Как живое

«Если ты не можешь создать модель, ты не понимаешь, как это работает», — говорил великий физик Исаак Ньютон. Ученые пока не могут создать полную и исчерпывающую модель человеческого тела, но уже справляются с отдельными его частями. С помощью моделей — полностью цифровых, а также сделанных из живых клеток и мягких полимеров — биологи и медики учат и учатся, а еще тестируют новые методы лечения и лекарства. Возможно, когда-нибудь цифровые и физические модели позволят ученым перестать держать в лабораториях мышей, собак и обезьян. Разбираемся, скоро ли настанет этот день.

Тренировки на людях и зверях

«Сделай опыт над рабами твоими в течение десяти дней; пусть дают нам в пищу овощи и воду для питья; и потом пусть явятся перед тобою лица наши и лица тех отроков, которые питаются царскою пищею (мясом и вином — прим. ред.), и затем поступай с рабами твоими, как увидишь». Такой эксперимент, согласно библейскому тексту, поставил начальник евнухов царя Навуходоносора над пленными воинами. Эту и другие истории приводят в качестве доказательства утверждения о том, что объектами первых медицинских экспериментов, вероятно, были люди.

Опыты над животными для проверки эффективности лекарств изредка встречаются у античных авторов: римский врач Гален проверял на петухах действие популярного противоядия от змеиного яда, а через тысячу лет арабский мыслитель и медик Абу Бакр Мухаммад Ар-Рази давал обезьянам ртуть, чтобы проверить, работает ли она как лекарство от разных болезней. Через два столетия после Ар-Рази другой арабский медик, Ибн Зухр (Авензоар), популяризировал использование животных в качестве учебных моделей для будущих хирургов. Свое нововведение — трахеотомию — он сначала опробовал на козах, а потом на людях.

Когда на людях уже нельзя

Вышеприведенные примеры скорее подтверждают правило: в течение тысяч лет технология тестирования медицинских методов на животных развивалась не слишком интенсивно. Одной из причин, вероятно, была возможность экспериментировать на человеке. На людях поставил свой знаменитый — хоть и вынужденный — опыт французский хирург Амбруаз Паре (1537 год). Из-за нехватки медикаментов он был вынужден использовать новую лекарственную смесь — и наутро обнаружил, что она работает лучше, чем стандартное прижигание ран горячим маслом. Эксперимент британского врача Джеймса Линда (1747 год), с которого принято отсчитывать историю современных клинических исследований, тоже был проведен на людях — пациентах, страдавших от цинги.

Исследователи биомедицинской этики Джозеф ДеДжордж и Льюис Кинтер полагают, что причину выбора людей в качестве объектов для экспериментов можно объяснить двумя обстоятельствами: во-первых, доступностью пациентов для ученых-медиков, а во-вторых недостатком знаний о физиологии и биологии, которые позволяли бы эффективно переносить результаты с животных на людей. Ситуация начала меняться ближе к Новому времени, когда ученые накопили больше сведений о том, как устроены тела животных и людей.

В XVI-XIX веках были установлены функции большинства органов, открыты возбудители инфекционных заболеваний, созданы технологии измерения физиологических показателей. Во многих из этих исследований использовались животные. Самыми известными примерами остаются знаменитая собака российского физиолога Ивана Павлова и другая собака — бульдог по кличке Джимми, с сердца которого английский врач Август Уоллер снял первую кардиограмму. Реже упоминаются в прессе, но, пожалуй, не меньшее историческое значение имели мыши и крысы, погибшие от отравления производными мышьяковой кислоты в экспериментах Пауля Эрлиха и Сахаширо Хаты; тогда ученые перебрали 605 вариантов, пока не нашли эффективное (и несмертельное) лекарство от сифилиса.

От таблетки к этике

Именно с бумом синтетической химии и фармакологии конце XIX — начала XX века исследователи связывают появление норм об обязательном использовании животных для проверки безопасности и эффективности новых лекарств и терапевтических методов. Эрлих и Хата сделали свое открытие в 1907 году, когда тестирование новых лекарств на животных еще не было законодательно закреплено. Государства пришли к этому решению на десятки лет позже.

Значительную роль в принятии соответствующих законов сыграли громкие и трагические инциденты с лекарствами, не проходившими тестирования — не в последнюю очередь история «Эликсира Сульфаниламида». Выпуск неисследованного на животных диэтиленгликоля под этой маркой в 1937 году привел к массовым отравлениям и сотне смертей. Через год в США был принят закон о тестировании лекарств на животных. Постепенно подобные правовые нормы появились и в других странах.

