регенеративной медицины при университете Тампере (Финляндия) умудрились вырастить верхнюю челюсть человека… в его собственной брюшной полости. Они перенесли стволовые клетки на искусственную матрицу из фосфата кальция и зашили мужчине в живот. Через 9 месяцев челюсть извлекли и поставили на место родной, удаленной из-за опухоли.

Сетчатка глаза, нервная ткань мозга. Достигнуты серьезные успехи, но пока о весомых результатах говорить рано.

Евсеева Екатерина Андреевна

Глава 1. История создания искусственных органов и развитие современной биологической науки в данном направлении

Глава 2. Современные искусственные органы, материалы для их создания

Глава 3. Отношение общественности к искусственным органам

Глава 4. Практическая значимость искусственных органов и тенденция развития российской науки в данном направлении

Скачать:

Подписи к слайдам:

Муниципальное общеобразовательное учреждение -Средняя общеобразовательная школа № 3 г. Аткарска
Автор: Евсеева Екатерина учащаяся 11 класса
средней общеобразовательной школы № 3 г. Аткарска
Научный руководитель: Кузнецова Наталья Владимировна учитель биологии и химии общеобразовательной школы № 3 г. Аткарска
Аткарск 2012
или
Лечить
заменить орган? Выяснить, кода появились первые попытки воссоздания человеческих органов. Рассказать о современных искусственных органах.Показать «плюсы» и «минусы» искусственных органов. Раскрыть принцип практического применения искусственных органов. Провести социологические опросы и выявить отношение современных людей к внедрению в организм искусственных органов. Выявить тенденции развития биологической науки в направлении создании искусственных органов в России.
Разработка приборов, способных брать на себя функции органов человеческого тела - одно из передовых направлений современной медицины.
История развития искусственных органов насчитывает не один десяток лет. Создать «запасные части» - заменители естественных органов - люди стремились уже с давних времен.
Первые научные разработки в данной области относятся к 1925, когда С. Брюхоненко и С. Чечулин (советские ученые) провели опыт со стационарным аппаратом, способным заменить сердце
Рисунок 2.Брюхоненко Сергей Сергеевич
1925 год принято считать началом отсчета в истории разработок искусственных органов.
В 1936 году ученый С. Брюхоненко самостоятельно разрабатывает оксигенатор – аппарат заменяющий функцию легких.
В начале 1937 г. В. Демихов кустарно изготавливает первый образец имплантируемого сердца и испытывает его на собаке.
В 1943 году нидерландский ученый В. Кольф разрабатывает первый аппарат гемодиализа, то есть, первую искусственную почку.
В 1953 г. Дж. Гиббон, ученый из Соединенных штатов, при операции на человеческом сердце впервые успешно применяет искусственные стационарные сердце и лёгкие.
В 1969 Д. Лиотта и Д. Кули впервые испытывают в теле человека имплантируемое искусственное сердце.
В 2007 поставлен рекорд по продолжительности жизни пациента с полностью искусственными (но стационарными) лёгкими: 117 дней.
В 2008 врачи впервые в истории поддерживают жизнедеятельность пациента с одновременным искусственным восполнением функции сердца и лёгких в течение 16 дней в ожидании донорского сердца.
Современная биологическая индустрия достигла своего пика. Появляются все новые и новые аппараты и приборы, на разработки которых уходит не десятки лет, а месяцы. Если раньше создание киборгов, было только сказкой, то современные изобретения позволяют в этом усомниться.
Профессор Университета Южной Каролины после длительных исследований создал чип, способный заменить гиппокампус - часть мозга, ответственную за кратковременную память, а также ориентацию в пространстве.
Немецким ученым из Института биохимии имени Макса Планка после длительных исследований удалось совместить живые клетки головного мозга с полупроводниковым чипом.
А калифорнийской компанией Neuropace был разработан электростимулирующий прибор для эпилептиков, названный «нейростимулятором ответных реакций»
Группа специалистов консорциума Bionic Vision Australia презентовали свой бионический глаз в Университете Мельбурна
А вот подход британцев, разработавших технологию BrainPort, принципиально отличается от всех вышеописанных в части метода передачи информации.
Первая группа – лица от 16 до 25 лет. Вторая группа – от 26 до 45 лет. Количество участников в каждой группе 30 человек. Опрос состоял из следующих вопросов: Как вы относитесь к искусственным органам? Считаете ли вы, что искусственные органы способны продлить жизнь человеку? Как бы вы ответили на вопрос: «Лечить или заменить орган»?
Разработка и создание искусственных органов в ведущих западных странах относится к главным государственным программам.
Все эти годы работы по созданию и клиническому применению искусственных органов в ведущих странах и, в особенности, в России не только не прекращались, но обеспечивались приоритетным финансированием. Сегодня это направление объединяет последние мировые медико-биологические и технические разработки и технологии, в том числе, с привлечением к их созданию новейших достижений военно-промышленного комплекса. Стимулом являются невероятные рыночные прибыли и неограниченная востребованность разработок на медицинском рынке. К основным медицинским направлениям, для которых осуществляются разработки, являются сердечно - сосудистые заболевания, сахарный диабет, онкология, травматология.
заменить орган?
или
Лечить
Я считаю, что в будущем человечество либо усовершенствует ныне существующие органы, либо найдет альтернативный путь решения этой проблемы. И кто знает, может, к концу 21 века люди будут иметь неограниченные возможности, и киборги станут не сказкой, а самой настоящей реальностью. Задачи, поставленные мной в начале проекта, достигнуты. Открыто новое научное знание. Получены практические, полезные результаты. Данный проект может быть применен при проведении уроков, семинаров, в качестве учебного пособия.
Вывод:
Список используемой литературы: Брюхоненко С.С., Чечулин С.И. (1926), Опыты по изолированию головы собаки (с демонстрацией прибора) // Труды II Всесоюзного съезда физиологов. - Л.: Главнаука.Демихов В.П. (1960), Пересадка жизненно важных органов в эксперименте. - М.: МедгизГришманов В.Ю., Лебединский К.М. (2000). Искусственное питание: концепции и возможности // Мир Медицины (3-4). Шутов ЕВ (2010). Перитонеальный диализ – М.http://ru.wikipedia.org/wikihttp://medi.ru/doc/http://itc.ua/articles/iskusstvennye_organy_na_puti_k_kiborgamhttp://novostinauki.ru/news/19118/

