Медицина

За последние годы благодаря достижениям биотехнологии разработаны эффективные методы и средства, в том числе принципиально новые, для диагностики и лечения многих заболеваний.

Диагностические медицинские биотехнологии

Метод ПЦР (полимеразная ценная реакция), сущность которого заключается в многократном увеличении числа копий специфического участка ДНК инфекционного агента (бактерий, вирусов, грибов, простейших), катализируемое ферментом ДНК-полимера- зой. После 30—40 циклов полимеразной цепной реакции накапливается такое количество ДНК, которое оказывается достаточным для ее идентификации обычными биохимическими методами (электрофорез и др.). Достоинствами данного метода являются прямое определение наличия возбудителей, высокая специфичность и чувствительность (10—1000 микроорганизмов в пробе), возможность диагностики не только острых, но и латентных инфекций.

Метод молекулярных колоний. Ключевой фигурой данного метода является уникальный фермент — РПК-зависимая РПК-поли- мераза бактериофага Qp (Qp-рспликаза), способная эффективно размножать в бесклеточных системах полирибонуклеотиды. Как исходная РНК, так и ее копия могут служить матрицами в следующем цикле репликации. Очевидно, что при этом количество молекул РНК увеличивается по экспоненте (за 10 мин фермент может синтезировать 10 млрд копий одной молекулы РНК). Отличительная особенность данного метода заключается в том, что полимеразная реакция проводится не в жидкости, а в слое геля, который, как известно, ограничивает конвекционные потоки растворителя и диффузию нуклеиновых кислот (но не нуклеотидов и других малых молекул). Благодаря этому обстоятельству потомство каждой молекулы формирует компактную молекулярную колонию. Если в систему вносится смесь различных РНК (и равномерно распределяется по поверхности геля) в результате образуется двумерный рисунок «индивидуальных» колоний (молекулярных клонов). Первые попытки применения данного метода в медицинской практике дали обнадеживающие результаты. Так, в крови больного лейкозом, находящегося в фазе ремиссии, удалось выявить специфический для данного заболевания РНК-маркер за 3 месяца до появления первых клинических признаков рецидива. Весьма перспективным представляется использование метода молекулярных колоний для ранней диагностики раковых опухолей. Продемонстрировано наличие в крови больных с опухолями кишечника, печени, поджелудочной железы, легких и молочной железы специфического онкомаркера — иРНК белка цитокератина-19 (отсутствующего у здоровых людей). Необходимо особо отметить такие достоинства метода молекулярных колоний, как высокую чувствительность (в 100—1000 раз по сравнению с методом ПЦР) и почти абсолютную специфичность.

Метод биосенсоров. Биосенсор — это искусственная конструкция, в которой чувствительный элемент представлен биологическим материалом (ткань, клетки, органеллы, биомембраны, бактерии, дрожжи, ферменты, белки, антигены, антитела идр.). Последний непосредственно реагирует с искомым химическим компонентом, присутствующим в исследуемой среде, и, изменяя свои химические (физические) характеристики, генерирует сигнал (изменение электрического потенциала, оптических свойств и др.). Находящийся в тесном контакте с чувствительным элементом физический преобразователь фиксирует и усиливает этот сигнал (рис. 16.3). Биосенсоры относятся к безреагентным методам анализа, так как входящий в их структуру биоматериал позволяет специфически взаимодействовать с необходимым веществом в любых смесях и освобождает исследователя от использования каких бы то ни было дополнительных реагентов и лабораторных процедур. Разработаны высокоэффективные биосенсоры для определения содержания глюкозы, аскорбиновой кислоты, допамина (биологически активного агента, играющего важную роль в регуляции деятельности нервной системы) и др.

Принципиальная схема действия биосенсора

Рис. 163. Принципиальная схема действия биосенсора

Метод биологических микрочипов. Биочипы представляют собой микроматрицы элементов, представляющих собой биополимеры, иммобилизованные на кремниевой подложке или в микроскопических каплях геля, помещенные в реакционную камеру с входом и выходом, в которой поддерживаются строго контролируемые условия протекания реакции (рис. 16.4). Основным достоинством биочипов является возможность одновременного проведения на отдельных его элементах огромного количества специфических реакций обнаружения макромолекул (ДНК, ферментов, антител, рецепторов и др.). Специализированные виды биочипов позволяют изучать экспрессию генов бактерий, одноклеточных и многоклеточных эукариотических организмов, в том числе человека. Для медицинских целей разработаны биочипы, позволяющие выявлять различные токсины, раковые антигены и антитела, идентифицировать мутации в генах, вызывающих наследственные заболевания

Биологический микрочип

Рис. 16.4. Биологический микрочип:

а — внешний вид; б — увеличенное изображение матрицы элементов биочипа — иммобилизованных молекул на его поверхности; ярко светящиеся точки соответствуют тем элементам, с которыми связались искомые молекулы, например ДНК патогенных бактерий в мокроте больного

у человека, а также генов, ответственных за синтез токсинов и генов, определяющих устойчивость к антибиотикам у бактерий.

