30.07.2019

Химические материалы для создания искусственных органов. Искусственные органы

Успехи биологии и медицины в новейшей истории существенно продлили среднюю продолжительность жизни и избавили мир от дамоклова меча многих смертельных болезней. Но не все болезни побеждены, да и жизнь человека, тем более активная, все еще кажется нам слишком короткой. Даст ли наука шанс сделать следующий рывок?

Новая кожа Сотрудник лаборатории достает из ванночки полоску искусственно выращенного эпидермиса. Ткань создали в дерматологическом институте в итальянском городе Помеция, Италия, под руководством профессора Микеле де Лука.

Олег Макаров

Основания для оптимизма, конечно же, есть. В наши дни в науке наметилось несколько направлений, которые, возможно, позволят в близком или дальнем будущем превратить Homo sapiens в более долговечную и надежную мыслящую конструкцию. Первое — это создание электронно-механических «подпорок» для недужного тела. Речь идет о роботизированных бионических протезах конечностей, достоверно воспроизводящих человеческую локомоторику, или даже целых экзоскелетах, которые смогут подарить радость движения парализованным.

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.

Эти хитроумные изделия дополнит нейромашинный интерфейс, который позволит считывать команды прямо с соответствующих участков головного мозга. Действующие прототипы подобных устройств уже созданы, теперь главное — их совершенствование и постепенное удешевление.

Вторым направлением можно считать исследования генетических и прочих микробиологических процессов, вызывающих старение. Познание этих процессов, возможно, в будущем даст возможность затормозить увядание организма и продлить активную жизнь за вековой предел, а возможно, и далее.

Поиски ведутся в нескольких направлениях. Одно из них — бионический глаз: электронная камера плюс чип, имплантированный в сетчатку. Есть и некоторые успехи в выращивании сетчатки (пока у мышей).

И наконец, к третьему направлению относятся исследования в области создания подлинных запчастей к человеческому телу — тканей и органов, которые структурно и функционально будут мало чем отличаться от природных и позволят своевременно «отремонтировать» организм, пораженный тяжелой болезнью или возрастными изменениями. Известия о новых шагах в этой области приходят сегодня едва ли не ежедневно.

Запускаем печать

Базовая технология выращивания органов, или тканевой инженерии, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных клеток той или иной ткани, например гепатоцитов — клеток паренхимы (внутренней среды) печени. Эти клетки затем помещаются внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена.

Наряду с созданием электронно-механических протезов ведется поиск более естественного имплантата, объединяющего в себе выращенные ткани сердечной мускулатуры с наноэлектронной системой контроля.

Таким образом обеспечивается заполнение клетками всего объема выращиваемого органа. Матрицу из коллагена можно получить путем очистки от клеток донорской биологической ткани или, что гораздо проще и удобнее, создать ее искусственным путем из биоразрушаемых полимеров или специальной керамики, если речь идет о кости. В матрицу помимо клеток вводятся питательные вещества и факторы роста, после чего клетки формируют единый орган или некую «заплатку», призванную заместить собой пораженную часть.

Правда, выращивание искусственной печени, легкого и других жизненно важных органов для пересадки человеку сегодня пока недостижимо, в более простых случаях такая методика успешно применяется. Известен случай пересадки пациентке выращенной трахеи, осуществленной в РНЦ хирургии им. Б.В. Петровского под руководством итальянского профессора П. Маккиарини. В данном случае в качестве основы была взята донорская трахея, которую тщательно очистили от клеток. На их место были введены стволовые клетки, взятые из костного мозга самой пациентки. Туда же были помещены факторы роста и фрагменты слизистой оболочки — их также позаимствовали из поврежденной трахеи женщины, которую предстояло спасти.

Проведены успешные эксперименты по имплантации крысе легкого, выращенного на очищенной от клеток донорской матрице.

Недифференцированные клетки в таких условиях дали начало клетками дыхательного эпителия. Выращенный орган имплантировали пациентке, причем были приняты специальные меры для проращивания имплантата кровеносными сосудами и восстановления кровообращения.

Впрочем, уже существует метод выращивания тканей без применения матриц искусственного или биологического происхождения. Метод нашел воплощение в устройстве, известном как биопринтер. В наши дни биопринтеры «выходят из возраста» опытных образцов, и появляются мелкосерийные модели. Например, аппарат компании Organovo способен распечатать фрагменты тканей, содержащих 20 и более клеточных слоев (причем туда входят клетки разных типов), объединенных межклеточной тканью и сетью кровеносных капилляров.

До выращивания целой искусственной печени еще далеко, однако фрагменты ткани печени человека уже получены методом выращивания на матрице из биоразлагаемых полимеров. Такие имплантаты смогут помочь в восстановлении пораженных участков.

Соединительная ткань и клетки собираются воедино по той же технологии, которую используют при трехмерной печати: движущаяся головка, позиционирующаяся с микронной точностью в трехмерной сети координат, «выплевывает» в нужную точку капельки, содержащие либо клетки, либо коллаген и другие вещества. Разные производители биопринтеров сообщили, что их устройства уже способны распечатывать фрагменты кожи подопытных животных, а также элементы почечной ткани. Причем в результате удалось достичь правильного расположения клеток разных типов друг относительно друга. Правда, эпохи, когда принтеры в клиниках будут способны создавать органы разного назначения и больших объемов, придется еще подождать.