Предварительный просмотр:

Введение

Глава 2. Современные искусственные органы, материалы для их создания

Глава 3. Отношение общественности к искусственным органам

Заключение

Приложения

Введение

В 20 веке научная индустрия приобрела новые приоритеты. Современный мир требует решения множества проблем: лечения смертельных болезней, возобновлению клеток человеческого тела, расшифрования генетического кода. Однако есть еще одна проблема - способность к «изнашиванию» человеческих органов. Искусственные органы – альтернативный путь решения данного вопроса. Сейчас вопрос: «Лечить или заменить орган?» - стоит ребром в биологической науке. Мой проект направлен на изучение данной проблемы и в связи с этим я ставлю для себя следующие задачи:

Выяснить, кода появились первые попытки воссоздания человеческих органов
Рассказать о современных искусственных органах
Объяснить принцип подбора материалов для их создания
Показать «плюсы» и «минусы» искусственных органов
Раскрыть принцип практического применения искусственных органов
Провести социологические опросы и выявить отношение современных людей к внедрению в организм искусственных органов
Выявить тенденции развития биологической науки в направлении создании искусственных органов в России.

Разработка приборов, способных брать на себя функции органов человеческого тела - одно из передовых направлений современной медицины. У организма есть множество функций: моторная, сенсорная, интеллектуальная и другие.