Кроме того, на основе антигенов, полученных генноинженерным методом, разработаны препараты (тест-системы) для диагностики инфекционных гепатитов и ряда других заболеваний (в том числе ВИЧ).

Лечебные и профилактические медицинские биотехнологии

Одним из заметных достижений медицинской биотехнологии является разработка эффективных прививочных препаратов (живых и убитых вакцин), которые широко применяются для профилактики гепатита В, туберкулеза, чумы, туляремии, оспы, полиомиелита, брюшного тифа, коклюша, холеры, дизентерии и других инфекционных заболеваний. Также созданы противоаллергические вакцины, в частности вакцина на основе модифицированного компонента пыльцы березы.

Оригинальный подход к созданию вакцин для массовой профилактики наиболее распространенных (в определенных регионах Земли) инфекционных заболеваний предложили японские исследователи. При помощи генноинженерного метода в геном съедобного растения встраивается фрагмент генома болезнетворной бактерии, содержащий ген, кодирующий химический компонент (белок, полисахарид), обладающий иммуногенной активностью (антиген). Причем производится это таким образом, чтобы продукт, образующийся в результате экспрессии этого гена, оказался в структурных элементах растительной клетки (в частности, некоторых трофических включений), устойчивых к действию пищеварительных ферментов. Предполагалось, что контакт антигена с эпителием желудочно-кишечного тракта, в первую очередь с М-клетками нейе- ровых бляшек (ответственных за рецепцию пищевых антигенов), индуцирует развитие иммунной реакции. Действительно, в экспериментах на мышах продемонстрировано, что скармливание им риса с интегрированным геном, кодирующим В-субъединицу холерного токсина, привело к формированию устойчивого противохолерного иммунитета. При этом соответствующие антитела обнаруживались не только в сыворотке крови, но в эпителии кишечника, что указывает на развитие не только общего, но и местного иммунитета, а это имеет особое значение для инфекций, возбудители которых проникают в организм оральным путем.

В качестве лекарственных средств используются полученные с использованием биотехнологических методов антибиотики, антигрибковые средства, гормоны, иммуномодуляторы, антиоксиданты, витамины, ферменты, факторы свертывания крови. Проходят клинические испытания противораковые препараты, созданные на основе токсинов, выделенных из морских организмов (рыб, кораллов и др.).

Особое место среди лечебно-профилактических препаратов занимают препараты на основе живых культур микроорганизмов, которые применяют для поддержания нормальной микробиоты кишечника и коррекции дисбиоза.

Также заслуживает внимания способ профилактики инфекционных заболеваний, вызываемых бактериями — загрязнителями пищевых продуктов (в частности, возбудителями листериоза), с помощью бактериофагов, безвредных для здорового человека. Для этого взвесь определенным образом подготовленных бактериофагов распыляют по поверхности продуктов (в первую очередь мясных), готовых к употреблению (ветчина, колбасы, нарезки и др.).

С уточнением важной роли стволовых клеток в морфогенетических и регенераторных процессах и разработкой биотехнологических методов их получения в достаточно больших количествах наметилось и стало интенсивно развиваться новое направление медицины — клеточная терапия. Поскольку стволовые клетки, как известно, обладают свойством полипотентности, т.е. могут дифференцироваться во все (или почти во все) типы клеток человеческого организма, исследуется возможность их использования для лечения ряда заболеваний (инфаркт миокарда, инсульт, переломы костей, травматические повреждения спинного мозга и др.), а также профилактики и коррекции возрастных изменений. В этом плане в качестве наиболее перспективного инструмента рассматриваются колониеобразующие (стромальные) стволовые клетки костномозгового происхождения, имеющиеся в крови здоровых людей, и сравнительно легкодоступные стволовые клетки пуповинной крови. Доказана их способность дифференцироваться в хондроци- ты, остеобласты, липоциты, фибробласты, кардиомиоциты, гладкие миоциты, миобласты (в результате слияния последних образуются поперечно-полосатые мышечные волокна). Накапливаются экспериментальные факты, указывающие на возможность превращения стволовых клеток в нейроны, клетки паренхимы почки, печени и клетки, выстилающие желчные протоки. В этом плане особый интерес представляют исследования по трансформации стволовых клеток поджелудочной железы в бета-инсулоциты, являющиеся, как известно, единственным источником инсулина в организме человека. Установлено, что ключевую роль в этом процессе играют три фактора транскрипции — белки Ngn3, Pdxl и Mafa. В экспериментах на мышах показано, что включение (с помощью вирусов) в геном стволовых клеток нуклеотидных последовательностей, кодирующих данные белки, приводило (в определенном проценте случаев) к тому, что они начинали вырабатывать инсулин.

Заслуживает внимания другой пример целенаправленной модификации стволовых клеток. Также с помощью гениоинженерной технологии удалось интегрировать в геном костномозговых стволовых клеток ген, контролирующий синтез белка специальных мембранных канатов. Такие канаты имеются только в плазматемме клеток — водителей ритма узлов проводящей системы сердца, и благодаря им клетки обладают уникальной способностью к периодической генерации особых электрических потенциалов (пейсмейкерный ток). Последние, распространяясь но миокарду предсердий и элементам проводящей системы, задают определенный ритм сердечных сокращений. С использованием модифицированных таким образом стволовых клеток предпринимаются попытки создания искусственных биологических кардиостимуляторов и их имплантации экспериментальным животным. Есть все основания полагать, что методы клеточной терапии найдут широкое применение в гематологии, травматологии, кардиологии, неврологии, онкологии и других областях медицины. В будущем планируется создание банка стволовых клеток и организация соответствующей донорской службы для обеспечения нужд кардиологии, онкологии, ортопедии, неврологии и других отраслей медицины.

С внедрением в клиническую практику генноинженерной технологии сформировалась новая отрасль медицины — генная терапия. Принципиальное отличие данного методологического подхода к лечению наследственных заболеваний и заболеваний с наследственной предрасположенностью заключается в том, что он направлен на устранение их первопричины, а не внешних проявлений (симптомов). Главной задачей генной терапии является коррекция поврежденного гена или его замена. Однако в действительности в силу значительных методических трудностей эта задача заменяется другой — внесением дополнительного гена (генов). При этом исследователи стремятся осуществить точную адресную доставку данного гена — в зависимости от природы заболевания внедрить его во все соматические клетки, часть соматических клеток (куда случайно попадет) или клетки определенной ткани (органа). Достигается это двумя путями. В первом случае генноинженерные операции проводят с предварительно выделенными клетками пациента (после чего их возвращают хозяину), во втором случае ген вводят в организм больного в составе гибридного комплекса «ген — вектор». Векторы подразделяются на синтетические (липо- сомы и др.) и природные (бактериальные плазмиды или вирусы). Используемые для этой цели вирусы модифицируют таким образом, что они теряют свои патогенные свойства. Примером успешного применения генной инженерии в медицине может служить положительный клинический эффект, полученный в результате введения пациентам с недостаточностью периферического кровообращения плазмиды со встроенным в ее структуру геном, кодиру- щим белок — стимулятор роста сосудов. Однако необходимо иметь в виду, что интеграция в геном дополнительного гена (генов) может нарушить сложную сеть межгенных взаимодействий и привести к негативным последствиям, предвидеть которые практически невозможно. В этом отношении весьма показательны трудности, с которыми столкнулись врачи при генной терапии острой комбинированной иммунной недостаточности — тяжелого заболевания, при котором новорожденного сразу помещают в стерильную камеру, ибо контакт с любым микробом для него потенциально опасен. Путем искусственной модификации одного из генов, контролирующих иммунитет, удалось добиться почти полного восстановления функций иммунной системы. По вскоре у этих детей развилась лейкемия. Возникновение последней связывают с тем, что ретро- вирус, использованный в качестве вектора, встроился в геном таким образом, что существенно нарушил функционирование других генов. Этот факт еще раз указывает на необходимость тщательного доклинического испытания методов генной терапии на экспериментальных моделях, максимально приближенных к человеку.

Оригинальный подход к лечению вирусных заболеваний (который также можно рассматривать как разновидность генной терапии) был разработан в процессе поиска эффективного способа лечения синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИДа), вызываемого РНК-вирусом. Известно, что если ДНК-копия вирусного генома (называемая провирусом) интегрировалась в геном клетки, то такую клетку вернуть в нормальное состояние (т.е. вылечить) традиционными методами невозможно. Дело в том, что на ДНК-матрице провируса эффективно идет биосинтез вирусных

РНК, затем синтезируются белковые и небелковые компоненты оболочки вируса, после чего происходит сборка вирусных частиц. Характерной чертой вируса СПИДа (и соответственно, провируса, встроенного в ДНК хозяина) является наличие на концах особых нуклеотидных последовательностей. С помощью генноинженерной технологии исследователям удалось модифицировать один из ферментов (из группы сайт-специфических рекомбиназ) бактериофага Р1 таким образом, что он приобрел способность специфически узнавать концевые последовательности провируса и вырезать участок ДНК между ними. Хотя до внедрения данного метода в клиническую практику еще далеко, значение этого исследования оценивается очень высоко, так как оно намечает новую стратегию лечения вирусных инфекций.

В качестве самостоятельной ветви генной терапии можно выделить разработанный отечественными исследователями способ лечения такого широко распространенного патологического состояния как хроническая ишемия нижних конечностей. Сущность данного метода заключается в следующем. С помощью нескольких внутримышечных инъекций в йогу больного вводят взвесь плазмид, содержащих человеческий ген VEGF, кодирующий эндотелиальный фактор роста сосудов. Плазмиды проникают внутрь клеток ишемизированной ткани, которые начинают синтезировать данный белок, используя ген VEGF в качестве матрицы, и выделять его в местный кровоток. Здесь он связывается с рецепторами эндо- телиоцитов, что является сигналом для активации механизма митоза. Клетки эндотелия активно делятся и начинают формировать эндотелиальную трубочку — прообраз будущего сосуда. Далее эндотелиальный каркас покрывается гладкомышечным и соединительнотканным слоями, что завершается образованием полноценного кровеносного сосуда. В итоге кровоток восстанавливается, что приводит к улучшению кислородного снабжения тканей. Созданный на основе данной плазмидной конструкции фармакологический препарат (неоваскулген) прошел все этапы клинических испытаний и получил высокую оценку экспертов. Несомненным достоинством данного лекарственного средства также является его безопасность. Дело в том, что вне клеток плазмиды быстро (десятки минут) разрушается ферментами-гидролазами и практически не попадают в общий кровоток. Внутри клеток после запуска программы ангиогенеза плазмиды работают 1 — 14 сут, после чего исчезают. Полагают, что в этих условиях интеграции плазмидной конструкции в геном клетки не происходит.

Несомненный интерес представляют попытки борьбы со злокачественными опухолями с помощью вирусов, в том числе генетически модифицированных, избирательно поражающих раковые клетки. Обнадеживающие результаты получены в экспериментах на мышах с раком легких, которым вводили модифицированные вирусы СПИДа. Положительный эффект на развитие опухолей мозга, печени, легких и матки мышей также достигнут при их обработке модифицированными аденовирусами. Имеются отдельные клинические наблюдения, в которых для лечения больных с плоскоклеточным раком головы и шеи успешно применяли модифицированные вирусы герпеса. В ряде случаев эффективным противоопухолевым средством оказываются нативные вирусы. В частности, был получен отчетливый клинический эффект при использовании реовирусов (которые, как известно, вызывают простудные заболевания у детей, но безвредны для взрослых) для лечения пациентов с опухолями предстательной железы.

В последние годы отечественными учеными предложен принципиально новый подход к лечению наследственных заболеваний, обусловленных генными мутациями, изменяющими смысл кодо- нов. Напомним, что в норме бессмысленные, т.с. нс кодирующие никаких аминокислот кодоны (стон-кодоны) находятся в конце структурных генов и являются сигналами для остановки трансляции соответствующих и РНК. Появление таких кодонов в результате точечных генных мутаций (замена одного-двух нуклеотидов в кодоне) в любом другом участке структурного гена чревато неблагоприятными последствиями — образованием укороченных (и в большинстве своем функционально неполноценных) белков. Способностью превращать бессмысленные кодоны в значащие (и таким образом обеспечивать сквозное прочтение гена, точнее, его слепка в составе и PH К при трансляции) обладают супрессорные РНК. Однако эффективность их функционирования невысока (около 0,1%) вследствие сдерживающего влияния специальных белков (факторов терминации трансляции, являющихся РНК-связывающи- ми пептидами и специфически взаимодействующими с определенными бессмысленными кодонами, — ФТТ). В противном случае значительная часть стоп-кодонов становилась бы значащей и многие белки имели бы избыточную длину, что могло приводить к нежелательным для клетки (организма) последствиям. Сущность нового способа лечения наследственных заболеваний, получившего название трансляционная терапия, заключается в интеграции в геном больного человека модифицированного гена, в результате чего синтезируется ФТТ с измененными свойствами. Этот белок по принципу конкуренции вытесняет из сферы действия именно тот ФТТ, который «мешает» работе супрессорных РНК, восстанавливающих бессмысленные кодоны, находящиеся в запрещенных местах.

