Технологии спасения: создаются первые искусственные органы человека

Замена органов — решение, которое врачи принимают лишь в крайних случаях. Тем не менее, в нашем мире, где организм человека быстро изнашивается, она становится постоянной практикой.

Основным методом остаётся пересадка живых органов от человека к человеку. На поиски донора с нужными характеристиками, порой, уходят годы, и пациент может погибнуть, не дождавшись спасения. Именно поэтому учёные ищут альтернативы донорской пересадке. Разбираемся, какие нестандартные способы "ремонта" человеческого организма предлагают специалисты.

Печатное сердце

Один из вариантов решения проблемы — печать новых органов на специальных 3D-принтерах. Если уж современные технологии позволяют изготавливать из различных материалов механические детали, почему бы не попробовать таким же образом напечатать и "запчасти" для человеческого организма?

В 2019 году израильские учёные из Университета Тель-Авива напечатали на 3D-принтере миниатюрную копию живого сердца из человеческих тканей. Размер органа составил около 2,5 см, а создать крошечный прототип удалось за 3,5 часа.

В качестве материала учёные использовали человеческие клетки, преобразованные в стволовые клетки сердечно-сосудистой мышцы и смешанные с соединительной тканью. Несмотря на крохотные размеры, сердце успешно сокращалось и впервые включало все необходимые черты: кровеносные сосуды, желудочки и камеры. По словам специалистов, уже на этом этапе микроорган подошёл бы для пересадки кролику.

Такой прогресс в печати органов не был бы достигнут, если бы ещё в 2017 году специалисты из Оксфорда не усовершенствовали биологическую 3D-печать, решив две важные проблемы.

Первая — при печати живые клетки часто сдвигались, не давая "слепить" орган нужной формы,
вторая — иногда клетки при печати неожиданно гибли.

Чтобы преодолеть эти препятствия, специалисты придумали покрывать каждую клетку перед печатью оболочкой из липидов. В итоге клетки для печати становились похожими на "кирпичики", из которых было проще "построить" орган.

Не отстают от земных коллег и специалисты космические: в 2018 году на Международной космической станции был успешно испытан биопринтер "Орган.Авт", созданный российскими учёными из компании 3D Bioprinting Solutions. Технологию адаптировали под невесомость: биологическое вещество не накладывалось на поверхность слоями (что было бы невозможным без земного притяжения), а выталкивалось силой магнита. В результате на МКС были успешно напечатаны биологические образцы с хорошей жизнеспособностью.

Несмотря на разнообразие, все экспериментальные искусственные органы печатаются по одной схеме, состоящей из трёх этапов.

Сначала на основе снимков, полученных при помощи томографии, создаётся компьютерная модель органа.
Затем орган слой за слоем печатают на 3D-принтере из заранее подготовленного биоматериала: живых стволовых клеток человека или животных веществ, например, коллагенового белка свиней или клеточного материала на основе морских водорослей.
Наконец, после печати орган помещают в специальную среду, где он "дозревает" перед пересадкой: его структура приходит в норму, а клетки начинают стабильно выполнять свои функции.

Сфера биопечати органов активно развивается: в мире уже сформировано более сотни компаний, выпускающих биопринтеры. Тем не менее. пока для развития данной отрасли (и пересадки напечатанных сложных органов живым людям, а не только подопытным животным) существуют серьёзные препятствия.

Во-первых, чтобы орган прижился максимально хорошо, его лучше изготавливать из клеток будущего хозяина. Взять клетки — не проблема, проблема — "размножить" биоматериал до нужного количества в биореакторе, чтобы клеток стало достаточно для печати органа. Дело в том, что у любой клетки есть предел деления, после которого она становится непригодна для работы. Поэтому пока из человеческой ткани учёные могут воссоздать орган, но всё ещё маленький.
Во-вторых, пересаженный орган должен гармонично "влиться" в работу целого организма. Для полного "подключения" органа к телу необходима сложная система из нервов, сосудов и тканей, но воссоздать её идеально у учёных пока не выходит.

Учитывая, что печатные органы надо будет не только создать, но и испытать на безопасность, специалисты предсказывают полноценное внедрение в медицину 3D-печатных органов лишь спустя 10-15 лет. Чуть более оптимистичный прогноз — по 3D-печати кожи: предполагается, что самый большой человеческий орган можно будет печатать прямо на пациентах уже через 5 лет.

Жизнь в пробирке

Что если пойти чуть более простым путём — и элементарно вырастить нужный орган?

Самое нестандартное решение в этой сфере обдумывают исследователи из Оксфордского университета. Объединившись с робототехнической компанией Devanthro, специалисты предложили использовать для пересадки человеческих тканей самых необычных доноров — специальных роботов!

Как считают учёные, гораздо результативнее будет, если ткани, к примеру, мышцы и сухожилия — будут расти в условиях постоянных нагрузок, к которым они должны быть приспособлены, чтобы успешно прижиться в теле. И сымитировать такую среду прекрасно может двигающийся роботизированный "скелет". Именно его и сконструировали специалисты, решив поэкспериментировать с выращиванием сухожилий плеча.

Встроив в плечо робота биореактор, где на натянутых волокнах росли человеческие клетки, учёные каждый день в течение получаса заставляли искусственные сухожилия двигаться, растягиваясь и скручиваясь. "Тренированные" клетки росли быстрее и действительно претерпели изменения в сравнении с контрольными образцами. Учёные предположили, что в будущем технология может также заменить животных в ходе научных испытаний и пригодиться в создании биогибридных роботов, в телах которых механика будет смешана с живой тканью.

Одним из будущих "доноров" тканей для людей может стать, к примеру, Eccerobot — пластиковый робот с "живыми" костями, сухожилиями и кожей, созданный в Цюрихском университете в 2011 году.

Над синтезом биологии с технологией работают и в Израиле. В 2016 году специалисты из Тель-Авивского университета создали искусственную сердечную ткань, объединившую в себе живые клетки и гибкую электронику. Такой материал позволит в случае сбоя сердца не пересаживать "двигатель" человеческого организма целиком, а просто поставить "заплатку" на нужное место органа, заменив его повреждённую часть. При этом, "вплетённая" в искусственную ткань электроника позволит удалённо следить за работой сердца пациента и в случае необходимости электрически стимулировать орган.

Порой, в создании органов специалисты обходятся и без электронно-механического подспорья. Например, в 2022 году японским специалистам из Института молекулярной эмбриологии и генетики Университета Кумамото удалось вырастить в лаборатории мышиную почку. На руках у учёных уже были результаты предыдущих исследований, в результате которых специалисты смогли вырастить зачатки отдельных составляющих мышиной почки — нефрона и мочеточника — из мышиных эмбриональных стволовых клеток. Присоединив эти две "детали" к искусственно выращенной соединительной ткани почки, учёные получили органоид, почти неотличимый от реальной почки мыши. Японские специалисты не желают останавливаться на достигнутом и собираются по аналогичной технологии выращивать почки человека.

Первые шаги уже делаются и в воссоздании органов непосредственно из человеческих клеток. В 2020 году специалисты из Университета штата Мичиган (США) вырастили из стволовых клеток человека рабочие "мини-сердца", похожие на сердечки человеческих эмбрионов. Крохотные органы включали все основные разновидности клеток, имели структуры, напоминающие камеры и сосуды, и регулярно сокращались. В микро-сердцах находились все гены, отвечающие за нормальную работу сердца, а сами органы развивались по той же "схеме", что и сердца человеческих эмбрионов.

Не меньшего успеха добились и специалисты из американского Медцентра Детской больницы Цинциннати, объединившиеся с земляками из других научных центров и коллегами из Франции и Австралии. В 2016 году они вырастили полноценную работоспособную ткань кишки с рабочей нервной системой, способную к перистальтике (сокращению). Как и "мини-сердца", искусственный орган развивался так же, как у реального эмбриона. Кишечная ткань была имплантирована мышам и успешно прижилась. Удалось обойтись даже без кровеносных сосудов и иммунных клеток: после пересадки организм подопытных обеспечивал новую "запчасть" всем необходимым.

Чуть проще, в сравнении с многослойными органами, обстоят дела с созданием хрящей. Ещё в 2006 году специалисты из Бристольского университета успешно вылечили травмированные коленные суставы пациентов, "подлатав" их искусственными хрящами, выращенными из клеток участников эксперимента.

В крайнем случае, можно попытаться заняться регенерацией. В 2015 году команда учёного Стивена Бадиляка из Питтсбургского университета (США) использовала порошок, изготовленный из высушенного межклеточного вещества мочевого пузыря свиней для регенерации кончика пальца человека, отрезанного в результате несчастного случая. Такой регенерационный порошок богат веществами, стимулирующими рост клеток.

Необычное лекарство после нанесения на повреждённый палец простимулировало стволовые клетки пострадавшего, в результате чего отрезанная плоть успешно выросла снова, и вместе с ней восстановился даже ноготь! Судьба необычной разработки пока не обсуждается, но исследование представляется очень перспективным для "ремонта" человеческого тела.

Спасительная инженерия

Пока учёные разбираются с печатью и искусственным выращиванием органов, искусственные сердца Aeson французской компании Carmat уже спасают жизнь своим первым хозяевам.

В отличие от предыдущих проектов, в этом искусственном органе больше от искусно сделанного механизма, чем от биологической плоти. Сердце подключается к внешнему источнику питания, заряда которого хватает минимум на 4 часа, и специальному устройству, отвечающему за сердцебиение. Всё это размещается в 4-килограммовой сумке, которую пациент должен постоянно носить с собой. Но это — лишь временные "неудобства": искусственное сердце устанавливается пациентам на срок примерно до полугода, пока не найдётся живой донорский орган с подходящими качествами.

Чтобы предотвратить отторжение организмом механической "запчасти", искусственное сердце изготовлено из биологически совместимых материалов — в том числе бычьей ткани. Подобно живому, искусственный орган откликается на активность хозяина: когда человек занимается спортом или волнуется, сердце начинает биться быстрее.

Проект Carmat прошёл непростой путь. К несчастью, первые несколько экспериментальных пациентов, которым проводили пересадку искусственного сердца ещё в 2013–2016 годах, погибли. Но спустя некоторое время испытания изобретения были вновь одобрены и достигли отличных результатов.

Одним из первых пациентов, успешно пережившим пересадку искусственного сердца и его замену на донорское, стал американец Мэтью Мур в 2021 году. Доступной становится новая технология и в "ближнем свете": ещё в 2017 году первые операции по пересадке инновационного органа проводились в Казахстане. Успешно прошедший операцию в 2021 году петропавловец Алексей Чабан сообщил изданию Aqmola News, что до замены искусственного сердца на донорское он чувствовал себя комфортно, даже занимался спортом — бегом и гантелями. Одно тревожащее неудобство, которое упомянули как американский, так и казахский пациенты — звук работы механического органа, напоминавший распил бревна или лай собак. Но главное — одно: искусственные органы уже пригодны к применению и спасают тех, кто нуждается в помощи.

* * *

Когда развитие технологий идёт на благо человека — это прекрасно. И наблюдая за прогрессом в создании искусственных тканей и органов, которые могут подарить жизнь людям в самых безнадёжных случаях, отчётливо понимаешь: это одна из тех сфер, которая действительно достойна повышенного внимания со стороны учёных. Разумеется, если ею не злоупотреблять.