Создание искусственных органов

Прогресс в материаловедении, создании автономных источников питания и микродвигателей дает принципиальную возможность создания автоматических протезов для замены дефектных органов. Это направление радикального продления жизни носит название киборгизации.

Достаточно давно в медицинской практике используется протезирование – искусственные зубы и кости, искусственная кожа, клапаны сердца и сосуды. Создана даже искусственная сетчатка глаза. В тело человека вживляются различные датчики и устройства, например кардиостимуляторы. Изношенные биологические органы также могут быть заменены на искусственные протезы целиком. Уже в наше время существуют электронные устройства, способные подсоединяться к нервной системе человека, что привело к созданию аппаратов для зрения, слуха, протезов конечностей нового поколения, приближающихся по своей функциональности к естественным. Мы можем двигать механическими пальцами искусственной руки, ходить на протезированных ногах, видеть электронными глазами и слышать через электронный слуховой аппарат. Разработанный по программе Министерства обороны США DARPA компьютерный нос уже умеет с точностью до 97 % различать несколько десятков запахов.

В настоящее время успешно проходит клинические испытания в США бионическая поджелудочная железа – прибор, способный отслеживать уровень глюкозы в крови и вводить требуемые концентрации гормонов инсулина и глюкагона.

Еще более востребованными являются устройства, заменяющие функцию почек и сердца. Миллионы людей по всему миру страдают острой почечной недостаточностью и тяжелыми заболеваниями сердца. Здесь не идет речь об аппарате для гемодиализа и сердечно-легочном аппарате, которые временно подключают при некоторых хирургических операциях. Необходимы вживляемые искусственные заменители данных органов, которые бы не ограничивали свободу перемещений пациента или хотя бы позволяли ему дожить до своей очереди на пересадку донорского органа (или до выращивания нового органа).

Конструкция первого механического сердца была разработана еще в 1937 году хирургом Владимиром Петровичем Демиховым. Устройство это представляло собой насос, приводящийся в действие электромотором. Прибор удалось успешно вживить собаке и тем самым доказать принципиальную возможность такого прибора. Первое искусственное сердце, которое было вживлено человеку, носило название по фамилии создателя «Ярвик-7» и увидело свет в 1982 году. С тех пор в США, Японии и Франции предпринималось несколько попыток имплантаций полностью искусственных сердец, однако они позволили продлить жизнь пациентов максимум на несколько месяцев.

Искусственную почку удалось создать и успешно применить в 1943 году голландскому врачу Виллему Йохану Кольфу. В настоящее время в мире создано несколько десятков моделей аппаратов «искусственная почка» и проведены тысячи операций с их применением. Однако это большие стационарные приборы. Существует также компактный носимый прибор, разработанный в 2008–2010 годах. Имплантируемая искусственная почка до сих пор не прошла клинических испытаний, хотя и существуют отдельные многообещающие разработки, которые найдут свое применение в ближайшие десять лет.

Много раз облетали мир новости о создании имплантов для мозга насекомых, мышей и крыс, позволяющие человеку дистанционно управлять их движениями. В настоящее время существуют аппараты, с помощью которых человек может мысленно управлять механической рукой, движением персонажей в компьютерной игре, посылать короткое мысленное сообщение по электронной почте или сканировать в компьютер визуальные образы, возникающие в его воображении.

Не за горами электронные протезы отдельных структур нашего головного мозга. Уже есть некоторые наработки в этой области. Американские исследователи в 2013 году разработали электронный интерфейс, который позволял нервным импульсам «обходить» травмированный участок нервной ткани и стимулировать следующие за ним отделы мозга, и успешно испытали его на крысах. Как предполагается, данная разработка поможет людям, пережившим инсульт, удаление опухолей мозга или травматическое повреждение. Учеными из Университета Тель-Авива в 2012 году был создан электронный мозжечок, который смог полностью заменить разрушенный мозжечок в мозге крыс.

Оказалось, что дублировать природу – очень трудная задача. Полученные результаты не вполне надежны и продлевают жизнь лишь ненадолго. Это и неудивительно, поскольку биологические органы имеют встроенную систему борьбы с отказами, способны самовосстанавливаться, в то время как механические заменители на это не способны и их отказ может вызвать смерть их обладателя.