Но особое место среди функций человеческого организма занимает функция собственного жизнеобеспечения. Если она не выполнена, то нет смысла говорить и о реализации других функций. Критически важные для жизни органы - это лёгкие, сердце, почки, сосудистая и пищеварительная системы, печень, а также некоторые другие компоненты. Уже сегодня существует оборудование, способное восполнять функции большинства основных органов жизнеобеспечения в течение продолжительного времени. Например, максимальный срок жизни человека со вспомогательным искусственным сердцем составляет 9 лет, максимальный срок жизни с использованием искусственных почек – 40 лет, максимальное время жизни пациента, питающегося от капельницы (минуя желудочно-кишечный тракт) – более 30 лет. Результаты, касающиеся других органов, пока более скромны, но и по ним есть прогресс

Данной темой я заинтересовалась по нескольким причинам. Во-первых, у одного из моих родственников, попавшего в автомобильную катастрофу, полностью функционирует только одна почка. Ему сообщили, что в будущем ему может быть имплантирована искусственная почка. Однако для этого потребуется несколько лет исследований. Меня заинтересовал принцип замены настоящих органов на искусственные. Во-вторых, в этом году я собираюсь поступать в МГМСУ на «кафедру трансплантологии и искусственных органов» и связать свою жизнь с данным типом деятельности. В-третьих, данная тема достаточно актуальна в наши дни. Ведь, создание искусственных органов позволяет продлить и сохранить жизнь человека.

1. История создания искусственных органов и развитие современной биологической науки в данном направлении.

История развития искусственных органов насчитывает не один десяток лет. Создать «запасные части» - заменители естественных органов - люди стремились уже с давних времен. Еще 2000 лет назад греческий историк Геродот рассказывал о воине, который отрубил прикованную ступню, чтобы бежать из плена, и многие годы потом ходил с деревянной ногой. А при раскопках у итальянского города Капуи археологи нашли бронзовую ногу римского легионера, заменившую потерянную им в одном из сражений более 1500 лет назад. В средние века искусственные конечности - протезы стали делать подвижными.

Первые научные разработки в данной области относятся к 1925, когда С. Брюхоненко и С. Чечулин (советские ученые) провели опыт со стационарным аппаратом, способным заменить сердце (приложение 1). Вывод из этого опыта состоял в следующем: голова собаки, отделённая от туловища, но подключенная к донорским лёгким и новому аппарату способна сохранять жизнеспособность в течение нескольких часов, оставаясь в сознании и даже употребляя пищу. 1925 год принято считать началом отсчета в истории разработок искусственных органов.

В 1936 году ученый С. Брюхоненко самостоятельно разрабатывает оксигенатор – аппарат заменяющий функцию легких. С этого момента существует теоретическая возможность поддерживать полный цикл жизнеобеспечения отделённых голов животных до нескольких суток. Однако на практике этого достичь не удаётся. Выявляется множество недостатков оборудования: разрушение эритроцитов, наполнение крови пузырьками, тромбы, высокий риск заражения. По этой причине, первое применение аналогичных аппаратов на человеке затягивается ещё на 17 лет.

В начале 1937 г. В. Демихов кустарно изготавливает первый образец имплантируемого сердца и испытывает его на собаке. Но низкие технические характеристики нового прибора позволяют непрерывно использовать его в течение лишь полутора часов, после чего собака погибает.

В 1943 году нидерландский ученый В. Кольфф разрабатывает первый аппарат гемодиализа, то есть, первую искусственную почку. Через год он уже применяет аппарат во врачебной практике, в течение 11 часов поддерживая жизнь пациентки с крайней степенью почечной недостаточности.

В 1953 г. Дж. Гиббон, ученый из Соединенных штатов, при операции на человеческом сердце впервые успешно применяет искусственные стационарные сердце и лёгкие. Начиная с этого времени, стационарные аппараты искусственного кровообращения становятся неотъемлемой частью кардиохирургии.

В 1963 Р. Вайт в течение примерно 3 суток поддерживает жизнеспособность отдельного мозга обезьяны.

В 1969 Д. Лиотта и Д. Кули впервые испытывают в теле человека имплантируемое искусственное сердце. Сердце поддерживает жизнь пациента в течение 64 часов в ожидании человеческого трансплантанта. Но вскоре после трансплантации пациент погибает.

