Люди-киборги
Как меняется биопротезирование
Федор Сенатов, ПостНаука
По данным Минтруда, в России около 12 миллионов людей с подтвержденной инвалидностью, из них около 200 тысяч человек нуждаются в протезировании. Сегодняшние технологии позволяют не просто косметически решить эту проблему, но и создавать функциональные протезы, с которыми возможна полноценная жизнь. Отдельного внимания заслуживает биопротезирование, которое ставит своей целью создание идеально совместимых с пациентом протезов из материалов, полностью воспроизводящих свойства различных тканей человеческого тела — от костей до кожных покровов. Вместе с кандидатом физико-математических наук Федором Сенатовым разбираемся, что возможно уже сегодня, как изменится биопротезирование в ближайшие годы и когда можно будет напечатать на 3D-принтере любой новый орган.
Бионика, биоинспирирование и биомиметика: ликбез
Бионика — это инженерная область науки, которая отвечает за использование в человеческих технологиях свойств и функций живой природы. Например, для создания транспортного средства можно изучить полет птицы или движение акулы в воде, понять, как это животное двигается, и перенести полученные параметры на созданные человеком конструкции.
Биоинспирирование — более общий термин, означающий использование биологических систем при решении инженерно-технических задач. Например, шестигранную форму пчелиных сот можно повторить в архитектуре. Однако это необязательно должно быть что-то функциональное: природные формы находят свое применение и в искусстве.
Наконец, биомиметика означает повторение структурных особенностей природных материалов и тканей для сохранения всех их свойств. Это важно, когда речь идет о создании идеального протеза: нужно сначала исследовать ткань, которая будет протезироваться, и затем повторить этот комплекс параметров на синтетическом материале. Тогда протез сможет максимально эффективно заменить отсутствующий фрагмент.
Подсмотреть у природы: что нужно для идеального протеза
В природе есть три группы свойств, которые необходимо повторить, чтобы воспроизвести исходный объект: анизотропия, иерархичность, динамичность.
Анизотропия касается физических свойств объекта, которые меняются в зависимости от направления. Например, в человеческой кости есть трабекулы — поры, вытянутые в одном направлении. Они определяют свойства кости, и из-за них ее легче сломать в одну сторону, чем в другую. Если смотреть на человеческую кость вдоль и поперек, это объект с разными свойствами.
Иерархичность можно объяснить на примере древесного листа: как правило, у него есть центральная прожилка, от которой в разные стороны расходятся ветви маленьких жилок. Подобная иерархичность структуры также проявляется в нашей кровеносной системе.
Третья группа свойств — динамичность, описывающая способность природных объектов подстраиваться под окружающую среду. Листья меняют цвет в зависимости от сезона, мышцы увеличиваются в размерах, кости становятся хрупкими. Сюда же относят регенерацию, например срастание кожи на порезанном пальце.
Чтобы создать идеальный протез, необходимо повторить все три группы свойств. Пока ученые только пытаются понять, как устроен тот или иной объект, и просто воспроизвести эти параметры.
Какие элементы человеческого тела ученые могут повторить уже сейчас
Лучше всего сегодня обстоят дела с твердыми тканями: имплантаты костей уже можно печатать — как небольшие фрагменты, так и размером до 15 см. Чем больше имплантат, тем выше вероятность, что для его производства будут использоваться традиционные биоинертные материалы: титановые сплавы, инертные полимеры вроде полиэфирэфиркетона. А если необходимо заменить небольшой фрагмент, например, в челюстно-лицевой хирургии, его сделают из биорезорбируемых материалов, которые постепенно будут разлагаться в организме человека и заменяться собственной костью.
При этом существуют свои сложности, ведь титановые имплантаты обладают большим модулем упругости, если сравнивать их с человеческой костью. Поэтому нагрузка, если это нагружаемая часть скелета, распределяется неравномерно и скапливается в области имплантата. И тогда окружающая его кость остается с меньшей нагрузкой, включается адаптивность — организм приспосабливается к изменившимся нагрузкам. Это приводит к тому, что кость на границе с титаном охрупчивается и может сломаться. Поэтому важно не просто сделать титановый имплантат, но и повторить микроструктуру и механические свойства кости, химию поверхности и материала, привлечь туда другие клетки, которые будут развивать этот участок тела.
Я люблю говорить, что клетки как кошечки. Кошечку можно посадить в обычную коробку, и ей там будет нравиться. Клетки, которые приходят из нашего организма для интеграции с имплантатом, должны захотеть его интегрировать. Они могут чувствовать себя хорошо в достаточно дешевом материале, если им там комфортно по геометрии и размеру. К тому же клетки лучше цепляются за шероховатые поверхности имплантатов, они им больше нравятся. Так и кошка, которая залезет именно в ту коробку, которая ей комфортна по размеру, а не в ту, что дороже или наряднее.
Чуть хуже в биопротезировании дела обстоят с хрящами и суставами. Сейчас часто их просто меняют целиком — это так называемое тотальное эндопротезирование. Тазобедренный, коленный, плечевой суставы можно заменить, но вырастить искусственный сустав, помочь восстановиться регенерирующему хрящу гораздо сложнее. Хрящ регенерирует существенно хуже кости.
Также пока только начинает развиваться протезирование мягких тканей. Ученые научились создавать мышцы для имплантаций, пусть совсем небольшие участки. На 3D-принтерах печатают роговицы глаз, элементы кровеносной системы, но это лишь самое начало пути. Сейчас все еще невозможно напечатать печень — можно только обеспечить общий вид органа, но не воссоздать в полной мере его функции фильтрации. Напечатанная поджелудочная железа должна продуцировать инсулин, а это гораздо сложнее, чем просто повторить структуру кости. Так что в области протезирования мягких тканей у науки впереди еще много работы.
Сколько времени уходит на создание имплантата
Это зависит от большого количества параметров, поэтому разброс может быть очень большим. Например, в Научно-образовательном центре биомедицинской инженерии Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» над улучшением одного имплантата работают уже 12 лет. Если ученые хотят разработать имплантат с нуля и вывести его на рынок, то в идеальных условиях на это уйдет 6–7 лет.
Существует несколько сложностей, которые увеличивают этот срок. Например, если создается продукт локального потребления, в таком случае государство не будет ускорять процедуры регистрации, и могут затянуться клинические испытания. Если же в имплантате используют клеточные материалы, то подключается ФЗ № 180 «О биомедицинских клеточных продуктах».
С другой стороны, если уже существуют материалы, которые много раз использовались в испытаниях на лабораторных животных, и необходимо подобрать условия для создания конкретного имплантата, то можно существенно сократить сроки создания импланта. Так, ученые малого инновационного предприятия (МИП) «Биомиметикс» совместно с НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина подготовили имплантат для кота с опухолью в кости лапы всего за три недели. За это время оцифровали рентген, сделали 3D-модель, провели компьютерную симуляцию и загрузили в компьютер базу механических характеристик. Затем скорректировали слабые места, напечатали имплантат, обработали поверхность, чтобы она стала оптимальной для клеток, и в течение 10 дней заселяли имплантат клетками четвероногого пациента. Получившийся протез позволил животному прожить полноценно и активно еще год.
Какие материалы используют в биопротезировании
Для создания имплантатов используют четыре вида материалов: синтетические, природные, клеточно-инженерные и тканеинженерные. Синтетические уже упоминались — это титан, полилактид и многие другие материалы. Природные полимеры — это, например, коллаген, который широко используется в пластической хирургии. Клеточно-инженерные конструкции — более сложный вариант, когда ученые делают каркас из некоего материала (он может быть как синтетическим, так и природным), а затем колонизируют его стволовыми клетками пациента.
В тканеинженерной конструкции используют не клетки, а сразу ткани пациента. Например, печатают каркас некоего органа, имплантируют его под кожу и дают прорасти всеми необходимыми тканями: кровеносными сосудами, соединительной тканью. Например, ученые Сеченовского университета предлагают с их помощью выращивать клетки и ткани для барабанной перепонки. Для этого они планируют использовать три компонента: стволовые клетки, способные делиться и создавать специализированные ткани, полимерный каркас для ткани (его называют скаффолдом) и гормоны, стимулирующие рост и развитие клеток.
Проблемы и тренды биопротезирования
Особенность протезирования заключается в том, что это междисциплинарная область, поэтому и проблемы относятся к разным областям: материаловедению, биологии, медицине, инженерной науке. Сюда можно включить даже IT, поскольку в протезировании все более важную роль играют большие данные — массивы информации, собранной из научных статей и клинических практик.
Современный имплантат всегда индивидуализирован, итоговый вариант одной и той же кости будет отличаться, зависеть от возраста и пола человека. Но индивидуализация в материаловедении и биологии понимается по-разному. В материаловедении под этим подразумевают подбор нужных механических характеристик, упругости, правильной микроструктуры и химических элементов. В биологии учитывается взаимодействие имплантатов с конкретными клетками, тканями и органами.
С точки зрения медицины проблемой является интеграция имплантата, который придумали ученые. А с точки зрения инженерной науки важно решить следующие задачи: как правильно собрать конструкцию биопринтера, чтобы он не портил клетки во время печати; как поддерживать нужную среду и стерильность.
Сам метод биопринтинга — инженерного подхода, в котором используют достижения биологии, материаловедения и медицины, — это один из ключевых трендов в создании имплантатов. В перспективе планируют все больше использовать решения генной инженерии — например, создавать факторы роста с помощью бактерий Escherichia coli (кишечная палочка). Скажем, НИЦЭМ Гамалеи, создатели вакцины «Спутник V» (или «Гам-КОВИД-Вак»), синтезировали рекомбинантный морфогенетический костный белок человека искусственно, методами генной инженерии. То есть они получили факторы роста не из тела человека, а создали их искусственно.
Клеточные технологии, например использование стволовых клеток, — это еще один важный тренд биопротезирования. В последние годы много говорят об индуцированных плюрипотентных клетках, в 2012 году британец Джон Гердон и японец Синъя Яманака даже получили за свое исследование Нобелевскую премию по физиологии или медицине. Это клетки, которые можно брать из жировой ткани и возвращать их в своего рода исходное состояние. Тогда клетки становятся плюрипотентными, у них появляется много вариантов развития, а значит, из них потенциально можно вырастить нужную ткань.
Биопротезирование и киберпротезирование
Сегодня все большее распространение получают киберпротезы — один из видов кибернетических манипуляторов, устройств, с которыми человечество знакомо уже несколько десятков лет. Эти манипуляторы собирают часы и технику, шьют одежду, а в последние годы принципы их построения стали использовать для создания человеческих протезов. Это могут быть киберпротезы отдельных конечностей или целые экзоскелетные конструкции. В октябре 2019 года СМИ сообщили о том, что с помощью экзоскелета полностью парализованный человек смог пройти более 100 метров.
Однако, если необходимо сделать что-то, чего не заложили в программу киберпротеза, у его носителя гарантированно возникают проблемы. Например, если нужно идти по ступеням или махать рукой против часовой стрелки, но при этом нет настроек для этих режимов движения, то ничего не случится. Это намерение формируется в голове у человека, киберпротез о нем не знает. И это одна из ключевых проблем подобных решений.
Чтобы ее решить и позволить устройству более точно исполнять волю владельца, ученые работают над технологией интерфейсов «мозг — компьютер». С ее помощью протезы и экзоскелеты должны понимать сигналы мозга и получать информацию напрямую, а не обращаясь к заложенным заранее командам. Сюда приходит на помощь биомедицинская инженерия: ученые предлагают создавать очень маленькие проводимые структуры с помощью биосовместимых материалов, чтобы с их помощью соединять нерв и определенный девайс, например тот самый киберпротез.
Об авторе: Федор Сенатов – кандидат физико-математических наук, директор Научно-образовательного центра биомедицинской инженерии Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru