Люди-киборги. Фантастика или недалёкое будущее?

Только в Европе каждый год имплантируется порядка 400000 кардиостимуляторов. То есть каждый год в не такой большой Европе появляются 400000 киборгов. Те же самые коронарные стенты или другие типы стентирования, зубные протезы, протезы суставов ― если мы всё рассмотрим, то киборгов становится всё больше и больше среди нас. Поэтому можно подходить философски, но далёкое будущее уже наступило.

Оптогенетика

Институт бионических технологий и инжиниринга призван реализовать в Первом меде техническую составляющую исследований. В конце прошлого года в журнале Nature Electronics вышла статья по оптогенетическому сенсору. Это устройство, которое позволяет управлять нейронами в головном мозге. Для управления имплантируется оптоволоконный сенсор, который позволяет стимулировать те или иные нейроны головного мозга.

Это направление называется оптогенетика. Посредством оптики подаём сигнал, который может стимулировать нейроны. Но дело в том, что не все нейроны чувствительны к такому типу стимуляции. Нейроны в нашем головном мозге нечувствительны, поэтому для того, чтобы они стали чувствительны, необходимо сделать генетическую конструкцию, добавляя белок опсин, который делает чувствительными нейроны к оптическому сигналу. Отсюда и термин оптогенетика. Добавляется белок опсин, строится генетическая конструкция, всё вживляется в определённую область мышки, и мозг становится уже восприимчивым. Можно применять при большом наборе болезней.

Человеческий мозг сейчас самая популярная тема исследований. Большинство исследований повернулось внутрь человека. Это открывает большую сферу фантазий. Часть нейронов в головном мозге умирает. Как известно, если стимулировать соседние области, то можно восстанавливать и те отмирающие нейроны. Можно лечить те или иные болезни, с которыми борются, например, болезнь Паркинсона. Но, прежде всего, исследователям интересно посмотреть, как поведёт себя мышка, которой стимулируют те или иные области в головном мозге, чтобы наблюдения использовать в будущем. Технологии иногда опережают мысли, как это можно использовать. 

Искусственное сердце

Первая трансплантация сердца была сделана 50 лет назад. А имплантации сердца, то есть искусственное сердце – спустя полтора года. Количество искусственных сердец 10 лет назад уже превысило количество трансплантаций сердца. То есть в мире количество систем, которые поддерживают работу сердца, имплантируется больше, чем трансплантатов. 

У нас своя разработка. Мы порядка 10 лет назад начали исследования с Институтом трансплантологии искусственных органов Шумакова, работаем на базе Московского института электронной техники. 10 лет назад стартовал проект «Искусственное сердце», был разработан аппарат вспомогательного кровообращения, который сейчас применяется в клинической практике. 

Первое искусственное сердце было бионическим. Это значит, что мы используем принципы живой системы. Была разработана система с искусственными клапанами, оно искусственно сокращалось, то есть моделировало живую систему. Это была громоздкая, большая железка, она шумела, потому что там был пневмопривод, насос, который должен был перекачивать кровь по сердечно-сосудистой системе. Потом поменяли парадигму, стали использовать аппарат вспомогательного кровообращения. Это система, которая не заменяет полностью сердце, а подключается к левому желудку и отводит кровь в аорту. Она помогает самому сердцу перекачивать кровь по сердечно-сосудистой системе. Это миниинвазивная процедура, не надо полностью удалять сердце, достаточно подключать систему к существующему сердцу. 

Есть следующее поколение более сложной системы, это имплантируемые дефибрилляторы, которые восстанавливают электрический ритм сердца. Аппараты вспомогательного кровообращения, или искусственное сердце, восстанавливают механическую работу сердца. Будем проще называть – насос. Он имплантируется, вес порядка 180 г. Он работает, как электродвигатель, от батареек в модуле управления. Есть кабель, который выводится через кожу пациента, модуль управления, в нём батарейки. 

Дело в том, что когда у нас перестаёт быть заряд, нарушается проходимость сердца, если нарушилась проводимость – нарушается сократимость сердца. В этом случае нужен кардиостимулятор или имплантируемый дефибриллятор. Если нарушилась проводимость, нарушилась сократимость, то есть сердце перестаёт качать, оно начинает сокращаться хаотично или реже. Этого становится недостаточно для того, чтобы перекачивать кровь по сердечно-сосудистой системе. Это лечится с помощью электричества, мы восстанавливаем электрический ритм.