Но не стоит забывать, что разработка кибернетических органов направлена на сохранение жизни и повышение ее качества, а значит, они будут совершенствоваться, становиться более надежными и удобными, пока в один прекрасный день мы не увидим на Паралимпиаде спортсменов, чьи искусственные руки и ноги будут неотличимы от настоящих.

Инженерный подход к клеточному старению

Английский биоинформатик и биогеронтолог Обри ди Грей, автор «Стратегии достижения пренебрежимого старения инженерными методами» (SENS) и президент одноименного фонда, считает доскональные исследования старения напрасной тратой времени, так как биологическая природа все еще слишком сложна для нашего понимания. В то же время он призывает активно вмешиваться в природу человека для обращения старения вспять, используя методы, показавшие свою эффективность. Рациональное зерно этого подхода подтверждается рядом любопытных фактов из истории медицины. Например, Эдуард Дженнер, прививший оспу в 1796 году и спасший тысячи детских жизней, ничего не знал про устройство иммунитета. Технологии зачастую идут впереди глубокого осмысления их механизмов. По мнению ди Грея, стоит сосредоточиться на том, что мы уже знаем о причинах старения, и найти «инженерные подходы» к их устранению.

Несмотря на то что не все согласны с выделяемыми ди Греем семью причинами старения, а предлагаемые «инженерные методы» пока больше похожи на научную фантастику, нельзя не согласиться с необходимостью каталогизации основных причин старения и создания технологий их устранения.

Рассмотрим причины старения по ди Грею и подходы SENS:

• Гибель клеток и атрофия клеток. Для их устранения предлагается вносить в организм стволовые клетки и факторы роста. На мой взгляд, это может привести к увеличению вероятности опухолеобразования, если только мы прежде не научимся с высокой степенью надежности управлять работой стволовых клеток, находящихся в организме.

• Ядерные [эпи] мутации, приводящие к раку. Для борьбы с опухолями ди Грей предлагает тотальное отключение теломеразы, достраивающей концы хромосом. Проблемы с регенерацией, которые наступят в связи с укорочением хромосом, он предлагает решать систематическим введением опять же стволовых клеток.

• Мутантные митохондрии. Митохондрии часто утрачивают важные фрагменты своей ДНК, что приводит к их неспособности образовывать требуемые белки. Поскольку генов в митохондриальной ДНК совсем немного, ди Грей считает необходимым перенести их в более безопасное место – в ядро клетки. Как будут добираться до митохондрий перемещенные белки, не уточняется. Хотя это, по сегодняшним меркам, вполне разрешимая проблема.

• Старение клеток. Сенесцентные (старые) клетки, как нежелательные, подлежат целенаправленному удалению. Напомню читателю, что в предыдущих разделах мы говорили о потенциальной пользе такого вмешательства.

• Сшивки внеклеточных белков. Поперечные сшивки белков стенок сосудов и соединительной ткани эластина и коллагена приводят к атеросклерозу, ограничению подвижности суставов. Ди Грей предлагает разрабатывать молекулы и ферменты, разрушающие такие сшивки. Неясно, правда, с какой стороны взяться за эту проблему. Но само направление выглядит перспективным.

• Внеклеточный мусор. Накопление агрегатов амилоида с возрастом является причиной нейродегенераций. SENS предполагает каким-то образом модифицировать иммунные клетки фагоциты и создавать вещества-разрушители бета-слоев. Отмечу, что в этом направлении достигнут определенный успех: на стадии клинических испытаний сейчас находится сразу несколько лекарственных средств, предназначенных для устранения амилоида из организма.

• Внутриклеточный мусор. Старческий пигмент липофусцин и окисленный холестерин способствуют деменции и сердечно-сосудистым проблемам. Обри ди Грей обращает внимание, что на кладбищах обитают микробы, способные разлагать человеческие останки, в том числе липофусцин. Он предлагает внедрять ферменты-гидролазы этих микробов в атеросклеротические бляшки и пораженные липофусцином клетки. Неясно, правда, что остановит эти гидролазы от разрушения других липидов клетки и клеточных мембран. Однако само направление поисков является верным: липофусцин необходимо научиться устранять.

Вызывает симпатию тот факт, что Обри ди Грею удалось привлечь к работе над этим масштабным проектом группы ученых из нескольких научных институтов США и других стран. Конференция SENS, которую каждые два года организует его Фонд в Кембриджском университете, позволяет геронтологам всего мира обмениваться последними результатами, идеями и гипотезами, что, безусловно, поддерживает темпы прогресса в биогеронтологии.