Живе серце надрукують на принтері цілком
Дивовижні досягнення в кардіології та кардіохірургії відкривають двері в майбутнє
Серце - дивно сильний і в той же час дуже вразливий орган. Серцево-судинні захворювання залишаються причиною смерті №1 в світі, за даними ВООЗ, на них припадає 3 з 10 смертей.
У деяких країнах, завдяки медичному освіті, пропаганді здорового способу життя, відмови від куріння і превентивним лікарських терапій, поширеність хвороб серця і судин знижується, як це сталося в США.
Лікування, однак, ніколи не перестане бути актуальним, і звичайно, найбільше людство зацікавлене в тих терапіях, які дозволять відновити втратив життєздатність орган або замінити його на новий, не побоюючись реакції відторгнення.
В одній статті неможливо охопити всі досягнення медичної науки в області кардіології та кардіохірургії, ми зупинимося на деяких з тих, що вже сьогодні відкривають двері в майбутнє.
Копія серця на 3D-друк стала тренажером для хірургів
Операція, яку провели китайські лікарі на серце 9-місячну дитину навесні нинішнього року, не може не захоплювати.
Маленький хлопчик народився з важким пороком серця під назвою тотальний аномальний дренаж легеневих вен. При цьому пороці артеріальна кров, минаючи серце, потрапляє в великі вени і в праве передсердя. На додаток до цього у малюка був атріовентрикулярний дефект передсердної перегородки, при якому кров вільно перетікає між передсердями. Пройшовши через перегородку, артеріальна кров виявлялася там, де їй належало бути спочатку - в лівому передсерді, і далі здійснювала звичайний шлях по великому колу кровообігу.
Важко уявити собі, що таке можливо, але діти з цим пороком народжуються доношеними, а серце деякий час справляється з ситуацією.
Малюк з Цзіліня відразу після народження здавався цілком здоровим, проте через деякий час у нього розвинулася сильна задишка, і в віці 9 місяців він вступив в педіатричний кардіоцентр Народної лікарні Цзіліня в критичному стані через гостру серцеву недостатність і важкої пневмонії. При відстроченні лікування вірогідність не дожити до свого першого дня народження складала для хлопчика, за оцінкою директора Центру Чжан Ксуекіна. 80%.
Але як спланувати операцію при такому складному дефекті, грунтуючись лише на знімках УЗД? Як уникнути ускладнень в процесі хірургічного втручання? Адже такий порок надзвичайно рідкісний і виправити його дуже складно.
Фахівці Центру знайшли вихід. За допомогою 3D принтера їм вдалося надрукувати точну копію маленького серця і на ній ретельно відпрацювати послідовність дій при хірургічному втручанні. «Після тренування на моделі ми знали точно, де потрібно зробити надріз і якого розміру він повинен бути. Маючи ретельно розроблений план, ми витратили всього половину того часу, яке було заплановано на операцію », - говорить Чжан Ксуекін.
Малюк відчуває себе добре, і лікарі вважають, що в подальшому він буде майже або навіть повністю здоровим.
Перше в світі біонічних серце, яке працює без пульсу
Що змусило австралійських вчених з Технологічного університету Квінсленда зайнятися пошуком нового конструктивного рішення?
Справа в тому, що існуючі моделі штучного серця досить великі і недовговічні. Одна з конструктивних особливостей - наявність мішечка, схожого на повітряну кульку, який з часом рветься, адже штучне серце робить мільярди ударів в рік.
Для випробувань на людині вченим потрібне фінансування на подальші дослідження. При вдалому збігу обставин піде рік для підтвердження безпеки і працездатності пристрою і від 3 до 5 років на те, щоб повністю адаптувати модель для людини.
Стовбурові клітини: полагодити і навіть виростити серце
Місце дії - знову Австралія, Брісбен. Буквально на днях в дослідницькій лабораторії лікарні принца Чарльза вчені продемонстрували журналістам живу пульсуючу тканину серця, вирощену зі стовбурових клітин. Вони вважають, що в майбутньому створені таким чином клітини серця будуть використовуватися для відновлення пошкодженої при інфаркті або в результаті іншого захворювання тканини серцевого м'яза. Будучи доставленими в певний відділ серця, клітини почнуть рости і «лагодити» пошкоджену ділянку.
Чи можна виростити людське серце з диференційованих стовбурових клітин?
«В теорії - так!», - говорить доктор Натан Палпант. провідний дослідження в Інституті молекулярної біології Квінсленда, що працює в складі інтернаціональної команди над наступним поколінням серцевих трансплантатів.
Складність полягає в тому, що виростити потрібно не просто тканини різних типів серцевих клітин. У серця є архітектура, тканини повинні заповнити певний каркас, щоб сконструювати робочий орган.
На сьогоднішній день американським вченим з Гарварду і Массачусетса вдалося виростити людське серце, використовуючи в якості каркаса донорське серце, клітини якого замістили вирощеними зі стовбурових, які, в свою чергу, були отримані з клітин шкіри пацієнта. Коли через серце пропустили електричний струм, воно забилося.
Принципово важливим є те, що донорське серце для традиційної пересадки дуже складно підібрати так, щоб воно не викликало реакцію відторгнення. Клітини ж, вирощені з власних клітин реципієнта, такої реакції викликати не можуть.
В даний час учені працюють над тим, щоб створити оптимальні умови для вирощеного серця, максимально наближені до природного середовища людського тіла і прискорити час дозрівання органу.
Біопечать одного клапана ...
Принципове завдання, однак, навчитися створювати трансплантати, не вдаючись до використання донорських органів. Дослідники Денвера університету (Колорадо, США) сподіваються, що вони зможуть вирішити цю проблему. Для біопечаті вони використовують порівняно недорогий 3D принтер BioBot 1. Першим етапом їх роботи стала друк клапанів серця.
В даний час кардіохірурги цілком успішно використовують клапани зі штучних матеріалів, але тут є одна складність: для зростаючого дитячого серця такий клапан може бути лише тимчасовим, а ось живий клапан буде рости разом з серцем і не зажадає чергового хірургічного втручання.
«Щоб впровадити аортальний клапан, пацієнтам зазвичай роблять безліч операцій. Метод інвазивний, а тому це не кращий підхід до вирішення проблеми. Створюючи клапани біоінженерних способом, ми можемо імплантувати в серце клапан, який буде рости разом з дитиною »- говорить доктор Алі Азадані. директор Лабораторії серцевої біомеханіки Денвера університету.
Дослідники вже почали друкувати серцеві клапани, сформовані на основі магнітно-резонансних і комп'ютерно-томографічних сканів серця пацієнта. Серцевий 3D-клапан був надрукований за 22 хвилини, але команда поки працює над тим, щоб він був повністю сумісний з живими тканинами. Щоб з'єднати клітини тіла людини з надрукованим серцевим клапаном, вченим потрібно біореактор (камера, в якій створено середовище для «дозрівання» органів).
Команда дослідників Денвера університету на початку шляху, проте вони вважають, що розробляється ними біотехнологія згодом стане реальною терапією.
... або біопечать щирого серця: фантастика чи реальність?
Якщо послухати Стюарта Вілльямс. директора Інституту кардіоваскулярних інновацій (Луїсвілль, США), то завдання нездійсненним чи не здається: «Насмілюся помітити, один з найпростіших об'єктів біопечаті - серце. Це всього лише насос з трубочками, які необхідно з'єднати між собою, - каже він. - Потрібно взяти всього два грудочки жиру, кожен розміром з кульку для гольфу - і у вас буде достатньо клітин для того, щоб відтворити практично всі найважливіші кровоносні судини серця ».
Деякі експерти, втім, вважають, що, незважаючи на всю принадність, теорія так і залишиться теорією, адже важливо не просто відтворити орган за допомогою 3D друку, потрібно, щоб він «дозрів» в біореакторі, а потім почав жити і функціонувати в людському організмі , а це завдання не з легких. Однак перспектива замінити прийшло в непридатність серце пацієнта на здорове, надруковане з його власних клітин, які змінили свій профіль, настільки приваблива, що дослідники різних країн світу наполегливо працюють над нею.
Втім, метою дослідників є не тільки серце, а й печінку, нирки, і інші органи.
Серцеві клітини були отримані з індукованих плюрипотентних стовбурових клітин, які, в свою чергу, стали результатом генної модифікації клітин людської шкіри. Мініатюрний орган, надрукований на спеціалізованому Біопринтер, помістили в середу з температурою, що відповідає температурі людського тіла. За допомогою електричної та хімічної стимуляції дослідники змогли змінювати режим скорочення тканини.
Звичайно, для створення серця скорочується тканини недостатньо. Потрібні ще 4 частини: клапани, коронарні судини, судини мікроциркуляції крові і електросистема. Команді Стюарта Вілльямс з Луїсвілльському інституту кардіоваскулярних інновацій вдалося створити невелику частину серця з кровоносними судинами і вживити їх «пацієнтові» - поки що миші.
Науковий прорив став можливим завдяки новому Біопринтер Інституту Вейк Форест. Це ITOP (Integrated Tissue and Organ Printing System), або Об'єднана система для друку тканин і органів. Головна його перевага полягає в тому, що він може друкувати васкуляризовані, тобто володіють мережею кровоносних судин, тканини. Васкуляризовані органели після імплантації добре приживаються і повністю інтегруються в організм, як це і сталося з вухом.
сколковского миша
Кирило Каєм оцінює час, необхідний на освоєння друку органів в 15 років. «Умовно кажучи, з технологічної точки зору, я сподіваюся, що ми зможемо друкувати органи людини і отримувати їх в потрібному якості протягом семи-восьми років. А решту часу піде на впровадження в клінічну практику хоча б на рівні клінічних випробувань ».
Прогноз нашого співвітчизника приблизно збігається з перспективним планом Стюарта Вілла, розрахованим на 10 років. Вілльямс говорить. що деякі з колег-медиків сміються над його амбітним наміром порівняно через невеликий термін надрукувати людське серце.
«Я радий, що вони сміються, - додає він. - Це той самий виклик, який мені так необхідний ».