Мы используем биоинертные материалы, которые не оказывают воздействия на живую ткань. Они инертные, не вызывают отторжения. Не очень понятно, что же вызывает активацию тромбов. Есть процесс нагрева тех или иных элементов в системе. Вроде он может являться активатором тромбообразования. И так как это насос, есть гидродинамика жидкости; если жидкость не течёт, то она превращается в тромб. Кровь не течет – образуется тромб. Плюс, есть дополнительное покрытие, алмазоподобное, резистивное к тромбам, отталкивают тромбы.

С точки зрения инженерии мы можем использовать материалы и разрабатывать ту или иную геометрию, которая позволит течь крови по насосам. Текучесть увеличивается, кровь не тромбируется. Но есть моменты, которые связаны с пациентом, он может принимать всевозможные препараты. 

Заплатка на сердце

Одна из лабораторий у нас занимается искусственной мышцей. Мы пытаемся взять биосовместимые материалы и придать им свойства мышцы. Некая биосовместимость – сократимость и проводимость. Мы берём альбумин, коллаген, хитозан, нанотрубки и пытаемся получить структуру на основе биологических материалов, добавляют какие-то элементы, обладающие проводимостью, в том числе сократимостью. В заплатке что мы хотим получить? Мы хотим вернуть утраченную проводимость, сделав заплатку на те или иные области сердца после ишемической болезни. 

Альбумин, коллаген, хитозан – это биологически совместимые материалы. С нанотрубками есть определённые проблемы. Здесь необходимо объединять то, что биологически доступно и хорошо приживётся, и пытаться в это интегрировать что-то, что позволит вернуть те или иные функции.

Если на заплатке сделать структуру, которая будет обладать электропроводимостью и сократимостью, спроецировать результат на нечто большее, то мы можем получить то самое бионическое сердце, которое не будет требовать тех или иных проводов. Это медицина будущего. 

Если пофантазировать, то мы можем заменить часть сердца или заменить полностью сердце, поставить такую систему, которая будет интегрирована и нервно, и мышечно в организм, и будет функционировать так же, как и биологическое сердце. Для этого нам надо понять, как оно функционирует. 

В нынешнем году мы приступим к тестированию. Скорее всего, это будут кролики, тем не менее, заплатку мы уже планируем в этом году в Сеченовском университете.

Искусственная почка

Относительно искусственной почки у нас тоже есть направление. Что такое искусственная почка в нашем понимании? Это система перитонеального диализа. При гемодиализе пациент должен, как минимум, 3 раза в неделю ходить в диализный центр и по 6 часов проводить на гемодиализном аппарате. Почки не работают, поэтому необходимо проводить такие не очень приятные процедуры. Помимо того, что они хлопотные, они дорогостоящие. 

Россия не укомплектована необходимым количеством гемодиализных центров, поэтому мы решили пойти по другому пути. Есть такое направление, как перитонеальный диализ. Мы забираем жидкость из брюшины, фильтруем и возвращаем её обратно. Такую систему мы называем искусственной почкой. Она не привязывает пациента к клинике, он может так же, как с искусственным сердцем, носить всё в рюкзаке, у него система картриджей, которые фильтруют перитонеальную жидкость, аккумулятор. Перитонеальный диализ лучше тем, что нам не обязательна большая система, человек с этой системой может быть подвижен, активен. 

Таких систем нет в мире. Буквально несколько месяцев назад в США такая система получила разрешение на ускоренное прохождение FDA. Это показывает, что мы движемся в правильном направлении.

В гемодиализе мы за 6 часов перегоняем огромное количество жидкости, перитонеальный диализ работает в течение 24 часов, постоянно, точно так же, как искусственное сердце. 

Имплантация

С 2012 года по сегодняшний день было сделано 50 имплантаций. У нас аппарат используют, как мост к трансплантации. Есть пациент, очень слабый, которому нельзя делать пересадку сердца. Ему устанавливается насос, он в течение двух-трёх месяцев работает, восстанавливает гемодинамику пациента. Насос подлечивает его, и пациент готов идти на трансплантацию. Есть ряд таких пациентов в нашей стране. Но есть и пациенты, которым такая система устанавливается на постоянной основе, они уже несколько лет ходят с системой. 

Имплантация происходит на базе Бакулевского центра, Института трансплантологии искусственных органов Шумакова, это центр Мешалкина в Новосибирске. Крупные федеральные центры, которые делают трансплантации сердца. 

По материалам программы «Медицина будущего» на Радио Медиаметрикс.

Приглашённый эксперт - Дмитрий Телышев, директор Института бионических технологий и инжиниринга 1-го МГМУ им. Сеченова, кандидат технических наук