Мозг под замену

Развитие темы запчастей для человека неизбежно приводит нас к теме самого сокровенного — того, что делает человека человеком. Замена мозга — пожалуй, самая фантастическая идея, касающаяся потенциального бессмертия. Проблема, как нетрудно догадаться, в том, что мозг — похоже, самый сложный из известных человечеству материальных объектов во Вселенной. И, возможно, один из самых непонятных. Известно, из чего он состоит, но очень мало известно о том, как он работает.

Новая кожа. Сотрудник лаборатории достает из ванночки полоску искусственно выращенного эпидермиса. Ткань создали в дерматологическом институте в г. Помеция, Италия, под руководством профессора Микеле де Лука.

Таким образом, если мозг удастся воссоздать как совокупность нейронов, устанавливающих друг с другом связи, надо еще придумать, как поместить в него всю необходимую человеку информацию. Иначе в лучшем случае мы получим взрослого человека с «серым веществом» младенца. Несмотря на всю сверхфантастичность конечной цели, наука активно работает над проблемой регенерации нервной ткани. В конце концов, цель может быть и скромнее — например, восстановление части мозга, разрушенной в результате травмы или тяжелого заболевания.

Проблема искусственной регенерации мозговой ткани усугубляется тем, что мозг обладает высокой гетерогенностью: в нем присутствует множество типов нервных клеток, в частности тормозные и возбуждающие нейроны и нейроглия (буквально — «нервный клей») — совокупность вспомогательных клеток нервной системы. Кроме того, разные типы клеток определенным образом расположены в трехмерном пространстве, и это расположение необходимо воспроизвести.

Это тот самый случай, когда технологии выращивания тканей уже работают в медицине и спасают жизни людей. Известны случаи успешной имплантации трахеи, выращенной на донорской матрице из клеток спинного мозга пациента.

Нервный чип

В одной из лабораторий знаменитого Массачусетского технологического института, известного своими разработками в сфере информационных технологий, подошли к созданию искусственной нервной ткани «по-компьютерному», применив элементы технологии изготовления микрочипов.

Исследователи из Бостона взяли смесь нервных клеток, полученных из первичной коры мозга крысы, и нанесли их на тончайшие пластины гидрогеля. Пластины образовали своего рода сэндвич, и теперь задача состояла в том, чтобы вычленить из него отдельные блоки с заданной пространственной структурой. Получив такие прозрачные блоки, ученые намеревались изучать процессы возникновения нервных связей внутри каждого из них.

Технология пересадки человеку мочевого пузыря, выращенного на коллагеновой матрицы из мочевого пузыря или тонкой кишки животного происхождения, уже создана и имеет положительную практику применения.

Задача была решена с помощью фотолитографии. На пласты гидрогеля накладывались пластиковые маски, которые позволяли свету воздействовать лишь на определенные участки, «сваривая» их воедино. Так удалось получить разнообразные по размерам и толщине композиции клеточного материала. Изучение этих «кирпичиков» со временем может привести к созданию значимых фрагментов нервной ткани для использования в имплантах.

Если инженеры MIT подходят к изучению и воссозданию нервной ткани в инженерном стиле, то есть механически формируя нужные структуры, то в Центре биологии развития RIKEN в японском городе Кобе ученые под руководством профессора Йошики Сасаи нащупывают другой путь — evo-devo, путь эволюции развития. Если плюрипотентные стволовые клетки эмбриона могут при делении создавать самоорганизующиеся структуры специализированных клеток (то есть разнообразные органы и ткани), то нельзя ли, постигнув законы такого развития, направлять работу стволовых клеток для создания имплантатов уже с природными формами?

В деле выращивания костей и хрящей на матрицах достигнут большой прогресс, однако восстановление нервной ткани спинного мозга — дело будущего.

И вот главный вопрос, на который намеревались найти ответ японские биологи: насколько зависит развитие конкретных клеток от внешних факторов (например, от контакта с соседними тканями), а в какой степени программа «зашита» внутри самих стволовых клеток. Исследования показали, что есть возможность вырастить из изолированной группы стволовых клеток заданный специализированный элемент организма, хотя внешние факторы играют определенную роль — например, необходимы определенные химические индуцирующие сигналы, заставляющие стволовые клетки развиваться, скажем, именно как нервная ткань. И для этого не понадобится никаких поддерживающих структур, которые придется наполнять клетками — формы возникнут сами в процессе развития, в ходе деления клеток.

В новом теле

Вопрос о пересадке мозга, коль скоро мозг является вместилищем интеллекта и самого человеческого «я», по сути, не имеет смысла, так как если мозг уничтожен, то воссоздать личность невозможно (если только со временем не научатся делать «резервные копии» сознания). Единственное, что могло бы иметь резон - это пересадка головы, а точнее — пересадка тела голове, у которой с телом проблемы. Однако при невозможности на современном уровне медицины восстановления спинного мозга, тело с новой головой останется парализованным. Правда, по мере развития тканевой инженерии, возможно, нервную ткань спинного мозга можно будет восстанавливать с помощью стволовых клеток. На время операции мозг придется резко охлаждать для предотвращения смерти нейронов.