Весьма перспективным представляются исследования по конструированию и использованию в медицинских целях напотел. Исходным материалом для их получения является кровь некоторых видов верблюдов и лам, у которых наряду с обычными антителами образуются антитела, лишенные легких цепей. Выделенные из крови лимфоциты, способные к продукции таких антител, с помощью генноинженерной технологии модифицируют таким образом, что они начинают синтезировать только вариабельный фрагмент тяжелых цепей, обеспечивающий специфичность связывания антитела с мишенью. Эти белковые фрагменты и представляют собой нанотела. Одним из наиболее ценных свойств нанотел является их способность взаимодействовать с различными по химической природе веществами. Кроме того, благодаря малым размерам молекул (приблизительно в десять раз меньших по сравнению с обычными антителами), высокой подвижности и отсутствию склонности к слипанию нанотела могут глубоко проникать в ткани. С учетом этих особенностей удалось получить бифункциональные напотела, на одном «полюсе» имеющие сайт для связывания с поверхностными рецепторами опухолевых клеток, на другом — несущие искусственно присоединенный фермент, превращающий неактивную форму химиотерапевтического препарата (химически индифферентную и нетоксичную) в активную. Исследователи полагали, что с их помощью можно обеспечить высокоточную адресную доставку губительного для опухоли лекарственного вещества, не причиняя сколько-нибудь существенного вреда окружающим здоровым клеткам и всему организму. В экспериментах на мышах показано, что введение животным-опухоленосителям, предварительно получавшим данные напотела (и спустя некоторое время, необходимое для удаления из организма не связавшихся нанотел), химиотерапевтического средства приводит к полной регрессии опухолей. Учитывая относительную устойчивость напотел к изменениям pH и температуры, а также низкую иммуногенность, высказываются оптимистичные прогнозы в плане создания на их основе эффективных противораковых и противовоспалительных препаратов. Обсуждаются перспективы использования нанотел для лечения ревматоидного артрита, заболеваний органов желудочно-кишечного тракта и др.

Особого внимания заслуживает такое направление медицинской биотехнологии, как разработка искусственных и биоискусст- венных органов. Под искусственными органами в медицинской биотехнологии подразумевают выращенные in vitro изолированные клетки, кусочки ткани, фрагменты органа или целые органы. Био- искусственные органы представляют собой гибридные конструкции, состоящие из технического и биологического компонентов и временно замещающие поврежденный аналогичный орган. Примером искусственного органа является культура островковых клеток поджелудочной железы, способных вырабатывать инсулин. Эти клетки выделяют из поджелудочной железы донора — родственника, плодов человека, свиньи, крупного рогатого скота, а также новорожденных кроликов. Полученную взвесь клеток вводят в кровяное русло больных сахарным диабетом и таким образом компенсируют дефицит инсулина — ведущий фактор в развитии данного заболевания. Другим примером искусственного органа может служить мочевой пузырь, выращенный на специальной подложке из гладких миоцитов и эпителиоцитов, выделенных из прижизненно полученных образцов ткани собственного мочевого пузыря пациентов, нуждающихся в хирургической коррекции органа. Заслуживают внимания исследования по созданию искусственных органов путем их выращивания из малодифференцированных клеток пациента, используя в качестве каркаса донорские органы, лишенные клеток рабочей паренхимы. Таким образом было получено функционально активное сердце крысы. Авторы полагают, что созданные данным методом органы не будут отторгаться иммунной системой и поэтому подбор доноров существенно упростится. Также имеются сообщения об удачных попытках создания (и имплантации лабораторным животным и человеку) искусственных сердечных клапанов, трахеи, кровеносных сосудов и фрагментов кости (в последнем случае в качестве опорной структуры использовали углеродные нанотрубки, но диаметру близкие к коллагеновым волокнам). В этом ряду особо следует выделить искусственную кожу, полученную путем заселения фибробластами матрицы из волокон фибрина (рис. 16.5). Испытания на добровольцах, которым на место удаленной кожи трансплантировали фрагмент искусственной кожи, показали, что последняя не подверглась деструкции. Более того, в нее мигрировали клетки окружающих тканей и проросли кровеносные сосуды. Обсуждаются перспективы использования искусственной кожи при лечении ожогов.

Разработчики технологии создания искусственных органов и тканей большие надежды связывают с использованием лазерной стереолитографии, сущность которой заключается в избирательной полимеризации материала под действием луча лазера, управляемого компьютером в соответствии с заложенными в него моделями. Применительно к медицинским задачам это могут быть органы, части органов, те или иные гистоструктуры. Данный метод позволяет достаточно быстро и с высокой точностью получать геометрические макеты соответствующих биоэлементов с необходи-

Гистологический срез кожи, содержащий участки пересаженной искусственной и нормальной кожи

Рис. 16.5. Гистологический срез кожи, содержащий участки пересаженной искусственной и нормальной кожи

мой внутренней структурой (в частности, сетью микроскопических каналов). Последнее обстоятельство представляется особенно важным, поскольку для превращения полимерного макета в искусственный орган необходимо заселить его культурой клеток, полученных от самого больного. При этом ожидается, что по мере размножения клеток и заполнения ими его микропространств полимер полностью распадется и в итоге сформируется биоструктура (имплантат) с заданными геометрическими параметрами.

В последние годы предложен новый оригинальный подход к созданию искусственных органов и тканей — «сборка» их с помощью бионринтера. Принципиальным отличием этого метода является то, что формирование органа происходит в соответствии с заранее разработанной компьютерной трехмерной моделью и не нуждается в организующем каркасе. Основные узлы данного технологического комплекса представлены биопринтером с вмонтированными в него видеокамерами (для визуального контроля в реальном времени), компьютером и устройством для приготовления «биочернил» — взвеси из стандартизированных по размерам и форме клеточных ассоциатов (каждый из которых содержит несколько десятков тысяч клеток). Микропипетки картриджа могут заряжаться различными видами клеток (например, мышечными и эпителиальными). Кроме того, имеется специальная пипетка, заправленная скрепляющим гидрогелем, который содержит коллаген, факторы роста и другие компоненты, обеспечивающие жизнедеятельность клеток и их фиксацию в пространстве до того момента, когда они размножатся и образуют достаточно прочные межклеточные контакты. Печать осуществляется в режиме последовательного нанесения слоев геля, в которые включены комплексы из клеток различного типа (рис. 16.6). Разработчики метода не ставят перед собой цель создание искусственного органа, идентич-

Последовательные этапы (1—4) сборки «биоструктур» из взвеси клеток с помощью биопринтера

Рис. 16.6. Последовательные этапы (1—4) сборки «биоструктур» из взвеси клеток с помощью биопринтера

ного природному оригиналу (что вряд ли в принципе возможно); их задача — наладить «печать» заготовок, тканевая структура и клеточный состав которых приближаются к биологическому прототипу. Предполагается, что в этих гистотипических образованиях инициируется процесс морфогенеза, который и приведет к формированию функционально активной структуры. Первые результаты обнадеживают: получены ветвящиеся трубкообразные конструкции (исходный материал — эндотелиоциты и гладкие миоциты), сходные с кровеносными сосудами. Также удалось «напечатать» фрагменты работоспособной сердечной мышцы (рис. 16.7). Обсуждаются перспективы их использования в трансплантологии и других областях клинической и экспериментальной медицины.

В качестве примера биоискусственных органов можно привести перфузионную систему поддержки печени, которая представляет собой колонку (биореактор) с культивируемыми клетками печени и фрагментами ткани селезенки, полученными от доноров. Эта система с успехом используется для коррекции патологических изменений у больных с острой и хронической печеночной недостаточностью. Аналогичное по конструкции устройство (множество пластиковых полых волокон, внутри которых находятся живые клетки человеческой почки) создано для компенсации функциональной недостаточности выделительной системы.

Большой интерес также представляет разработка чипа (микросхемы), вживляемого в глазное яблоко и заменяющего сетчатку.

Изображения заготовок и фрагментов «тканей» (срезы), собранных с помощью биопринтера

Рис. 16.7. Изображения заготовок и фрагментов «тканей» (срезы), собранных с помощью биопринтера:

а — кольца из частиц «биочернил»; 6 — цилиндр, набранный из колец, сразу после сборки, через 12 и 24 ч (сверху вниз); в — цилиндрические структуры из гладких миоцитов (прообразы кровеносных сосудов); г — различные этапы сборки сердечной мышцы из частиц, содержащих кардиомиоциты и эндотелиоциты; д — график сокращений фрагмента сердечной мышцы, полученной с помощью биопринтера (по оси ординат — амплитуда сокращений, мкм, по оси абсцисс — время, с)

Принципиальная схема (а) и фрагмент (б) искусственной сетчатки

Рис. 16.8. Принципиальная схема (а) и фрагмент (б) искусственной сетчатки

Функциональная структура данного устройства аналогична таковой сетчатки и состоит из кремниевых транзисторов первого уровня (аналоги фоторецепторных клеток) и связанных с ними транзисторов второго уровня (аналогов биполярных и мультиполярных нейронов сетчатки) (рис. 16.8). 11ервые из них регистрируют световые раздражители, вторые осуществляют предварительную обработку информации и передают ее в мозг (благодаря непосредственным связям с волокнами глазного нерва). Также имеются ассоциативные элементы — аналоги горизонтальных и амакриновых нейронов, функция которых заключается в обеспечении горизонтальных связей между фоторецепторными клетками, биполярными и муль- типолярными нейронами.Несомненными достоинствами искусственной сетчатки являются ее способность адаптироваться к изменениям яркости и контрастности световых сигналов и отчетливое выделение движущихся объектов на неподвижном фоне.

Искусственная роговица

Рис. 16.9. Искусственная роговица

Обнадеживающие результаты получены в направлении создания искусственной роговицы. Исследователи создали гидрогель (содержание воды составляет 80%, как в живых тканях), твердая фаза которого представляет собой трехмерную сеть из двух полимеров — полиэтиленгликоля и полиакриловой кислоты (рис. 16.9). Изготовленный из него дисковидный протез характеризуется положительными физическими (совершенно про-

зрачен) и физико-химическими (проницаем для питательных веществ, в частности глюкозы) свойствами, а также достаточно хорошей биологической совместимостью. Последняя проявляется в том, что в него проникают и активно размножаются фибробласты (при этом вырабатывают коллагеновые волокна), а с поверхности он покрывается слоем эпителиальных клеток. Наблюдения за экспериментальными животными с имплантированными искусственными роговицами на протяжении восьми недель не выявили никаких признаков воспаления и отторжения.

Контактная линза с вмонтированным прозрачным микромонитором

Рис. 16.10. Контактная линза с вмонтированным прозрачным микромонитором

В качестве дополнительного элемента органа зрения предложена контактная линза, в которую вмонтированы микросхемы с миниатюрными источниками света (светодиоды), позволяющие выводить в поле зрения различные изображения (рис. 16.10). Планируется включение в данный полупрозрачный экран схемы для двусторонней беспроводной связи. Разработчики полагают, что данное устройство может найти применение в тренажерах для обучения пилотов, водителей автотранспорта, а также в экспериментальной психологии при создании «смешанной» реальности.

Большие надежды возлагаются на принципиально новую технологию, которая, возможно, позволит вернуть подвижность (по крайней мере, частичную) парализованным пациентам. На первом этапе подопытным животным (обезьянам) внедрили в мозг многоэлектродные имплантаты, фиксирующие активность нескольких сотен нейронов, непосредственно задействованных в формировании двигательных актов. Затем обезьян обучили подбирать мяч на конце трубки и вновь бросать его точно в отверстие. В процессе этих сеансов компьютер записывал нервные импульсы, посылаемые мозгом в руку. Далее экспериментаторы разработали алгоритм дешифровки этих сигналов, позволяющий путем анализа активности всего сотен нейронов воспроизводить команды, адресованные скелетным мышцам. После этого у подопытных обезьян моделировали паралич руки путем блокады соответствующих нервов с помощью местной анестезии. К руке исследователи подключили специальное устройство (нейропротез), который посылал в мышцы электрические импульсы в соответствии с командами компьютера, который, в свою очередь, с высокой скоростью (приблизительно за 40 мс) расшифровывал двигательные сигналы головного мозга и формировал адекватное командное решение. Несмотря на то, что в начале эксперимента точность движений руки животных снизилась, они довольно быстро научились выполнять то же задание с мячом.

Определенного внимания заслуживает такая биоискусственная конструкция, как механический насос на основе клеток миокарда. Каркасом для сто создания послужила полая полимерная сфера (чаще всего — из гидрогеля фибрина) диаметром 5 мм с подходящими к ней тефлоновыми трубочками. На внутреннюю поверхность сферы нанесли слой культивируемых кардиомиоцитов, которые через некоторое время заполнили всю площадь сферы и ее микроскопические ячейки, сформировав своеобразный миокард. Важно отмстить, что для сократительной деятельности комплекса сердечных клеток не требуется ни внешних источников питания (необходимую энергию они получают из специального раствора), ни регуляторов ритма. Предполагается увеличение размеров биомеханического насоса и снабжение сто клапанами.

Весьма перспективными представляются исследования по конструированию медицинских микроботов — миниатюрных роботов, способных перемещаться внутри тела человека, осуществлять адресную доставку лекарственных веществ или биодатчиков, а также производить определенные микрохирургические операции (рис. 16.11). Одним из первых успехов в этом направлении является разработка системы «магниторезонансный томограф — компьютер», позволяющей перемещать микробот (в данном случае, ферромагнитную сферу диаметром 1,5 мм) внутри сосудистой системы но заранее намеченным траекториям. Испытания системы на свиньях дали положительные результаты.

Сохраняет актуальность проблема создания искусственной крови — кровезаменителя, эффективно связывающего и переносящего кислород. Крупным достижением отечественных ученых в этом направлении является создание перфторана — плазмозамещающего средства с газотранспортной функцией на основе перф- торорганичсских соединений — химических соединений, отличающихся значительной кислородной емкостью, высокой скоростью

Микробот, передвигающийся по кровеносным сосудам (в представлении художника)

Рис. 16.11. Микробот, передвигающийся по кровеносным сосудам (в представлении художника)

растворения и отдачи кислорода, большой поверхностью газообмена (суммарная площадь поверхности субмикронных частиц превышает таковой параметр эритроцитов более чем в 10 раз). Применяется в виде эмульсии. Улучшает физико-химические свойства крови: повышает ее текучесть и, снижая вязкость, препятствует агрегации эритроцитов и улучшает микроциркуляцию. Из зарубежных разработок искусственной крови необходимо отметить положительную попытку японских ученых, осуществивших присоединение гемовой группы к альбумину, благодаря чему последний приобрел способность переносить кислород. Но мнению авторов изобретения, ввиду малого размера комплекс «альбумин — гем» сможет поддерживать кислородное снабжение тканей в условиях нарушенного кровообращения (инфаркт, инсульт). Заслуживает внимания работа но созданию искусственных эритроцитов. На полимерный шаблон, повторяющий форму нативных эритроцитов, последовательно наносили несколько слоев гемоглобина и полиэлектролитов (для создания на поверхности необходимого заряда), после чего полимерную модель удаляли. Полученные таким способом форменные элементы характеризовались одинаковым размером и формой (двояковогнутый диск), обладали достаточной пластичностью и могли переносить кислород. Кислородотранспортная функция к концу первой недели исследования снижалась лишь на 10%. Исследования в данном направлении продолжаются.

Лягушка с прозрачной кожей

Рис. 16.12. Лягушка с прозрачной кожей

Весьма важным представляется, чтобы поверхность искусственных устройств, внедряемых в организм человека (хирургические инструменты, катетеры, имплантаты и др.), обладала бактерицидными свойствами и сохраняла их на протяжении достаточно длительного времени. Исходя из этого обстоятельства, была предпринята попытка фиксации антибиотика (в частности, пенициллина) на полимерном субстрате. Испытания показали, что предметы, покрытые пленкой из такого полимера, будучи помещенными в жидкую среду, содержащую взвесь стафилококков, оказывают на них губительное действие. В настоящее время продолжается работа над совершенствованием данной технологии в плане расширения спектра включаемых в матрицу полимера биологически активных агентов (антикоагулянтов и др.).

Учитывая мировую тенденцию гуманного отношения к животным (в первую очередь используемых в экспериментах), японские генетики вывели породу лягушек с прозрачной кожей (рис. 16.12). Это свойство сохраняется у амфибий на протяжении всего жизненного цикла и позволяет исследователям наблюдать за возрастными изменениями внутренних органов, особенностями их функционирования в различных физиологических и патологических условиях, не прибегая к умерщвлению и вскрытию животных.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >