Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация
Мои мама и дедушка на прогулке, 1982 год
Это фотография моего дедушки, который умер в девяносто восемь лет. До конца жизни он сохранял ясный ум и мог ходить, опираясь на палку. Не каждому так везет. И все же у него было немало проблем со здоровьем, да и ростом он стал заметно ниже. Неизбежно ли угасание, или же в будущем мы сможем победить главные возрастные изменения посредством перестройки организма? Позволят ли мне технологии, над которыми трудятся ученые-биомедики в своих лабораториях, дожить до девяноста восьми, и чтобы при этом я мог ходить, бегать и даже кататься на лыжах, не растеряв здоровья и подвижности нынешних сорока трех лет?
Что касается подвижности, следует отметить, что первым делом изнашиваются и выходят из строя не мышцы и даже не связки (вот тут мне чуть-чуть не повезло), а внутренние поверхности суставов. В этом отношении особо уязвимы сложно устроенные гибкие коленные и тазобедренные суставы, выдерживающие немалый вес тела. Впрочем, локтевые, плечевые и пальцевые суставы тоже изнашиваются и выходят из строя. Это механическое истирание приводит к хроническому недугу под названием остеоартрит. Другой вид артрита, ревматоидный, развивается из-за повреждения суставов иммунной системой и приводит к таким же последствиям. Разрушаются ли они сами, или это вы их калечите (в ДТП, во время занятий спортом), никакой отдых и иммобилизация не помогут, если не работают тазобедренные, коленные, локтевые или какие-либо еще суставы. В отличие от остальных костей, внутренняя поверхность сустава не способна к самозаживлению и самовосстановлению, поскольку она состоит не из костных клеток.
Замена тазобедренных суставов практикуется хирургами довольно давно. Первую попытку предприняли в 1891 году, взяв за основу слоновую кость. В наши дни чаще применяют титан и керамику. Успех отчасти объясняется простой анатомией бедра: это одинарный шарнир, на котором нога может вращаться как угодно (в том числе очень странным образом; если вы когда-нибудь занимались йогой, то поймете, о чем я). Придумали даже социальный ритуал, чтобы показать всевозможные движения бедрами, – танцы в стиле диско. Умеете крутить бедрами и одеваетесь по моде – тогда вы «крутой».
Тазобедренный сустав формируется еще в утробе матери – на верхнем конце бедренной кости появляется шарообразный нарост, в точности совпадающий с выемкой в тазу (вертлужной впадиной). В дальнейшем тазовая и бедренная кости растут с одинаковой скоростью и в любом возрасте идеально соответствуют друг другу. Поверхность у обеих костей (как, впрочем, и у любой другой) шероховатая, поэтому еще один слой ткани – хрящ – выстилает место стыка. Хрящ мягче кости, но гораздо тверже мышцы. Он образует гладкую прослойку между бедренной и тазовой костями, а также служит амортизатором. Связки, мышцы и сухожилия скрепляют сустав, ограничивают его подвижность, благодаря им округлый конец бедренной кости надежно удерживается в тазовой выемке во время бега, прыжков и, разумеется, джайва. При артрите суставный хрящ разрушается и заново уже не вырастает.
Поэтому, когда приходится менять сустав, головку бедренной кости ампутируют и ставят вместо нее титановый шарик. В тазу просверливают новую выемку по размеру протеза и кладут внутрь высокоплотный полиэтилен – он-то и выполняет роль хряща. Такой протез полностью восстанавливает подвижность ноги и служит десятки лет, пока полиэтилен не потеряет своих свойств – тогда вновь требуется замена. В последних моделях детали так хорошо пригнаны, что полиэтиленовая прокладка не нужна, но пока неясно, выигрывают ли они в долговечности, – не исключено, что прямой контакт металла с металлом или, в более современных протезах, керамики с керамикой ускорит износ. Как бы то ни было, операции по замене тазобедренных суставов сегодня в порядке вещей и уже вернули миллионам пожилых людей радость движения.
С заменой коленного сустава дело обстоит примерно так же – правда, коленный сустав сложнее устроен: это не одинарный шарнир, он отвечает не только за сгибание и разгибание, но и за скручивание. Как-нибудь в уличном кафе, глядя от нечего делать по сторонам, присмотритесь к прохожим. Они ходят «от колена», то есть выдвигают колено вперед, заносят его над местом, куда собираются шагнуть, затем опускают стопу, приноравливаясь к спускам и подъемам, то есть поворачивая ее под тем или иным углом, что требует сложной регулировки и перегруппировки коленного сустава. Бег – это еще более суровое испытание для наших коленей: ко всему прочему они сотрясаются от постоянных ударов стопы о землю. Попробуйте идти, не сгибая ноги в коленях, – вы сразу оцените важность этих суставов. Мне совсем не улыбается перспектива полной замены коленного и тазобедренного суставов в ближайшие десять-двадцать лет. Впрочем, если это единственный способ оставаться на ногах, я, конечно же, соглашусь на операцию. Однако десять лет – это большой срок для медицины и материаловедения. Ученые ищут способы восстановления поврежденной хрящевой ткани внутри суставов, и, возможно, их открытия спасут меня от скальпеля.