Одновременно с распространением законодательных норм о тестировании медицинских нововведений на животных в Европе и Северной Америке набирало обороты движение за гуманное обращение с ними. Раньше и ярче всего оно проявило себя в Великобритании, где уже в 1879 году был принят соответствующий закон; по мере развития науки он обновлялся, включая новые разделы об обращении с лабораторными животными.

Развитие этой области права было и до сих пор остается темой бурной общественной дискуссии. Одним из самых важных ее плодов стала вышедшая в 1959 году книга «Принципы гуманной техники эксперимента» двух американских ученых — зоолога Уильяма Рассела и микробиолога Рекса Берча. В этой книге они впервые сформулировали правило, на котором основывается значительная часть современной биомедицинской этики. Это правило трех R: Replacement — замена (например, позвоночных на беспозвоночных, животных — на тест-системы), Reduction — уменьшение (масштабов вмешательства) и Refinement — совершенствование, уменьшение стресса, боли и страданий.

В главе, посвященной первому R — замене — Рассел и Берч уделили много внимания известным в конце пятидесятых технологиям, позволяющим заменить животных в лаборатории на культуры клеток и неживые системы, например электрические модели, имитирующие работу нервной системы.

Правило трех R вошло в основные документы, на которые сегодня опираются комиссии по этике — в том числе в Директиву ЕС 2010/63/EU и федеральный закон США The Animal Welfare Act 1966 года. С семидесятых годов прошлого века появилось много технологий, способных по крайней мере отчасти заменить животные модели в научных и клинических исследованиях: это и компьютерные модели, и органы-на-чипах, и напечатанные на 3D-принтерах органоиды — миниатюрные версии настоящих органов.

У всех них есть и плюсы — в первую очередь этические, но и финансовые тоже — и минусы. Врожденный порок любой модели заключается в ее неполноте: как мышь с раковой опухолью — не то же самое что человек с подобным заболеванием, так и культура клеток, и тем более компьютерная модель — не человек и даже не мышь. Переносить результаты исследований с таких систем на живых людей нужно с осторожностью. И тем не менее ученые продолжают создавать новые, все более совершенные модели.

Добавить объема

Первыми аналогами животным моделям стали клеточные культуры: однослойные структуры из живых клеток, чаще — забранных у живых доноров, реже — выращенных из принудительно дифференцированных стволовых клеток.

Современные технологии позволяют создавать трехмерные модели человеческих органов. На них можно изучать не только простые клеточные ответы, но и более сложные взаимодействия, такие как развитие заболеваний, иммунные реакции, процессы распространения токсичных веществ, восстановление после механических повреждений и многое другое.

3D-модели позволяют в некоторой степени воспроизвести разнообразие и структурную сложность реальных органов. Они могут включать десятки типов клеток, соединительную ткань между ними. Вот, например, приблизительная оценка «набора для сборки» модели человеческого легкого для изучения гриппа: 1-2 миллиона клеток эпителия альвеол типов I и II, фибробластов, 1 миллион клеток эндотелия, 0,5-1 млн гладких мышечных клеток, и 0,5-1 млн лейкоцитов. Кроме того, во многих моделях создаются миниатюрные капиллярные сети из клеток эндотелия.

Клетки разных типов забирают у доноров и размещают на трехмерном каркасе (скаффолде). Выбор материала и геометрии скаффолда — отдельная сложная задача. Материал должен поддерживать клетки, не мешать росту культуры, а в некоторых случаях имитировать механические свойства естественного органа и так же, как этот орган, реагировать на изменения освещенности, температуры кислотности и даже концентрации определенных белков. Как правило в качестве материала для скаффолдов используют естественные или синтетические гидрофильные полимеры — гидрогели.

Сейчас моделирование органов и их отдельных участков для изучения патогенеза заболеваний, воздействия отдельных лекарств и нормальной физиологии и метаболизма — отдельная и бурно развивающаяся направление в науке. Создаются и используются большие, состоящие из миллионов клеток модели отдельных участков легких, почек, нервной системы, печени и других органов и тканей.

Переход в цифру

В последние годы все популярнее становятся не физические, а цифровые модели целых органов и их частей, тканей, а также патологических образований. Цифровые модели бывают разными. Некоторые — как система CODA, разработанная специалистами из университета Джонса Хопкинса и Йельского университета — представляют собой системы для создания комплексных трехмерных изображений, собранных из оцифрованных и проанализированных с помощью искусственного интеллекта снимков. В CODA использовались фотографии патологоанатомических срезов, в других подобных системах используются рентгеновские снимки, томограммы, данные ультразвукового исследования.

Отличие CODA от многих подобных систем заключается в использовании искусственного интеллекта, который находит на снимках кровеносные сосуды, жировые и эпителиальные клетки и выделяет их как отдельные объекты в готовом трехмерном изображении. Пользователь системы может рассматривать модель с любого ракурса, поворачивать ее, сравнивать с другими.

Такие модели можно использовать для изучения физиологических процессов, в том числе развития опухолей, а также как наглядное пособие для преподавания анатомии. К их достоинствам относится и возможность преподавать анатомию дистанционно. Может быть, именно с помощью таких технологий однажды станет возможным дистанционное медицинское образование.

Кстати, образование — одна из главных областей применения цифровых моделей органов: их можно демонстрировать студентам, а можно распечатывать на 3D-принтере из материалов, механическими свойствами напоминающими соответствующие ткани, и использовать для обучения хирургов, планирования и репетиций хирургических операций. В 2017 году анатомически точную трехмерную модель простаты создала группа ученых из Университета Миннесоты, Корнеллского университета и Вашингтонского университета. В дополнение к анатомически точной форме и полимерным материалам, имитирующим упругость и сопротивление ткани простаты, ученые использовали датчики давления — они предупреждают хирурга, если он прикладывает к «органу» слишком большое усилие.

Компьютер предсказывает давление

Цифровые модели можно использовать не только как наглядные пособия, но и как научный инструмент. Достаточно точные по ряду ключевых параметров компьютерные модели уже применяются для изучения самых разных процессов: от взаимодействия отдельных молекул до прохождения нервного сигнала, дыхания, сердцебиения и других важных жизненных процессов.

Одну из моделей последнего типа разработали в Научном центре мирового уровня (НЦМУ) «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение». 3D-модель сердечно-сосудистой системы учитывает сложные физиологические взаимосвязи, регулирующие уровень артериального давления, в зависимости от состояния сердца, сосудов, почек и других органов.

Исследователи НЦМУ также провели исследование основных патофизиологических характеристик и маркеров, отражающих процессы регулирования давления с участием сердца, почек и кровеносных сосудов. В ближайшее время разработкой смогут пользоваться не только научные работники, но также студенты, врачи, фармацевты и вообще все желающие.

На пути к цифровому телу

Биологические компьютерные модели подчиняются общему правилу: чем выше разрешение, тем меньше участок человеческого тела, отраженный в модели. Модели целых органов могут включать разные ткани, кровеносные сосуды, группы иммунных клеток, но не позволяют опускаться на уровень отдельных клеток. И наоборот: модели, показывающие взаимодействие отдельных клеток, охватывают микроскопические объемы.

На сегодняшний день ученые располагают обширными базами данных, которые позволяют составлять компьютерные модели разного разрешения для разных участков тела. Уже к середине 1990-х годов были собраны базы снимков, достаточные для создания трехмерной анатомической модели всего тела с разрешением до 0,1 миллиметра. Созданию таких моделей способствовало и появление технологий хранения больших объемов данных, и технологий их обработки — таких как программный пакет VOXEL-MAN для создания и визуализации 3D-моделей человеческого тела. В двухтысячные годы полные 3D-модели человеческого тела были созданы в Японии, США, Южной Корее и Китае.

Одновременно строились биофизические модели: одни отражали механических свойства тканей и органов, другие — их проницаемость для разных видов излучения, третьи — электрические свойства. На клеточном и тканевом уровне, на уровне разных органов и целого организма моделировались физиологические и биохимические процессы. В рамках европейского проекта European Physiome Project были составлены модели, отражающие физиологию отдельных органов — в частности, сердца и системы кровообращения.

В начале 2010-х стартовали проекты по картированию и моделированию мозга. Самые масштабные из них — The Human Brain Project и The Blue Brain Project.

Уже сегодня человечество накопило огромное количество данных, достаточное для грубого моделирования по крайней мере некоторых частей человеческого тела. Если в будущем технологии позволят хранить и быстро обрабатывать еще больше информации, картирование тела может быть — по крайней мере в некотором приближении — наконец завершено. В теории достаточно подробных моделей хватит, чтобы заменить хотя бы часть экспериментов на животных моделях, а также для того, чтобы будущие врачи могли тренироваться на цифровых и напечатанных на 3D-принтерах двойниках почти так же, как это делали на козах средневековые арабские медики.