Запчасти для людей

«Если человек выбьет зубы вольноотпущеннику, он должен заплатить треть золотой (в другом переводе — серебряной) мины». Это цитата из Кодекса Хаммураппи — древнейшего свода законов в мире. В древности для замены отсутствующих зубов использовали бамбуковые штифты, металл и ракушки. Если у человека были деньги, он мог позволить себе протез из слоновой кости или даже драгоценных камней. Насколько прочны были такие зубы на самом деле — другой вопрос.

В Новое время врачи продолжали экспериментировать с материалами. Для изготовления протезов использовали серебряные капсулы, гофрированный фарфор и иридиевые трубки. Правда, успехом эти опыты не увенчались: после процедур люди страдали от сильного воспаления, что приводило к отторжению протезов. Особняком стоит новаторская идея хирурга Джона Хантера, который в качестве замены родных зубов предлагал пациентам зубы мертвецов. Нужды в сырье Хантер не знал, поскольку его знакомые промышляли расхищением могил.

Современными имплантами мир обязан кролику. В 1952 году шведский врач Пер-Ингвар Бранемарк изучал на кролике регенерацию костей. Он поместил оптическое устройство в титановую камеру, которую прикрепил к конечности животного, желая проследить восстановление кровотока в бедренной кости. Когда пришло время закончить эксперимент, Бранемарк сильно удивился, поскольку аппарат было невозможно снять. Оказалось, что титан прирос к кости. Этот процесс врач назвал остеоинтеграцией.

Долгое время считалось, что организм отторгает инородные материалы, — Бранемарк же доказал, что это не так. В 1965 году он установил пациенту корневидный имплантат, винты которого были сделаны из титана. Искусственный зуб прижился, а через 13 лет Бранемарк поделился своим достижением с научным сообществом.

Впрочем, на этом история дентальной имплантации не закончилась. Сегодня врачи модифицируют поверхность протеза, чтобы улучшить заживление. Для этого они используют окисленный титан, керамику и последнее достижение материаловедения — композиты. А чтобы внешне имплантат не отличался от зубов, его дополнительно обрабатывают фтором или кислотой.

Люку Масселу не повезло: он родился с расщеплением позвоночника. Врачи прогнозировали, что мальчик не сможет ходить. К десяти годам Люк пережил дюжину операций, а затем из-за проблем с мочевым пузырем у него отказали почки. Мальчику до конца жизни грозило проходить через диализ, искусственное очищение крови, а о нормальной жизни можно было забыть. Однако доктор Энтони Атала, директор Института регенеративной медицины Уэйк Форест, не позволил этому произойти — проблемный орган Люка заменили на новый, который вырастили в лаборатории.

Как правило, для восстановления мочевого пузыря используют ткани тонкого кишечника. Хирург изготавливает подвздошный мешочек из 15—20-сантиметрового куска кишки, где будет собираться моча. Затем мочеточник прикрепляется к кишке. Один ее конец зашивается, а другой подводится к стенке брюшной полости — там проделывается отверстие, через которое выделяется моча. Процесс нельзя контролировать, и пациент вынужден носить специальные мешочки. Одно из последствий такой процедуры — это остеопороз. Изготовленный из кишки мочевой пузырь не в силах избавиться от кальция и других веществ. В результате их поглощает организм.

Но Энтони Атала принял необычное решение. Сперва он взял маленький кусочек здоровой ткани мочевого пузыря — меньше половины почтовой марки — и разделил ее на мышечные клетки и клетки мочевого пузыря. Ученый стимулировал деление клеток, а затем приступил к работе с каркасом органа: внутреннюю часть он покрыл взятыми у пациента клетками мочевого пузыря, а внешнюю — мышечными. Затем конструкция отправилась в похожую на печь устройство, где при температуре тела находилась примерно шесть недель. После этого орган наконец можно было имплантировать пациенту.

Люк Массел стал одним из семи детей с расщеплением позвоночника, для которых был изготовлен такой мочевой пузырь. Доктор Атала опубликовал данные исследования в 2006 году: у трех пациентов орган работал лучше и подтекал меньше, чем сделанный из ткани кишечника. Позже другая пациентка доктора Атала, Кейтлин М., рассказывала журналистам CNN: «Я счастлива. Я всегда боялась, что со мной произойдет несчастный случай или еще что-то. А сейчас я могу просто ходить и выходить с моими друзьями и вообще ходить куда хочу».

Во время греко-персидских войн прорицатель Гегесистрат из Элиды был схвачен спартанцами в плен и заключен в оковы. Ему грозила смерть, но оракул не спешил прощаться с жизнью. Как известно со слов Геродота, пленник умудрился достать оружие, отрезал себе ногу и покинул темницу. Позже он заменил недостающую конечность деревяшкой — ее вряд ли возможно назвать полноценным протезом.

Один из древнейших протезов в привычном смысле принадлежал Табакетенмут, дочери египетского священника. Вероятно, девушка страдала диабетом и лишилась большого пальца на ноге из-за ишемической гангрены. Культя зажила, а резчик сделал ей замену из двух деревяшек и, предположительно, кожи. «Считается, что на большой палец приходится около 40 процентов веса тела и он отвечает за движение вперед», — говорит Жаклин Финч, сотрудник Центра биомедицинской египтологии в Манчестерском университете. Вероятно, протез послужил для Табакетенмут, а сегодня он экспонат в музее Каира.

Новый виток в развитии протезирования конечностей наступил только в XVI веке. И связан он с именем королевского хирурга Амбруаза Паре, которого называют одним из отцов современной медицины. Он начинал карьеру на войне, где пытался спасать раненых бойцов. Со временем Паре заметил, что солдаты предпочитают умереть, нежели жить без конечностей. Тогда ему пришла в голову идея изготовить нечто совершенно новое для того времени — функциональные протезы.

«Существует пять обязанностей хирургии, — говорил Амбруаз. — Удалить лишнее, восстановить то, что было смещено, разделить то, что срослось, воссоединить то, что было разделено, и исправить дефекты природы». Паре начал проектировать роботизированные протезы. В искусственную ногу он добавил механизированное колено — теперь протез стало возможным зафиксировать в положении стоя или согнуть. Для капитана французской армии хирург разработал «le Petit Lorrain» — механическую кисть руки, в которой защелки и пружины имитировали суставы.

В XX веке из-за войн спрос на протезы значительно вырос. При этом люди утрачивали конечности не только на фронте. Например, за годы Второй мировой войны рук, ног и других частей тела лишились 17 тысяч американских солдат, а еще 100 тысяч рабочих потеряли их в результате несчастных случаев.

Потребность в искусственных частях тела подстегнула инновации. В 1946 году в Калифорнийском университете в Беркли ученые разработали присоски для протезов нижних конечностей, которые упрощали их крепление. А в 1975 году инженер Исидро Мартинес модифицировал протез, изменив баланс веса и уменьшив трение материала. Достижения XX века используются до сих пор, поскольку обеспечивают удобство и функциональность искусственных конечностей.
Современный тренд — киберпротезы. В 2015 году инженеры лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса разработали для Леса Боу искусственные руки: в юношестве мужчина потерял их из-за удара током. Новые конечности состоят из 26 «суставов», а управлять ими можно силой мысли. А швейцарские ученые прямо сейчас работают над протезами, которые позволяют чувствовать прикосновения.

В 1981 году в стенах Массачусетской больницы произошло важное открытие: врачи использовали синтетическую кожу из силиконового каучука, акульего хряща и воловьей кожи, чтобы помочь пациентам с ожогами. Эксперимент прошел успешно и положил начало исследованиям искусственной кожи. Почему это событие имеет большое значение?

Дело в том, что кожа — естественный барьер, который защищает организм от бактерий и инфекций. Жертвы ожогов лишаются этой защиты, и их восприимчивость к патогенам повышается. Поэтому, например, инфекции — частая причина смерти людей, пострадавших от огня. Раньше, чтобы обезопасить пациентов, места ожогов закрывали временными покрытиями, но практичностью они не отличались. Когда же врачи научились пересаживать органическую ткань, они столкнулись с тем, что кожа не приживается. И до сих пор, чтобы избежать отторжения, пациент должен пить препараты, подавляющие иммунную систему, а значит, делающие человека крайне уязвимым к инфекциям.

Начиная с 1970-х годов доктор Джон Берк вместе с химиком Иоаннисом Яннасом искали способ решить эту проблему. Предметом научных исследований Яннаса был коллаген — естественный белок, который встречается в сухожилиях животных. Ученые объединили воловью кожу и акульи хрящи в пористую мембрану. Она имитировала эпидермальный слой и служила каркасом, на котором могли расти новые здоровые клетки кожи. Но самое главное, иммунная система не отвергала искусственную ткань, а значит, пациентам не требовались иммунодепрессанты. В апреле 1981 года Берк рассказал о своих достижениях журналистам, а сегодня придуманная им искусственная кожа производится под маркой «Интегра» и служит пациентам с ожогами, хроническими ранами и нуждающимся в пластической хирургии.

Однако это не единственный подход к созданию искусственной кожи. Например, Ханна Вендт из Ганноверской медицинской школы в Германии предлагает использовать для этой цели паучий шелк. По ее мнению, его прочность и эластичность являются «важными факторами для легкого обращения и переноса многих видов имплантатов». Кроме того, паучий шелк не вызывает иммунного отторжения. Но чтобы поставить производство такой кожи на конвейер, требуется очень много паучьего шелка, а взять его неоткуда. Появится ли такая возможность в будущем — покажет время.

Некоторые пациенты с терминальной стадией болезни сердца умирают, так и не дождавшись трансплантации. Количество доноров ограниченно, а число кандидатов на пересадку, как и время ожидания в очереди, постоянно растет. Однако ученые нашли выход — искусственное сердце, которое позволяет вести нормальную жизнь, пока человек ждет операции. Его изобретением мир обязан доктору Виллему Йохану Колффу.

После Второй мировой войны Нидерланды, где Виллем Колфф жил и работал, постепенно оправлялись после немецкой оккупации, и условия для исследований были сильно ограничены. В 1950 году Колфф уехал в США. Там он разработал аппарат для искусственного обращения крови, а в 1967 году вместе с командой из Университета штата Юта приступил к значительно более амбициозной задаче — созданию искусственного сердца. На эту работу у Колффа и команды из 175 врачей, хирургов, инженеров и химиков ушло почти 15 лет.

В 1981 году Колфф наконец получил разрешение на трансплантацию, а уже в следующем году первым обладателем механического сердца стал Барни Кларк, бывший дантист. С искусственным сердцем мужчина прожил почти четыре месяца. Модель сердца, которую имплантировали Кларку, изготовил молодой врач Роберт Джарвик. Ее особенность заключалась в многослойной диафрагме, которая и определила успех устройства. Сегодня оно носит имя Джарвика, хотя заслуга создания искусственного сердца принадлежит именно Виллему Колффу. За минувшие десятилетия разработанная им технология совершенствовалась, а через имплантацию прошли более полутора тысячи человек.

Как же работает искусственное сердце? Устройство представляет собой насос, заменяющий поврежденные желудочки и клапаны. Помпа и привод обеспечивают приток крови к сердцу, а после перекачивают ее по организму, заменяя функцию здорового органа. Как правило, врачи назначают замену настоящего сердца на искусственное при серьезной сердечной недостаточности, а еще в тех случаях, когда трансплантацию невозможно провести по медицинским показаниям.

Однако даже спустя много лет после первой операции имплантация все равно не проходит гладко. Частые осложнения, громоздкость устройства, а также его недолговечность и плохая биосовместимость — все это проблемы, с которыми ученые продолжают бороться до сих пор. И когда они наконец будут решены, искусственное сердце станет полноценным инструментом терапии, а не временным решением.

У 18-летней школьницы Молли Кох было много дел. Заболеть ей было нельзя, и поэтому в качестве профилактики девушка принимала лекарства. Спустя пару дней ее состояние ухудшилось. Молли доставили в больницу, где врачи диагностировали передозировку болеутоляющим и воспаление печени, которая к тому моменту почти не функционировала. Через пару часов Молли впала в кому. Ей требовалась срочная пересадка печени. На вертолете пациентку доставили в научно-исследовательский медицинский центр Cedars-Sinai, однако свободных донорских органов там не оказалось.

Тогда в ситуацию вмешался хирург Ахиллес Деметриу. Он подключил Молли к аппарату биоискусственной печени — экспериментальному прибору, который обеспечивал метаболизм углеводов и детоксикацию крови. В бедро пациента вставлялся катетер, через который кровь протекала в аппарат, а затем разделялась на клетки и плазму. Потом плазма проходила через угольную фильтрацию и картридж, содержащий клетки печени — гепатоциты, выводящие токсины, — и возвращалась в организм человека.

Молли была подключена к искусственной печени 14 часов, пока ей не пересадили донорский орган. Однако трансплантация не удалась: вскоре в организме девушки началась реакция отторжения. Врачам пришлось найти еще одну печень. На сей раз операция, которая прошла спустя день, оказалась успешной.

Доктор Кеннет Мацумуро улучшил аппарат, за что в 2001 году получил от издания Time титул изобретателя года. Мацумуро разработал устройство, которое по своим функциям напоминает современную систему искусственной печени. В его основе лежит камера, состоящая из двух частей, разделенных полупроницаемой мембраной. В одной из них находится кровь пациента, а в другой — клетки кролика в специальном растворе, которые забирают из крови пациента токсины, а возвращают белки и полезные вещества. Изобретение Мацумуро все еще не полноценный орган, а только система, которая помогает пациенту дожить до трансплантации.

Однако ученые не теряют надежду создать полноценную искусственную печень — и хорошим подспорьем может стать биопринтинг. Ученые из Университета Пенсильвании используют сахар, чтобы создать шаблон для роста кровеносных сосудов.

«Вы можете использовать 3D-принтер для печати произвольной сети сосудов любой формы ткани или любой сети кровеносных сосудов, а затем окружить их клетками, из которых хотите создать орган, — рассказывает в интервью BBC профессор Мартин Берчелл. — Мы пытались создать печень, поэтому окружили ее клетками печени, но это можно было сделать и с любой другой тканью».

Такие исследования — это еще один шаг к тому, чтобы применять биопринтинг в трансплантологии. Однако до тех пор ученым предстоит решить множество проблем. В частности, чтобы создавать сложные органы (печень, легкое или почку), необходимо в точности воспроизводить сосудистую структуру и особенности органа конкретного человека, но это современной науке пока не под силу.