Медицина будущего: искусственные органы, «умные» протезы, гаджеты и 3D-кожа

Этой осенью к МКС отправится космический корабль «Прогресс» с необычным грузом — российским био-3D-принтером для печати в условиях микрогравитации.

На Земле биоматериалы используют для трехмерной печати уже довольно успешно. Вместо чернил картридж 3D-принтера заполняют сфероидами — конгломератами живых клеток; принтер наносит их на подложку из биосовместимого материала слой за слоем — и получаются ткани и даже органы, во многом аналогичные живым. Напечатанные ткани уже активно применяются в трансплантологии: с помощью созданной таким способом ткани можно, например, закрыть даже большой ожог. Есть успехи и в печати хрящевой ткани, которую затем можно использовать для лечения поврежденных суставов. Печатью хрящевых шариков занимается швейцарская компания Codon; с использованием их технологии проведено уже 12 тысяч операций. У напечатанной из клеток хозяина ткани есть большой плюс — иммунная система воспринимает ее как свою, поэтому риск отторжения очень мал.

С печатью органов все обстоит сложнее: живой орган состоит из многих разновидностей клеток, и их последовательность и связи друг с другом, очень важные для работы органа, воссоздать сложнее, чем напечатать материал, состоящий из клеток одного типа. Некоторые успехи есть и на этом направлении — правда, пока речь идет не о целых органах, а о конструктах — упрощенных аналогах, которые, однако, справляются с работой естественных прототипов. Американская биотехнологическая компания «Органово» занимается печатью небольших фрагментов человеческой печени, при этом в картридж заправляют не один, а три типа клеток; в Корнельском университете напечатали из клеток хряща и кожи человеческое ухо. Пересаживать ни людям, ни животным пока не пробовали — но напечатанные аналоги вполне годятся для того, чтобы тестировать на них лекарства.

Напечатанные ткани и органы — не единственная сфера применения биопринтинга. С помощью 3D-печати можно, кроме шуток, делать котлеты, послойно собирая их из конгломератов животных мышечных клеток. Дизайнеры экспериментируют с добавлением живых клеток в ткань (не в биологическую, а в текстиль) — так создают дышащую одежду для спортсменов. В России 3D-биопринтингом успешно занимается компания 3D Bioprinting Solutions — ее специалисты недавно опробовали технологию печати железистой ткани и напечатали конструкт мышиной щитовидной железы, которая работает как живая — в ней идет синтез гормонов. Ученые возлагают на 3D-биопринтинг органов большие надежды: если технологию удастся реализовать для целых органов, человечество решит проблему дефицита донорских органов; это позволит спасать тысячи жизней каждый год.

Уже этой осенью эксперимент по печати конструкта железы мыши повторят в неземных условиях — на борту Международной космической станции, где в отсутствие земного притяжения сфероиды клеток попробуют удержать вместе сильным магнитным полем. После завершения эксперимента принтер останется на станции и на нем смогут работать не только российские, но и зарубежные астронавты; специалисты 3D Bioprinting Solutions предполагают, что там можно будет выращивать как человеческие ткани и органы, так и космические бифштексы.

Чем больше данных о состоянии пациента, тем лучше вооружен врач, тем точнее диагноз и эффективнее лечение. В разговорах о будущем медицины не обходится без описаний систем непрерывного сбора данных — регистрации физиологических показателей, таких как температура, частота сердечных сокращений, артериальное давление и состав крови. В идеальном будущем такие системы будут полностью или частично неинвазивными — то есть для их использования не нужно будет прокалывать или разрезать кожу.

Каждый год ученые предлагают по нескольку десятков концептов неинвазивных гаджетов для мониторинга физиологических показателей. Среди самых впечатляющих — футболка, которая измеряет частоту вдохов и выдохов и позволяет быстро диагностировать астму; датчики алкоголя, соли и сахара в виде наклеек для зубов или миниатюрных подкожных имплантов; алгоритмы распознавания видео, способные заметить хромоту или внезапное снижение подвижности — такие предлагается использовать для наблюдения за состоянием пожилых пациентов с нейродегенеративными заболеваниями — болезнями Альцгеймера и Паркинсона.

Неинвазивный глюкометр долгое время был одним из самых ожидаемых медицинских изобретений. До его появления каждый одиннадцатый человек в мире был вынужден регулярно прокалывать кожу для измерения концентрации в крови глюкозы. Постоянный контроль над этим показателем критически важен для людей, страдающих сахарным диабетом: при его резком повышении нужно обеспечить поступление в организм инсулина, в противном случае состояние может стать очень тяжелым, вплоть до комы. При этом измерять концентрацию глюкозы диабетикам приходится часто — десять раз в день, а то и чаще — прокалывать кожу, выдавливать каплю крови и наносить ее на тестовую полоску. Это причиняет дискомфорт даже взрослым, а маленьким детям — тем более.

За последние несколько лет ученые разработали множество концептов неинвазивных глюкометров, но пока всего один такой аппарат, FreeStyle Libre компании Abbott, получил одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США и был сертифицирован для продажи в России. Прибор размером с монету крепится возле плеча и измеряет концентрацию глюкозы в межклеточной жидкости; данные считываются специальным мобильным приемником в любой удобный момент.

В не самом отдаленном будущем технологии 3D-биопринтинга и технологии с использованием стволовых клеток помогут заменить больные или поврежденные травмой органы. Если же не работает или утрачен не отдельный орган, а конечность, в ход идут протезы, и они бывают очень функциональными. Уже сейчас существуют технологии, которые позволяют чувствовать механическими пальцами фактуру поверхности и вибрацию, а самый очевидный набор функций — хватание, удержание предметов, даже тонкие манипуляции, вроде набора текста на клавиатуре или вышивания, уже доступны обладателям бионических протезов.

К сожалению, тот факт, что технология реализована, а протез можно купить в магазине, не всегда означает, что бионические руки и ноги есть у всех, кто в них нуждается. Протезы дороги, и даже при помощи государства люди, потерявшие конечности, вынуждены ограничивать свой выбор ценой. Детям приходится особенно тяжело: до 18 лет протезы рекомендуется менять раз в год, поэтому тем, кто лишился конечности до окончания роста скелета, приходится довольствоваться дешевыми и малофункциональными протезами. Бионические протезы ставят не раньше 12 лет — до этого возраста дети растут так быстро, что менять протез пришлось бы раз в несколько месяцев.

До 12 лет, как правило, обходятся косметическими протезами, которые мало чем отличаются от деревянной ноги пирата. С такими протезами есть две проблемы: во-первых, дети их стесняются и стараются использовать как можно реже. Во-вторых, они не позволяют создавать нормальную нагрузку на мышцы, не развивают те части нервной системы, которые при наличии конечности управляют ее движением; в результате мышцы ослабевают, а навык управления конечностью пропадает, и к тому времени, когда можно ставить бионическую руку или ногу, организм оказывается плохо подготовлен.

Для того чтобы мышцы предплечья не ослабели до того времени, когда рост скелета замедлится и можно будет поставить бионический протез, используют тяговые механические протезы. Они одновременно и тренируют мышцы, и облегчают жизнь — с их помощью можно хватать и держать предметы.

В России изготовлением тяговых детских протезов занимается компания «Моторика». У ее основателя Ильи Чеха есть свое видение будущего протезирования: по его мнению, в будущем искусственные конечности станут заменой мобильным гаджетам. У них будет доступ в интернет, сенсорный дисплей, все возможности смартфона — и, конечно, чувствительность, подвижность и сила живой руки или ноги.

Все вышесказанное, конечно — о бионических протезах: тяговые детские вряд ли когда-нибудь станут настолько футуристичными (хотя бы из-за ограничений, которые накладывает необходимость частой смены протезов в детстве) — но и в их изготовлении специалисты «Моторики» проявляют изобретательность. В детские модели встраивают то бинокль, то фонарик или рогатку, пульт управления квадрокоптером или видеокамеру. Это помогает ребенку смягчить переживание травмы и стимулирует носить устройство чаще, одновременно создавая необходимую нагрузку на мышцы предплечья.

В клинике Майо (штат Миннесота), где снимали сериал «Доктор Хаус», работает больше людей, чем живет в Анапе, — 50 тысяч, из которых 3800 имеют высшее медицинское образование. Сложно назвать болезнь, специалиста по которой в Майо нет. Но для заболевших за пределами штата Миннесота, в отдалении от крупных городов с их медицинскими центрами, попасть на консультацию к нужному специалисту бывает непросто. В развивающихся странах среднее расстояние до ближайшего врача составляет 38 км, в некоторых изолированных регионах — намного больше.

Решить проблему можно тремя способами: либо привезти врачей и оборудование туда, где его нет, либо привезти пациентов к врачам. Третий способ — наладить удаленную связь между медцентрами и пациентами. Такой подход называется телемедициной, его развивают с семидесятых годов и к настоящему времени достигли некоторых успехов.

Телемедицина может существовать «в прямом эфире» — через видеозвонки, конференции, консультации специалистов. Иногда это сеанс связи врача с пациентом, иногда более опытный хирург наблюдает по видеосвязи за работой менее опытного коллеги и дает советы — это тоже телемедицина. И для того и для другого нужны методики: поскольку традиционные протоколы медицинских осмотров рассчитаны на присутствие пациента в кабинете врача, для удаленных осмотров нужные новые протоколы, которые помогут избежать ошибки.

Существует также асинхронная телемедицина — когда данные отправляют специалистам для анализа и ждут ответа. Большое применение нашла удаленная рентгенология: снимки отправляют для исследования специалистам, которым необязательно приезжать в отдаленный район, — они могут поставить диагноз, находясь на своем обычном месте работы. По такой же схеме организуют удаленную обработку данных микробиологических и гистологических исследований (по электронной почте врачам отправляют снимки тканей и клеток под микроскопом), работу дерматологов и психиатров.

Популярности асинхронной телемедицины способствует бурный рост технологий, позволяющих пациентам самостоятельно делать анализы, пользоваться компактными приборами для ультразвукового исследования организма, а в перспективе — компактными рентгеновскими аппаратами и устройствами для снятия электроэнцефалограмм.

Одна из главных задач современной медицины — создать диагностические устройства, которые пациенты смогут использовать самостоятельно. Это снизит нагрузку на врачей и одновременно ускорит диагностику. Один из самых популярных форм-факторов таких диагностических устройств — тестовые полоски для выявления наличия в жидкостях организма маркеров различных патологий, от туберкулеза до рака.