В течение последующих десятилетий разработки новых аппаратов не производятся. Устраняются ошибки предыдущих изобретений.

В 2007 поставлен рекорд по продолжительности жизни пациента с полностью искусственными (но стационарными) лёгкими: 117 дней.

В 2008 врачи впервые в истории поддерживают жизнедеятельность пациента с одновременным искусственным восполнением функции сердца и лёгких в течение 16 дней в ожидании донорского сердца. В том же году учёные Калифорнийского университета заявляют о выпуске первого в мире образца портативной искусственной почки. Помимо этих результатов, в 2008 году происходят знаковые события в области разработки и других искусственных органов и частей тела. Так, компанией Touch Bionics был создан революционный высокореалистичный протез руки.

В 2010 в Калифорнийском университете разработана первая, имплантируемая бионическая почка, пока что не доведённая до серийного производства (приложение 2).

2. Современные искусственные органы, материалы для их создания.

Современная биологическая индустрия достигла своего пика. Появляются все новые и новые аппараты и приборы, на разработки которых уходит не десятки лет, а месяцы. Если раньше создание киборгов, было только сказкой, то современные изобретения позволяют в этом усомниться.

Первая область развития искусственных органов касается области человеческого мозга, возможности которого до конца не изучены. Тем не менее, определенные манипуляции с мозгом проводятся, в основном с целью излечения болезней. Профессор Университета Южной Каролины после длительных исследований создал чип, способный заменить гиппокампус - часть мозга, ответственную за кратковременную память, а также ориентацию в пространстве. Поскольку гиппокампус зачастую подвергается нарушениям при нейродегеративных заболеваниях, то данный чип, ныне проходящий лабораторные испытания, может стать незаменимой вещью в жизни многих больных.

Немецким ученым из Института биохимии имени Макса Планка после длительных исследований удалось совместить живые клетки головного мозга с полупроводниковым чипом. Важность открытия заключается в том, что данная технология дает возможность выращивать очень тонкие полоски тканей на чипе, в результате чего он позволит очень подробно наблюдать взаимодействие всех нервных клеток между собой путем выявления сигналов, посылаемых клетками через синапсы.

А калифорнийской компанией Neuropace был разработан электростимулирующий прибор для эпилептиков, названный «нейростимулятором ответных реакций» (приложение 3). Принцип работы заключается в том, что устройство сдерживает поток неконтролируемых импульсов во время припадков с помощью электрических разрядов из внешнего источника. Испытания Neuropace проводились на сотне пациентов, удовлетворительный результат просматривался практически у половины.

Еще одной областью внедрения искусственных органов является глазной аппарат. Существует множество вариантов создания искусственных глаз.

Группа специалистов консорциума Bionic Vision Australia презентовали свой бионический глаз в Университете Мельбурна (приложение 4). Лабораторные испытания уже проводятся, а более массовое внедрение ожидается к 2013 году.

Ученым Калифорнийского университета удалось создать протез, который способен выполнять функции сетчатки глаза. На данном этапе тестирования человек способен видеть только размытую картинку, но дальнейшие перспективы достаточно позитивны. Данный протез устроен так: на оправе очков закрепляется камера, через которую изображение передается прямо на уцелевшие нейроны в сетчатке глаза. Для перевода входящего видеосигнала в импульсы, которые способны воспринять нервные клетки, пришлось разработать специальный программно-аппаратный конвертер.

Стоит отметить, что качество зрения, которое предлагает используемая во всех вышеупомянутых устройствах технология напрямую зависит от количества светочувствительных электродов в имплантанте. Если на нынешнем этапе их всего 60, то в скором будущем это число планируют довести до 1000, что радикально улучшит восприятие – не просто передавая пятна света, но гораздо полноценнее сообщая человеку о происходящем вокруг.

А вот подход британцев, разработавших технологию BrainPort, принципиально отличается от всех вышеописанных в части метода передачи информации. Идея в том, что человек должен начать видеть с помощью языка (приложение 5).

