Испортилось? Починим! Что можно заменить в организме человека?
Благодаря последним открытиям регенеративной медицины, те идеи, которые считались лишь игрой воображения писателей–фантастов, очень скоро могут стать реальностью. Уже нельзя отнести к области научной фантастики выращивание искусственных человеческих органов и тканей. Идея создать здоровый и дееспособный орган для замены больного или отсутствующего оказалась вполне осуществимой.
Когда возникла трансплантация?
О пересадке органов люди стали задумываться очень давно. Например, процедура имплантации зубов была знакома ещё древним египтянам. Богачам и аристократам пересаживали зубы бедняков и невольников. А для фараонов делали зубы из слоновой кости.
Но операции по пересадке жизненно важных органов и тканей стали проводиться лишь к середине 20 века. В 1951 году российский учёный Владимир Демихов впервые в мире заменил сердце собаки на донорское, что доказывало возможность проведения подобной операции на людях. В 1954 году американский хирург Джозеф Мюррей трансплантировал человеку почку. А в 1967 году хирург из Кейптауна Кристиан Барнард, прошедший стажировку у Демихова, смог пересадить человеку сердце.
Какие органы трансплантируют сегодня, а какие пересадить нельзя? Современные технологии позволяют успешно пересаживать сердце, лёгкие, почки, печень, поджелудочную железу, кости, суставы, вены, роговицу и некоторые другие органы. Невозможна в настоящее время трансплантация головы и сетчатки глаза.
В последние годы нередко затрагиваются вопросы дефицита доноров для пересадки органов и связанные с трансплантацией вопросы биоэтики, что подталкивает учёных к поиску решений данных проблем.
Травмированные кости, например, можно заменить протезами из керамики, металлов или полимеров. Но у этих материалов есть как плюсы, так и минусы. У керамики хорошая биосовместимость с человеческим организмом, так как у неё и костной ткани похожий состав. Но керамика － довольно хрупкий материал. Металл более твёрдый и лучше поддаётся обработке, однако его биосовместимость намного хуже. К тому же он не такой эластичный, как кость человека, и может спровоцировать получение новых травм. Протезы из полимерных материалов способны воссоздать структуру костной ткани, но они непрочные и плохо поддаются стерилизации.
Сейчас динамично развивается технология 3D–биопринтинга (трёхмерной печати органов). Вначале создаётся цифровой образец, который печатают на биопринтере. В качестве материала используются клетки и биочернила. Подготовленную ткань размещают в специальных ящиках с питательной средой, где она созревает. Для объёмной печати применяются биочернила из гидрогеля и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Они могут преобразовываться в какой угодно элемент, к примеру, в клетку печени или волос. С помощью биочернил можно распечатать любой объект тела человека.
Новые технологии дают возможность печатать искусственную кожу прямо на пациенте. Прежде всего сканируется повреждённый участок, устанавливается его толщина и контуры. Далее послойно печатается дерма (плотная соединительная ткань), потом эпидермис (поверхностный слой кожи).
Посредством 3D–биопечати сгенерированы эпителий роговицы, хрящевая ткань и кожа. Напечатать работоспособный орган, например, сердце, печень или мозг, учёные пока не могут.
Но научные исследования продолжаются. И вполне возможно, что уже в ближайшем будущем данная методика позволит отказаться от использования донорских органов. Это решило бы этический вопрос трансплантации органа, полученного от живого донора или из мёртвого тела, а также проблему иммунологической совместимости, потому как биопечать подразумевает использование стволовых клеток самого пациента, который будет и донором, и реципиентом.
Учёные прогнозируют создание первого живого работоспособного органа к 2030 году.
Пересадка органа или ткани c лечебной целью
Большинство антигенов эритроцитов, вызывающих трансфузионные реакции, широко распространены также в других клетках тела. Кроме того, каждая ткань организма имеет собственный дополнительный набор антигенов. Следовательно, инородные клетки, трансплантированные в любой участок тела реципиента, могут вызывать иммунные реакции. Другими словами, большинство реципиентов способны противостоять внедрению в их организм инородных тканевых клеток так же, как они противостоят внедрению инородных бактерий или эритроцитов.
а) Аутотрансплонтот, изотрансплантат, аллотрансплантат, ксенотрансплантат. Трансплантат ткани или целого органа, пересаженный из одной части тела животного в другую его часть, называют аутотрансплантатом; от одного идентичного близнеца к другому — изотрансплантатом; от одного человека к другому или от любого животного другому животному того же вида — аллотрансплантатом; от животных к человеку или от животного одного вида животному другого вида — ксенотрансплантатом.
б) Трансплантация клеточных тканей. В случаях аутотрансплантатов и изотрансплантатов клетки трансплантата содержат фактически те же типы антигенов, что и ткани реципиента, и обычно живут нормально и неограниченно долго, если обеспечивается их адекватное кровоснабжение.
В случае ксенотрансплантатов почти всегда возникают иммунные реакции, вызывающие гибель клеток трансплантата в течение от 1 сут до 5 нед после трансплантации, если не используется некоторая специфическая терапия для предупреждения иммунных реакций.
Кожа, почки, сердце, печень, железистые ткани, костный мозг и легкие представляют примеры клеточных тканей или органов, которые пересаживают как аллотрансплантаты (экспериментально или с целью лечения) от одного человека к другому. При соответствующей «совместимости» тканей между людьми многие почечные аллотрансплантаты успешно выживали, по крайней мере, 5-15 лет, аллотрансплантаты печени и сердца — в течение 1-15 лет.
Комплекс HLA и структура молекул HLA.
(А) Расположение генов комплекса HLA (положение, величина и расстояния между генами даны в произвольном масштабе).
Гены, кодирующие различные белки, которые участвуют в процессинге антигена (транспортеры, связанные с процессингом антигена компоненты протеасом и HLA-DM), располагаются в области класса II (не показаны).
(Б) Схематическое изображение и кристаллическая структура молекул HLA классов I и II.
LT — липопротеин; МНС — главный комплекс гистосовместимости; TNF — фактор некроза опухоли.
Читайте также: Гиалиновая хрящевая ткань кратко
в) Попытки преодолеть иммунные реакции при трансплантации тканей. В связи с огромной потенциальной важностью пересадки органов и тканей предпринимаются серьезные попытки для предупреждения реакций антиген-антитело, связанных с трансплантацией. Следующие специфические методы используют с определенной степенью клинического или экспериментального успеха.
г) Тканевое типирование (гистотипирование). Комплекс антигенов HLA. Наиболее важными антигенами, участвующими в отторжении трансплантата, являются антигены так называемого комплекса HLA. Шесть из этих антигенов присутствуют в мембранах тканевых клеток у каждого человека, но представляют собой выборку примерно из 150 разных антигенов HLA. Следовательно, существуют более триллиона возможных комбинаций. В результате фактически невозможно существование двух людей, имеющих одни и те же шесть антигенов HLA, за исключением однояйцовых близнецов. Развитие выраженного иммунитета против любого одного из этих антигенов может вызвать отторжение трансплантата.
Антигены HLA встречаются на белых клетках крови и на тканевых клетках. Следовательно, типирование тканей (гистотипирование) по этим антигенам осуществляется на мембранах лимфоцитов, выделенных из крови человека. Лимфоциты смешиваются с соответствующими иммунными сыворотками (антисыворотками) и комплементом. После инкубации клетки тестируются в отношении повреждения мембран, что обычно определяется по скорости захвата лимфоцитарными клетками особой краски.
Некоторые из антигенов HLA имеют слабые антигенные свойства, в связи с чем для приживления аллотрансплантата не всегда необходимо точное соответствие антигенов донора и реципиента. При достижении максимально возможной совместимости между донором и реципиентом метод пересадки становится гораздо менее опасным. Наилучшие результаты по совместимости тканей были между сибсами (родными братьями и сестрами) и между родителями и их детьми. У идентичных близнецов совместимость точная, поэтому трансплантаты от идентичных близнецов почти никогда не отторгаются из-за иммунных реакций.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Трансплантология: от органов к клеткам
Беседу вела специальный корреспондент журнала « Наука и жизнь » Е. Лозовская.
В человеческом организме, как и в любой сложной системе, случаются сбои. Бывает так, что какой-то жизненно важный орган — почка, сердце, печень — отказывается работать надлежащим образом. И если никакие лекарства и прочие лечебные манипуляции помочь не в состоянии, остается только один выход — заменить вышедшую из строя «деталь». Благодаря пересадке донорских органов удалось спасти жизнь уже более четверти миллиона человек. Трансплантология — молодая область медицины. Основоположником экспериментальной трансплантации жизненно важных органов, в частности сердца, стал российский ученый Владимир Петрович Демихов, который в 1951 году впервые в мире пересадил донорское сердце собаке. В 1967 году хирург из ЮАР Кристиан Барнард, пройдя предварительно стажировку у Демихова, впервые в мире осуществил успешную трансплантацию сердца человеку. С тех пор сделано уже более 40 тысяч таких операций. В России первым провел пересадку сердца выдающийся хирург, академик Российской академии наук Валерий Иванович Шумаков. Сейчас на счету у Шумакова уже более сотни пересаженных сердец, около двух тысяч почек и тысячи других сложнейших операций. Пациенты и коллеги утверждают, что Шумаков — хирург от Бога. Но Валерий Иванович не только врач, он еще и ученый, давно и плодотворно занимающийся разработкой систем искусственного кровообращения. С 1974 года В. И. Шумаков возглавляет научно-исследовательский Институт трансплантологии и искусственных органов Министерства здравоохранения РФ. Это научный и медицинский центр мирового уровня, единственный в России, где делают пересадку сердца и разрабатывают модели искусственного сердца. О сегодняшнем и завтрашнем дне трансплантологии, о проблемах и перспективах ее развития рассказывают академик В. Шумаков и другие сотрудники института.
— Валерий Иванович, развитие трансплантологии в России, ее становление происходи ли у вас на глазах и при вашем непосредственном участии. Что изменилось за это время, какие задачи удалось решить, какие проблемы возникли?
— В трансплантологии всегда было и остается много проблем. Даже создание института в 1965 году стало непростым делом, надо было преодолеть множество бюрократических преград. Когда я пришел работать в институт и затем стал директором, главная задача была — расширить круг исследований. Ведь вначале институт даже назывался по-другому — Институт пересадки органов и тканей. Но так как я перед этим, работая у нашего замечательного хирурга Бориса Васильевича Петровского, занимался проблемами искусственного сердца, то стремился развивать в институте и это направление. Как раз было подписано межправительственное соглашение между СССР и США о сотрудничестве в области искусственного сердца и вспомогательного кровообращения. Мы приложили определенные усилия, чтобы институт был переименован, и сейчас он называется Институт трансплантологии и искусственных органов. То есть мы не только пересаживаем донорские органы, но и разрабатываем устройства, которые могли бы их заменить.
Надо сказать, что на пересадку таких внутренних органов, как почка, сердце, печень, врачи идут лишь в тех случаях, когда обычное медикаментозное или хирургическое лечение исчерпало себя полностью и больной обречен на скорую смерть.
По статистическим данным, в настоящее время в экономически развитых странах не менее чем 150 тысячам человек требуется пересадка донорских органов и тканей. Мировая же потребность во много раз больше. В США около 30 тысяч человек, а в Великобритании около 6 тысяч включены в «листы ожидания» донорского сердца, почек, легких или печени, но лишь у 10 процентов из них есть шанс дождаться трансплантации.
Россия не исключение — у нас те же проблемы. Тысячи больных месяцами, годами ждут, когда появится подходящий донор. Больше всего и у нас и в мире пересаживают почек. В нашей стране операцию с почкой впервые выполнил академик Б. В. Петровский в 1965 году. Возможность пересадки других органов появилась только после того, как врачам разрешили ставить диагноз «смерть мозга». Сердце при этом какое-то время еще может работать, поддерживать кровообращение. Первая успешная пересадка сердца в России была проведена в 1987 году. Сейчас пересажено уже более ста сердец. Эта цифра, может быть, не очень впечатляет по количеству, но подходящих донорских сердец крайне мало. Нельзя забывать, что за каждым таким сердцем стоит несчастный случай со смертельным исходом, причем изъять у погибшего орган можно только с согласия родственников. В целом дефицит донорских органов — проблема мировая. Их всегда не хватает.
Читайте также: Как сложить салфетки из ткани просто
— Как можно решить эту проблему?
— Здесь есть три направления. Первое — это пересадка органов от животных к человеку, так называемая ксенотрансплантация. Видимо, кандидатом для донорства будет свинья. Казалось бы, по всем признакам ближе к человеку стоят обезьяны, но с ними возникает много сложностей. Во-первых, обезьяны слишком малы — бабуины, шимпанзе, макаки просто не годятся по размеру. Во-вторых, у обезьян много своих болезней, которые могут быть перенесены человеку, а у людей и так их хватает. И в-третьих, морально-этические проблемы: нельзя же ради донорства убивать обезьяну, все-таки это наш ближайший родственник. Как ни удивительно, свинья оказалась более подходящим донором. Свиней, в зависимости от породы и возраста, можно подобрать по размеру под любого человека. Можно выращивать стерильных свиней, у которых нет болезней.
— А как же быть с совместимостью тканей? Ведь даже при пересадке органов от человека к человеку возникает множество проблем.
— Этот вопрос можно решить с помощью генной инженерии. Можно создать трансгенных животных, то есть таких, у которых в зародыш введены несколько человеческих генов. Иммунологически они будут ближе к человеку, чем обычная свинья. В организме таких трансгенных животных вырабатываются белки, предотвращающие поражение пересаженного органа иммунной системой человека. Такие исследования уже проводятся, и, может быть, уже можно было бы начать пересадку, но у некоторых ученых есть сомнения. Они говорят, что в организме свиней имеется дремлющий ретровирус, который может передаться человеку. Но, по-видимому, ответ на этот вопрос будет найден в ближайшие годы.
Другое направление в трансплантологии — искусственные органы. Искусственная почка уже есть. Пусть она не полный аналог живой, но выполняет те же функции и помогает продлить человеку жизнь. искусственное сердце было создано сначала как промежуточный этап, своеобразный мост для последующей пересадки донорского сердца. Оно необходимо, когда свое собственное уже не может обеспечивать нормальное кровообращение, погибает и надо его поддержать, дать возможность дожить до момента, когда будет найден подходящий трансплантат. Решением этой задачи занимались ученые многих передовых стран. У нас в институте тоже разработаны действующие искусственные сердца, но они не полностью располагаются внутри организма, ряд деталей находится снаружи, поэтому они служат мостом, обеспечивают переходный этап. Сегодня такие сердца практически не применяются, но не потому, что они плохие, а потому, что это очень тяжелая и сложная операция: удалить сердце, вшить искусственное, а потом, когда найдется трансплантат, удалить искусственное и вшить донорское. Сейчас есть более простые методы, нечто вроде насоса для перекачки крови, который подключается в обход одной или двух половин сердца, без его удаления. С дополнительным насосом люди дожидаются подходящего трансплантата. Такие насосы созданы в нашем институте и успешно применяются в клинической практике.
— А можно ли сделать искусственное сердце, которое полностью заменило бы настоящее?
— В принципе, это решаемая задача. Американцы провозгласили, что они уже создали полностью вживляемое длительно работающее искусственное сердце, но потом сообщили, что из шести человек, которых они отобрали для первых клинических испытаний, четверо умерли, прожив с искусственным сердцем несколько месяцев. То есть длительной работы пока не получилось. У нас тоже есть два проекта искусственного сердца, но финансирования практически нет. Я выделяю на это часть денег, что есть в клинике, жалкие крохи, иногда спонсоры помогают, но это разовые вливания. И все-таки исследования идут, модели готовы, сейчас приступаем к экспериментальной проверке. Если она даст хорошие результаты, то мы сможем начать и клинические испытания.
— Итак, два направления современной трансплантологии — это пересадка органов от животных и создание искусственных органов. А какой третий путь?
— Третье направление обещает, пожалуй, самое красивое решение проблемы. Речь идет о клонировании органов. не человека, а органов. В организме есть недифференцированные, так называемые стволовые клетки. Они находятся в основном в костном мозге. Стволовые клетки — это как бы зародыши всех остальных клеток. Их можно трансформировать в специализированные клетки, например в кардиомиоциты — клетки, обеспечивающие сокращение миокарда, или в гепатоциты — клетки печени. Пока этот вопрос еще не решен и будет решен не сегодня и не завтра, но, в принципе, все, видимо, идет к тому, что из своих стволовых клеток довольно быстро можно будет вырастить дубликат того органа, который надо заменить. То есть собственный здоровый орган, готовый для пересадки. Но это из области прогнозов. Зато реальностью стала пересадка клеток вместо целого органа. Клеточная трансплантология сделала настоящий скачок. Мы уже около 20 лет занимаемся пересадкой культивированных клеток поджелудочной железы, так называемых бета-клеток, которые вырабатывают инсулин. У больных с тяжелой формой сахарного диабета это дает очень хорошие результаты. Некоторым больным можно проводить подобную операцию по несколько раз, и по количеству таких пересадок мы — лидеры в мире, их у нас сделано более двух тысяч.
Читайте также: Найти ткань по параметрам
На этом разговор с Валерием Ивановичем завершился — его срочно вызвали в операцион ную. Однако корреспонденту журнала удалось побеседовать с сотрудниками института, которые занимаются научными исследованиями в области трансплантологии и искусственных органов. О том, что представляет собой искусственное сердце, рассказывает заместитель директора по науке доктор медицинских наук, профессор Владимир Евгеньевич ТОЛПЕКИН:
— Искусственное сердце — это, собственно, два насоса и система, которая ими управляет. Такую модель предложил еще Владимир Петрович Демихов. Два насоса, два предсердия и мембрана. Главная сложность здесь в обеспечении энергией: ведь надо, чтобы сердце, по крайней мере лет десять, работало бесперебойно. Управление тоже очень важно, потому что наше сердце работает по принципу: сколько крови притекло, столько и выбросилось. Но когда человек бегает, притекает 30 литров в минуту, а когда спит — только 4 литра в минуту. И надо, чтобы насосы всегда выбрасывали столько крови, сколько надо организму. А в принципе, это машина довольно простая. И если будет решен вопрос о применении радиоизотопных источников питания, то сложности отпадут. Но сейчас, пожалуй, более актуальны системы вспомогательного кровообращения, которые применяют, когда собственное сердце уже не может перекачивать необходимый объем крови и нужно ему помочь.
В разговор вступает старший научный сотрудник лаборатории вспомогательного кровообращения и искусственного сердца Александр Александрович ДРОБЫШЕВ:
— Камеры искусственного сердца — желудочки — мы делаем из полиуретана. Процесс это длительный, на изготовление одного желудочка уходит полтора месяца, и стоит такой желудочек недешево — 3,5 тысячи долларов, но все же это втрое дешевле импортных. Необходимо подобрать правильную форму, чтобы не образовывались тромбы. И, конечно, очень важная часть — привод насоса. Он должен обеспечивать свободу действий, чтобы человек мог носить систему управления и питания на поясе или в ранце.
В институте разработали и такой интересный метод лечения, как очистка крови с помощью свиной селезенки. Слово — доктору медицинских наук Анатолию Борисовичу ЦЫПИНУ.
— Этот метод, разработанный нами много лет назад, внедрен уже более чем в 200 городах России. Кровь из одной вены с помощью насоса прокачивается через отмытую свиную селезенку и возвращается в другую вену. При этом кровь очищается. Кроме того, селезенка вырабатывает много биологически активных веществ, повышающих иммунитет. Можно поступить проще — пропустить через селезенку физиологический раствор и затем ввести его больному. Сейчас мы изготовили из ткани селезенки препарат, который стимулирует иммунную систему, и его используют для лечения сепсиса.
В лаборатории культур тканей занимаются клеточной трансплантацией. Рассказывает заведующий лабораторией доктор медицинских наук Николай Николаевич СКАЛЕЦКИЙ:
— Если у больного недостаточно хорошо работает какой-то орган, может помочь пересадка клеток. Пересаженные клетки частично берут функции на себя и позволяют органу передохнуть и восстановить свои резервы. Есть заболевания, при которых необходимо заменить погибшие клетки. Возьмем, к примеру, сахарный диабет. При диабете I типа бета-клетки, вырабатывающие инсулин, гибнут из-за аутоиммунного процесса. Диабет проявляется, когда погибают примерно 85 процентов бета-клеток. Человек начинает вводить инсулин, но аутоиммунный процесс не прекращается, иммунная система продолжает уничтожать бета-клетки, воспринимая их как чужие, и через несколько лет возникает полная зависимость от инъекций инсулина. Если сделать трансплантацию клеток на ранних стадиях, когда свои клетки еще сохранились, можно надеяться на то, что пересаженные клетки будут стимулировать восстановление какого-то количества собственных бета-клеток. Материал для пересадки берем у только что родившихся стерильных кроликов. Инсулин кролика очень близок к инсулину человека: он отличается лишь одной аминокислотой. У новорожденных кроликов процентное содержание бета-клеток в поджелудочной железе в десять раз выше, чем у взрослых животных. Для нас это важно, поскольку необходимо отделить нужные клетки от ненужных. Эти бета-клетки культивируем и затем пересаживаем больным диабетом. Самое главное, чего мы добиваемся, — это профилактика сосудистых осложнений диабета, а именно они приводят к поражению сетчатки глаза и слепоте, а также к тяжелой почечной недостаточности. Поражение почек — это смерть, если не пересадят почку. А представляете, что значит пересадить почку больному диабетом? Лишь у нас в институте это делают, потому что мы одновременно пересаживаем выращенные уникальным способом бета-клетки. То есть сразу предупреждаем осложнения, которые возникают после пересадки.
В Институте трансплантологии и искусственных органов работают талантливые и увлеченные люди, которые, несмотря на более чем скромное финансирование, проводят сложнейшие исследования. Немалая заслуга в создании дружного коллектива единомышленников принадлежит В. И. Шумакову — врачу, ученому, организатору. Недавно к его многочисленным наградам прибавилась еще одна — орден Святого апостола Андрея Первозванного.
ФОТОГАЛЛЕРЕЯ:
Операция на открытом сердце — будни Института трансплантологии и искусственных органов.
В. С. Коваль уже четыре года живет с донорским сердцем, которое пересадил ему В.И. Шумаков.
Доктор медицинских наук В.Е. Толпекин.
Прежде чем применить системы вспомогательного и искусственного кровообращения в клинической практике, их испытывают на телятах.
Старший научный сотрудник А.А. Дробышев.
Доктор медицинских наук А.Б. Цыпин.
Доктор медицинских наук Н.Н. Скалецкий.
Для поддержания функций поджелудочной железы больным диабетом пересаживают культивированные бета-клетки новорожденных кроликов.
Так выглядят системы вспомогательного кровообращения, которые изготавливают в институте.