Если заглянуть в исследовательские центры, становится ясно, что предсказания писателей-фантастов стремительно становятся реальностью. Некоторые достижения ученых в сфере биотехнологий, о которых стало известно в 2016 году, иначе как чудесами не назовешь.

Органы-на-чипе 

Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенхайм, более известный как Парацельс, мечтал создать гомункулюса – человечка в реторте, над которым можно было бы проводить самые разнообразные опыты. Мечта стала явью в XXI веке: в лабораториях появились необычные устройства, симбиоз электронных микросхем и живых тканей.

Принцип достаточно прост: на полимерную основу помещаются живые клетки различных человеческих органов. Их омывает подобие крови, питательная жидкость, несущая в себе различные вещества и растворенные газы. На них воздействуют лекарствами, химикатами или физическими факторами и регистрируют все происходящие изменения.

Блоки с биокибернетическими моделями органов можно собирать в любой последовательности. В таком виде воспроизведен уже весь внутренний мир человека и покровные ткани, то есть кожа. Не исключено, что со временем эти устройства целиком заменят подопытных животных, а то и людей-добровольцев: информации от органов-на-чипе можно получить куда больше, да и выдержать они могут такие режимы, на которых живые организмы просто не в состоянии функционировать.

3D-биопринтинг

Технология 3D-печати появилась совсем недавно, стремительно подешевела и стала доступна практически всем желающим. И медики среди них стояли в первых рядах. Напечатать почку из собственного материала пациента намного проще, чем найти подходящего донора. Однако пока что 3D-биопринтинг делает лишь первые шаги.

Что уже удалось создать? Например, уши из настоящих хрящей, обтянутые самой настоящей кожей, – прекрасный тренажер для специалистов по пластической и реконструктивной хирургии. В Саудовской Аравии для тех же целей напечатали сердце: с ролью пламенного мотора оно пока что не справится, функцию автоматизма, например, воспроизвести очень сложно, но как учебный объект для кардиохирургов – вещь незаменимая.

Дальше всех продвинулись стоматологи. Прежде всего, студенты получили возможность сверлить самые настоящие зубы, состоящие из точно такого же дентина, что и реальные человеческие. Кроме того, качество имплантов шагнуло очень далеко, появились даже искусственные зубы с антибактериальным покрытием, устойчивым к Streptococcus mutans, возбудителю кариеса. Также стали доступными строго индивидуальные, физиологичные и практически незаметные ортодонтические приспособления, время металлических брекетов безвозвратно уходит.

• Еще пару лет назад в список научных прорывов ближайшего будущего внести генотерапевтические препараты, исправляющие «неправильные» гены. В прошлом году они уже стали реальностью: один зарегистрирован в США и ЕС, еще 3 – в Китае.

• Перестали быть фантастикой технологии возвращения слуха и зрения: бионические протезы позволяют восстановить и то и другое даже до уровня, необходимого для самостоятельной ориентации в пространстве.

• Российский модульный «человек-на-чипе» производства компании «Биоклиникум» называется «Гомункулюс». К блоку управления может быть подсоединен практически любой набор органов-на-чипе. Комплекс есть и в Москве, и в Новосибирске, он активно используется в исследовательских целях.

Выращивание органов из стволовых клеток

Кардинальное отличие от предыдущей технологии: в тело помещают лишь «заготовку» органа, дальше он растет уже сам, подстегиваемый и управляемый клетками окружения живого организма реципиента.

Самый известный на сегодня случай – операции по формированию влагалищ у 4 девушек в возрасте 13–18 лет, родившихся с недоразвитым или полностью отсутствовавшим органом. У каждой из них были взяты клетки кожи, переведены в состояние стволовых клеток, простимулированы и оставлены в термостате на некоторое время.

После этого получившаяся тонкая трубка была хирургически помещена в тело пациенток и со временем превратилась в абсолютно нормальное влагалище. Настолько нормальное, что через 8 лет после операции все девушки вели активную половую жизнь, а одна из них уже задумывается о рождении ребенка.

Искусственная кровь

Кровопотеря по-прежнему остается ведущей – до 70% случаев – причиной преждевременной гибели раненых и травмированных в войнах и катастрофах, так что проблема кровезамещения все еще актуальна. И после провала проекта «перфторан» («голубая кровь») никаких особых подвижек в этом направлении не наблюдалось. Но буквально в декабре 2016 года появились обнадеживающие новости: группа американских и канадских исследователей, решившая пойти другим путем и сосредоточиться на искусственных эритроцитах, добилась первого впечатляющего успеха.

Одной из главных проблем была стабилизация гемоглобина. Находясь внутри клетки, он исправно поглощает кислород или углекислый газ, но, высвобождаясь при разрушении искусственных мембран в свободный кровоток, начинает активно поглощать оксид азота, вызывая резкое сужение сосудов и, соответственно, инфаркты и инсульты.

Новые эритроциты, во-первых, существенно меньше человеческих – около 1 мкм вместо 6–7 мкм. Во-вторых, они покрыты неразрушаемым и непроницаемым для гемоглобина полимером, хотя газы и питательные вещества свободно перемещаются через эту мембрану.  Даже если лабораторным крысам заменяли 70% их крови искусственной, животные прекрасно себя чувствовали и ничем не отличались от контрольной группы, которым новую эритроцитарную массу не переливали.

Не все проблемы удалось решить. Так, полимерные эритроциты живут лишь 8–12 часов, а человеческие – до 120 суток. Именно поэтому авторы предупреждают, что их препарат если и появится в клинической практике, то не раньше, чем через 10 лет.

Нейроинтерфейс

Мысль материальна. Это прекрасно доказали нейрофизиологи, продолжающие соединять головной мозг и компьютер в самых причудливых комбинациях. При помощи силы мысли сегодня человек может управлять даже автомобилем. В первую очередь это открывает невероятные возможности для нейрореабилитации: люди, потерявшие способность ходить или двигать руками, становятся снова способными к самообслуживанию и даже выполнению некоторых видов работ на благо общества. Самое главное, что такие технологии перестали быть инвазивными, уже не требуется вживлять электроды в мозг, достаточно просто фиксировать его активность стандартными электрофизиологическими методами типа электроэнцефалографии.

Демонстрация на лектории «Будущее на пороге», Казань, ноябрь 2016 г. Фото автора 

Василий Ключарев, профессор, ведущий научный сотрудник Центра нейроэкономики и когнитивных исследований НИУ ВШЭ, на своих лекциях демонстрирует простой, но очень показательный эксперимент: добровольца из числа слушателей ассистент уводит за кулисы и в течение 20 минут обучает «общению» с компьютером. Для этого на голову добровольцу надевается стандартная шапочка с электродами для снятия ЭЭГ, в которую вмонтирован WiFi-передатчик. Испытуемому необходимо смотреть на экран монитора и управлять шариком в простейшей игре, думая, что он нажимает на определенные кнопки то левой, то правой рукой. Через 20 минут компьютер и слушателя перемещают в зал, где на глазах восхищенной аудитории происходит настоящее чудо: человек управляет игрой с расстояния в несколько метров, не прикасаясь к клавишам или мыши. Перспективы технологии поражают воображение и лишь им же и ограничиваются.

• Российский стартап ортодонтической  3D-печати «3D Smile» в 2015 году занял 3-е место в рейтинге Forbes, а  2016-м победил на конкурсе компании «Биотехмед».

• Для крыс на 3D-биопринтерах уже удалось напечатать функционирующие яичники, щитовидную железу (российская разработка), крупные сосуды, кости, мышцы и фрагмент иннервированной кишки.

• Для основы органов-на-чипе используется полидиметилсилоксан, хорошо известный в медицине как энтеросорбент. Но в данном случае это превратилось в минус: иногда он просто поглощает изучаемые вещества, попадающие в ткани, чем сводит на нет весь эксперимент.

Гибернация

Идея ввести человека в состояние анабиоза, а затем вернуть, витает в научной фантастике. Однако совсем скоро и она может стать реальностью. Питер Ри уже провел ряд подобных экспериментов на свиньях еще в 2000 году. Их кровь заменили холодным физиологическим раствором, который «заморозил» организмы животных, точнее, замедлил их обмен веществ примерно до уровня медведя, спящего в берлоге. Затем хрюшек успешно вернули к жизни.

Группа исследователей из Аризонского университета уже ищет первых добровольцев для апробации новой методики. После этих экспериментов само определение понятия смерти может существенно измениться, полагают ученые. Применяться технология может по нескольким направлениям: во-первых, погружение в спячку людей с пока что неизлечимыми заболеваниями в надежде на то, что через 50 или 100 лет наука научится с ними справляться. Во-вторых, длительные космические полеты. Экипаж, находящийся в специальном блоке в анабиозе, проще защитить от губительной солнечной радиации, чем весь корабль. В-третьих, чуть ли не единственный на сегодня практически реализуемый вариант машины времени. «Замороженный» путешественник сможет увидеть человечество, например, через 500 лет. Если, конечно, за это время оно не придумает очередной способ гарантированного самоуничтожения.

Алексей Водовозов

Журнал "Российские аптеки" №1-2, 2017