Внешняя часть устройства, как обычно, включает в себя небольшую видеокамеру, вмонтированную в оправу очков и конвертер, преобразующий сигнал. Однако, вместо электродов, вживляемых в сетчатку и передающих данные на зрительные нервы, BrainPort оборудован небольшой трубкой с прямоугольным передатчиком, который необходимо положить на язык. Электрические импульсы передаются на него и в зависимости от их интенсивности, человек может распознавать наличие препятствий на пути.

Следующая область, в которой искусственные органы применяются достаточно часто, это слуховой аппарат человека. К счастью, в отличие от зрения, частичное и даже полное восстановление слуха реализуется проще, поэтому уже достаточно давно существуют слуховые аппараты или, по научному, кохлеарные имплантанты. Принцип их работы прост: с помощью микрофона, расположенного за ухом, аудиосигнал передается на вторую часть аппарата, стимулирующую слуховой нерв – по сути, слуховой аппарат увеличивает громкость воспринимаемого звука.

Так, например, профессором Мириам Фарст-Юст из Школы электротехники Тель-авивского университета был разработан новый вид прикладного программного обеспечения «Clearcall». Данная программа предназначена сугубо для кохлеарных имплантантов и слуховых аппаратов и позволяет более четко слышать в шумных местах звуки, распознавать речь, а также отфильтровывать фоновые шумы. Для того, что бы человек воспринимал нормально звуки, Clearcall работает с собственной базой данных звуков, в результате чего идет максимально точное отфильтровывание посторонних шумов и усиление «полезных» сигналов.

Что касается материалов для создания искусственных органов, то в основном используются полимеры. Например, полиэтилен низкой плотности и поликапролактам используется для создания изделий, контактирующих с тканями организма. Поликарбонат используется для создания корпуса и деталей желудочков и стимуляторов сердца. Флоропласт-4 используется для протезов сосудов и клапанов сердца. Полиметилметакрилат применяют для создания деталей аппаратов «искусственная почка», «сердце - легкие». А для создания бесшовных соединений используется цианакрилатный клей. Что касается плюсов и минусов современных искусственных органов, то можно сказать следующее:

Плюсы:

Возможность сохранения человеческой жизни в случаях ожидания донорского органа
Большое количество разработок и усовершенствование ныне существующих искусственных органов
Возможность сохранения человеческой жизни в случае потери настоящего органа (имплантаты, протезы)
Возможность замены нефункционирующего органа с рождения (слепота)

Минусы:

Большой риск при внедрении нового органа
Дорогая стоимость искусственных органов
Отсутствие достаточного уровня развития современной биологической науки в данном направлении

Таким образом, подводя итог вышесказанного, можно сказать, что современная биологическая наука активно развивается в данном направлении.

3. Отношение общественности к искусственным органам

Как вы знаете, отношение к науке никогда не было однозначным. В истории развития человечества никогда не было единой точки зрения, как на происхождение человека, так и на пользу научных инноваций. Мною был проведен опрос среди 2-х социологических групп. Первая группа – лица от 16 до 25 лет. Вторая группа – от 26 до 45 лет. Количество участников в каждой группе 30 человек. Опрос состоял из следующих вопросов:

Как вы относитесь к искусственным органам?
Считаете ли вы, что искусственные органы способны продлить жизнь человеку?
Как бы вы ответили на вопрос: «Лечить или заменить орган»?

Результаты опроса я представила в виде диаграмм (приложение 6)

Таким образом, исходя из данных диаграмм, мы видим, что люди старшего поколения наиболее презрительно относятся к искусственным органам. А молодое поколение, наоборот, считает, что искусственные органы – это будущее человечества. Отношение к развитию биологической науки в этом направлении неоднозначно. Однако я, проделав множество исследований этой проблемы, считаю, искусственные органы со временем помогут продлить жизнь человека, помогут справиться с врожденными дефектами и заболеваниями.

4. Практическая значимость искусственных органов и тенденция развития российской науки в данном направлении

Разработка и создание искусственных органов в ведущих западных странах относится к главным государственным программам. В США эта программа постоянно находится под патронажем президентов страны. Суммарные инвестиции в этих странах только частного капитала по разным направлениям программы составляют ежегодно миллиарды долларов. При этом они обеспечивают инвесторам непосредственную стабильную прибыль и гарантируют надежные политические и экономические перспективы.

Большинство искусственных органов в настоящее время достаточно большая роскошь. Исключение этому составляют протезы и слуховые аппараты. Поэтому большинство опытов и разработок искусственных органов в настоящее время происходит за рубежом, в странах Европы, в США. Но, тем не менее, современная Россия пытается идти в ногу со временем. В нашей стране все чаще финансируются биологические разработки в данной области науки, открываются все новые и новые кафедры, направленные на подготовку высококвалифицированных ученых в данном направлении. В России это направление получило государственную поддержку в 1974 году после заключения Межправительственного соглашения о сотрудничестве между СССР и США в области создания искусственного сердца.

При Государственном комитете СССР по науке и технике была создана Межведомственная комиссия, которая разработала комплексную программу НИР и ОКР на два года, полностью обеспеченную финансированием.

К сожалению, неудачное завершение сотрудничества по программе создания искусственного сердца, последующее сокращение финансирования, ослабление интереса руководства страны к его продолжению и наступившие в стране экономические и политические перемены 90-х годов практически полностью остановили работы по этому направлению. Развивавшиеся в России на начальном этапе дикие рыночные отношения переориентировали интересы специалистов на пересадку жизненно важных органов. При этом не был принят во внимание западный опыт современной трансплантологии, где, наряду с хорошо организованной (например, система «Евротрансплант») и законодательно защищенной клинической практикой пересадки жизненно важных органов (сердце, почка, печень, поджелудочная железа, легкие) нуждающимся больным, наблюдалось развитие криминального сектора трансплантологии.

Все эти годы работы по созданию и клиническому применению искусственных органов в ведущих странах и, в особенности, в США не только не прекращались, но обеспечивались приоритетным финансированием. Сегодня это направление объединяет последние мировые медико-биологические и технические разработки и технологии, в том числе, с привлечением к их созданию новейших достижений военно-промышленного комплекса. Стимулом являются невероятные рыночные прибыли и неограниченная востребованность разработок на медицинском рынке. К основным медицинским направлениям, для которых осуществляются разработки, являются сердечно - сосудистые заболевания, сахарный диабет, онкология, травматология.

5. Заключение

Подводя итог вышесказанного, мне хочется сказать, что вопрос о развитии и применении искусственных органов – достаточно спорный. Не существует единой точки зрения на данную проблему. Нет единой технологии производства и разработок в данной сфере, что положительно сказывается на развитии биологической науки. Вопрос о будущем применении искусственных органов остается спорным. Но лично я считаю, что в будущем человечество либо усовершенствует ныне существующие органы, либо найдет альтернативный путь решения этой проблемы. И кто знает, может, к концу 21 века люди будут иметь неограниченные возможности, и киборги станут не сказкой, а самой настоящей реальностью. Задачи, поставленные мной в начале проекта, достигнуты. Открыто новое научное знание. Получены практические, полезные результаты. Данный проект может быть применен при проведении уроков, семинаров, в качестве учебного пособия.

Список использованной литературы

Брюхоненко С.С., Чечулин С.И. (1926), Опыты по изолированию головы собаки (с демонстрацией прибора) // Труды II Всесоюзного съезда физиологов. - Л.: Главнаука, - С. 289-290
Демихов В.П. (1960), Пересадка жизненно важных органов в эксперименте. - М.: Медгиз
Гришманов В.Ю., Лебединский К.М. (2000). Искусственное питание: концепции и возможности // Мир Медицины (3-4), 26-32 С.
Шутов ЕВ (2010). Перитонеальный диализ – М - 153 с
Интернет-ресурсы: