Протезирование: биомиметические технологии
В XXI веке ученые разработали высококачественные протезы, которые мало чем отличаются от собственных конечностей человека.
Более того, уже создаются искусственные кости и суставы, которые могут приживаться в организме. Эти изделия и материалы получили общее обозначение «биоподобные». Они способны повторять функционал кости: и внутренний, пористый слой, и внешний, твердый. Цель — добиться свойств, как у реальной природной кости.
Так, в центре композиционных материалов НИТУ МИСиС ученые уже опробовали технологию, заменив кости лапы покалеченного кота Лапуни биомиметическими имплантатами, и уже на вторые сутки лохматый пациент начал ходить, опираясь на все четыре конечности. Если бы не это, лапу пришлось бы ампутировать.
Имплантаты, которые разлагаются со временем
Медики уже давно пользуются биоразлагаемыми имплантатами, которые находятся в организме лишь определенное время, а потом распадаются и выводятся естественным путем. Например, есть винты из биоразлагаемого полимера, есть объемные заместители для придавливания легкого во время некоторых операций, они уже доказали свою эффективность.
Смарт-материалы: новые органы
Сегодня искусственный сустав или часть кости никого не удивляют. Однако главный тренд в этой области — не искусственные заменители, а реальные ткани и органы, выращенные в лаборатории. Или даже внутри самого человека.
Ученые делают ставку на так называемые смарт-материалы, которые будут сами устанавливаться в поврежденном органе, например под действием температуры нашего тела, влажности и ультрафиолета. Причем через небольшой малоинвазивный разрез.
— Мы можем вырастить почку уже сейчас. Другой вопрос: как соединить сосуды и нервы, чтобы все это работало? Наиболее перспективной выглядит стратегия создания некоего каркаса, который можно будет заселить клетками самого пациента, некими строительными кирпичиками для почки, которые организм достроит сам. Задача — получить на выходе почку пациента, восстановленную в его организме. Такой орган не будет отторгаться и причинять беспокойство, ведь ничего чужеродного в нем не будет, только собственные клетки, — заместитель руководителя по научной работе Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий к.ф-м.н. Тимофей Григорьев.
Такие операции проводятся пока в лабораторных условиях в качестве экспериментов над животными. В широкой клинической практике эти технологии на человеке пока не поменяются, хотя успешные попытки уже были.
Универсальный строительный материал — стволовые клетки
Ученые научились создавать искусственные органы и биоподобные импланты, которые по своим свойствам мало уступают природным тканям.
— Например, заготовка кости делается на 3D-принтере из кальций-фосфатных матриксов по размеру и по форме кости. То есть через прокол в кости мы берем клетки из костного мозга, 28 дней культивированные, мезенхимные клетки, полученные из костного мозга, вместе с этой конструкцией находятся в специальной среде, а через три месяца получаем консолидированную кость. Через год скафл, то есть заготовка, рассасывается, оставляя абсолютно нормальную структуру кости. Разработана и технология, которая позволяет удлинять костную ткань на пять сантиметров сразу, — пластический хирург, д.м.н. Александр Тепляшин .
С возрастом организм перестает продуцировать достаточное количество регенеративного ресурса. Функцию продления молодости и обеспечат стволовые клетки. В перспективе из собственных клеток организма можно будет вырастить абсолютно любую ткань и даже орган. Уже есть попытки успешного выращивания прообраза сердца, напечатанного на 3D-принтере. Сейчас идет процесс предклинических испытаний.
Но основная задача медицины будущего — борьба с болезнями. Стволовые клетки, попав в организм, способны обнаруживать сигнальные молекулы, так называемые специфические белки интерлейкины, выделяемые клетками больных органов, и замещать их.
Пока эти технологии остаются очень дорогими и не регулируются законодательно. Является ли собственная клетка, с которой произвели какие-то манипуляции, донорской или нет? Это призван регламентировать созданный недавно закон «О клеточных технологиях». Но в недалеком будущем терапия посредством собственных стволовых клеток, или пересадка органов, выращенных из них, могут стать такой же повседневной реальностью, как протезирование зубов.
Аутоклей: связующий материал, не отторгаемый организмом
Один из перспективных препаратов для регенерации, сделанный на основе наших собственных белков — органический аутоклей, который уже прошел сертификацию и поступил в больницы. Он способен быстро заживлять практически любые наши ткани. И, в отличие от прежних синтетических аналогов, имеет биологическую основу, а значит, не вызывает отторжения, ведь донором для создания уатоклея становится плазма самого пациента.
Российские хирурги уже успешно применяют при операциях клей, созданный на основе белка фибрина, но перспективная сфера его применения намного шире — от лечения ожогов до стоматологии. Например, когда нужно протезирование, но отсутствует кость.
Криотехнологии в помощь трансплантологам
Пока развиваются технологии выращивания искусственных органов, медики во всем мире продолжают использовать для спасения жизней донорский материал. И здесь главная задача — доставить его максимально быстро. С момента извлечения и до пересадки почки должно пройти не больше 12 часов, печени — до 24. Для продления срока сохранения донорских органов применяют ксенон — инертный газ, способный проникать во все клетки, не повреждая их мембрану.
Тот же ксенон используется для анестезии и при криозаморозке, помогая продлить так называемый «золотой час» — время необходимое для спасения жизни в критической ситуации.
А наши ученые первыми в мире смогли заморозить органы с помощью монооксида углерода, а после разморозить и пересадить донорское сердце подопытной свинье не через 6 возможных, а через 24 часа.
Обучающие тренажеры
Минимизировать риски во время реальной операции помогают современные медицинские биотренажеры, которые не уступают по реалистичности живым пациентам. Обучение медицине становится все более технологичным, создавая эффект максимального погружения в реальность — ткани, кости, слизистая и кровь — все как в настоящей операционной. Некоторые операции почти полностью автоматизированы, и могут проходить под дистанционным управлением хирурга.
А в ближайшем будущем в нашей стране появится единая система «Поддержки принятия врачебных решений». Она поможет каждому врачу безошибочно действовать в самых непростых случаях. По сути это общая информационная база, которая будет не только собирать и запоминать все возможные случаи, но и моделировать каждую конкретную операцию, с учетом всех индивидуальных особенностей пациента. Врачу нужно будет лишь задать все параметры, а после их обработки, следовать рекомендациям системы. Но в любом случае, ответственность за принятое решение остается на человеке.
Самообеззараживающиеся материалы
Ученые из института Цитологии и Генетики Сибирского отделения Российской Академии Наук создали уникальный материал, способный уничтожать микробов без использования обычных методов стерилизации.
— Одним из возможных применений нового наноматериала могут быть различные поверхности хирургических материалов, например, скальпель и пинцет. Нанесение наностенок на эти инструменты позволит им самообеззараживаться. Уникальность технологии в синтезе при более низких температурах, что позволяет лучше контролировать образование наностенок в процессе работы. Да и стоит наш гораздо дешевле зарубежных аналогов, — старший научный сотрудник Института Цитологии и Генетики г. Новосибирск Фролова Татьяна.
Нанороботы-перевозчики
Наночастицы — настоящие лекари. Они способны не только проводить точную диагностику, но и адресно доставлять лекарства, проходя сквозь межклеточные мембраны. Именно они и есть те самые перепрограмматоры человеческой ДНК — волшебные частицы третьего тысячелетия, которые могут следить за состоянием организма и справляться с заболеваниями на молекулярном уровне.
Благодаря их размерам и особым свойствам, можно обнаруживать самые серьезные заболевания, не имеющие ярких внешних проявлений, и буквально выжигать и разрушать клетки, пораженные, например, раковой опухолью. А в России разработан и еще один из эффективных методов лечения рака — тераностика. Он совмещает диагностирование с лечением и осуществляет буквально адресную доставку именно к пораженным клеткам.
— В основу нашего тераностика мы положили природные материалы, одним из которых является белок альбумин, который в человеческом организме выполняет многие функции. Этот маленький биоробот, полученный на основе белка, способен доставлять лекарственные препараты и высвобождать их по назначению, но главное — по его маркерам мы можем проследить путь данного транспортного средства к злокачественной опухоли, — руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Института Химической Биологии и Фундаментальной Медицины г. Новосибирск Татьяна Годовикова.
Ученые пока проводят эксперименты на грызунах с модельной злокачественной опухолью — глиобластомой мозга. Это один из самых коварных и трудно диагностируемых видов рака, чаще обнаруживаемый на поздней неоперабельной стадии. Лучевая же и химиотерапия убивают и здоровые клетки во всем организме. Но введенные через вену наночастицы с грузом лекарства смогут беспрепятственно пройти через гематоэнцефалический барьер головного мозга, обнаружить опухоль и разрушить ее.
Генная инженерия: от программирования способностей будущего ребенка до излечения от смертельных болезней
Научившись работать с мельчайшими структурами — молекулами, атомами и наночастицами, ученые смогли проникнуть не просто в мир клеток нашего организма, но и научились манипулировать генами.
Это стало возможно с открытием нуклеаза, фермента в клетке человека, способного ломать ДНК. Так появилась идея использовать нуклеазы для редактирования генома человека в терапевтических целях.
Сегодня уже возможно удалить вредоносный участок ДНК, или добавить в него новую информацию.
Это реальная возможность лечить наследственные заболевания и снизить риск мутаций и рождения детей с генетическими патологиями. Великобритания первой одобрила лечение людей с помощью CRISPR — редактирования генов. Вслед за ней методику одобрили в США.
Лет 20 назад процедура ЭКО — экстракорпорального оплодотворения — вызывала бурю критики, а сегодня тысячи детей появляются на свет благодаря этому методу. Ученые могут заранее избавить неродившегося человека от плохих генов. Но и это не все: в будущем теоретически будет возможно подбирать модификацию генов, которая позволит закладывать в ребенка те или иные способности, можно будет выбирать цвет глаз и волос. То есть по сути программировать своего ребенка. Вопрос лишь в этической оправданности таких действий.
— Генетические тесты на наследственные заболевания, которые могут проявиться в следующих поколениях сдают и здоровые люди. Кроме того существует более 35 сочетаний генов, предрасполагающих, например, и предрасположенность человека к силовым нагрузкам или к аэробным. И это значит, что человеку определенные нагрузки будут даваться легче, и прогресс в них будет приходить гораздо быстрее, чем у человека с другой генетикой, — врач, клинический генетик Ирина Жегулина.
Главной задачей будущего остается поиск возможностей побеждать смертельные болезни.
Российские ученые уже создали систему, которая является первым шагом развития технологии, при которой можно точечно убивать раковые клетки, оставляя здоровые живыми.
Генетический анализ позволяет обнаружить и проанализировать так называемый «молекулярный след опухоли». Получив эту информацию, виртуальная система, разработанная российскими учеными, исследует опухоль и подбирает оптимальное лечение, увеличивая шансы на выздоровление у пациентов с 3 и 4 стадией рака с 25 до 70 %.
— Один из подходов — взять на более ранней стадии развития собственные иммунные клетки человека, лимфоциты, и встроить генным методом в них рецептор, распознающий опухоль. Это позволит не только убить больную клетку, но и запустить производство активных молекул, которые дальше будут амплифицировать сигнал иммунной системы,— инвестиционный директор корпорации РОСНАНО Григорий Борисенко.
Активация собственной иммунной системы с помощью изменения генов для борьбы с раком называется онкоиммунологией. Задача современной медицины в ближайшем будущем сделать эту технологию доступной всем.
И недавно был зарегистрирован первый в мире препарат для генной терапии, который остановил потерю зрения у людей с генетической патологией. Они не ослепли полностью. И это прорыв в медицине, настоящая сенсация. Сейчас идет работа над созданием лекарств от других моногенных, заболеваний, например, от гемофилии.
Наука играет в догонялки с природой, которая на каждом новом отрезке эволюции подбрасывает людям более сложные и тяжелые болезни. Так она стремится регулировать нашу численность на планете. Но судя по тому, что человеческая популяция растет, мы пока выигрываем эту гонку.