Хрящ – сложная живая материя. Подобно гелю, он обладает внутренним каркасом из волокон, по большей части коллагеновых. (Коллаген – молекулярный родственник желатина и основной белок в человеческом теле, он отвечает за упругость и прочность кожи и других тканей. Именно поэтому его часто указывают на этикетках кремов от морщин.) Однако, в отличие от гелевого, хрящевой каркас заключает в себе живые клетки – они формируют хрящ и поддерживают его в нормальном состоянии. Эти клетки называются хондробластами. Сейчас уже научились выращивать хондробласты из собственных стволовых клеток пациента. Однако простое введение этих клеток в сустав не приводит к восстановлению хряща, отчасти потому, что хондробласты не могут выжить вне коллагенового каркаса, без него они погибают. Это все равно что заселить Луну лондонцами – совершенно беспомощными без привычной городской инфраструктуры.
Временная конструкция внутри сустава, которая имитирует базовое строение хряща, – вот что нужно. Если ввести хондробласты в этот трехмерный каркас, или, иначе, подложку-носитель, то они будут расти, активно делиться, у них будет вдоволь времени и места, чтобы построить заново свою естественную среду обитания и нарастить хрящ. Несомненно, клетки либо сами поглотят каркас-подложку, либо его будут проектировать таким образом, что он сразу растворится, как только новые клетки закончат обустройство своей среды обитания, при этом готовый хрящ в колене или бедре не пострадает.
Идея восстановления хрящевой ткани на трехмерном клеточном каркасе может показаться надуманной, но такой способ действительно существует, и впервые его применил в 1960-х годах профессор Ларри Хенч. Некий полковник поставил перед ним задачу – найти способ восстановления костной ткани, чтобы врачам не пришлось ампутировать ноги солдатам, искалеченным на Вьетнамской войне: «Мы умеем спасать жизни, но не умеем спасать конечности. Нам нужны новые материалы, которые не отторгает организм». В поисках материала, идеально совместимого с костью, Хенч и его команда открыли гидроксиапатит, который при попадании в организм человека образует чрезвычайно прочную связь со скелетом. Хенч проводил опыты с разнообразными составами на основе гидроксиапатита. В итоге он обнаружил, что, если придать материалу форму стекла, тот обретает замечательные свойства. Биоактивное стекло имеет пористую структуру, то есть состоит из чрезвычайно узких каналов.
Клеточный каркас из биостекла с растущими внутри клетками
Костным клеткам, остеобластам, в новой среде было раздолье. Они размножались, образуя новую кость, и попутно разрушали, как бы разъедали, каркас из биостекла.
Биоинженерия достигла немалых успехов. Можно вырастить ткань для искусственных трансплантатов или восстановить с ее помощью живые кости черепа и лица. Но воссоздать кости более сложной структуры, выдерживающие большой вес, пока не получается, на это нужно время, к тому же трехмерному клеточному каркасу не под силу неизбежные перегрузки. Большие трехмерные структуры выращивают в лабораториях, а не в организме пациента. Клетки созревают в биореакторе, при той же температуре и влажности, что и внутри тела, и регулярно получают питательные вещества. Успех этой технологии открывает возможность полной замены органов. Первые шаги в этом направлении уже сделаны: ученые вырастили дыхательное горло в лабораторных условиях.
Помог тут случай с одним пациентом, которому из-за раковой опухоли требовалось удалить трахею. После операции он бы не смог дышать сам и до конца жизни зависел бы от аппарата искусственного дыхания. Первым делом больному сделали компьютерную томографию, просветив его рентгеновскими лучами. Обычно так выявляют раковые опухоли головного мозга и других органов. Однако на этот раз с помощью томографии построили трехмерное изображение трахеи. Затем его «распечатали» на 3D-принтере, новейшем чуде техники, которое позволяет создавать объекты на основе цифровой информации. По сути, он мало отличается от обычного принтера, только вместо мельчайших чернильных капель 3D-принтер выпускает слой за слоем микросгустки биоматериала, постепенно строя объект. Сегодня мы уже умеем печатать не только простейшие бытовые предметы вроде чашки и бутылки, но механические устройства, например дверные петли и даже двигатели. Для этого используют сотни различных материалов, включая металлы, стекло и пластик. А профессор Александр Сейфальян распечатал на 3D-принтере точную копию трахеи из материала, который он сам разработал вместе с сотрудниками, – нечто вроде инкубатора для стволовых клеток пациента. Взрослые стволовые клетки служат строительным материалом для тканей, и каждому типу клеток в организме соответствует особый тип стволовых клеток. Стволовые пары для остеобластов называются мезенхимными стволовыми клетками. Ученые насытили трехмерный клеточный каркас мезенхимными стволовыми клетками из костного мозга пациента и поместили в биореактор. Первоначальный биоматериал превратился в колонии разнообразных клеток, из которых возникли хрящи и другие ткани; а затем эта новая устойчивая живая среда поглотила трехмерный каркас. В итоге осталось то, что можно было назвать новой трахеей.
