Сердце из шпината: когда детали человека начнут выращивать в горшке 

20 июля, 2018 Кардиология  Нет комментариев

Кровеносные сосуды — хрупкие и уязвимые конструкции. Они становятся еще уязвимее, когда их вскрывают, вводят иглы, подключают к внешним устройствам. Места контакта не заживают, а стенки сосудов деградируют. Как с этим быть? Вырастить новые в биореакторе или напечатать на 3D-принтере.

Почечная недостаточность ощутимо снижает качество жизни. Три раза в неделю пациенты должны подключаться к аппаратам, которые будут вычищать токсины и продукты распада из их крови. Процедура отнимает от 3 до 6 часов. Гемодиализ делает грязную работу, с которой атрофированные почки не справляются по легко угадываемой причине. Машина корректирует уровень мочевины, креатинина и водно-электролитный баланс. За минуту через диализатор проходит от 100 до 400 мл крови.
Почему мы о нем говорим? Краеугольный камень процесса — доступ к кровеносной системе. Это может показаться очень простым и быстрым делом, вроде обыкновенного забора крови из вены, но на практике все куда сложнее. В типичных случаях все начинается с формирования подкожной артериовенозной фистулы. Фистулой в медицине принято называть канал, ведущий из внутренних органов наружу. Это непростая операция и эффект она имеет не сиюминутный: необходимо вплоть до 4 недель, чтобы фистула созрела, а стенки сосудов достаточно окрепли.
Когда она оформилась, в канал помещают две пункционные иглы, чтобы обеспечить циркуляцию крови. В то же время аппарат гемодиализа вводит в сосуды гепарин, который замедляет ее свертываемость. Нужно ли говорить, что это крайне болезненная процедура. Ожидаемая оборотная сторона (если учесть, что пункционные иглы входят в вену 3 раза в неделю) — это разложение сосудов. Как с этим быть? Можно попробовать вырастить вены заново.

Первый путь: искусственный коннектор
Над этим работает швейцарская компания Aditlys. Ее биоинженеры сфокусировались на пористых полимерных переходниках, которые выращиваются лабораторно, легко вживляются в плоть и стимулируют рост человеческих клеток: те буквально обрастают переходник, который затем выходит из игры и растворяется. Выращенные искусственно полости выступают как коннекторы между подключаемыми трубками и человеческими сосудами. Пункционные иглы можно вводить в них сразу после операции.
Второй путь: новая вена

Над технологией искусственных вен в широком смысле довольно давно работает компания Humacyte, причем первые попытки вырастить в лаборатории человеческие сосуды относятся к началу 2000-х. Впервые такой имплант применили в 2012 году в Польше.
Как это работает? Фундамент — это банки донорского материала. Клетки добровольцев собирают, сортируют, очищают и хранят. На первом этапе донорские клетки гладкой мускулатуры помещают в трубчатый каркас, который со временем разлагается. Его задача — быть контуром для роста. Несколько таких каркасов помещают в биореактор, который интерактивно и в реальном времени управляет геометрией выращиваемых сосудов, контролирует и направляет этот процесс.
Сами сосуды конструируются четырьмя типами протеинов: коллагеном I, коллагеном III, витронектином и фибронектином. В течение 8 недель искусственные вены растут в условиях постоянного давления. Лишние клетки удаляются. Следующая ступень — стерилизация, очистка от любых компонентов, которые могут спровоцировать иммунный ответ. Финал — это операционный стол. После того, как сосуд имплантируют в тело, он начнет подражать окружающим его натуральным венам, встраиваться, корректируя форму и размер.
Бежевый имплант из биореактора, внешне напоминающий больничный катетер, имеет диаметр в 6 мм и длину в 42 см, что, конечно, не догма — диаметр можно сократить до 4 или увеличить до 8 мм.
Важно, что вены можно изготовить заблаговременно, а потом хранить в госпитале до тех пор, пока они не потребуются, чтобы в экстренном случае не ждать, пока прибудет замена, а немедленно оперировать. К несчастью, 40% имплантов в первые 6 месяцев нужно менять: не приживаются. Причем около 80% неудачных попыток приходятся на внутреннюю гиперплазию — утолщение сосуда — стандартный ответ организма на повреждение тканей.

Нужно сказать про еще один, пока не очень практичный, но многообещающий метод, ведь искусственные вены выращивают не только в хирургических, но и в научно-экспериментальных целях. Такой проект ведет группа исследователей из Ливерморской национальной лаборатории (США).
Это очень долгий и трудоемкий процесс, но результаты впечатляют. Команда использует биочернила на основе живых клеток, желатина, фибрина и гиалуроновой кислоты. 3D-принтер получает задачу напечатать сперва каналы, которые будут прообразом живых сосудов. Печать происходит по каплям. После артериальный канал покрывают новым слоем биочернил, создается искусственная ткань, абсолютно идентичная человеческой. Каналы наполняют нутриентами и кислородом. Ставка делается на саморегуляцию, к которой генетически предрасположена клетка. Поэтому артерии со временем начинают обрастать капиллярной сеткой, улучшая и ускоряя снабжение всей конструкции питательной смесью.
Логика проекта здесь иная: он нацелен на развитие полноценной тканевой модели, на которой можно отрабатывать новые медицинские техники, тестировать лекарства, экспериментировать с какими угодно нетривиальными целями. Во-первых, это заметно повышает точность тестов, во-вторых, снимает биоэтическую проблему вивисекции и подопытных животных.
То, что такой метод пока имеет сугубо лабораторное применение, не говорит о том, что 3D-печать готовых сосудов недостижима и невозможна. Надо полагать, что это вопрос нескольких ближайших лет.

Искусственное сердце
Предвосхищая вопрос «Можно ли искусственно вырастить и сердце?», ответим: «Да». В 2017 команда из Цюриха напечатала на 3D-принтере силиконовое сердце, обладающее такой же сократительной способностью, как и настоящее, и вполне натурально пульсирующее. 390-граммовое сердце (чуть тяжелее настоящего) имеет объем в 679 кубических сантиметров. Ресурс модели — 3000 ударов. Конечно, это очень мало, что делает его абсолютно непригодным для пациентов (но хорошей моделью). Орган надо еще серьезно дорабатывать.

Экстравагантное решение: сердце и шпинат
Сердечную ткань можно безо всяких шуток вырастить из листка шпината. Биоинженеры из Вустерского политехнического института (Англия) конвертировали обыкновенный шпинат из супермаркета в пригодное волокно. Дело в том, что выращивание миокарда «в пробирке» — эта самая крупная преграда на пути к полноценному искусственному сердцу. Загвоздка в том, что мельчайшие капилляры в диаметре не превышают 5−10 микрометров. Без них не будет должной циркуляции кислорода и питательных веществ, клетка не сможет функционировать. В то же время простой шпинат обладает тем объемом транспортной сети, который почти эквивалентен плотности сосудов в сердечной ткани.
Механика эксперимента такова. Ученые последовательно очищали лист от ненужных слоев, пока не достигли чистой целлюлозы, пропитанной сосудистой сетью. Растительная целлюлоза гипоаллергенна и вполне совместима с человеческими тканями. Получившийся каркас покрыли живыми клетками миокарда, причем процесс сращивания растительных и человеческих клеток шел естественно.
Эксперимент — хорошая иллюстрация и задел на будущее. К слову, древесная структура может порядком помочь в производстве синтетических костей.

Щитовидная железа для мыши
В 2016 году в «Сколково» на 3D-принтере успешно напечатали щитовидную железу, а после имплантировали ее мыши. Технология выглядит относительно просто: используются стволовые клетки и гидрогель, которые устройство слой за слоем печатает. Гидрогель растворится, когда орган окончательно сформируется.
Синтетические легкие
Легкие облагают разветвленной, крайне запутанной системой мембран, поэтому создать искусственный аналог невероятно сложно. Последнее время научное сообщество фокусировалось скорее на уменьшении вентилирующих аппаратов, чем на разработке полноценного импланта. В 2017 году успех был достигнут: инженеры из Питтсбургского университета, руководимые профессором Уильямом Федершпилем, представили пробное устройство. Оно соединяет в себе насос и камеры газообмена. Его можно запросто носить в рюкзаке, а соединительная трубка всего одна, она крепится на шее. Пока, правда, его опробовали лишь на овцах.

Достижения последнего времени этим не ограничиваются. В Калифорнийском университете (Лос-Анджелес) разработали объемные легочные структуры из гидрогеля и стволовых клеток. Легочные стволовые клетки накладывали на шарики, после чего те, подражая форме шаблона, формировали вполне естественные пузырьки. В качестве цели не ставится разработка готового органа для пересадки. Эти модели можно использовать для воспроизведения механики и биологии заболеваний, чтобы быстрее изучать их особенности и точнее оказывать помощь.

Как насчет костей?
Большинство задач при реконструкции костей решает титан. Но в титан нельзя поместить костный мозг, что критично. Поэтому идет поиск альтернативных решений. Компании EpiBone (США) удалось вырастить деталь свиной кости, которая потом была успешно пересажена животному. В качестве каркаса использовалась бедренная кость коровы. Из нее вырезали участок челюсти, после чего покрыли его стволовыми клетками свиньи. После 3 недель в биореакторе имплант был готов. Через 6 месяцев после пересадки кость окончательно прижилась.

Читайте также