Розділ 4. Створення штучних органів і тканин
У наш час все більше людей потребують протезування різноманітних органів. У якості протезів використовують органи донорів, але враховуючи зростаючі потребі в протезування донорських органів не вистачає. Тому розроблені штучні органи. Слід пояснити, що під штучними органами розуміють як певні замінники органів із полімерних композицій (суглоби, кістки, клапани серця), так і вирощені методами біотехнології замінники шкіри, хрящів, які складаються із живих клітин. Але створити складні органи – легені, серце, печінку такими методами на наш час неможливо.
Серед штучних органів одними із найпоширеніших є клапани серця. У США в період з 1961 по 1981 р. було проведено 2135 операцій по заміні клапанів серця, при цьому 12 % хворих піддавалися подвійному протезуванню. Основними елементами клапана серця є полісилоксанова кулька й політетрафторетиленове покриття опорного кільця. Хоча у наш час конструкцію клапана серця намагаються покращити.
Перший і самий головний їхній недолік – не надто хороша гемосумісність. Звичайно вона проявляється не в тім, що клапани забиваються тромбами – в умовах інтенсивного кровотоку, найчастіше турбулентного характеру, тромби, якщо вони й утворюються на поверхні клапана, змиваються кров'ю, що протікає, і надалі руйнуються ферментами крові. Кремнійорганічні полімери можуть сорбувати із крові різні речовини, що може приводити до руйнування деталей штучного клапана при тривалій експлуатації. Останнє й обумовило розробку нових полімерних матеріалів для створення деталей клапана. Зараз уже створені, випробувані й застосовуються клапани на основі стеклоподібного вуглецю, одержаного термічною обробкою деяких органічних речовин.
|
|
|
Другий недолік штучного клапана пов'язаний з його конструкцією. Якщо це полісилоксанова кулька, то вона розташована на опорному кільці, звичайно покритому політетрафторетиленом. Потік крові віджимає кульку від кільця, відкривається отвір, через який кров із серця спрямовується в аорту. Зворотне потік крові після серцевого скорочення неможливий, оскільки він притискає кульку до опорного кільця, і потік крові припиняється. Природний же аортальний клапан влаштований зовсім по-іншому. У штучному клапані при віджатій кульці кров обтікає її, а не рухається навпростець, як у природному клапані. Частина енергії серця (звичайно не зовсім здорового) витрачається на подолання цього непотрібного лобового опору. До того ж при обтіканні кульки виникають завихрення в потоці крові, а це не тільки збільшує додаткове навантаження на серце, але й несприятливо позначається на самій крові. Будь-яке порушення ламінарності потоку крові може викликати руйнування структурних елементів крові, ініціювати процес тромбоутворення.
|
|
|
Конструкції, що моделюють пристрій природного клапана, зараз уже створені. Проблема тільки в матеріалах. Пелюстки клапана повинні витримувати, і в природному клапані витримують, тривалі знакоперемінні навантаження до сотні тисяч на добу. Аналогічних синтетичних матеріалів поки ще немає, але вважається, що це будуть складні високоеластичні композиції, армовані посилюючими високоміцними полімерними волокнами із заздалегідь заданим розподілом цих волокон в обсязі полімеру.
Однієї з найпоширеніших областей застосування кремнійорганічних полімерів є мембранна технологія. Мембрана являє собою полімерний виріб будь-якої форми (плоска плівка, порожнє волокно, багатошарова конструкція, набрякла частка й т.п.), що здійснює функції поділу складної суміші шляхом затримки якого-небудь компонента або селективного його пропускання через себе. Своєю появою апарати «Штучна легеня» й «Штучне серце - штучна легеня» зобов'язані хірургії органів грудної порожнини, коли при оперативному втручанні необхідно перекрити потік крові й припинити її доступ в оперований орган, здійснюючи одночасно нормальне постачання організму кров'ю й газообмін у крові. Основними компонентами таких апаратів є система пульсуючих насосів, що забезпечують динаміку кровотоку, і оксигенатор – пристрій для насичення крові киснем і виведення з неї вуглекислого газу. Існують різноманітні конструкції мембранних оксигенаторов, у яких полімерні мембрани можуть бути плоскими, складеними в рулони, згорнутими в спіраль, у вигляді порожнього волокна або тонкої рідкої плівки.
|
|
|
Як полімерний матеріал для виготовлення мембран зараз в основному використовують полідиметилсилоксан, що володіє найвищою серед відомих матеріалів проникністю по кисню й вуглекислому газу. Так, проникність цього полімеру по кисню майже в 100 000 разів вище, ніж полівінілхлориду, і майже в 500 разів вище, ніж поліетилену, а по вуглекислому газу в 60 000 й 1500 разів відповідно. На жаль, у полідиметилсилоксанових каучуків дуже низькі міцнісні характеристики, і тому головний напрямок робіт у цій області полягає в зміцненні матеріалу, наприклад, введенням у його склад полікарбонатних й інших твердих фрагментів.
Близький принцип поділу складних сумішей лежить й в основі апаратів «Штучна нирка». Відомо, що основні функції нирок полягають у регулюванні електролітного балансу, кислотно-основної рівноваги й осмотического тиску крові, а також у виведенні продуктів метаболізму й інших речовин, наприклад, лікарських препаратів. Саме ці функції й можуть бути передані штучному органу. Гемодіаліз – процес позаниркового очищення крові – протікає в гемодіалізаторах, основною робочою частиною яких є напівпроникна мембрана. У світовій практиці найбільше поширення одержали гемодіализатори пластинчастого й капілярного типу.
|
|
|
Уперше ідею гемодіалізу в роки другої світової війни втілив у життя голландський лікар В. Кольф, що у такий спосіб очистив кров хворого при важкому пораненні з інтоксикацією сечовиною. Кров хворого він пропускав через целофанову трубку, а саму трубку поміщав у розчин для діалізу. Із цього часу й до наших днів похідні целюлози залишаються основним матеріалом для створення таких плівок. Видалення токсинів із крові за допомогою таких мембран здійснюється по «ситовому механізмі» - чим вище молекулярна маса токсину, тим нижче швидкість його проникнення через мембрани.
І все-таки діаліз не завжди задовольняє медиків: апарати досить громіздкі, швидкість виведення токсинів менше, ніж хотілося б, а сполуки з великою молекулярною масою взагалі не видаляються або видаляються дуже погано. Тому великий інтерес і медиків й інших фахівців викликав запропонований в 60-х роках принципово новий спосіб витягу шкідливих речовин з біологічних середовищ. Мова йде про процес гемосорбції – видалення із крові токсинів шляхом пропущення крові через шар із сорбентом. Використання іммобілізованих фізіологічно активних речовин виявилося перспективним і для виконання інших детоксикаційних функцій нирок. Наприклад, ту ж сечовину, що традиційно видаляють гемодіалізом, можна успішно виводити із крові в так званій штучній клітині (мал. 1). Штучна клітина складається з оболонки-мембрани, проникної для низькомолекулярних речовин і непроникної для речовин полімерного характеру. Усередині перебуває водяний розчин ферменту – уреази, здатної каталізувати руйнування сечовини, і іонообмінна смола, сорбуюча іон амонію. Уперше така штучна клітина була створена відомим біохіміком Т. Чангом. Зараз не тільки створені більше складні за будовою штучні клітини, але й у значній мірі просунулися роботи в області іммобілізації самих клітин. Уже синтезовані матеріали, у яких живі клітини нормально існують, розмножуються й виконують свої функції.
Рис. 1. Схема дії „штучної клітини”.
Говорячи про полімерні протези живих тканин, не можна не зупинитися на проблемі «штучної шкіри». Важливість цієї проблеми важко переоцінити. Число поранень й опіків навіть у мирний час дуже велике. Так, наприклад, у США щорічно госпіталізується біля двох мільйонів людей із опіками.
При травмах, опіках і взагалі при будь-яких ушкодженнях шкіри ідеальним способом лікування є реплантація шкіри того ж організму. Однак тут вступають у дію такі фактори, як місце розташування ділянки-донора, звідки можна взяти трансплантант без шкоди для організму, а також площа опіку. Нарешті, донорська ділянка назавжди залишається ушкодженою.
Очевидно, що в таких випадках різко зростає значення штучної шкіри. На думку фахівців, ідеальним полімерним покриттям на рани й опіки повинні бути властиві наступні властивості: захисні (від проникнення інфекції ззовні, від зовнішнього механічного травмування), абсорбційні і лікувальні (покриття повинні перешкоджати розвитку інфекції в рані, володіти анестезуючою й гемостатичною дією, стимулювати загоєння рани).
Класичними полімерами, що знайшли широке застосування в медицині як основний компонент перев'язочних засобів, є целюлоза й інші похідні полісахаридів. Сучасні покриття з полісахаридним абсорбентом, по суті, являють собою вдосконалені ватно-марлеві пов'язки, що мають поглинальну здатність до 3400 % води. Їхня низькавартість, гарна повітропроникність, простота стерилізації й інші переваги обумовлюють широке поширення таких перев'язочних матеріалів. Серйозним недоліком такого роду покриттів є те, що вони прилипають до рани і їхнє видалення ускладнюється настільки, що часто вимагає хірургічного втручання. У результаті процедура зміни пов'язки стає болючою та складною процедурою, а головне, при цьому відбувається травмування прилягаючих тканин. Зараз створені полімерні покриття, що не прилипають, принцип конструювання яких полягає в тім, що поверхня целюлозного або синтетичного абсорбенту, звернена до рани, покрита тонкою плівкою гідрофобного полімеру. Для того щоб пов'язка не втратила сорбуючу здатність, плівку звичайно перфорують або замість плівки застосовують сітку. Але й такі матеріали не позбавлені від недоліків. Маючи знижену швидкість всмоктування через гідрофобну поверхню й не прилягаючи щільно до рани, вони тим самим не перешкоджають скупченню під пов'язкою виділень, що викликають розвиток інфекції. У зв'язку із цим заслуговують на увагу покриття на основі природних або синтетичних полімерів, які або не мають потреби у видаленні й залишаються на рані до повного розсмоктування полімеру, або можуть бути безболісно вилучені, наприклад розчиненням у воді. Такі властивості мають полісахариди (натрієва сіль карбоксиметилцелюлози, амілоза, декстран), колаген. Загальною властивістю перерахованих матеріалів є висока гідрофільність (вони здатні поглинати до 5000% води), гарна адгезія до рани, відсутність токсичності, а також гемостатичні властивості, що дозволяють застосовувати подібні матеріали для швидкої зупинки кровотечі.
Для виготовлення штучної шкіри використовують спеціальну поліуретанову плівку, на поверхню якої нанесений шар клеючої речовини. Вона застосовується для заліковування пролежнів, закриття хірургічних розрізів і ран при пересадках шкіри (як на опіках, так і на донорських ділянках). Плівка газопроникна й лише незначно обмежує рухливість хворого, тому що може розтягуватися приблизно в 5 разів. Крім того, вона прозора, що дозволяє перевіряти стан рани, не знімаючи пов'язки. Покриття рани такою плівкою скорочує час загоєння майже на 40 %, роблячи операцію безболісною, оскільки збереження в рані рідини сприяє підтримці в ній постійної концентрації іонів натрію й калію, підвищення якої є причиною запалення нервових закінчень.
Спеціально для лікування опіків призначений багатошаровий матеріал, що представляє собою полідиметилсилоксанову мембрану у яку включена тонка поліамідна сітка, а нижня поверхня мембрани покрита високочистим колагеном. Застосування таких покриттів дозволяє рятувати людей, у яких обпалено до 85 % загальної поверхні тіла. Ще зовсім недавно опік 65 % поверхні тіла вважався смертельним.
Крім полімерних матеріалів для створення штучних органів використовують також і вирощені у спеціальних умовах живі клітини, які згодом трансплантують у організм хворого. Створення штучних органів і тканин оформилося в самостійну галузь науки біля десяти років тому. Перші досягнення цього напрямку – створення штучної шкіри й хрящової тканини, зразки яких уже проходять перші клінічні випробування в центрах трансплантації. Одне з останніх досягнень полягає в конструюванні хрящової тканини, здатної до активної регенерації. Це дійсно величезний успіх, оскільки ушкоджена суглобна тканина не регенерує в організмі. У клініках США щорічно оперують більше 500 тис. хворих з ушкодженнями суглобного хряща, але подібне хірургічне втручання лише на короткий час полегшує біль і поліпшує рух в суглобі. Учені з Ґетеборзького університету у Швеції екстрагували хондроцити (клітки хряща) із суглобів 23 пацієнтів, виростили культуру кліток, що утворила хрящову тканину, а потім імплантували її в ушкоджений колінний суглоб. Результат виявився чудовим: в 14 з 16 пацієнтів було відзначено практично повне заміщення ушкодженого хряща новою тканиною в місці її імплантації. Вирощування хрящової тканини займає, на жаль, багато часу – кілька тижнів, тому вчені намагаються розробити методики більше швидкого одержання штучних тканин. Наприклад, група експериментаторів з біотехнологічної компанії “Organogenesis” провела вирощування плівки штучної шкіри на матриці із природного колагену, що дозволяє практично відразу використати цю нову тканину в клініці. При клінічному випробуванні нового шкірного трансплантата було показано, що він поліпшує (не менш чим на 60% у порівнянні зі звичайними матеріалами) загоєння венозних ран і шкірних ушкоджень. Однак шкіра й хрящ – тканини, що складаються з одного або двох типів клітин, і вимоги до структури основи, призначеної для їхнього вирощування в штучних умовах, відносно невисокі.
З багатьма ж іншими органами справа набагато складніша. У цей час проводяться спроби вирощування в лабораторних умовах печінки. Але печінка – складно влаштований орган, що складається з різних типів клітин, що забезпечують очищення крові від токсинів, перетворення поживних речовин, що надійшли, у засвоювану організмом форму й виконує цілий ряд інших функцій. Тому створення штучної печінки вимагає набагато більш складної технології: всі ці різноманітні типи клітин повинні бути розміщені строго певним чином, тобто основа, на якій вони базуються, повинна мати високу вибірковість.
Із цією метою на таку синтетичну основу наносяться молекули, що володіють властивостями клітинної. Історія створення такої підкладки для кліток печінки може служити ілюстрацією переваг комбінованої технології. Наприклад, дослідникам з Массачусетского технологічного інституту вдалося створити підкладку, на якій закріплюються тільки клетки-гепатоцити. Добре відомо, що клітки цього типу виконують в організмі більше метаболічних функцій, чим будь-які інші. Однієї з таких функцій є видалення із кровотоку ушкоджених білків. Дослідники синтезували молекули з такою послідовністю ланок й “прикріпили” їх до штучного полиакриламидному полімеру. Згодом виявилося, що поліакриламід не може служити матеріалом для штучної печінки, оскільки викликає сильну імунну реакцію з боку організму. Необхідно було шукати якийсь інший полімер, який би не відторгався організмом, але при цьому й не адсорбував різні білки. Зрештою старання вчених увінчалися певним успіхом. Їм удалося синтезувати сітчасту підкладку з поліетиленоксиду, яка не має імунної реакції й не адсорбує білки. Таким чином, ученим пощастило вирішити одну із самих більших проблем у створенні штучних органів: сконструювати високоспецифічний клітинний акцептор. Наступним етапом стало формування тривимірної структури сітчастої підкладки. Здорова печінка складається з маси кліток, пронизаних складною мережею кровоносних судин. Для нормальної роботи печінки різні типи кліток повинні бути розташовані по відношенню друг до друга в певному порядку. Так поступово, крок за кроком, учені сподіваються створити повноцінну штучну печінку. Гібридні основи-підкладки добре зарекомендували себе й в експериментах по “вирощуванню” нервових волокон. У цьому випадку як підкладка виявився особливо ефективний тефлон – матеріал, зовсім нешкідливий для організму. З'єднання тефлонової сітки з молекулами ламініну за допомогою модифікованих іонізованим газом атомів нікелю являє собою, на думку дослідників, досить перспективну основу, на якій може відбуватися ріст відростків нервових кліток. Ламінін у цьому випадку виконує функцію регуляції й завдання напрямку росту нервів. Наступним кроком, що наближає клінічне застосування індукованого росту призначених для трансплантації нервів, повинне стати виготовлення спеціальних напрямних трубочок, які можна було б розміщати в організмі уздовж ушкоджених нервових волокон. Тефлон також давно використають у штучних кровоносних судинах. Однак дотепер з нього роблять тільки широкі (більше 6 мм у діаметрі) судини, тому що судини меншого діаметра через 1-2 роки після імплантації закупорюються тромбоцитами й клітинами гладких м’язів. Цього не відбувалося б, якби структура стінок імплантованої судини була схожа на епітелій, що вистилає, вени й артерії. Проблему можна вирішити шляхом нанесення на полімер природних епітеліальних клітин, що утворять гладку поверхню внутрішніх стінок судин, до якої не прилипають тромбоцити. Створення такого штучного епітелію і є основною проблемою конструювання кровоносних судин. До речі кажучи, аналогічне налипання кліток, і як наслідок, закупорювання судин, відбувається й у самому організмі через атеросклеротичну зміну епітелію. При вирішенні цього завдання, як і при спробах викликати спрямований ріст нервових волокон, учені користуються “послугами” білків міжклітинної адгезії: фібронектину й ламініну. Серед органів і тканин, які в цей час інтенсивно досліджуються з метою їх біотехнологічного відтворення, можна відзначити також кісткову тканину, сухожилля, кишечник, серцеві клапани, кістковий мозок і трахею. Крім робіт зі створення штучних органів і тканин людського організму вчені продовжують розробляти й методи вживляння в організм хворих діабетом людей кліток, які продукують інсулін, а людям, що страждають хворобою Паркінсона, - нервових кліток, що синтезують нейромедіатор дофамін, що дозволить позбавити пацієнтів від щоденних стомлюючих ін'єкцій.
Висновок.
Незважаючи на молодість науки про медико-біологічні полімери, з її допомогою вдалося домогтися рішення ряду принципово важливих завдань охорони здоров'я. У деяких областях медицини застосування полімерних матеріалів і виробів стало настільки звичайним, що вже важко уявити собі, як у недалекому минулому обходилися без них. І можна не сумніватися, що застосування синтетичних матеріалів у медицині буде безупинно розширюватися й будуть знайдені нові й, можливо, досить радикальні прийоми лікування з їхньою допомогою. Не слід думати, що всі наукові завдання уже вирішені. Кожна область медицини висуває свої, часто досить незвичайні вимоги до полімерів, необхідність задоволення яких, у свою чергу, стає потужним стимулом подальшого розвитку науки про полімери. Тому вчені та медики мають працювати разом над вирішенням питань покращення якості полімерних матеріалів, їх зносостійкості. Стійкості до дії агресивних речовин. Саме у такій співпраці будуть досягнуті нові результати, які покращать лікування людей.
Дата добавления: 2019-09-02; просмотров: 172; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!