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 легкое» представляет собой пульсирующий насос, который подает воздух порциями с частотой 40-50 раз в минуту. Обычный поршень для этого не подходит, в ток воздуха могут попасть частички материала его трущихся частей или уплотнителя. Здесь, и в других подобных устройствах используют мехи из гофрированного металла или пластика - сильфоны. Очищенный и доведенный до требуемой температуры воздух подается непосредственно в бронхи.
«Аппарат искусственного кровообращения» устроен аналогично. Его шланги подключаются к кровеносным сосудам хирургическим путем. Первая попытка замещения функции сердца механическим аналогом была сделана еще в 1812 году. Однако до сих пор среди множества изготовленных аппаратов нет полностью удовлетворяющего врачей.
Отечественные ученые и конструкторы разработали ряд моделей под общим названием «Поиск». Это четырехкамерный протез сердца с желудочками мешотчатого типа, предназначенный для имплантации в ортотопическую позицию.
В модели различают левую и правую половины, каждая из которых состоит из искусственного желудочка и искусственного предсердия. Составными элементами искусственного желудочка являются: корпус, рабочая камера, входной и выходной клапаны. Корпус желудочка изготавливается из силиконовой резины методом наслоения. Матрица погружается в жидкий полимер, вынимается и высушивается - и так раз за разом, пока на поверхности матрицы не создается многослойная плоть сердца. Рабочая камера по форме аналогична корпусу. Ее изготавливали из латексной резины, а потом из силикона. Конструктивной особенностью рабочей камеры является различная толщина стенок, в которых различают активные и пассивные участки. Конструкция рассчитана таким образом, что даже при полном напряжении активных участков противоположные стенки рабочей поверхности камеры не соприкасаются между собой, чем устраняется травма форменных элементов крови.
Российский конструктор Александр Дробышев, несмотря на все трудности, продолжает создавать новые современные конструкции «Поиска», которые будут значительно дешевле зарубежных образцов.
Одна из лучших на сегодня зарубежных систем «Искусственное сердце» «Новакор» стоит 400 тысяч долларов. С ней можно целый год дома ждать операции. В кейсе-чемоданчике «Новакора» находятся два пластмассовых желудочка. На отдельной тележке наружный сервис компьютер управления, монитор контроля, который остается в клинике на глазах у врачей. Дома, с больным блок питания, аккумуляторные батареи, которые сменяются и подзаряжаются от сети. Задача больного - следить за зеленым индикатором ламп, показывающих заряд аккумуляторов.
Аппараты «Искусственная почка» работают уже довольно давно и успешно применяются медиками. Еще в 1837 году, изучая процессы движения растворов через полупроницаемые мембраны, Т. Грехен впервые применил и ввел в употребление термин «диализ» (от греческого dialisis - отделение). Но лишь в 1912 году на основе этого метода в США был сконструирован аппарат, с помощью которого его авторы проводили в эксперименте удаление салицилатов из крови животных. В аппарате, названном ими «искусственная почка», в качестве полупроницаемой мембраны были использованы трубочки из коллодия, по которым текла кровь животного, а снаружи они омывались изотоническим раствором хлорида натрия. Впрочем, коллодий, примененный Дж. Абелем, оказался довольно хрупким материалом и в дальнейшем другие авторы для диализа пробовали иные материалы, такие как кишечник птиц, плавательный пузырь рыб, брюшину телят, тростник, бумагу…
Для предотвращения свертывания крови использовали гирудин - полипептид, содержащийся в секрете слюнных желез медицинской пиявки. Эти два открытия и явились прототипом всех последующих разработок в области внепочечного очищения.
Каковы бы не были усовершенствования в этой области, принцип пока остается одним и тем же. В любом варианте «искусственная почка» включает в себя полупроницаемую мембрану, с одной стороны которой течет кровь, а с другой стороны - солевой раствор. Для предотвращения свертывания крови используют антикоагулянты - лекарственные вещества, уменьшающие свертываемость крови. В этом случае происходит выравнивание концентраций низкомолекулярных соединений ионов, мочевины, креатинина, глюкозы, других веществ с малой молекулярной массой. При увеличении пористости мембраны возникает перемещение веществ с большей молекулярной массой. Если же к этому процессу добавить избыточное гидростатическое давление со стороны крови или отрицательное давление со стороны омывающего раствора, то процесс переноса будет сопровождаться и перемещением воды - конвекционный массообмен. Для переноса воды можно воспользоваться и осмотическим давлением, добавляя в диализат осмотически активные вещества. Чаще всего с этой целью использовали глюкозу, реже фруктозу и другие сахара и еще реже продукты иного химического происхождения. При этом, вводя глюкозу в больших количествах, можно получить действительно выраженный дегидратационный эффект, однако повышение концентрации глюкозы в диализате выше некоторых значений не рекомендуется из-за возможности развития осложнений. Наконец, можно вообще отказаться от омывающего мембрану раствора (диализата) и получить выход через мембрану жидкой части крови вода и вещества с молекулярной массой широкого диапазона.
В 1925 году Дж. Хаас провел первый диализ у человека, а в 1928 году он же использовал гепарин, поскольку длительное применение гирудина было связано с токсическими эффектами, да и само его воздействие на свертывание крови было нестабильным. Впервые же гепарин был применен для диализа в 1926 году в эксперименте X. Нехельсом и Р. Лимом.
Поскольку перечисленные выше материалы оказывались малопригодными в качестве основы для создания полупроницаемых мембран, продолжался поиск других материалов. И в 1938 году впервые для гемодиализа был применен целлофан, который в последующие годы длительное время оставался основным сырьем для производства полупроницаемых мембран.
Первый же аппарат «искусственная почка», пригодный для широкого клинического применения, был создан в 1943 году В.Колффом и X.Берком. Затем эти аппараты усовершенствовались. При этом развитие технической мысли в этой области вначале касалось в большей степени именно модификации диализаторов и лишь в последние годы стало затрагивать в значительной мере собственно аппараты. В результате появилось два основных типа диализатора. Так называемых катушечных, где использовали трубки из целлофана, и плоскопараллельных, в которых применялись плоские мембраны.
В 1960 году Ф.Киил сконструировал весьма удачный вариант плоскопараллельного диализатора с пластинами из полипропилена, и в течение ряда лет этот тип диализатора и его модификации распространились по всему миру, заняв ведущее место среди всех других видов диализаторов. Затем процесс создания более эффективных гемодиализаторов и упрощения техники гемодиализа развивался в двух основных направлениях. Конструирование самого диализатора, причем доминирующее положение со временем заняли диализаторы однократного применения, и использование в качестве полупроницаемой мембраны новых материалов. Диализатор - сердце «искусственной почки», и поэтому основные усилия химиков и инженеров были всегда направлены на совершенствование именно этого звена в сложной системе аппарата в целом. Однако, техническая мысль не оставляла без внимания и аппарат как таковой.
В 1960-х годах возникла идея применения так называемых центральных систем, то есть аппаратов «искусственная почка», в которых диализат готовили из концентрата - смеси солей, концентрация которых в 30-34 раза превышала концентрацию их в крови больного.
Комбинация диализа «на слив» и техники рециркуляции была использована в ряде аппаратов «искусственная почка», например американской фирмой «Travenol». В этом случае около 8 литров диализата с большой скоростью циркулировало в отдельной емкости, в которую был помещен диализатор, и в которую каждую минуту добавляли по 250 миллилитров свежего раствора и столько же выбрасывали в канализацию.
На первых порах для гемодиализа использовали простую водопроводную воду, потом из-за ее загрязненности, в частности микроорганизмами, пробовали применять дистиллированную воду, но это оказалось очень дорогим и малопроизводительным делом. Радикально вопрос был решен после создания специальных систем по подготовке водопроводной воды, куда входят фильтры для ее очистки от механических загрязнений, железа и его окислов, кремния и других элементов, ионообменные смолы для устранения жесткости воды и установки так называемого «обратного» осмоса.
Много усилий было затрачено на совершенствование мониторных систем аппаратов «искусственная почка». Так, кроме постоянного слежения за температурой диализата, стали постоянно наблюдать с помощью специальных датчиков и за химическим составом диализата, ориентируясь на общую электропроводность диализата, которая меняется при снижении концентрации солей и повышается при увеличении таковой. После этого в аппаратах «искусственная почка» стали применять ионо-селективные проточные датчики, которые постоянно следили бы за ионной концентрацией. Компьютер же позволил управлять процессом, вводя из дополнительных емкостей недостающие элементы, или менять их соотношение, используя принцип обратной связи.
Величина ультрафильтрации в ходе диализа зависит не только от качества мембраны, во всех случаях решающим фактором является трансмембранное давление. Поэтому в мониторах стали широко применять датчики давления: степень разрежения по диализату, величина давления на входе и выходе диализатора. Современная техника, использующая компьютеры, позволяет программировать процесс ультрафильтрации. Выходя из диализатора, кровь попадает в вену больного через воздушную ловушку, что позволяет судить на глаз о приблизительной величине кровотока, склонности крови к свертыванию. Для предупреждения воздушной эмболии эти ловушки снабжают воздуховодами, с помощью которых регулируют в них уровень крови. В настоящее время во многих аппаратах на воздушные ловушки надевают ультразвуковые или фотоэлектрические детекторы, которые автоматически перекрывают венозную магистраль при падении в ловушке уровня крови ниже заданного.
Недавно ученые создали приборы, помогающие людям, потерявшим зрение - полностью или частично.
Чудо-очки, например, разработаны в научно-внедренческой производственной фирме «Реабилитация» на основе технологий, использовавшихся ранее лишь в военном деле. Подобно ночному прицелу, прибор действует по принципу инфракрасной локации. Черно-матовые стекла очков на самом деле представляют собой пластины из оргстекла, между которыми заключено миниатюрное локационное устройство. Весь локатор вместе с очковой оправой весит порядка 50 граммов - примерно столько же, сколько и обыкновенные очки. И подбирают их, как и очки для зрячих, строго индивидуально, чтобы было и удобно, и красиво. «Линзы» не только выполняют свои прямые функции, но и прикрывают дефекты глаз. Из двух десятков вариантов каждый может выбрать для себя наиболее подходящий. Пользоваться очками совсем не трудно: надо надеть их и включить питание. Источником энергии для них служит плоский аккумулятор размерами с сигаретную пачку. Здесь же, в блоке, помещается и генератор. Излучаемые им сигналы, натолкнувшись на преграду, возвращаются назад и улавливаются «линзами-приемниками». Принятые импульсы усиливаются, сравниваются с пороговым сигналом, и, если есть преграда, тотчас звучит зуммер - тем громче, чем ближе подошел к ней человек. Дальность действия прибора можно регулировать, используя один из двух диапазонов.
Работы по созданию электронной сетчатки успешно ведутся американскими специалистами НАСА и Главного центра при университете Джона Гопкинса.
На первых порах они постарались помочь людям, у которых еще сохранились кое-какие остатки зрения. «Для них созданы телеочки, - пишут в журнале «Юный техник» С. Григорьев и Е. Рогов, - где вместо линз установлены миниатюрные телеэкраны. Столь же миниатюрные видеокамеры, расположенные на оправе, пересылают в изображение все, что попадает в поле зрения обычного человека. Однако для слабовидящего картина еще и дешифруется с помощью встроенного компьютера. Такой прибор особых чудес не создает и слепых зрячими не делает - считают специалисты, но позволит максимально использовать еще оставшиеся у человека зрительные способности, облегчит ориентацию.
Например, если у человека осталась хотя бы часть сетчатки, компьютер «расщепит» изображение таким образом, чтобы человек мог видеть окружающее хотя бы с помощью сохранившихся периферийных участков.
По оценкам разработчиков, подобные системы помогут примерно 2,5 миллионов людей, страдающих дефектами зрения. Ну а как быть с теми, у кого сетчатка практически полностью утрачена? Для них ученые глазного центра, работающего при университете Дюка (штат Северная Каролина), осваивают операции по вживлению электронной сетчатки. Под кожу имплантируются специальные электроды, которые, будучи соединены с нервами, передают изображение в мозг. Слепой видит картину, состоящую из отдельных светящихся точек, очень похожую на демонстрационное табло, что устанавливают на стадионах, вокзалах и в аэропортах. Изображение на «табло» опять-таки создают миниатюрные телекамеры, укрепленные на очковой оправе».
И, наконец, последнее слово науки на сегодняшний день - попытка методами современной микротехнологии создать новые чувствительные центры на поврежденной сетчатке. Такими операциями занимаются сейчас в Северной Каролине профессор Рост Пропет и его коллеги. Совместно со специалистами НАСА они создали первые образцы субэлектронной сетчатки, которая непосредственно имплантируется в глаз.
«Наши пациенты, конечно, никогда не смогут любоваться полотнами Рембрандта, - комментирует профессор. - Однако различать, где дверь, а где окно, дорожные знаки и вывески они все-таки будут.. »
Сотрудники лучшего частного детективного агентства в Москве профессионально решат ваши вопросы.
Слайд 2
Введение
Одно из важных направлений современной медицины - создание искусственных органов. Искусственные органы - это созданные человеком органы - имплантаты, которые могут заменить настоящие органы тела.
Слайд 3
Искусственные органы- технические устройства, предназначенные для временной или постоянной замены функции того или иного внутреннего органа человека.
Слайд 4
Создание И.о. обусловлено также тем, что трансплантация не сможет полностью решить проблему замены нефункционирующих жизненно важных органов человека, т.к. количество пригодных для пересадки донорских органов намного меньше числа больных, нуждающихся в этой операции. И.о. не всегда полностью заменяют функцию естественного органа, особенно когда он обладает рядом сложных функций, например, печень, сердце.
Слайд 5
Чаще И.о. заменяют не весь орган, а наиболее важную его часть, например, искусственные клапаны сердца, предназначенные для обеспечения однонаправленного тока крови.
Слайд 6
Искусственные органы Неимплантируемые частично полностью Имплантируемые имплантируемые
Слайд 7
К неимплантируемымИ.о. можно отнести искусственную почку- аппарат для выведения из крови больного токсических продуктов обмена веществ, которые накапливаются при острой и хронической почечной недостаточности.
Слайд 8
Примеромчастично имплантируемогоИ.о., применяемого лишь только в эксперименте, может служить искусственное сердце с внешним приводом. В этой системе сам насос для перекачивания крови размещается внутри грудной полости, как правило, в пределах перикарда; системой шлангов насос связан с приводом, чаще всего пневматическим, и управляющим комплексов приборов
Слайд 9
Полностью имплантируемымИ.о. является такое устройство, все компоненты которого размещены внутри организма. примером этого являются электрокардиостимуляторы и искусственное сердце такой конструкции, где все узлы(насосы для крови, привод, система управления им, источник энергопитания) имплантируются внутрь организма.
Слайд 10
По времени функционирования И.о. можно разделить на: Аппараты, поддерживающие жизнедеятельность организма только при непрерывной их работе(напр., искусственное сердце) Аппарат, обеспечивающие жизнедеятельность организма при их прерывистом(дискретным) подключении (напр., искусственная почка)
Слайд 11
В проблеме И.о. большое значение имеет выбор материалов, из которых изготавливаются узлы аппаратов, непосредственно контактирующие с тканями и жидкими средами организма. Все эти материалы должны быть биологически инертными, т.е. не вызывающими воспалительной реакции окружающих тканей, не выделяющими со своей поверхности токсических химических веществ и т.д.
Слайд 12
Также важной проблемой в создании И.о. является адекватное поставленной цели инженерное решение. Как правило, при создании и.о. исследователи стремятся к тому, чтобы техническое устройство как можно точнее выполняло функцию естественного аналога. Конструктивные же решения при этом резко отличаются от архитектоники соответствующего органа. Это связано с отсутствием материалов, из которых можно было бы изготовить И.о., идентичных по своей конструкции анатомическому строению естественного органа, а также с определенным несовершенством современной технологии
Слайд 13
10 искусственных органов для создания настоящего человека
Слайд 14
1. Искусственный кишечник. Стадия разработки: успешно создан. Английские ученые оповестили мир о создании искусственного кишечника, способного в точности воспроизвести физические и химические реакции, происходящие в процессе пищеварения. Орган сделан из специального пластика и металла, которые не разрушаются и не подвергаются коррозии.
Слайд 15
2.Искусственное сердце. Стадия разработки: успешно создано, готово к имплантации. Первые искусственные сердца появились еще в 60-х годах прошлого века. Так называемое «временное» сердце Total Artificial Heart создано специально для пациентов, страдающих от нарушений сердечной деятельности. Этот орган поддерживает работу организма и фактически продлевает жизнь пациенту, который находится в ожидании органа для полноценной трансплантации. Первое «временное сердце» было имплантировано в 2007 году бывшему инструктору по фитнесу.
Слайд 16
3.Искусственная кровь. Стадия разработки: кислородная терапия. Если будет создана полноценная искусственная кровь, способная полностью заменить настоящую, это будет настоящий прорыв в медицине. Искусственная кровь выполняет две основные функции: 1) увеличивает объем кровяных телец 2) выполняет функции обогащения кислородом. Если будет создана полноценная искусственная кровь, то по вкладу в развитие науки это открытие будет сравнимо разве что с возможным полетом человека на Марс.
Слайд 17
4.Искусственные кровеносные сосуды. Стадия разработки: подготовка экспериментов на людях. Ученые недавно разработали искусственные кровеносные сосуды, используя коллаге. Использования коллагена из лосося абсолютно безопасно, поскольку современная наука не знает ни одного вируса, который способен передаваться от лосося человеку. Пока эксперименты проводятся на животных, однако ученые готовятся к экспериментам на людях. Исследователи уверены, что созданные ими биоматериалы можно будет использовать для замены поврежденных кровеносных сосудов человека
Слайд 18
5.Искусственные кости. Стадия разработки: проводятся клинические исследования. Ученые довольно давно занимаются проблемой создания искусственных костей. Недавно было обнаружено, что лимонная кислота в сочетание с октандиолом создает вещество желтого цвета, похожее на резину, которому можно придать любую форму и заменить им поврежденную часть кости. Полученный полимер, смешанный с гидроапатитовым порошком, в свою очередь «превращается» в очень твердый материал, который можно использовать для восстановления сломанных костей.
Слайд 19
6.Искусственная матка. Стадия разработки: успешно созданные прототипы. Ученые уже давно работают над созданием искусственной матки, чтобы эмбрионы могли развиваться вне женских репродуктивных органов. Прототипы создавались учеными на основе клеток, выделенных из организма женщины Новая разработка в будущем позволит женщинам, страдающим от бесплодия, иметь детей. Противники новой технологии утверждают, что разработка ученых может в будущем ослабить связь матери и ребенка. Создание искусственной матки также поднимает этические вопросы о возможном клонировании человека и даже о введении запрета на аборты, поскольку эмбрион сможет выжить и в искусственной матке.
Слайд 20
7. Искусственная кожа. Стадия разработки: исследователи на пороге создания настоящей кожи. Созданная в 1996 году искусственная кожа используется для пересадки пациентам, чей кожных покров был сильно поврежден сильными ожогами. В 2001 году на основе этого метода была создана самовосстанавливающаяся искусственная кожа. Английские ученые открыли удивительный метод регенерации кожи. Созданные в лабораторных условиях клетки, генерирующие коллаген, воспроизводят реальные клетки человеческого организма, которые не дают коже стареть. С возрастом количество этих клеток уменьшается, и кожа начинает покрываться морщинами. Искусственные клетки, введенные непосредственно в морщины, начинают вырабатывать коллаген и кожа начинает восстанавливаться.
Слайд 21
8. Искусственная сетчатка. Стадия разработки: создана и успешно прошла тестирования, находится на стадии промышленного производства. Искусственная сетчатка Argus II в скором времени будет лечить людей, страдающих от различных форм слепоты, таких как дегенерация желтого пятна и пигментная дегенерация сетчатки. Дегенерация желтого пятна - это атрофия или дегенерация диска зрительного нерва, расположенного вблизи центра сетчатки. Пигментная дегенерация сетчатки - редкое наследственное заболевание, связанное с нарушением работы и выживанием палочек, а затем и колбочек.
Слайд 22
9. Искусственные конечности. Стадия разработки: эксперименты. Как известно, саламандры могут регенерировать оторванные конечности. Почему бы людям не последовать их примеру? Недавно проведенные исследования подарили людям с ампутированными конечностями надежду на возможную регенерацию утраченных частей тела. Ученые успешно вырастили новые конечности на саламандре, используя экстракт из мочевого пузыря свиньи. Исследователи находятся на самой ранней стадии развития новой технологии, которая только будет разработана - до ее применения на людях еще далеко.
Слайд 23
10. Искусственные органы, созданные из стволовых клеток. Стадия разработки: созданы прототипы, требуются дальнейшие исследования. Когда команда английских ученых смогла создать сердечный клапан из стволовых клеток пациента, сразу же начались разговоры о создании искусственного сердца при помощи схожих технологий. Более того, это научное направление признано более перспективным, так как органы, созданные из стволовых клеток пациента, имеют гораздо больше шансов прижиться.
Слайд 24
Искусственные легкие(оксигенаторы)
Аппарат «искусственное сердце - легкие», аппарат, обеспечивающий оптимальный уровень кровообращения и обменных процессов в организме больного или в изолированном органе донора; предназначен для временного выполнения функций сердца и лёгких. Блок-схема аппарата искусственного и кровообращения.
Слайд 25
АИК включает комплекс взаимосвязанных систем и блоков: «искусственное сердце» - аппарат, состоящий из насоса, привода, передачи и нагнетающий кровь с необходимой для жизнеобеспечения объёмной скоростью кровотока; «искусственные лёгкие» - газообменное устройство, так называемый оксигенатор, служит для насыщения крови кислородом, удаления углекислого газа и поддержания кислотно-щелочного равновесия в физиологических пределах. Аппарат искусственного кровообращения АИК-5 кардиохирургического назначения.
Слайд 26
Искусственное сердце
Искусственное сердце – альтернатива пересадке. Сердце или искусственные желудочки применяются у больных в терминальной стадии сердечной недостаточности для спасения их жизни и поддержки кровообращения до того момента, когда найдется подходящей для пересадки сердца донорский орган. В 1998 году впервые в мире был имплантирован искусственный желудочек с принципиально новым принципом действия, сконструированный при участии специалистов NASA и Майкла ДеБейки. Этот маленький насос массой всего 93 грамма способен перекачивать до 6-7 литров крови в минуту и тем самым обеспечивать нормальную жизнедеятельность всего организма.
Слайд 27
Ученые заявляют, что они разработали полностью рабочий прототип искусственного сердца, который готов для пересадки человеку. Устройство не только воспроизводит сердцебиения, очень схожие с настоящими, но также снабжено специальными электронными сенсорами, позволяющим регулировать сердечный ритм и кровоток.
Слайд 28
Кардиостимуляторы
Одним из наиболее высокотехнологичных видов медицинского оборудования является кардиостимулятор. Кардиостимулятор представляет собой устройство, предназначенное для поддержания ритма сердца. Данный прибор является незаменимым для людей с такими заболеваниями сердца, как брадикардия – недостаточно частое сердцебиение – или атриовентрикулярная блокада.
Слайд 29
Кардиостимуляторы - устройства, работающие в асинхронном режиме, осуществляя при этом стимуляцию сердцебиения с фиксированной частотой. Более совершенные кардиостимуляторы явили собой двухкамерные электростимуляторы. Сегодня используются кардиостимуляторы двухкамерного типа, они позволяют не только стимулировать работу сердца, но и определять у больного фибрилляции, трепетания предсердий. При этом кардиостимулятор способен переключаться на другой, более безопасный режим работы в случае обнаружения отклонений. В данном случае исключается возможность поддержания и стимуляции наджелудочковой тахикардии.
Слайд 30
Временный электрокардиостимулятор
Временная электрокардиостимуляция - один из методов терапии, способствующий предотвращению смертельных случаев. Временный электрокардиостимулятор устанавливается пациенту доктором-реаниматологом, в случае если у пациента неожиданно нарушается ритм сердца, именуемый аритмией, также известной как абсолютная блокада сердца. Наиболее часто блокада сердца встречается при инфаркте миокарда.
Слайд 31
Установка кардиостимулятора
На сегодняшний день имеется совершенно новое поколение данного устройства – трехкамерный кардиостимулятор, однако он находится еще в стадии внедрения в эксплуатацию. Наиболее эффективный и максимально безопасный кардиостимулятор для поддержания ритма сердцебиения, который предназначен для диагностики сердечных заболеваний и использования в условиях клиники. Высокоэффективный кардиостимулятор помогает больным, страдающим заболеваниями сердца, поддерживать хорошее самочувствие и жизнеспособность.
Слайд 32
Кардиовертер-дефибриллятор
Кардиовертер-дефибриллятор - это современное устройство стимуляции, использующееся в целях предотвращения неожиданного прекращения работы сердца у больных, страдающих желудочковой тахикардию.
Слайд 33
Кардиостимулятор (ЭКС) объединяет в себе два элемента: стимулятор электрических разрядов и от одного до трех проводов-электородов, которые играют роль спиралеобразного проводника, характеризующегося изрядной гибкостью и гладкостью, являющегося стойким к изгибам и скручиваниям, происходящим по причине телодвижений и сердечных сокращений.
Слайд 34
Кардиостимуляторы и спорт
Слайд 35
Биологические протезы клапана сердца
На раннем этапе развития кардиохирурги пытались применять в качестве заместительного материала клапанные устройства, основанные на биологических тканях ксеногенного (т.е. заимствованного у животных) или аллогенного (т.е. заимствованного у человека) происхождения. Главным недостатком этих устройств явился ограниченный срок службы клапана в связи с постепенным разрушительным воздействием на биоткани со стороны организма реципиента.
Слайд 36
Двустворчатые протезы
Слайд 37
Биологический ксеноаортальный протез BRAILE (Бразилия) Биологический ксеноперикардиальный протез BRAILE (Бразилия) Биологический ксеноперикардиальный протез Mitraflow Synergy (США) Биологический ксеноаортальный протез “LABCOR” (США) Российский биологический ксеноаортальный протез “КемКор” Гомоаортальный трансплантат (гомографт,аллографт).
Слайд 38
Вывод:
Медицина не стоит на месте, она развивается и в скором будущем созданные искусственные органы смогут полностью заменить больные органы человека. Следовательно продолжительность жизни станет выше. 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.
Слайд 39
Список использованной литературы
Галлетти П. М., Бричер Г. А., Основы и техника экстракорпорального кровообращения, пер. с англ., М., 1966. Н. А. Супер. www.google.kz www.mail.ru www.wikipedia.ru
Посмотреть все слайды
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
АО «Медицинский университет Астана»
Кафедра: Медбиофизики и ОБЖ
Тема: «Искусственные органы»
Астана 2014
Идея о замене больных органов здоровыми возникла 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 имплантаты.
Искусственные органы
Применение искусственных органов началось довольно давно, начиная с 1982 года, когда шестидесятиоднолетний человек по имени Барни Кларк, в прошлом дантист, первым получил искусственное сердце Jarvik-7. Аппаратура, которая поддерживала жизнь Кларка, была большой и громоздкой, но она делала свою работу, обеспечивая кровообращение в организме Кларка в течение 112 дней, пока он в конце концов не умер из-за сгустков крови и других осложнений.
Jarvik-7 до сих пор используется как временное устройство для продления жизни людей с больным сердцем до тех пор, пока им не сделают операцию по пересадке сердца. Однако очень скоро стало очевидно, что эта машина не пригодна для постоянного применения. Она слишком сложна, слишком неуправляема и слишком неэффективна для практического применения, но она действительно открыла дверь для создания целого ряда новых искусственных органов, многие из которых, несмотря на то что находятся пока в стадии разработки, дают большую надежду на продление продолжительности жизни человека.
По сравнению с другими органами, такими как печень и поджелудочная железа, сердце - это относительно простой механизм. Ему не нужно переваривать химические вещества, производить ферменты или фильтровать жидкости - оно просто должно перекачивать кровь. Учитывая ошибки, допущенные при создании первого искусственного сердца, исследователи в настоящее время работают над усовершенствованием аппаратов искусственного сердца последнего поколения для того, чтобы создать миниатюрный насос, который был бы настолько маленьким, чтобы его можно было внедрить в тело и не использовать при этом большую систему поддержки. И, кроме того, сейчас они в основном оставили идею создания целого механического сердца, сконцентрировавшись вместо этого на создании устройств, которые помогают жить пациентам с сердечной недостаточностью до тех пор, пока для больного сердца не будет найдена подходящая замена.
Самый впечатляющий пример такого вспомогательного сердечного аппарата - это устройство, поддерживающее работу левого желудочка (LVAD). Это устройство, которое использовалось в течение нескольких прошлых лет, питается от маленького аккумулятора, который носится на теле в области живота. С его помощью устройство выкачивает кровь из левого желудочка. LVAD дает дополнительное время пациентам с больным сердцем, которые ожидают операции по пересадке.
Следующим шагом, говорят ученые, явится создание искусственного сердца, которое будет полностью вживляться в тело, не требуя большого блока питания, и которое сможет работать точно так же, как настоящее сердце. Одна из главных проблем, связанных с искусственным сердцем, заключается в том, как оно перекачивает кровь. Более ранние аппараты, такие как Jarvik-7, полагались на систему диафрагмы, которая перекачивала кровь. Однако ученые говорят, что они нашли более надежный и совершенный способ - посредством крошечных двигателей, устанавливаемых внутрь устройства с помощью магнита.
Такое искусственное сердце, экспериментальный орган, получивший название Стримлайнер (Streamliner), было разработано в Центре МакГована. Это легкое устройство имплантируется в область живота и перекачивает кровь через естественное сердце и артерии при помощи пары трубок. Питание поступает от индуктивного сцепления, которое передает энергию от катушки, прикрепленной к маленькой батарее, которая носится на поясе, ко второй катушке и батарее, имплантированной прямо под кожей. Такая система обеспечила бы пользователю почти полную свободу - то, чего никогда не было у Барни Кларка. Однако Стримлайнер станет доступным еще не скоро; для его разработки потребуется еще много месяцев, и только после этого начнутся испытания, - говорят его создатели.
Создание искусственного сердца - это детская игрушка по сравнению с созданием более сложных органов, таких как печень, почки или поджелудочная железа. Эти органы часто называют «умными органами» из-за того, что они выполняют сложные функции, и их механические заменители почти наверняка должны будут содержать органические ткани для того, чтобы они могли работать должным образом. Почему? Науке предстоит пройти еще очень длинный путь, прежде чем она сможет создать механические заменители органов, которые смогли бы работать также, как настоящие.
Большинство исследований, направленных на создание биохимических «умных» органов, включают искусственное выращивание клеток органа, взятых у человека или животного, затем эту ткань помещают в так называемый биореактор - коробка или цилиндр, в котором с помощью постоянной подачи кислорода и необходимых питательных веществ создаются условия для поддержания жизни и функционирования ткани. В большинстве случаев сейчас во время таких исследований биореактор помещается в большой механизм, который перекачивает по трубам кровь. Использование полностью вживляемых биореакторов будет возможным, по крайней мере, лет через десять, - говорят ученые-медики, хотя аппараты временного пользования, которые можно носить на теле, возможно, появятся несколько раньше.
Один из самых необходимых искусственных органов - это почка. В настоящее время десятки тысяч людей для того, чтобы выжить, должны регулярно подвергаться диализу - вредной и отнимающей много времени процедуре. А диализ - это несовершенная процедура. Здоровые почки отфильтровывают отходы мочевины из крови и снабжают организм важными питательными веществами, такими как сахара и соли, полученные из этих отфильтрованных отходов. К сожалению, механизмы, с помощью которых сегодня осуществляется диализ, просто не могут выполнять вторую задачу.
Ее решение, говорят ученые, возможно с помощью искусственной биологической почки, которая представляла бы собой специально выращенную ткань, помещенную в механическое устройство. Искусственный орган такого типа мог бы справиться со всеми функциями настоящей почки, и таким образом отпала бы необходимость в традиционном диализе для большинства людей.
Такой орган в настоящее время пытаются разработать исследователи Мичиганского университета. Они культивировали проксимальные клетки канальцев, взятые из почек свиньи, и переплели их с чрезвычайно тонкими волокнами, помещенными внутрь фильтрационного патрона. Этот патрон содержится в механизме, который фильтрует кровь пациента и возвращает ей необходимые питательные вещества, которые в противном случае были бы потеряны. Эта система успешно испытана на собаках, и в тот момент, когда эта книга готовилась к изданию, исследователи ждали разрешения на проведение испытаний на людях.
искусственный орган имплантация
Скорее всего, биопочка, разработанная в Университете Мичигана, будет использоваться как временная мера, устройство, которое позволит людям с острой почечной недостаточностью жить до тех пор, пока не будет найден настоящий орган для трансплантации. Однако его создатели говорят, что появление более маленького и более совершенного аппарата - это лишь вопрос времени. Такое устройство, даже и не столь совершенное, как настоящая почка, могло бы сократить время процедуры диализа на целых 50 процентов, и, возможно, даже позволить обходиться без нее совсем.
Поджелудочная железа
Искусственная поджелудочная железа - это еще более сложное устройство, чем искусственная почка. Однако усилия, направленные на ее создание, того стоят, - говорят сторонники этой инициативы, поскольку такое устройство могло бы значительно улучшить здоровье и качество жизни миллионов людей, страдающих инсулинозависимой формой диабета.
Люди с инсулинозависимым диабетом должны регулярно проверять кровь на содержание сахара и вводить себе инсулин для того, чтобы держать болезнь под контролем. Один из самых больших недостатков такого лечения состоит в том, что невозможно узнать точно, сколько инсулина необходимо ввести больному. В большинстве случаев пациентам приходится исходить из собственного предположения. Это приводит к постоянным колебаниям уровня глюкозы, а это, как полагают, является причиной многих обычных осложнений, связанных с диабетом, включая болезнь сердца и проблемы со зрением.
Идеальная искусственная поджелудочная железа могла бы «догадываться» об уровне глюкозы по реакции организма для того, чтобы определить точно, когда и сколько инсулина ему требуется. В настоящее время на стадии разработки находится устройство под названием PancreAssist, над которым работают биомедики из Лексингтона, штат Массачусетс. Эта система контролирует химические процессы в организме и определяет, сколько инсулина ему требуется, и затем вводит его именно в то время, когда это необходимо.
PancreAssist - это устройство, состоящее из пластикового корпуса, вживляемой трубчатой мембраны, окруженной производящими инсулин «островками» из клеток, взятых у свиньи. Когда поток крови пользователя проходит по трубе, эти островки определяют уровень содержания в крови глюкозы и начинают вырабатывать инсулин, который в нужный момент поступает в кровоток, проходя через мембрану.
Мембрана также играет важную роль в защите этих островков от естественных систем защиты организма, которые сразу же начинали бы действовать, если бы была такая возможность. Если все будет идти хорошо, то клинические испытания этого устройства на людях могут начаться в течение нескольких ближайших лет, - говорят ученые.
Столь же важный, но еще более сложный орган - это печень. Расположенный в верхней правой области живота, он играет важную роль в усвоении организмом питательных веществ. Печень преобразовывает излишнюю глюкозу в гликоген, который она хранит и затем повторно преобразовывает в глюкозу, когда это необходимо. Печень также расщепляет излишние аминокислоты, превращая их в мочевину, помогает организму усваивать жир и выполняет ряд других функций. Когда печень повреждена болезнью (гепатит С) или в результате злоупотребления алкоголем, она не может функционировать должным образом. Печеночная недостаточность, как правило, означает смерть.
Печень - это трансплантабельный орган, но количество людей, нуждающихся в пересадке донорского органа, значительно превышает количество донорских органов, поэтому существует острая потребность в таком искусственном органе. Создание искусственной печени, которая могла бы функционировать на протяжении всей жизнь, могло бы помочь бесчисленному количеству пациентов, страдающих острой печеночной недостаточностью и находящихся в беспомощном положении. Однако такой орган появится еще очень нескоро. Лучшим и более надежным выходом из этого положения может стать биологическая искусственная система, которая могла бы выполнять большинство функций печени в течение короткого периода времени, достаточного для того, чтобы больной орган смог самостоятельно восстановиться.
Некоторые специалисты считают, что в большинстве случаев одной недели было бы достаточно для восстановления поврежденной печени настолько, чтобы она могла почти нормально функционировать.
Неудивительно, что несколько компаний упорно работают над созданием таких систем. К ним относится и компания Сере Биомедикал, которая в сотрудничестве со специалистами Седар-Синайского Медицинского центра в Лос-Анджелесе разработала экспериментальную систему под названием «Hepat Assist». Эта система, для создания которой использовались клетки, взятые из печени свиньи, выводит токсины из крови почти так же, как прототип биологической искусственной почки, - говорят исследователи. Пластмассовый патрон, изнутри покрытый искусственно выращенными клетками, вставляется в большой механизм, который очищает проходящую через него кровь. В лучшем случае пациенты будут использовать этот аппарат приблизительно шесть часов ежедневно в течение одной недели - времени, которого достаточно для того, чтобы печень могла себя восстановить.
Биологические искусственные органы - это лишь один подход, который ученые пытаются использовать в своем поиске способов продления жизни людей, организм которых по каким-либо причинам отказывается работать. Другой подход, который больше относится к научной фантастике, чем к реальности в этом отношении, но все-таки заслуживает обсуждения, - это концепция, связанная с понятием «ксенотрансплантация», которая основана на идее пересадки больным людям органов, полученных от других видов.
Проблему отторжения организмом получателя нового, чужеродного органа можно было бы предотвратить с помощью введения в эти органы человеческих генов, которые после этого не могли бы вызывать естественную иммунную реакцию организма, - говорят ученые.
Заключение
Искусственные органы - это устройства, предназначенные для временной или постоянной активной замены утраченной функции природного прототипа (правда, эта функция еще не может быть замещена полностью, особенно если конкретный прототип, например легкое, печень, почка или поджелудочная железа, обладает комплексом сложных функций). С искусственным органом не следует отождествлять функциональный протез - устройство, пассивно воспроизводящее основную утраченную функцию природного прототипа за счет своей формы или конструктивной особенности.
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;
Долговечный, выдерживающий большие нагрузки;
Полностью моделирует функции естественного аналога
Список использованной литературы
1. http://meduniver.com/Medical/Xirurgia/815.html\
2. http://transplantation.eurodoctor.ru/artificialorgan/
3. http://help-help.ru/old/239/
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Значение искусственных органов в современной медицине. Активные и пассивные протезы рук. Правильный выбор протеза для человека с физическим повреждением нижних конечностей. Прототипы эффективных имплантируемых искусственно человеку протезов всего сердца.
реферат , добавлен 09.04.2016
Изучение источников и особенностей применения стволовых клеток. Исследование технологии выращивания искусственных органов на основе стволовых клеток. Преимущества биологического принтера. Характеристика механических и электрических искусственных органов.
презентация , добавлен 20.04.2016
Понятие искусственного сердца, его назначение и показания к применению. Поиск искусственного сердца с наиболее продвинутыми технологиями. Особенности аналогов этого аппарата, их оценка. Моделирование прототипа и гипотезы по преодолению его недостатков.
реферат , добавлен 12.07.2012
Имплантация искусственного хрусталика (интраокулярной линзы) в глаз. Виды искусственных хрусталиков. Особенности проведения операции по имплантации искусственного хрусталика при его помутнении (катаракте), при выраженных нарушениях остроты зрения.
презентация , добавлен 13.01.2014
Патогенез поражения нервной системы при соматических заболеваниях. Заболевания сердца и магистральных сосудов. Неврологические нарушения при острых и хронических заболеваний легких, печени, поджелудочной железы, почек. Поражения соединительной ткани.
лекция , добавлен 30.07.2013
Обзор и сравнительная характеристика искусственных клапанов. Механические искусственные клапаны. Дисковые и двухстворчатые механические искусственные клапаны сердца. Искусственное сердце и желудочки, их характеристика, принцип работы и особенности.
реферат , добавлен 16.01.2009
Создание искусственных органов как одно из важных направлений современной медицины. Значение выбора материалов, адекватного поставленной цели инженерного решения. Искусственные кровь, кровеносные сосуды, кишечник, сердце, кости, матка, кожа, конечности.
презентация , добавлен 14.03.2013
Приобретенные пороки сердца (клапанные пороки). Недостаточность и стеноз митрального, аортального и трехстворчатого клапанов. Лечение врожденных и приобретенных пороков сердца. Радикальная пластика или имплантация искусственных клапанов, коарктация аорты.
презентация , добавлен 05.02.2015
Особенности изучения внешней и внутренней секреции поджелудочной железы. Белки, минеральный состав поджелудочной железы, нуклеиновые кислоты. Влияние различных факторов на содержание инсулина в поджелудочной железе. Описание аномалий поджелудочной железы.
реферат , добавлен 28.04.2010
Особенности расположения и функции поджелудочной железы. Специфика формирования и развития этого органа. Сравнительно-анатомические данные строения поджелудочной железы у разных видов животных. Значение поджелудочной железы в регуляции углеводного обмена.
В прошлом году создали эмбрион - помесь свиньи и человека, в этом году - поместили человеческие клетки в эмбрион овцы . Стволовые клетки перепрограммируют в разные другие, делают из кожи сетчатку глаза, мышцы и вообще что угодно, выращивают модели органов на крохотных чипах - зачем все это нужно? Какую пользу такие исследования могут принести обычному пациенту?
Будущее трансплантации
Польза на самом деле огромная. Никто из нас не застрахован от болезней и травм, результатом которых может стать отказ того или иного органа. Люди не саламандры и не черви и даже хвост-то себе отрастить не способны, не говоря уже о новой голове.
Рыбки данио-рерио могут восстановиться после травм сердца, а мы - не они, наша регенерация, увы, заставляет желать лучшего, поэтому для сотен тысяч человек единственный способ сейчас получить работающие сердце, легкие или печень - это пересадка органа от донора.
Реципиентов - сотни тысяч. Доноров - намного меньше, подходящих конкретному человеку - критически мало. Если в случае с почкой донор может быть живым (и, скажем, родственником, таких случаев полно), то с сердцем, например, такого уже не получится. Сотни человек ежедневно умирают только потому, что нужного донора не успели найти. Именно поэтому исследования в области выращивания искусственных органов критически важны.
При чем тут эмбрионы животных?
До выращивания новых органов прямо внутри пациентов науке еще очень и очень далеко, а вот модификация эмбрионов животных уже доступна. Первые живые химеры (так называют организмы, в которых сосуществует генетический материал из разных зигот, а зигота - это то, что получается после встречи половых клеток) показали, что в теле животного вполне могут расти человеческие клетки.
У эмбрионов свиней начали формироваться органы, в том числе сердце и печень. Получается, что при точной настройке вырастить человеческий орган внутри животного реально не только теоретически, но и практически, а теперь выяснилось, что и с овцами такое тоже может получиться. Таким образом, искусственные органы - это вопрос времени.
Правда, довольно отдаленного, потому что пока еще специалисты не разобрались, как дирижировать этим клеточным оркестром, да и этические вопросы, возникающие в процессе таких модификаций, довольно сложны. Специалистам приходится думать не только собственно об органах, но и о том, как удержаться на грани и не сделать свинью или овцу слишком человеком.
Разумеется, это не будет гибрид типа Минотавра (такого просто никто не будет выращивать, дураков нет, а если есть - им быстро настучат по рогам), но сейчас концентрация человеческих клеток в эмбрионах (которых, разумеется, после исследования уничтожили как раз во избежание эксцессов) - одна на 10 тысяч, а надо - 1 на 100 или, может быть, даже больше. В общем, непонятно пока, как настроить тонкую механику, но уже ясно, что это в принципе возможно.
Нынешние биотехнологии позволяют очень многое. Известно, например, что одни специалисты создали потенциально полезную для искусственных органов систему сосудов, «обесклетив» лист шпината . Все растительные клетки вычистили, а оставшуюся основу населили человеческими.
Другие исследователи сделали материал, из которого в будущем возможно будет делать, например, заплатки для сердца после инфаркта: искусственная ткань и сокращаться может, и электричество проводит. Здесь уже, наверное, ничего объяснять не надо - и так понятно, зачем нужна такая заплатка.
Впрочем, не единой трансплантацией будет жив человек. У искусственных органов или даже их мини-версий - полностью функциональных уменьшенных копий - есть и другая важнейшая функция. На них можно проверять действие новых препаратов и моделировать процесс течения заболеваний, не привлекая к исследованиям людей.
Работа в этом направлении ведется колоссальная - например, из крысиных сердец уже умеют делать уменьшенные модели человеческих, очищая их от животных клеток и заселяя, соответственно, клетками Homo sapiens , создавали мини-желудки, мини-легкие, мини-почки и даже модель женской репродуктивной системы, которую после определенной доработки потенциально можно использовать для персонифицированной медицины - заселять ее клетками конкретной пациентки и смотреть, как будут у нее работать лекарства.
Все это звучит довольно футуристично, но вспомните - всего лет 30 назад нельзя было и помыслить о смартфонах и мощных компьютерах, а сейчас? В начале прошлого века не было антибиотиков - сейчас их множество видов. Да что там говорить, люди уже и на пересадку головы замахнулись - правда, пока безуспешно, но раньше это даже представить нельзя было. Так что будущее уже наступает - сегодня.
Ксения Якушина
Фото istockphoto.com
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.
Loading...