По запатентованной Сасаи методике японцам удалось вырастить трехмерные структуры нервной ткани, первой из которых стала полученная из эмбриональных стволовых клеток мышей сетчатка глаза (так называемый зрительный бокал), которая состояла из функционально различных типов клеток. Они были расположены так, как предписывает природа. Следующим достижением стал аденогипофиз, не просто повторяющий структуру природного, но и выделяющий при пересадке мыши необходимые гормоны.

Разумеется, до полнофункциональных имплантов нервной ткани, а тем более участков человеческого мозга еще очень и очень далеко. Однако успехи искусственной регенерации тканей с применением технологий эволюции развития указывают путь, по которому пойдет вся регенеративная медицина: от «умных» протезов — к композитным имплантатам, в которых готовые пространственные структуры «проращиваются» клеточным материалом, и далее — к выращиванию запасных частей для человека по тем же законам, по которым они развиваются в естественных условиях.

АО «Медицинский университет Астана»

Кафедра медбиофизики и ОБЖ

Реферат

На тему: Искусственные органы

Выполнила: Нурпеисова Д.

Группа:144 ОМ

Проверила: Масликова Е.И.

Астана 2015 год

Введение

Искусственная почка

Искусственное сердце

Искусственный кишечник

Искусственная кожа

Искусственная кровь

Искусственное лёгкое

Искусственные кости

Заключение

Введение

Быстрое развитие медицинских технологий и все более активное использование в них последних достижений смежных наук позволяют сегодня решать такие задачи, которые еще несколько лет назад казались невыполнимыми. В том числе - и в области создания искусственных органов, способных все более успешно заменять свои природные прототипы.

Причем самое удивительное в этом то, что подобные факты, еще несколько лет назад способные стать основой для сценария очередного голливудского блокбастера, сегодня привлекают внимание публики всего на несколько дней. Вывод вполне очевиден: не за горами тот день, когда даже самые фантастичные идеи относительно возможностей замены природных органов и систем их искусственными аналогами перестанут быть некой абстракцией. А значит, однажды могут появиться и люди, у которых подобных имплантов окажется больше, чем собственных частей тела.

Пересадка органов воплощает извечное стремление людей научиться "ремонтировать" человеческий организм.

. Искусственная почка

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.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 Х. 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 Х. 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.

В 2010 году в США был разработан имплантируемый в организм больного гемодиализный аппарат. Аппарат, разработанный в Калифорнийском университете в Сан-Франциско имеет размеры в целом соответствующие размеру человеческой почки. Имплантат, помимо традиционной системы микрофильтров, содержит биореактор с культурой клеток почечных канальцев, способных выполнять метаболические функции почки. Прибор не требует энергообеспечения и работает за счёт давления крови пациента. Данный биореактор имитирует принцип работы почки за счёт того, что культура клеток почечных канальцев находится на полимерном носителе и обеспечивает обратную реабсорбцию воды и полезных веществ, так же как это происходит в норме. Это позволяет значительно повысить эффективность диализа и даже полностью отказаться от необходимости трансплантации донорской почки.

Гемодиализатор

Иначе, искусственная почка - аппарат для временного замещения выделительной функции почек. Искусственную почку используют для освобождения крови от продуктов обмена, коррекции электролитно-водного и кислотно-щелочного балансов при острой и хронической почечной недостаточности, а также для выведения диализирующихся токсических веществ при отравлениях и избытка воды при отёках.

Функция

Основная функция очищение крови от различных токсичных веществ, в том числе продуктов метаболизма. При этом объём крови в пределе организма остаётся постоянным.

2. Искусственное сердце

Сердце - полый мышечный орган. Его масса у взрослого человека составляет 250-300 грамм. Сокращаясь, сердце работает как насос, проталкивая кровь по сосудам и обеспечивая её непрерывное движение. При остановке сердца наступает смерть, потому что прекращается доставка тканям питательных веществ, а так же освобождение тканей от продуктов распада.

От создания «сердца» до нашего времени.

Создателем искусственного сердца был В. П. Демихов 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.

В 2009 году еще не было создано эффективного имплантируемого человеку протеза всего сердца. Ряд ведущих кардиохирургических клиник проводит успешные частичные замены органических компонентов на искусственные. По состоянию на 2010 год существуют прототипы эффективных имплантируемый искусственно человеку протезов всего сердца. искусственный протез имплантируемый

В настоящее время протез сердца рассматриваются как временная мера позволяющая пациенту с тяжелой сердечной патологией дожить до момента пересадки сердца.

Модель сердца.

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.

3. 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. Метод состоит в связывании коллагена, полученного из хрящей животных, с гликозаминогликаном (ГАГ) для развития модели внеклеточной матрицы, которая создает основание для новой кожи. В 2001 году на основе этого метода была создана самовосстанавливающаяся искусственная кожа.

Еще одним прорывом в области создания искусственной кожи стала разработка английских ученых, которые 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.

В 2010 году - Ученые из университета Гранады создали искусственную человеческую кожу при помощи тканевой инженерии на основе арагозо-фибринного биоматериала.

Искусственная кожа была привита мышам и показала оптимальные результаты в плане развития, мейоза и функциональности. Это открытие позволит найти ей клиническое применение, а также применение в лабораторных тестах на тканях, что, в свою очередь, позволит избежать использования лабораторных животных. Более того, открытие может быть использовано при разработке новых подходов к лечению кожных патологий.

Исследование проводил Хосе Мария Хименес Родригес (Jose Maria Jimenez Rodriguez) из исследовательской группы тканевой инженерии при факультете гистологии Университета Гранады под руководством профессоров Мигеля Аламиноса Мингоранса (Miguel Alaminos Mingorance), Антонио Кампоса Муноса (Antonio Campos Munoz) и Хосе Мигеля Лабрадор Молина (Jose Miguel Labrador Molina).

Исследователи сначала выбрали клетки, которые впоследствии должны были быть использованы для создания искусственной кожи. Затем проанализировали развитие культуры в лабораторных условиях и в конце концов провели контроль качества путем прививания тканей мышам. С этой целью были разработаны несколько техник иммунофлуоресцентной микроскопии. Они позволили ученым оценить такие факторы как клеточная пролиферация, наличие маркеров морфологической дифференциации, экспрессия цитокреатина, инволюкрина и филагрина; ангиогенез и рост искусственной кожи в организме реципиента.

Для экспериментов исследователи взяли небольшие части человеческой кожи путем биопсии у пациентов после пластических операций в больнице University Hospital Virgen de las Nieves в Гранаде. Естественно, с согласия пациентов.

Для создания искусственной кожи был использован человеческий фибрин из плазмы здоровых доноров. Затем исследователи добавили транексамовую кислоту (для предотвращения фибринолиза), хлорид кальция (для предотвращения коагуляции фибрина) и 0,1% арагозы (aragose). Эти заменители были привиты на спины голых мышей с целью наблюдения их развития в естественных условиях.

Кожа, созданная в лаборатории, показала хороший уровень биосовместимости. Отторжения, расхождения или инфекции обнаружено не было. Плюс кожа на всех животных в исследовании проявила грануляцию через шесть дней после имплантации. Рубцевание завершилось в следующие двадцать дней.

Эксперимент, проведенный в Университете Гранады стал первым в ходе которого искусственная кожа была создана с дермой на основе арагозо-фибринного биоматериала. До сих пор использовались другие биоматериалы вроде коллагена, фибрина, полигликолиевой кислоты, хитозана и т.д.

4. Искусственный кишечник

В 2006 году 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.

Тогда была впервые в истории проведена работа, которая демонстрировала, как плюрипотентные стволовые клетки человека в чашке Петри могут быть собраны в ткань организма с трехмерной архитектурой и типом связей, свойственных естественно развившейся плоти.

Искусственная кишечная ткань может стать терапевтическим средством №1 для людей, страдающих некротическим энтероколитом, воспалением кишечника и синдромом короткого кишечника.

В ходе исследований группа ученых под руководством доктора Джеймса Уэллса использовала два типа плюрипотентных клеток: эмбриональные человеческие стволовые клетки и индуцированные, полученные путем перепрограммирования клеток человеческой кожи.

Эмбриональные клетки называют плюрипотентными, потому что они способны превращаться в любой из 200 различных типов клеток человеческого организма. Индуцированные клетки подходят для «причесывания» генотипа конкретного донора, без риска дальнейшего отторжения и связанных с этим осложнений. Это новое изобретение науки, поэтому пока неясно, обладают ли индуцированные клетки взрослого организма тем же потенциалом, что и клетки зародыша.

Искусственная ткань кишечника была «выпущена» в двух видах, собранная из двух разных типов стволовых клеток.

Чтобы превратить отдельные клетки в ткань кишечника, потребовалось много времени и сил. Ученые собирали ткань, используя химикаты, а также белки, которые называют факторами роста. В пробирке живое вещество росло так же, как и в развивающемся эмбрионе человека. Сначала получается так называемая эндодерма, из которой вырастают пищевод, желудок, кишки и легкие, а также поджелудочная железа и печень. Но медики дали команду эндодерме развиться только лишь в первичные клетки кишечника. На их рост до ощутимых результатов потребовалось 28 дней. Ткань созрела и обрела абсорбционную и секреторную функциональность, свойственную здоровому пищеварительному тракту человека. В ней также появились и специфические стволовые клетки, с которыми теперь работать будет значительно легче.

Доноров крови всегда не хватает -клиники обеспечены препаратами крови всего на 40 % от нормы. Для проведения одной операции на сердце с использованием системы искусственного обращения требуется кровь 10 доноров. Есть вероятность, что проблему поможет решить искусственная кровь - ее, как конструктор, уже начали собирать ученые. Созданы синтетические плазма, эритроциты и тромбоциты.

Создание «крови»

Плазма - один из основных компонентов крови, ее жидкая часть. «Пластиковая плазма», созданная в университете Шеффилда (Великобритания), может выполнять все функции настоящей и абсолютно безопасна для организма. В ее состав входят химические вещества, способные переносить кислород и питательные вещества. На сегодняшний день искусственная плазма предназначена для спасения жизни в экстремальных ситуациях, но в ближайшем будущем ее можно будет использовать повсеместно.

Что ж, впечатляет. Хотя и немного страшновато представить, что внутри тебя течет жидкий пластик, точнее, пластиковая плазма. Ведь чтобы стать кровью, ее еще нужно наполнить эритроцитами, лейкоцитами, тромбоцитами. Помочь британским коллегам с «кровавым конструктором» решили специалисты из Калифорнийского университета (США). Они разработали полностью синтетические эритроциты из полимеров, способные переносить кислород и питательные вещества от легких к органам и тканям и обратно, то есть выполнять основную функцию настоящих красных кровяных клеток. Кроме того, они могут доставлять к клеткам лекарственные препараты. Ученые уверены, что в ближайшие годы завершатся все клинические испытания искусственных эритроцитов, и их можно будет применять для переливания. Правда, предварительно разбавив их в плазме - хоть в естественной, хоть в синтетической.

Не желая отставать от калифорнийских коллег, искусственные тромбоциты разработали ученые из университета Case Western Reserve штата Огайо. Если быть точным, то это не совсем тромбоциты, а их синтетические помощники, тоже состоящие из полимерного материала. Их главная задача - создать эффективную среду для склеивания тромбоцитов, что необходимо для остановки кровотечения. Сейчас в клиниках для этого используют тромбоцитарную массу, но ее получение - дело кропотливое и довольно долгое. Нужно найти доноров, произвести строгий отбор тромбоцитов, которые к тому же хранятся не более 5 суток и подвержены бактериальным инфекциям. Появление искусственных тромбоцитов снимает все эти проблемы. Так что изобретение станет хорошим помощником и позволит врачам не бояться кровотечений.

Настоящая или искусственная кровь. Что лучше?

Термин «искусственная кровь» немного неточен. Настоящая кровь выполняет большое количество задач. Искусственная кровь пока может выполнять только некоторые из них 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.

В то время как вещество, увеличивающее объем кровяных телец, уже давно используется в больницах, кислородная терапия пока находится в стадии разработки и клинических исследований.

Предполагаемые достоинства и недостатки искусственной крови

Достоинство Недостатки

отсутствие риска заражения вирусами побочные эффекты

совместимость с любой группой крови токсичность

при переливании

производство в лабораторных условиях дороговизна

относительная лёгкость хранения

6. Искусственное легкое

Американские ученые из Йельского университета под руководством Лауры Никласон совершили прорыв: им удалось создать искусственное легкое и пересадить его крысам. Также отдельно было создано легкое, работающее автономно и имитирующее работу настоящего органа

Надо сказать, что человеческое легкое представляет собой сложный механизм. Площадь поверхности одного легкого у взрослого человека составляет около 70 квадратных метров, собранных так, чтобы обеспечивать эффективный перенос кислорода и углекислого газа между кровью и воздухом. Но ткань легкого трудно восстанавливать, поэтому на данный момент единственный способ заменить поврежденные участки органа - пересадка. Данная процедура весьма рискованна в виду высокого процента отторжений. Согласно статистике, через десять лет после трансплантации в живых остаются лишь 10-20% пациентов.

«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.

7. Искусственные кости

Медики из Империал колледжа в Лондоне утверждают, что им удалось изготовить костный материал, который наиболее похож по своему составу на настоящие кости и имеет минимальные шансы на отторжение. Новые искусственные костные материалы фактически состоят сразу из трех химических соединений, которые симулируют работу настоящих клеток костной ткани.

Медики и специалисты по протезированию по всему миру сейчас ведут разработки новых материалов, которые могли бы послужить полноценной заменой костной ткани в организме человека.

Впрочем, на сегодня ученые создали лишь подобные костям материалы, пересаживать которые вместо настоящих костей, пусть и сломанных, до сих пор не доводилось. Основная проблема таких псевдо-костных материалов заключается в том, что организм их не распознает как «родные» костные ткани и не приживается к ним. В итоге, в организме пациента с пересаженными костями могут начаться масштабные процессы отторжения, что в худшем варианте может даже привести к масштабному сбою в иммунной системе и смерти пациента.

Мозговые протезы

Мозговые протезы - очень сложная, однако выполнимая задача. Уже сегодня возможно внедрение в человеческий мозг специального чипа, который будет отвечать за кратковременную память и пространственные ощущения. Такой чип станет незаменимым элементом для индивидуумов, страждущих на нейродегенеративные недуги. Мозговые протезы пока еще только тестируются, однако результаты исследований показывают, что человечество имеет все шансы на замену частей мозга в будущем.

Искусственные руки.

Искусственные руки в XIX в. разделялись на «рабочие руки» и «руки косметические», или предметы роскоши.

Для каменщика или чернорабочего ограничивались наложением на предплечье или плечо бандажа из кожаной гильзы с арматурой, к которой прикреплялся соответствующий профессии рабочего инструмент - клещи, кольцо, крючок и т. п.

Косметические искусственные руки, смотря по занятиям, образу жизни, степени образования и другим условиям, бывали более или менее сложны. Искусственная рука могла иметь форму естественной, в изящной лайковой перчатке, способная производить тонкие работы; писать и даже тасовать карты (как известная рука генерала Давыдова).

Если ампутация не достигла локтевого сустава, то при помощи искусственной руки возможно было возвратить функцию верхней конечности; но если ампутировано верхнее плечо, то работа рукой была возможна лишь через посредство объемистых, весьма сложных и требующих большого усилия аппаратов.

Помимо последних, искусственные верхние конечности состояли из двух кожаных или металлических гильз для верхнего плеча и предплечья, которые над локтевым суставом были подвижно соединены в шарнирах посредством металлических шин. Кисть былa сделана из легкого дерева и неподвижно прикреплена к предплечью или же подвижна. В суставах каждого пальца находились пружины; от концов пальцев идут кишечные струны, которые соединялись позади кистевого сустава и продолжались в виде двух более крепких шнурков, причем один, пройдя по валикам через локтевой сустав, прикреплялся на верхнем плече к пружине, другой же, также двигаясь на блоке, свободно оканчивался ушком. Если желают при вытянутом плече сохранить пальцы сжатыми, то это ушко вешают на пуговку, имеющуюся на верхнем плече. При произвольном сгибании локтевого сустава пальцы смыкались в этом аппарате и совершенно закрывались, если плечо согнуто под прямым углом.

Для заказов искусственных рук достаточно было указать меры длины и объема культи, а равно и здоровой руки, и объяснить технику цели, которым они должны служить.

Протезы для рук должны обладать всеми нужными свойствами, к примеру, функцией закрытия и открытия кисти, удержания и выпускание из рук любой вещи, и у протеза должен быть вид, который как можно точнее копирует утраченную конечность. Существуют активные и пассивные протезы рук.

Пассивные только копируют внешний вид руки, а активные, которые делятся на биоэлектрические и механические, выполняют гораздо больше функций. Механическая кисть довольно точно копирует настоящую руку, так что любой человек с ампутацией сможет расслабиться среди людей, а также сможет брать предмет и выпускать его. Бандаж, который крепится на плечевом поясе, приводит кисть в движение.

Биоэлектрический протез работает благодаря электродам, считывающим ток, который вырабатывается мускулами во время сокращения, сигнал передаётся на микропроцессор и протез движется.

Искусственные ноги

Для человека с физическим повреждением нижних конечностей, конечно же, важны качественные протезы для ног.

Именно от уровня ампутации конечности и будет зависеть правильный выбор протеза, который заменит и сможет даже восстановить множество функций, которые были свойственны конечности.

Существуют протезы для людей, как молодых, так и пожилых, а также для детей, спортсменов, и тех, кто, несмотря на ампутацию, ведёт такую же активную жизнь. Протез высокого класса состоит из системы стоп, коленных шарниров, адаптеров, сделанных из материала высокого класса и повышенной прочности. Обычно при выборе протеза обращают самое пристальное внимание на будущие физические нагрузки пациента и на вес его тела.

С помощью высококачественного протеза человек сможет жить, как и прежде, практически не ощущая неудобств, и даже выполнять ремонт в доме, закупать кровельные материалы и делать другие виды силовых работ.

Чаще всего все отдельные детали протеза делают из самых прочных материалов, к примеру, из титана или легированной стали.

Если человек весит до 75 кг, то ему подбирают более лёгкие протезы из других сплавов. Существуют небольшие модули, специально разработанные для детей от 2 до 12 лет. Для многих людей с ампутацией стало настоящим спасением появление протезно - ортопедических компаний, которые выполняют протезы под заказ для рук и ног, изготавливают корсеты, стельки, ортопедические аппараты.

Заключение

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.

Таким образом, искусственные органы имеют огромное значение в современной медицине.

Список использованной литературы

1.Искусственная почка и её клиническое применение, М., 1961; Fritz К. W., Hämodialyse, Stuttg., 1966..

Буреш Я. Электрофизиологические методы исследования. Медиина. М., 1973.

Трансплантация органов и тканей в многопрофильном научном центре, Москва, 2011, 420 стр. под ред. М.Ш. Хубутия.

Отторжение трансплантированного сердца. Москва, 2005, 240 стр. Соавторы: В. И. Шумаков и О. П. Шевченко.

Галлетти П. М., Бричер Г. А., Основы и техника экстракорпорального кровообращения, пер. с англ., М., 1966

Когда речь заходит о создании в лабораторных условиях человеческих органов, способных выполнять предписанные природой функции в организме человека, на лице большинства невольно возникает скептическая ухмылка. Как-то это больше похоже на фантастику.

Тем не менее, сегодня выращивание новых органов – самая что ни на есть объективная реальность, как и первые пациенты, жизни которых спасены, благодаря уникальнейшим операциям по пересадке органов. И с гордостью хочется заявить, что эти первопроходческие исследования в области регенеративной медицины осуществляются у нас на Кубани.

Рассказ человека, которому посчастливилось всю информацию получить из первых уст, хочется передать без купюр, что мы и делаем.

Паоло Маккиарини – это не только итальянское имя. Этот человек - истинный итальянец, с присущим его национальности темпераментом и эмоциональностью. Выражая свое восхищение, он с восторгом восклицает: «Фантастика!!!», тут же запросто переходя к отчаянному возгласу: «Они ждут, когда я умру!!!», упоминая о коллегах, испытывающих чувство досады от превосходства этого человека, и далее продолжая самозабвенно делиться перспективами новейших разработок, дающих надежду на спасение новых человеческих жизней.

Являясь участником сочинской конференции «Генетика старения и долголетия», на которую прибыли известнейшие специалисты в этой области со всего мира, Паоло Маккиарини оказался в более выигрышном положении, потому что преодолевать кордоны ему не пришлось, не смотря на то, что специалист он вселенского масштаба.

Уже несколько лет этот человек, является руководителем Центра регенеративной медицины Кубанского медицинского университета. Чтобы получить согласие профессора Маккиарини приехать на работу в Краснодар, правительство России выделило 150 миллионов рублей на создание центра.

Профессор с благодарностью отмечает, что работая в нашей стране, у него нет необходимости выискивать возможности для решения финансовых проблем, и все свое время и талант он максимально использует для спасения жизни людей.

Как создаются органы для трансплантации

Паоло Маккиарини является автором и разработчиком новаторской технологии выращивания трахеи, что, действительно, служит гордостью и главнейшим достижением регенеративной медицины. В 2008 году он впервые в истории человечества выполнил операцию по пересадке пациентке трахеи, выращенной из ее собственных стволовых клеток на донорском каркасе в биореакторе. Через год была проведена феноменальная операция, когда орган был выращен внутри тела пациента без применения биореактора. В 2011 году профессором Маккиарини была проведена беспрецедентная операция по пересадке человеческого органа полностью созданного в лабораторных условиях на искусственном каркасе, когда донорские органы не использовались.

Первый визит Маккиарини в Россию состоялся в 2010 году. Фонд «Наука за продление жизни», пригласил его провести мастер – класс по регенеративной медицине. В этом же году профессор Маккиарини впервые в России осуществил пересадку трахеи молодой женщине, пострадавшей в результате автомобильной аварии и потерявшей возможность разговаривать и нормально дышать. Пациентка восстановила здоровье, а итальянский доктор продолжил развивать регенеративную медицину в нашей стране, постоянно внедряя что-то передовое. Например, вместе с искусственно выращенной трахеей человеку была пересажена часть гортани.

‑ Трудно представить, как можно воспроизвести орган автономно, в отсутствие человека?

‑ По большому счету этого сделать нельзя. Имея клетки взрослого человека, вырастить целый орган, не имея орган донора, или искусственный каркас, не удастся.

Как происходил процесс подготовки материала, когда все только начиналось? Получали донорский орган. Донором мог быть человек или животное, чаще всего свинья. Этот орган опускался в специальный раствор, где растворялись мышечные ткани, таким образом, освобождая его от генетического материала. В результате оставался только каркас из соединительной ткани. Каждый орган имеет каркас, позволяющий ему сохранять форму, так называемый внеклеточный матрикс. Хотя, полученный таким образом каркас органа, изъятого у свиньи, с иммунной системой человека не конфликтует, тем не менее, есть опасность случайного проникновения какого-нибудь вируса, а для мусульман этот вариант не приемлем по религиозным соображениям. Так что орган, изъятый у погибшего человека, для получения каркаса подходил больше.

В 2011 году была внедрена новейшая технология создания искусственного каркаса, позволяющая обходиться без доноров, в принципе. Этот каркас представляет собой трубку, выполненную в соответствии с индивидуальными размерами органа пациента, изготовленную из упругого и пластичного нанокомпозитного материала. Это колоссальный рывок вперед. Получая искусственный каркас, отпадает необходимость в донорах, и сразу же снимаются все вопросы биоэтики, особенно когда дело касается детей.

‑ Но трубка это же не орган. Как его оживить и заставить работать?

‑ Для этих целей существует биореактор.

‑ Что-то наподобие биопринтера?

‑ С помощью биопринтера можно произвести простые ткани или сосуды, но не сложные органы. Биореактор предназначен для размножения и роста клеток, для этого там поддерживаются оптимальные условия. Клетки в биореакторе обеспечиваются питанием, они имеют возможность дышать и оттуда отводятся продукты обмена. Из костного мозга пациента выделяются его собственные клетки, которые и засеваются на каркас. Стволовые клетки такого вида способны преобразоваться в специальные клетки требуемых органов. В течение двух суток каркас обрастает этими клетками, и затем, воздействуя на них определенным образом, клетки превращаются к трахейные. Орган для трансплантации готов, и так как он выращен из собственных клеток пациента, то организмом не отторгается.

‑ Но ведь вы не планируете останавливаться только на трахее?

‑ В настоящее время ведется работа по исследованию на животных пищевода и диафрагмы, выращенных в лаборатории. Далее планируется совместно с Техасским институтом впервые в мире вырастить функционирующее сердце.

В Краснодарском крае существует специальный обезьяний питомник, предназначенный для медицинских исследований. Именно на них планируется провести испытания первого синтетического сердца. Учитывая, что в России многие проблемы решаются значительно легче, чем на Западе или в Штатах, есть большая уверенность, что Россия станет родиной первого человеческого сердца, выращенного в лаборатории.

‑ А какие органы самые востребованные?

‑ Нет предела совершенству и человеческой глупости. Как иначе отнестись к просьбе какого-то там президента общества гомосексуалистов снабдить его пенисом?

‑ Два пениса – это мысль!

‑ Да в том-то и дело, что там не то, что два, вообще почему-то ни одного не было. Вот только в пенисах я не силен. Кстати, с маткой тоже не смог помочь. Людей ведь мучают не только болезни, а всякие бредовые идеи тоже жить спокойно не дают.

Наш центр не работает с этими новомодными тенденциями. Что пробовали, так это вырастить яички, потому что проблема эта весьма актуальна из-за огромного количества детей, у которых обнаружен рак яичек или имеются врожденные отклонения. Однако, стволовые клетки не удалось преобразовать в клетки яичек и исследования завершились безрезультатно.

Естественно, основные усилия нашего центра направлены на выращивание тех органов, пересадка которых поможет спасти максимальное количество людей. Вот сейчас один из самых актуальных проектов – выращивание диафрагмы. Тысячи детей появляются на свет с отсутствием этого органа и поэтому умирают.

‑ Какие органы представляют самую большую сложность при выращивании?

‑ Сложнее всего дела обстоят с сердцем, почками и печенью, и не потому, что их трудно вырастить. На сегодняшний день вырастить можно практически все органы, а вот как заставить их правильно работать и вырабатывать необходимые организму вещества, это пока вопрос. Искусственные органы прекращают функционировать через несколько часов. Мы не знаем досконально принцип их работы, в этом вся причина.

А ведь вполне возможно, что стволовые клетки можно использовать для восстановления работы органов, требующих пересадки. Запустить внутренние процессы регенерации организма. Сегодня – это моя самая заветная мечта, и если удастся реализовать эту фантастическую идею, не потребуются больше операции и выращивание органов, ведь стволовые клетки есть у каждого человека.

‑ Сколько требуется времени на создание синтетического органа?

‑ Время пропорционально сложности органа. Для трахеи достаточно четырех дней, для сердца понадобится три недели.

‑ А можно ли вырастить мозг?

‑ Есть у меня такие намерения в перспективе.

‑ Ведь мозг имеет бесчисленное множество связей между нейронами. Как с ними быть?

‑ Не так все сложно, просто на проблему нужно смотреть под другим ракурсом. Полностью заменить мозг нельзя, и об этом речи нет. Но, если у человека травма головы, часть мозга повреждена, но человек остался в живых. Вот эту неработающую часть мозга нужно заменить субстратом, который призван вызвать рост нейронов, привлекая их из других участков мозга. Через некоторое время пострадавшая часть мозга постепенно включится в работу и обрастет связями. Сколько бы людей смогли избавить от проблем!

Мечты и разочарования

‑ Как реагируют коллеги на ваши успехи?

‑ Это тема непростая и грустно о ней говорить. Когда человек делает то, чего никто никогда в мире не делал, его всегда ожидают неприятности. Должно пройти много времени, прежде чем что-то сделанное впервые начнет восприниматься адекватно. До этого все стремятся критиковать, причем довольно жестко, считая порой мои действия, чуть ли не безумством. Зачастую люди очень ревностно относятся к успеху коллег: на меня устраивали нападки, стремились создать условия невыносимые для работы, порой применяя весьма грязные методы.

‑ Что в вашей личной жизни и профессиональной деятельности создает самые большие трудности?

‑ Если взять мою личную жизнь, то ее просто не существует. Работа – это не самое сложное. Труднее справиться с постоянными нападками коллег, их неуемной ревностью. Отсутствие элементарного уважения, и чисто человеческих отношений безмерно угнетает. Такое впечатление, что в мире не существует ничего, кроме конкуренции. В научных журналах мною опубликованы десятки статей, но такое впечатление, что их никто не читает, продолжая заявлять об отсутствии доказательств наших результатов. Все кругом настроены только на критику абсолютно по любому поводу.

Именно эта ревность создает для меня основные трудности. Я постоянно ощущаю дикое давление со всех сторон. Очевидно, это участь всех первопроходцев. Но я знаю, что мы спасем жизни людей и готов выдержать ради этого любые нападки.

‑ У вас есть мечта?

‑ Что касается моей личной жизни, то я мечтаю взять свою любимую собаку, забраться в лодку и уплыть на необитаемый остров, чтобы ничего не напоминало об этом мире. Что касается работы, то мечтаю спасать людей, не прибегая к операции, а лишь используя клеточную терапию. Вот это было бы, действительно, фантастикой!

‑ Когда технология создания искусственных органов станет доступна большинству населения развитых стран?

‑ Что касается трахеи, то технология выращивания этого органа практически доведена до совершенства. Если клинические испытания на Кубани будут продолжены, то через пару лет соберется достаточно фактов, доказывающих безопасность и эффективность разработанных нами методов, и их начнут применять повсеместно. Многое зависит от количества пациентов и ряда других факторов. Я продолжу разработки, связанные с выращиванием диафрагмы, пищевода и сердца. Надеюсь, что в России все пойдет значительно быстрее, так что немного терпения и скоро все узнаете сами.

В результате проведения четырех конкурсов, нацеленных на привлечение в российские вузы известных ученых мирового масштаба, 163 зарубежных и отечественных специалистов выиграли мегагранты, выделенные правительством России.

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

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:

Пульс

1 0 0

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Химические материалы для создания искусственных органов. Искусственные органы

Запускаем печать

Мозг под замену

Нервный чип

В новом теле

Как создаются органы для трансплантации

Мечты и разочарования

Будущее трансплантации

При чем тут эмбрионы животных?

Скачать:

Подписи к слайдам:

Предварительный просмотр:

Выбор Редакции