Трансплантация легких представляет собой сложную и еще нерешенную проблему трансплантологии в рамках СССР. Трансплантация легких в России начала активно развиваться после 2011 года, когда команда под руководством М.Ш. Хубутия при участии с Е.А. Тарабрина, С.В. Головинского впервые выполнили успешную трансплантацию легких в стране за долгие годы. Уже к 2018 году было выполнено более 58 успешных трансплантаций. Подробнее с состоянием трансплантации легких можно ознакомиться ниже, а мы вернемся к истории вопроса.
Несмотря на то что первые пересадки легких в эксперименте были осуществлены еще в 1947 г. (В. П. Демихов), а в клинике в 1963 г. (Харли), эта операция до сих пор не вошла в клиническую практику: к 1978 г. в мире произведено всего около 40 операций. Причиной являются неудовлетворительные результаты — небольшая продолжительность жизни больных после операции из-за возникновения инфекционных осложнений. Проблема трансплантации легких нуждается в энергичной экспериментально-клинической разработке. По мнению трансплантологов, пересадка легких прежде всего показана больным, страдающим двусторонними патологическими процессами, которые приводят к прогрессирующим необратимым изменениям паренхимы легкого (эмфизема легких, пневмосклероз, прогрессирующий силикоз и т. д.). Одним из показаний к пересадке легкого являются односторонние патологические процессы (например, рак легкого) при низких функциональных возможностях противоположного легкого.
Трансплантация поджелудочной железы. В клинической практике используются два метода пересадки поджелудочной железы: тотальная пересадка железы с сегментом двенадцатиперстной кишки и пересадка хвоста и тела поджелудочной железы. В клинике первую пересадку поджелудочной железы больному, длительное время страдавшему сахарным диабетом с развившейся диабетической нефропатией, произвел Лиллихай (1967). Одним из наиболее сложных этапов операции является выведение протока поджелудочной железы таким образом, чтобы обеспечить отток ее секрета в кишечник. Клиническая пересадка поджелудочной железы в настоящее время производится эпизодически в ряде трансплантационных центров.
Новым интересным направлением в проблеме трансплантации поджелудочной железы и лечения диабета является разрабатываемая в последние годы пересадка бета-клеток (островков Лаигергаиса). Наиболее трудным при этом является выделение р-клеток из донорской поджелудочной железы; затем выделенные клетки выращиваются в культуре тканей. Сама операция пересадки бета-клеток является предельно простой и заключается в инъекции взвеси клеток в брюшную полость. На VI Международном конгрессе трансплантологов (1976) уже сообщалось о первом опыте применения этого метода в клинической практике.
Искусственные органы
Важным разделом трансплантологии, получающим все более плодотворное развитие, является создание и применение искусственных органов. Созданию искусственных органов способствуют современные достижения математики, механики, электроники, химии полимеров и инженерного освоения различных видов энергии: эти достижения реализуются в конкретных конструкциях, способных имитировать функции природных прототипов. Необходимость создания искусственных органов обусловлена, во-первых, большими возможностями интенсивной терапии и, во-вторых, тем, что хирургическая служба трансплантации ис сможет полностью решить проблему замещения утраченных жизненно важных органов человека из-за дефицита пригодных донорских органов.
Искусственные органы — это устройства, предназначенные для временной или постоянной активной замены утраченной функции природного прототипа (правда, эта функция еще не может быть замещена полностью, особенно если конкретный прототип, например легкое, печень, почка или поджелудочная железа, обладает комплексом сложных функций). С искусственным органом не следует отождествлять функциональный протез — устройство, пассивно воспроизводящее основную утраченную функцию природного прототипа за счет своей формы или конструктивной особенности.
Первые исследования по этому разделу выполнил С. С. Брюхоненко, создавший автожектор (1928)—первое в мире искусственное сердце. Большое значение имело изобретение искусственной почкн Колфом (1944).
