Сердце — удивительно сильный и в то же время очень уязвимый орган. Сердечнососудистые заболевания остаются причиной смерти №1 в мире, по данным ВОЗ, на них приходится 3 из 10 смертей.
В некоторых странах, благодаря медицинскому просвещению, пропаганде здорового образа жизни, отказа от курения и превентивным лекарственным терапиям, распространенность болезней сердца и сосудов снижается, как это произошло в США.
Лечение, однако, никогда не перестанет быть актуальным, и конечно, больше всего человечество заинтересовано в тех терапиях, которые позволят восстановить утративший жизнеспособность орган либо заменить его на новый, не опасаясь реакции отторжения.
В одной статье невозможно охватить все достижения медицинской науки в области кардиологии и кардиохирургии, мы остановимся на некоторых из тех, что уже сегодня приоткрывают дверь в будущее.
Копия сердца на 3D принтере стала тренажером для хирургов
Операция, которую провели китайские врачи на сердце 9-месячного ребенка весной нынешнего года, не может не восхищать.
Маленький мальчик родился с тяжелейшим пороком сердца под названием тотальный аномальный дренаж легочных вен. При этом пороке артериальная кровь, минуя сердце, попадает в большие вены и в правое предсердие. В дополнение к этому у малыша был атриовентрикулярный дефект предсердной перегородки, при котором кровь свободно перетекает между предсердиями. Пройдя через перегородку, артериальная кровь оказывалась там, где ей полагалось быть изначально – в левом предсердии, и дальше совершала обычный путь по большому кругу кровообращения.
Трудно представить себе, что такое возможно, но дети с этим пороком рождаются доношенными, а сердце некоторое время справляется с ситуацией.
Малыш из Цзилиня сразу после рождения казался вполне здоровым, однако через некоторое время у него развилась сильная одышка, и в возрасте 9 месяцев он поступил в Педиатрический кардиоцентр Народной больницы Цзилиня в критическом состоянии из-за острой сердечной недостаточности и тяжелой пневмонии. При отсрочке лечения вероятность не дожить до своего первого дня рождения составляла для мальчика, по оценке директора Центра Чжан Ксуекина, 80%.
Но как спланировать операцию при таком сложном дефекте, основываясь лишь на снимках УЗИ? Как избежать осложнений в процессе хирургического вмешательства? Ведь такой порок чрезвычайно редок и исправить его очень сложно.
Специалисты Центра нашли выход. С помощью 3D принтера им удалось напечатать точную копию маленького сердца и на ней тщательно отработать последовательность действий при хирургическом вмешательстве. «После тренировки на модели мы знали точно, где нужно сделать надрез и какого размера он должен быть. Имея тщательно разработанный план, мы потратили всего половину того времени, которое было запланировано на операцию», — говорит Чжан Ксуекин.
Малыш чувствует себя хорошо, и врачи считают, что в дальнейшем он будет почти или даже полностью здоровым.
Первое в мире бионическое сердце, работающее без пульса
Человеку его пока что не пересадили, но планируют сделать это в скором времени. А вот овечка с непульсирующим бионическим сердцем, полученным ею в январе 2016 года, не только жива, но вполне здорова и активна.
Что заставило австралийских ученых из Технологического университета Квинсленда заняться поиском нового конструктивного решения?
Дело в том, что существующие модели искусственного сердца довольно крупные и недолговечные. Одна из конструктивных особенностей — наличие мешочка, похожего на воздушный шарик, который со временем рвется, ведь искусственное сердце совершает миллиарды ударов в год.
Новое бионическое сердце BiVACOR для продвижения крови по кровеносной системе использует вращение двух титановых дисков под действием магнитной левитации со скоростью 2000 оборотов в минуту. Срок службы искусственного сердца увеличился примерно на 10 лет, так как в нем нет трущихся деталей и полностью исчез пульс.
Для испытаний на человеке ученым требуется финансирование на дальнейшие исследования. При удачном стечении обстоятельств уйдет год для подтверждения безопасности и работоспособности устройства и от 3 до 5 лет на то, чтобы полностью адаптировать модель для человека.
Стволовые клетки: починить и даже вырастить сердце
Место действия — снова Австралия, Брисбен. Буквально на днях в исследовательской лаборатории больницы принца Чарльза ученые продемонстрировали журналистам живую пульсирующую ткань сердца, выращенную из стволовых клеток. Они полагают, что в будущем созданные таким образом клетки сердца будут использоваться для восстановления поврежденной при инфаркте или в результате другого заболевания ткани сердечной мышцы. Будучи доставленными в определенный отдел сердца, клетки начнут расти и «чинить» поврежденный участок.
Можно ли вырастить человеческое сердце из дифференцировавшихся стволовых клеток?
«В теории — да!», — говорит доктор Натан Палпант, ведущий исследования в Институте молекулярной биологии Квинсленда, работающий в составе интернациональной команды над следующим поколением сердечных трансплантатов.
Сложность заключается в том, что вырастить требуется не просто ткани разных типов сердечных клеток. У сердца есть архитектура, ткани должны заполнить определенный каркас, чтобы сконструировать рабочий орган.
На сегодняшний день американским ученым из Гарварда и Массачусетса удалось вырастить человеческое сердце, используя в качестве каркаса донорское сердце, клетки которого заместили выращенными из стволовых, которые, в свою очередь, были получены из клеток кожи пациента. Когда через сердце пропустили электрический ток, оно забилось.
Принципиально важно то, что донорское сердце для традиционной пересадки очень сложно подобрать так, чтобы оно не вызвало реакцию отторжения. Клетки же, выращенные из собственных клеток реципиента, такой реакции вызвать не могут.
В настоящее время ученые работают над тем, чтобы создать оптимальные условия для выращенного сердца, максимально приближенные к естественной среде человеческого тела и ускорить время созревания органа.
Биопечать одного клапана…
Принципиальная задача, однако, научиться создавать трансплантаты, не прибегая к использованию донорских органов. Исследователи Денверского университета (Колорадо, США) надеются, что они смогут решить эту проблему. Для биопечати они используют сравнительно недорогой 3D принтер BioBot 1. Первым этапом их работы стала печать клапанов сердца.
В настоящее время кардиохирурги вполне успешно используют клапаны из искусственных материалов, но здесь есть одна сложность: для растущего детского сердца такой клапан может быть лишь временным, а вот живой клапан будет расти вместе с сердцем и не потребует очередного хирургического вмешательства.
«Чтобы внедрить аортальный клапан, пациентам обычно делают множество операций. Метод инвазивный, а потому это не лучший подход к решению проблемы. Создавая клапаны биоинженерным способом, мы можем вживить в сердце клапан, который будет расти вместе с ребенком» — говорит доктор Али Азадани, директор Лаборатории сердечной биомеханики Денверского университета.
Исследователи уже начали печатать сердечные клапаны, сформированные на основе магнитно-резонансных и компьютерно-томографических сканов сердца пациента. Сердечный 3D-клапан был напечатан за 22 минуты, но команда пока работает над тем, чтобы он был полностью совместим с живыми тканями. Чтобы соединить клетки тела человека с напечатанным сердечным клапаном, ученым требуется биореактор (камера, в которой создана среда для «дозревания» органов).
Команда исследователей Денверского университета в начале пути, однако они полагают, что разрабатываемая ими биотехнология со временем станет реальной терапией.
…или биопечать всего сердца: фантастика или реальность?
Если послушать Стюарта Вилльямса, директора Института кардиоваскулярных инноваций (Луисвилль, США), то задача неосуществимой не кажется: «Осмелюсь заметить, один из простейших объектов биопечати – сердце. Это всего лишь насос с трубочками, которые необходимо соединить между собой, – говорит он. – Нужно взять всего два комочка жира, каждый размером с шарик для гольфа – и у вас будет достаточно клеток для того, чтобы воссоздать практически все самые важные кровеносные сосуды сердца».
Некоторые эксперты, впрочем, считают, что, несмотря на всю заманчивость, теория так и останется теорией, ведь важно не просто воспроизвести орган с помощью 3D печати, нужно, чтобы он «созрел» в биореакторе, а затем начал жить и функционировать в человеческом организме, а это задача не из легких. Однако перспектива заменить пришедшее в негодность сердце пациента на здоровое, напечатанное из его собственных клеток, которые сменили свой профиль, столь заманчива, что исследователи разных стран мира упорно работают над ней.
Впрочем, целью исследователей является не только сердце, но и печень, почки, и другие органы.
Один из пионеров биопечати — профессор Энтони Атала, директор Института регенеративной медицины Вейк Форест (Новая Каролина). Выше мы говорили о пульсирующей сердечной ткани, впервые выращенной на основе стволовых клеток, а научная группа Аталы весной 2015 года впервые напечатала миниатюрные участки сердечной ткани, способные сокращаться.
Сердечные клетки были получены из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, которые, в свою очередь, стали результатом генной модификации клеток человеческой кожи. Миниатюрный орган, напечатанный на специализированном биопринтере, поместили в среду с температурой, соответствующей температуре человеческого тела. При помощи электрической и химической стимуляции исследователи смогли менять режим сокращения ткани.
Конечно, для создания сердца сокращающейся ткани недостаточно. Нужны еще 4 части: клапаны, коронарные сосуды, сосуды микроциркуляции крови и электросистема. Команде Стюарта Вилльямса из Луисвилльского института кардиоваскулярных инноваций удалось создать небольшую часть сердца с кровеносными сосудами и вживить их «пациенту» — пока что мыши.
Очередная сенсация от команды Энтони Аталы тоже не обошлась без участия мыши: в феврале нынешнего года они напечатали орган, пересадили его животному, и он не только прижился, но и заработал! Орган, правда, попроще сердца: это ухо размером 2,5 см, но оно сформировало хрящевую ткань и кровеносные сосуды, то есть успешно интегрировалось в живой организм.
Научный прорыв стал возможным благодаря новому биопринтеру Института Вейк Форест. Это ITOP (Integrated Tissue and Organ Printing System), или Объединенная система для печати тканей и органов. Главное его преимущество заключается в том, что он может печатать васкуляризированные, то есть обладающие сетью кровеносных сосудов, ткани. Васкуляризированные органоиды после имплантации хорошо приживаются и полностью интегрируются в организм, как это и произошло с ухом.
Сколковская мышь
Особенно радует, что от американских ученых на этом поприще не отстают и наши соотечественники. В феврале нынешнего года компания-резидент «Сколково» объявила о том, что ее команда исследователей на первом разработанном в РФ биопринтере напечатала щитовидную железу и успешно вживила ее мыши. Вице-президент фонда «Сколково», исполнительный директор кластера биомедицинских технологий Кирилл Каем считает это важным достижением, потому что щитовидка — не такой уж простой для печати орган. А это значит, что ученые уже идут по тому пути, который может привести к биопечати сердца.
Кирилл Каем оценивает время, необходимое на освоение печати органов в 15 лет. «Условно говоря, с технологической точки зрения, я надеюсь, что мы сможем печатать органы человека и получать их в нужном качестве в течение семи-восьми лет. А оставшееся время уйдет на внедрение в клиническую практику хотя бы на уровне клинических испытаний».
Прогноз нашего соотечественника примерно совпадает с перспективным планом Стюарта Вилльямся, рассчитанным на 10 лет. Вилльямс говорит, что некоторые из коллег-медиков смеются над его амбициозным намерением сравнительно через небольшой срок напечатать человеческое сердце.
«Я рад, что они смеются, — добавляет он. — Это тот самый вызов, который мне так необходим».
Источники:
3D Printed Heart Replica Helps Save the Life of a Nine-Month-Old Baby
Stem cells grow heart tissue in breakthrough research
This world-first bionic heart works without a pulse
Scientists Grow Full-Sized, Working Human Hearts From Stem Cells
Denver University Researchers Bioprint Artificial Heart Valves with BioBot 3D Printer
The World’s First 3D Printed Beating Artificial Heart Cells
Проще всего напечатать сердце: невероятные факты про биопечать
How close are we to a 3D-printed human heart?
Каем: органы человека на биопринтере сможем «печатать» через 7-8 лет
