В декабре 2022 года в YouTube-аккаунте научного пропагандиста и основателя компании EctoLife Хашема Аль-Гайли вышел ролик про искусственную утробу. Хотя проект находится в разработке, автор уверен, что такой инкубатор потенциально может решить проблему бесплодия. В искусственных матках планируется выращивать до 30 тыс. младенцев одновременно. Создатели «детской фермы» предлагают будущим родителям самостоятельно редактировать геном, корректировать интеллектуальные и физические характеристики плода и отслеживать все стадии его внутриутробного развития через приложение.
Несмотря на то что аудитория канала скептически отнеслась к евгеническим разработкам Аль-Гайли, его идеи не выходят за рамки вполне реализуемых проектов по искусственному зачатию. По словам биотехнолога Ирины Корякиной, «и частичный, и полный эктогенез (рост эмбриона и плода в искусственной среде) станут нашей реальностью уже через 10–15 лет». В подтверждение этому можно вспомнить исследование, опубликованное в журнале Nature Communications. Его авторы в течение месяца растили ягнят в искусственной утробе. Ученые предполагали, что тестирования с участием недоношенных детей начнутся уже через три–пять лет. И хотя этого пока не произошло, разработка искусственных органов — одна из наиболее перспективных отраслей медицины будущего.
Почему искусственные органы — хорошая альтернатива донорству
Искусственное сердце, почки и легкие потенциально способны снизить дефицит органов, подходящих для пересадки. Длительное ожидание донорского органа прямо влияет на показатели смертности среди пациентов, находящихся на очереди к трансплантологу. А внедрение рутинного использования искусственных органов может изменить эту ситуацию. Для этого они должны пройти все проверки, быть безопасными и относительно недорогими. Наконец, на искусственные органы нужно разрешение и одобрение регуляторов вроде FDA (United States Food and Drug Administration) и EMA (European Medicine Agency), позволяющие легально и свободно продавать медицинские аппараты.
У искусственных органов потенциально может быть довольно широкая сфера использования. Уже сейчас их применяют не только в качестве имплантатов, но и для изучения лекарств и косметики. Эти тестирования этически нейтральны и обходятся дешевле, чем испытания на лабораторных животных.
Какими бывают искусственные органы
Искусственные органы заменяют или усиливают функционал потерянной части тела человека. Но в настоящее время возможности биоинжиниринга ограничены, и искусственные органы не слишком часто используются для трансплантации пациентам. Пока для пересадок подходят относительно простые по устройству органы, такие как мочевой пузырь, кровеносные сосуды или роговица глаза. А многослойные, сложно организованные органы вроде почек и желудка, в которых каждая ткань имеет свои функции, методами тканевой инженерии воспроизвести куда сложнее.
К современным искусственным органам относят:
- органы-на-чипе;
- 3D модели;
- органы, трансплантируемые на начальном этапе развития;
- органы, выращенные на био— и полимерном матриксе;
- протезы.
Протезы, в свою очередь, делятся на:
- эндопротезы — функциональные устройства, которые вживляют в организм;
- экзопротезы — изделия, которые закрепляются снаружи и выполняют задачи потерянного органа;
- эктопротезы — косметические протезы без функциональной нагрузки, которые также закрепляются снаружи.
Нейронные протезы
Нейронные протезы — это эндопротезы, которые используют для реабилитации пациентов с потерей двигательной и чувствительной функций. Слуховой аппарат — один из самых распространенных на сегодня нейронных протезов. Он восстанавливает функции барабанной перепонки и стремечка, возвращая слух человеку.
Нейропротезирование начинают применять и для лечения эпилепсии. Калифорнийская компания Neuropace выпустила нейростимулятор ответных реакций (Responsive Neurostimulato, RNS). Испытания Neuropace проводились на сотне пациентов, страдающих эпилепсией, и положительный эффект от устройства зафиксировали в 50% случаев использования нейростимулятора.
А в 2011 году Теодор Бергер из Университета Южной Калифорнии изобрел первый имплантат памяти. Бергер испытал устройство на крысах. Подопытные животные должны были попеременно нажимать на два рычага. После фармакологической блокировки собственных мозговых импульсов грызунов и отправки одинаковых импульсов с помощью приборов, животные смогли «вспомнить», то есть воспроизвести последовательность нажатий рычага. Бергер и его команда утверждают, что использование этой технологии поможет улучшить память у людей после инсульта и пациентов с болезнью Альцгеймера.
Бионические протезы
Бионические протезы рук относятся к экзопротезам. С их помощью пациентам почти полностью возмещают потерянную функцию руки. А некоторые новейшие устройства этого типа даже позволяют человеку осязать объекты. Один из проектов бионического протеза с такой функцией — результат совместной работы американского Агентства перспективных исследований в области обороны (DARPA) и лаборатории прикладной физики в университете Джона Хопкинса. Эффект осязания достигается в таком бионическом протезе за счет электродов, внедренных в сенсорную и двигательную коры мозга. Датчики на протезе реагируют, когда изделие испытывает на себе давление, и, трансформируя эту силу в электрические сигналы, отправляют их в мозг пациента.
Александр Сушков, кандидат медицинских наук, врач-исследователь, эксперт Rustransplant:
«Сейчас вполне возможна пересадка верхних конечностей от посмертных доноров. Однако мировой опыт минимален и ограничивается единичными наблюдениями. Такие трансплантации требуют достаточно интенсивного режима иммуносупрессивной терапии. Кроме того, восстановление функциональной активности и мелкой моторики происходит с определенным дефицитом. Поэтому бионические протезы представляются наилучшим способом замещения утраченных конечностей. Хочется надеяться, что уже в ближайшие годы это станет стандартом помощи нуждающимся пациентам».
Андрей Давидюк, генеральный директор компании по производству роботизированных функциональных протезов рук «Моторика», утверждает, что главный тренд в индустрии — переход с косметических протезов на функциональные бионические.
Бионические протезы делятся на два типа:
- однохваты, где есть жест сжать/разжать кисть;
- многохваты, где, помимо базового жеста сжать/разжать кисть, протез может показывать предварительно программируемые движения, которые меняются с помощью приложения смартфона.
И в России, и в мире больше всего востребована многохватная бионика — она наиболее функциональна. Однако, говорит эксперт, однохватная бионика тоже популярна: «Например для людей, которые привыкли делать все в быту одной рукой, достаточного хватательного жеста. Однохватная бионика также хороша для пожилых людей, которым не хочется программировать жесты на смартфоне. Еще один плюс однохватных протезов: меньше подвижных элементов — меньше шансов поломки и выше автономность».
По словам Давидюка, цены на бионические протезы начинаются от ₽500 тыс. (однохват предплечья) и заканчиваются где-то ₽8 млн (однохват или многохват предплечья с локтем). Стоимость зависит от уровня травмы и ее индивидуальных особенностей, а также от сложности дизайна. В России хорошо работает система обеспечения протезирования. Государство оплачивает гражданам как самые простые модели, так и дорогую бионику за несколько миллионов рублей. Поэтому пользователи крайне редко приобретают протезы за свой счет.
Производители бионических протезов постоянно расширяют возможности и функционал своих изделий. Существуют, например, устройства со встроенной системой PayPass и wi-fi-модулем.
Орган-на-чипе
Органы-на-чипе — это небольшие пластинки с ячейками, которые заселяются клетками. Это могут быть любые клетки — печени, легкого или желудка. Ячейки соединяются каналами, которые имитируют кровообращение и обмен тканевой жидкостью, то есть создают условия, приближенные к внутренней среде живого. Такие системы внешне совсем не похожи на реальный орган, зато они могут воспроизводить до некоторой степени его структуру и специфические функции. Это удобный и этически нейтральный «полигон» для доклинических исследований лекарств, медицинского оборудования и заболеваний. На один чип можно пересаживать клетки разных органов (например, печени и почек) и изучать их взаимодействие, распространение инфекции от органа к органу, прогрессирование опухолей и многое другое.
Первый орган-на-чипе был создан в 2010 году. Сейчас такие приборы могут воспроизводить работу почки, печени, кишечника и даже гематоэнцефалического барьера (ГЭБ).
Гематоэнцефалический барьер служит защитным барьером от проникновения микроорганизмов, токсинов и некоторых лекарств в головной мозг. Создание искусственного ГЭБа позволяет изучать степень просачивания прототипа лекарства непосредственно в центральную нервную систему на этапе доклинических исследований.
3D-печать
Современные 3D-биопринтеры умеют печатать клетки живого организма и внеклеточный матрикс — связующее вещество, которое обеспечивает механическую поддержку и передачу химических веществ от одной клетки к другой. Трехмерные органы, в отличие от органов-на-чипах, получаются заранее заданной формы и могут «подгоняться» под индивидуальные параметры реципиента. Чтобы избежать отторжения тканей, трехмерные органы создаются на основе клеток пациента.
Сперва на компьютере строится полная трехмерная модель макро- и микроструктуры органа. Затем отбираются стволовые клетки, которые в будущем оформятся в клетки определенного типа — мышц, кожи, уретры и тд. Всего человеческие клетки могут специализироваться примерно в 230 типов. Частицы заселяют картридж принтера и выдерживаются там в гидрогеле, который имитирует функции биоматрикса. В процессе печатания клетки переносятся с картриджа на подложку, аналог «бумаги», и соединяются под действием сил поверхностного натяжения в заданную компьютерном форму.
3D-печать органов на сегодня считается одной из наиболее перспективных технологий создания искусственных органов. В июне 2020 года исследователи из Университета Сычуаня напечатали 3D-модель человеческого уха прямо под кожей мыши. Эксперимент с грызуном, по мнению авторов, открывает далекие перспективы по разработке неинвазивного выращивания 3D-органа прямо в носителе, избегая процедуры трансплантации.
Органы на каркасе
Органы можно не только напечатать на принтере, но и вырастить на полимерном или биологическом каркасе. В первом случае биоинженеры создают каркас из биоразрушаемого полимера, внедряют в него клетки, которые постепенно заполняют собой все пространство. Во втором — происходит примерно то же, только в качестве матрикса используются оболочки от донорских органов людей и подопытных животных: они очищаются от собственных клеток и выстилаются клетками реципиента. Такую технологию применяют, когда у карсака будущего органа сложная структура или состав.
И в первом, и во втором случае заселение клетками — довольно трудоемкая процедура, которая возможна лишь в условиях, максимально имитирующих внутреннюю среду организма. Такие условия сейчас поддерживаются с помощью биореактора. Однако первый эксперимент по технологии создания органа на биокаркасе проводился прямо на подопытном животном, служившим инкубатором. В 1990-е группа ученых во главе с Джозефом Ваканти, Линдой Гриффит и Джозефом Аптоном использовали в качестве среды для выращивания уха живую мышь. Каркас в форме человеческого уха состоял из деградирующего полиэстера, а клеточной основой служили хрящевые клетки теленка. Когда каркас распался, на спине мыши отчетливо виднелось ухо, по форме напоминающее человеческое. Фотографии этой мыши облетели весь мир и вызвали шквал критики в адрес ученых.
Альтернативный способ создания органов состоит в том, чтобы воспроизвести в лабораторных условиях начальные этапы развития живого организма — эмбриоиды (зародыши, которые развиваются не из половых, а из соматических клеток). Конечно, воссоздание всех стадии развития органа в искусственной среде — задача непростая и мало оправданная: условия среды, в которой будет расти будущий орган, придется постоянно менять. Другое дело — трансплантировать пациенту такое эмбриональное тельце, а дальше — наблюдать за его развитием во внутренней среде организма. Впервые такой проект реализовала группа японских ученых в 2013 году. Они вырастили в чашке Петри зачаточные образцы печени и успешно пересадили их подопытным мышам.
Перспективы рынка искусственных органов
К 2030 году рынок бионических имплантатов и искусственных органов достигнет $22,17 млрд после роста в среднем на 7,90% в течение периода 2022–2030 годов. Динамический рост рынка будет обеспечиваться увеличивающимся спросом на искусственные органы и бионические протезы. Среди всех донорских органов наиболее востребованным в ближайшем будущем станет искусственное сердце, считают в Emergen Research. Спрос на этот прибор будет расти на 8,7% ежегодно.
Александр Сушков:
«Несмотря на существенные успехи в области разработки устройств вспомогательного кровообращения, эти аппараты, которые иногда называют «искусственное сердце» рассматриваются пока как временная мера, которая дает возможность либо для восстановления функции собственного сердца пациента, либо для ожидания донорского органа. Безусловно, наука и технологии не стоят на месте, но пациентам с тяжелыми и необратимыми заболеваниями внутренних органов лечение нужно прямо сейчас. Поэтому развитие программ посмертного донорства и трансплантаций органов — крайне важная задача для медицины на текущий момент».
Рост популярности искусственных органов в будущем будет связан с тем, что последние имеют ряд преимуществ. Они лучше приживаются в оргазме, реже вызывают отторжение, чем донорские органы, и могут производиться в больших количествах. Основными факторами расширения этого рынка считается внедрение новых технологий, отказ от донорских органов из-за возрастных заболеваний у хозяев, увеличение числа несчастных случаев и травм, требующих немедленной трансплантаций. При этом следует учитывать и сдерживающие факторы для рынка. Это и ограничение, накладываемое медицинскими регуляторами в законном использовании изделий, а еще — нехватка навыков работы с такими органами среди специалистов и высокая стоимость разработок.
Основные игроки рынка
Ключевыми игроками на рынке в ближайшие десять лет, по версии международной платформы по продаже искусственных органов Emergen, станут компании Cochlear Ltd, Zimmer Biomet, Ekso Bionics, Boston Scientific Corporation, Abiomed Inc., Berlin Heart GmbH, Medtronic, Nipro Corporation и другие. Что касается отечественных разработок, то здесь на первый план выходят такие компании, как «Моторика» (она разрабатывают тяговые и бионические протезы рук для взрослых и детей), MaxBionic, «Орто-Космос» (первый в России изготовитель протезов для спорта) и другие.
Александр Сушков:
«Следует признать, что подавляющее большинство аппаратов и расходных материалов, которые сейчас используются при трансплантации органов, зарубежного производства. Тем не менее, есть и отечественные изделия. Например, носимый аппарат вспомогательного кровообращения АВК-Н. Прибор позволяет протезировать функцию левого желудочка сердца. Важно, что разработка уже дошла до пациентов. Насколько мне известно, продолжаются работы по совершенствованию устройства и созданию более миниатюрного варианта для педиатрической практики. Это очень хорошее и важное дело.
Также недавно была создана отечественная машина для сохранения донорской печени. Как и левожелудочковый обход — это по-настоящему высокотехнологичное медицинское изделие. Пока этот аппарат проходит различные этапы регистрационных процедур. Очень многие специалисты в нашей стране ждут, когда он станет доступен для использования. Такие машины полезны не только для клинической практики, но могут использоваться для проведения широкого круга фундаментальных и прикладных исследований».
Сегодня в лабораториях по всему миру ведутся масштабные разработки искусственного сердца, печени, легких, уретры и многих других органов. Однако науке еще предстоит преодолеть множество препятствий, прежде чем эти искусственные органы станут частью медицинской рутины. И несмотря на то, что ученые активно тестируют новые способы получения органов, число проектов, которые «доживают» до клинических испытаний и могут применяться для трансплантаций прямо сейчас, пока очень невелико.
Лучшие результаты показали испытания с применением искусственного матрикса, который заселяется клетками пациента, создавая нужный орган «с нуля». Один из наиболее успешных кейсов — искусственная кожа от компаний Celaderm, Alloderm и Dermagraft. Это не точная копия реальной кожи. В основе разработки — полимерный матрикс, который заселяется клетками пациента, преобразуясь в будущий орган. Устройство хорошо покрывает не очень большие дефекты кожи, а также подходит для тестирования косметики. L’Oreal уже закупает ткани, напечатанные на 3D-принтере, чтобы сократить количество испытаний на животных. Компания также владеет патентом на искусственную кожу от компании Episkin. В основе такого эпидермиса — клетки пациентов, перенесших операцию по пересадке кожи.
Инновационный проект реализует сейчас и компания Techshot, работающая с NASA. Ученые из Techshot тестируют 3D-печать органов в открытом космосе. Это связано с тем, что напечатанные органы лучше развиваются в условиях невесомости.
Фокус внимания ученых направлен не только на создание качественных органов, но и удешевление самой процедуры их производства. Сотрудники кафедры машиностроения Университета Вандербильта (США) использовали в качестве биопринтера искусственных капилляров машину для изготовления сахарной ваты стоимостью $40 от Target. Так как автомат производит нити диаметром примерно в 0,1 человеческого волоса, исследователи из Вандербильта смогли использовать этот дешевый аналог принтера для создания искусственных кровеносных сосудов.
Одна из последних разработок, которая пока не дошла до этапа клинических испытаний, — это новый тип искусственных эритроцитов. Они в 5 раз меньше клеток крови и изготовлены из очищенных белков гемоглобина, покрытых синтетическим полимером. За разработкой искусственных эритроцитов стоит сотрудник Медицинской школы Университета Мэриленда, профессор Аллан Доктор. «Биосинтетические переносчики кислорода все еще находятся в продвинутой доклинической разработке из-за сложности имитации человеческих клеток крови. Это довольно долгий путь и, может быть, пройдет десять лет, прежде чем мы сможем сказать о подтвержденной эффективности этого изобретения», — отмечает Доктор.
Тем не менее, автор исследования считает искусственные эритроциты крайне перспективной разработкой и утверждает, что такие эритроциты будут использоваться людьми с любой группой крови, поскольку полимерное покрытие искусственной крови можно считать универсальным и «иммунно нейтральным». Наконец, искусственные эритроциты в будущем могут помочь сохранить донорские органы живыми на пути к получателю, а также храниться в больницах про запас для использования в сложных операциях.