Искусственные органы можно подразделить на неимплантируемые и частично или полностью имплантируемые. Примером исимплантируемого искусственного органа, временно и прерывисто возмещающего утраченную жизненно важную функцию организма, является искусственная почка, обеспечивающая экстракорпоральный гемодиализ. Этот искусственный орган уже нашел широкое клиническое применение как в комплексном методе длительного лечения хронической почечной недостаточности, так и для временного поддержания жизнедеятельности организма в период подбора донорской почки для ее трансплантации, а также в восстановительном периоде сразу же после операции и при подготовке к повторным трансплантациям, если они необходимы. К неимплантируемым временно действующим искусственным органам относится оксигенатор (искусственное легкое), который используется в кардиохирургии при операциях на открытом сердце и в специальных перфузионных системах для интенсивного лечения острой дыхательной недостачточности.
К числу полностью имплантируемых устройств, постоянно и непрерывно выполняющих функцию природного аналога, следует отнести искусственные клапаны сердца. На первых этапах их разработки кардиохирурги н инженеры стремились воспроизвести конструкцию природного прототипа. Однако значительно более долговечными и оптимальными по гемодинамическим параметрам оказались совсем иные—шариковые, полусферические н дискообразные каркасные конструкции искусственных клапанов сердца, которые н нашли широкое применение в кардиохирургической практике. В качестве имплантируемых устройств применяются элсктрокардиостимулиторы, постоянно н непрерывно возмещающие функцию пронодящей системы естественного сердца. Их используют и как внешние неимплантируемые аппараты, временно применяемые н критических ситуациях до имплантации постоянного электрокардиостимулятора.
Усилия ученых сосредоточены на создании для клинического применения трех искусственных жизненно важных органов — сердца, печени, поджелудочной железы, а также на дальнейшем совершенствовании разнообразных моделей искусственной почки.
Читайте также: Как очистить белую ткань кроссовок
Современные модели искусственного сердца имеют различное целевое назначение. Так, модели, имплантируемые на место выходящего из строя природного прототипа, способны временно, до подбора и трансплантации донорского сердца, обеспечить непрерывное кровообращение в организме реципиента. Экспериментально уже доказана возможность многодневной, многонедельной функции искусственного сердца. Разработаны также модели имплантируемых искусственных желудочков сердца, которые при параллельном подключении можно использовать для временной непрерывной и прерывистой помощи правому или левому желудочку естественного аналога при интенсивном лечении острой сердечной недостаточности.
Искусственная поджелудочная железа выполняет только ту часть функции естественного аналога, которая «по требованию» обеспечивает поступление в кровь необходимой дозы инсулина при лечении сахарного диабета. Система этого имплантируемого, постоянно и прерывисто действующего устройства состоит из датчика, быстро определяющего концентрацию глюкозы в крови или ткани, и управляемого с помощью мини-ЭВМ элемента, осуществляющего иифузню инсулина. Экспериментальные и пока немногочисленные клинические исследования функции искусственной поджелудочной железы (первая в мире имплантация искусственной поджелудочной железы произведена в СССР; Шума» ков В. И. и др., 1976) показали высокую эффективность ее работы.
В настоящее время еще нет устройств или аппаратов, которые можно было бы назвать искусственной леченью. Создание их в ближайшем будущем также весьма проблематично. Однако уже сейчас созданы неимплантнруемые устройства, временно и прерывисто обеспечивающие гсмосорбцню, т. е. имитирующие ту или иную функцию печени (удаление из крови аммиака, билирубина и других шлаков), что помогает более эффективно вести борьбу с печеночной недостаточностью. Проблема создания н применения искусственных органов продуктивно разрабатывается в СССР, США, ЧССР, Франции.
Тканевая инженерия — окно в современную медицину
Тканевая инженерия — окно в современную медицину
В перспективе тканевая инженерия, если и не приведет к бессмертию, то уж точно сделает решение многих современных проблем медицины более чем реальным.
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Петр I мечтал «прорубить окно в Европу», а ученые нашего времени — окно в современную медицину. Сочетание «медицина + биотехнология» нашло свое отражение в тканевой инженерии — технологии, открывающей возможность восстановления утраченных органов без трансплантации. Методы и результаты тканевой инженерии поражают: это получение живых (а не искусственных!) органов и тканей; регенерация тканей; печать кровеносных сосудов на 3D-принтере; использование «тающих» в организме хирургических шовных нитей и многое другое.
Конкурс «био/мол/текст»-2011
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2011 в номинации «Лучшая обзорная статья».
В последние десятилетия стали отчетливо проявляться тревожные тенденции старения населения, роста количества заболеваний и инвалидизации людей трудоспособного возраста, что настоятельно требует освоения и внедрения в клиническую практику новых, более эффективных и доступных методов восстановительного лечения больных. На рисунке 1 показано, как изменяется структура заболеваний в настоящее время.
Рисунок 1. Мировая динамика частоты заболеваний.
На сегодняшний день наука и техника предлагает несколько альтернативных путей восстановления или замены поврежденных или пораженных патологией тканей и органов:
- трансплантацию;
- имплантацию;
- тканевую инженерию.
В рамках данной статьи мы подробнее остановимся на возможностях и перспективах тканевой инженерии.
Тканевая инженерия — современная инновационная технология
Принципиально новый подход — клеточная и тканевая инженерия — является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов и лечение ряда тяжелых метаболических заболеваний человека.
Цель тканевой инженерии — конструирование и выращивание вне организма человека живых, функциональных тканей или органов для последующей трансплантации пациенту с целью замены или стимуляции регенерации поврежденных органа или ткани. Иными словами, на месте дефекта должна быть восстановлена трехмерная структура ткани.
Важно отметить, что обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей, — в отличие от тканей, полученных методом инженерии, которые восстанавливают, в том числе, и биологические (метаболические) функции. То есть, происходит регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.
Однако для развития и совершенствования методов реконструктивной медицины на базе тканевой инженерии необходимо освоение новых высокофункциональных материалов. Эти материалы, применяемые для создания биоимплантатов, должны придавать тканеинженерным конструкциям характеристики, присущие живым тканям:
- способность к самовосстановлению;
- способность поддерживать кровоснабжение;
- способность изменять строение и свойства в ответ на факторы окружающей среды, включая механическую нагрузку.
Клетки и матриксы — основа основ для тканевой инженерии
Наиболее важным элементом успеха является наличие необходимого количества функционально активных клеток, способных дифференцироваться, поддерживать соответствующий фенотип и выполнять конкретные биологические функции. Источником клеток могут быть ткани организма и внутренние органы. Возможно использование соответствующих клеток от пациента, нуждающегося в реконструктивной терапии, или от близкого родственника (аутогенных клеток). Могут быть использованы клетки различного происхождения, в том числе первичные (рис. 2) и стволовые клетки (рис. 3).
Читайте также: Виды растительных тканей функция образовательной
Рисунок 2. Первичная клетка человека.
библиотека Федерации Киокушинкай г. Южноуральска
Рисунок 3. Стволовая клетка человека.
Первичные клетки — это зрелые клетки определенной ткани, которые могут быть взяты непосредственно от организма-донора (ex vivo) хирургическим путем. Если первичные клетки взяты у определенного организма-донора, и впоследствии необходимо имплантировать эти клетки ему же в качестве реципиента, то вероятность отторжения имплантированной ткани исключается, поскольку присутствует максимально возможная иммунологическая совместимость первичных клеток и реципиента. Однако первичные клетки, как правило, не способны делиться — их потенциал к размножению и росту низок. При культивировании таких клеток in vitro (посредством тканевой инженерии) для некоторых типов клеток возможна дедифференцировка, то есть потеря специфических, индивидуальных свойств. Так, например, хондроциты, вводимые в культуру вне организма, часто продуцируют фиброзный, а не прозрачный хрящ.
Поскольку первичные клетки не способны делиться и могут потерять свои специфичные свойства, возникла необходимость альтернативных источников клеток для развития технологий клеточной инженерии. Таковой альтернативой стали стволовые клетки.
Рисунок 4. Биокерамические изделия из ортофосфатов кальция.
Стволовые клетки — недифференцированные клетки, которые имеют способность к делению, самообновлению и дифференцировке в различные типы специализированных клеток под воздействием конкретных биологических стимулов (см.: «Была клетка простая, стала стволовая» [3]). Стволовые клетки подразделяются на «взрослые» [2] и «эмбриональные». Эмбриональные стволовые клетки образуются из внутренней клеточной массы развития зародыша на ранней стадии, а взрослые — из тканей взрослого организма, пуповины или даже плодных тканей. Однако существует этическая проблема, связанная с неизбежным разрушением человеческого эмбриона при получении эмбриональных стволовых клеток [4]. Поэтому предпочтительнее «добыча» клеток из тканей взрослого организма. Так, например, в 2007 году Шинью Яманакой (Shinya Yamanaka) из Киотского университета Японии были открыты индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), получаемые из покровных тканей человека (в основном, из кожи). ИПСК открывают поистине невиданные возможности для регенеративной медицины, хотя, прежде чем они всерьез войдут в медицинскую практику, предстоит решить еще немало проблем (см.: «Снежный ком проблем с плюрипотентностью» [5]).
Для направления организации, поддержания роста и дифференцировки клеток в процессе реконструкции поврежденной ткани необходим специальный носитель клеток — матрикс, представляющий из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу (рис. 4). Для их создания применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген) и биокомпозиты. Так, например, эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани в остеобласты, которые затем наносят на различные материалы, поддерживающие их деление (например, донорскую кость, коллагеновые матрицы и др.).
«Фирменная» стратегия тканевой инженерии
На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова:
- Отбор и культивирование собственных или донорских стволовых клеток.
- Разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов.
- Нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования.
- Непосредственное внедрение тканеинженерной конструкции в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри конструкции (префабрикация).
Матриксы через некоторое время после имплантации в организм хозяина полностью исчезают (в зависимости от скорости роста ткани), а в месте дефекта останется только новая ткань. Также возможно внедрение матрикса с уже частично сформированной новой тканью («биокомпозит»). Безусловно, после имплантации тканеинженерная конструкция должна сохранить свои структуру и функции в течение периода времени, достаточного для восстановления нормально функционирующей ткани в месте дефекта, и интегрироваться с окружающими тканями. Но, к сожалению, идеальные матриксы, удовлетворяющие всем необходимым условиям, пока не созданы.
Кровеносные сосуды из принтера
Перспективные тканеинженерные технологии открыли возможность лабораторного создания живых тканей и органов, но перед созданием сложных органов наука пока бессильна. Однако сравнительно недавно ученые под руководством доктора Гунтера Товара (Gunter Tovar) из Общества Фраунгофера в Германии сделали огромнейший прорыв в сфере тканевой инженерии — они разработали технологию создания кровеносных сосудов. А ведь казалось, что капиллярные структуры создать искусственно невозможно, поскольку они должны быть гибкими, эластичными, малой формы и при этом взаимодействовать с естественными тканями. Как ни странно, но на помощь пришли производственные технологии — метод быстрого прототипирования (другими словами, 3D-печать). Подразумевается, что сложная трехмерная модель (в нашем случае кровеносный сосуд) печатается на трехмерном струйном принтере с использованием специальных «чернил» (рис. 5).
Читайте также: Ткани для дивана алматы
Рисунок 5. Технология «печати» искусственного кровеносного сосуда.
Принтер наносит материал послойно, и в определенных местах слои соединяются химически. Однако заметим, что для мельчайших капилляров трехмерные принтеры пока недостаточно точны. В связи с этим был применен метод многофотонной полимеризации, используемый в полимерной промышленности. Короткие интенсивные лазерные импульсы, обрабатывающие материал, так сильно возбуждают молекулы, что они взаимодействуют друг с другом, соединяясь в длинные цепочки. Таким образом, материал полимеризуется и становится твердым, но эластичным, как естественные материалы. Эти реакции настолько управляемы, что с их помощью можно создавать мельчайшие структуры по трехмерному «чертежу».
А для того, чтобы созданные кровеносные сосуды могли состыковаться с клетками организма, при изготовлении сосудов в них интегрируют модифицированные биологические структуры (например, гепарин) и «якорные» белки. На следующем этапе в системе созданных «трубочек» закрепляются клетки эндотелия (однослойный пласт плоских клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кровеносных сосудов) — для того, чтобы компоненты крови не приклеивались к стенкам сосудистой системы, а свободно транспортировались по ней.
Однако прежде чем действительно можно будет имплантировать выращенные в лаборатории органы с собственными кровеносными сосудами, пройдет еще какое-то время.
Давай, Россия, давай вперед!
Без ложной скромности скажем, что и в России создана научная основа для практического применения биомедицинских материалов нового поколения. Интересную разработку предложила молодой учёный из Красноярска Екатерина Игоревна Шишацкая (рис. 6) — растворимый биосовместимый полимер биопластотан [7]. Суть своей разработки она объясняет просто: «в настоящее время практические медики испытывают большой дефицит материалов, способных заменить сегменты человеческого организма. Нам удалось синтезировать уникальный материал, который в состоянии заменить элементы органов и тканей человека». Разработка Екатерины Игоревны найдет применение, прежде всего, в хирургии. «Самое простое — это, например, шовные нити, сделанные из нашего полимера, которые растворяются после того, как зарастает рана, — говорит Шишацкая. — Также можно делать специальные вставки в сосуды — стенты. Это маленькие полые трубки, которые используют, чтобы расширить сосуд. Через некоторое время после операции сосуд восстанавливается, а полимерный заменитель растворяется» [8].
Рисунок 6. Лауреат премии Президента РФ Екатерина Игоревна Шишацкая.
Первый опыт трансплантации тканеинженерной конструкции в клинике
Рисунок 7. Паоло Маккиарини, мастер-класс которого «Клеточные технологии для тканевой инженерии и выращивания органов» прошел в Москве в 2010 году.
Осенью 2008 года руководитель клиники Университета Барселоны (Испания) и Медицинской школы Ганновера (Германия) профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini; рис. 7) провел первую успешную операцию по трансплантации биоинженерного эквивалента трахеи пациентке со стенозом главного левого бронха на протяжении 3 см (рис. 8) [11].
В качестве матрикса будущего трансплантата был взят сегмент трупной трахеи длиной 7 см. Чтобы получить природную матрицу, по свойствам превосходящую все то, что можно сделать из полимерных трубок, трахею очистили от окружающей соединительной ткани, клеток донора и антигенов гистосовместимости. Очищение заключалось в 25 циклах девитализации с применением 4%-деоксихолата натрия и дезоксирибонуклеазы I (процесс занял 6 недель). После каждого цикла девитализации проводили гистологическое исследование ткани для выявления количества оставшихся ядросодержащих клеток, а также иммуногистохимическое исследование на наличие в ткани антигенов гистосовместимости HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP и HLA-DQ. Благодаря биореактору собственной разработки (рис. 9) ученые на поверхность медленно вращающегося отрезка трахеи равномерно нанесли шприцем суспензию клеток. Затем трансплантат, наполовину погруженный в среду для культивирования, вращался вокруг своей оси с целью попеременного контакта клеток со средой и воздухом.
Рисунок 8. Операция по пересадке пациентке трахеи.
Рисунок 9. Биореактор для создания тканеинженерного эквивалента трахеи. А — схема биореактора, вид с боку. Б — герметизация биореактора. В — биореактор с тканеинженерным эквивалентом трахеи in situ. Г — биореактор после удаления эквивалента трахеи. Д — вид эквивалента трахеи непосредственно перед операцией.
Эквивалент трахеи находился в биореакторе 96 часов; затем его трансплантировали пациентке. При операции был полностью удален главный левый бронх и участок трахеи, к которому он примыкал. В образовавшийся промежуток вшили трансплантат, а некоторое несоответствие диаметров просветов тканеинженерного эквивалента и бронха реципиента было преодолено благодаря эластичности донорской ткани.
По истечении десяти суток после операции пациентка была выписана из клиники без признаков дыхательной недостаточности и иммунной реакции отторжения трансплантата. По данным компьютерной томографии, с помощью которых была сделана виртуальная 3D реконструкция дыхательных путей, тканеинженерный эквивалент был практически неотличим от собственных бронхов пациентки (рис. 10).
Рисунок 10. Виртуальная 3D-реконструкция дыхательных путей по данным компьютерной томографии и бронхоскопии перед операцией (А, Б) и через 1 месяц и после замены стенозного участка левого главного бронха тканеинженерным эквивалентом (В, Г). Стрелкой указан стеноз.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом