Материалы для конструирования искусственных органов

Биоискусственная печень – пример использования экстракорпоральных систем для конструирования гибридных искусственных органов. Принцип работы экстракорпоральной системы (рис. 2.15) сходен с традиционным ге- модиализом: артериальная кровь пациента циркулирует через специальное устройство, основным элементом которого является мембрана на основе пористых волокон с иммобилизованными клетками. Кровь течет внутри волокон, тогда как взвесь функционирующих клеток находится во внешнем пространстве, или наоборот. Субстрат-зависимые клеточные культуры могут быть иммобилизованы на поверхности волокон, входящих в состав рабочей ячейки. Предел пропускания мембраны должен быть ограничен веществами, молекулярная масса которых не превышает 50–80 кДа (газы, пептиды, небольшие белки). Оптимальными, надежными и безопасными в использовании считаются мембраны с диаметром волокон 200 мкм. Скорость кровяногопотока при этом должна быть 200 мл/мин, активная поверхность картриджа меньше, чем 2,5 см2. Новым направлением в терапии печеночной недостаточности является трансплантация фетальных тканей. Фетальные соматические клетки имеют преимущества перед соматическими клетками взрослых доноров, так как они имеют слабоэкспрессированные комплексы главных антигенов гистосовместимости (это на порядок снижает уровень посттрансплантационнных осложнений). Фетальные органы содержат в основном стволовые и бластные клетки, обладающие мощным пролиферативным потенциалом. И наконец, фетальные ткани при трансплантации вносят уникальный комплекс ростовых факторов, стимулирующих регенерацию тканей реципиента. Такие исследования активно проводятся в настоящее время, в том числе в ограниченных масштабах в условиях клиники. Устройство помогает печени. На каждую доступную для пересадки печень приходится более чем 2 человека, ждущие пересадки. В отличие от фильма Потрошители в настоящее время нет вживляемой искусственной печени, но исследователи разрабатывают ELAD - устройство, которое ассистирует печени вне организма. Подражая обычной печени, это устройство чистит кровь от токсинов и шлаков, и производит альбумин и сгущающие факторы. Это не всё искусственно всё же, ELAD объединен с кровотоком пациента посредством крошечных трубок.

Искусственная поджелудочная железа. Поджелудочная железа регулирует уровень глюкозы в крови. Островки эндокринных панкреатических β-клеток снижают уровни глюкозы путем увеличения уровней гормонов, открытия рецепторов глюкозы в клетках. Если поджелудочная железа не может синтезировать инсулин, клетки не усваивают глюкозу, и энергия берется из распада жиров, что может привести к коме и смерти. Хронический дисбаланс глюкозы ведет к обезвоживанию и может вызывать слепоту, почечную недостаточность, сердечную недостаточность и нарушение кровообращения в ногах и ступнях, которое может привести к ампутации конечностей. Сахарный диабет является широко распространенным заболеванием, по медико-социальной значимости он занимает третье место после сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. Несмотря на определенные достижения последних лет, современная терапия сахарного диабета по-прежнему не обеспечивает полноценной компенсации патологического состояния. Основной причиной ранней инвалидизации и сокращения продолжительности жизни являются диабетические ангиопатии и нейропатии. Поэтому необходима разработка новых подходов к лечению сахарного диабета, которые могли бы существенно повлиять на течение диабетических ангиопатий. Одним из таких подходов, как альтернатива трансплантации поджелудочной железы при лечении инсулинзависимых больных, является создание биоискусственной поджелудочной железы. В 1969 г. в США исследователями Университета штата Миннесота был разработан насос инсулина, который весил 300 г и имплантировался подкожно. Сравнительно недавно в Великобритании (Университете Сити, Лондон) разработан экспериментальный образец искусственной поджелудочной железы, непрерывно подающий инсулин под кожу и поддерживающий концентрацию глюкозы в крови на постоянном уровне. Конструкция состоит из трех частей: датчика, устанавливаемого на кожу и измеряющего уровни глюкозы в крови, ручного портативного компьютера, анализирующего эту информацию, и маленького насоса, впрыскивающего глюкозу в организм. Это миниатюрное устройство можно будет устанавливать, например, на брючный ремень или иной аксессуар одежды. Разработчики этого устройства полагают, что оно поступит на рынок примерно через 5 лет. Перспективным подходом считается возможность использовать β-клетки для производства соответствующего количества инсулина, действующего как детектор и как устройство контролируемого выпуска. Для конструирования гибридного органа, содержащего клетки поджелудочной железы, необходимо решение серьезной проблемы, связанной с необходимостью создания условий поддержания островков инсулинопроизводящих клеток поджелудочной железы в функционирующем состоянии, защищая их от иммунной системы организма. Клетки островков при этом должны реагировать на изменяющиеся уровни глюкозы в крови пациента и вырабатывать необходимое количество инсулина. К настоящему времени созданы гибридные системы, содержащиефункционирующие островковые клетки поджелудочной железы (β-клетки), покрытые иммуноизолирующими мембранами, в виде микрокапсул размером от 100 до 800 мкм (рис. 2.16), экстраваскулярных диффузионных камер и интраваскулярных диффузионных камер (рис. 2.17). Микрокапсулы представляют собой везикулы, состоящие из «ядра» (или «активной зоны»), содержащей отдельные клетки или небольшие кластеры клеток, и оболочки, представляющей собой полупроницаемую микропористую мембрану. Микрокапсулы имеют относительно высокое соотношение площади поверхности к объему для минимизации диффузионных ограничений. Толщина мембраны может быть менее, чем 1 мкм, обеспечивая высокую скорость массопереноса и жизнеспособность иммобилизованных клеток. Для наиболее надежной иммуноизоляции мембрана не должна пропускать компоненты, масса которых превышает 50–80 кДа. Имплантация микрокапсул осуществляется инъекционно. Основным элементом экстра- и интраваскулярных диффузионных камер являются полые волокна или макрокапсулы. Входящие в состав таких матриксов волокна имеют диаметр 200–1500 мкм и толщину стенок 10–300 мкм, что значительно превышает толщину мембраны в микрокапсулах, предел пропускания – 50–100 кДа. Экстра- и интраваскулярные матриксы на основе полых волокон имеют бóльшую механическую целостность и про ч ность, чем микроинкапсуляционные матрицы. Это особенно важно в случае использования клеток с ограниченным временем жизни. Тем не менее макроинкапсуляционные матриксы имеют свойственные им недостатки, которые вытекают из диффузионных свойств. Клетки в макрокапсулах не могут существовать при высоких плотностях вследствие ограничений доставки газов и веществ в капсулу. Центр подобных клеточных скоплений становится некротическим. Кроме того, любые клеточные реакции, которые зависят от изменений окружающей среды (например, уровня глюкозы в крови), будут происходить с задержкой во времени, равной времени диффузии газов и веществ как внутрь капсулы, так и из нее, создавая задержку между стимулом и необходимым клеточным откликом. Иммуноизолирующие матриксы и системы используют для иммобилизации различных типов клеток, включая клетки поджелудочной железы. Источником β-клеток при конструировании искусственной поджелудочной железы служат поджелудочная железа свиньи, крупного рогатого скота, кроликов, реже – ткани плодов человека и новорожденных. В качестве матриксов для инкапсулирования клеток используют агарозу и ее производные, сульфат целлюлозы, полиакрилаты, полиэлектролитные комплексы сульфат альгината с поли-L-лизином; полиэтиленгликоли. Для конструирования диффузионных камер применяют: пористые системы из сегментированных полиэфируретанов (СПУ) и блоксополимеров СПУ с силоксанами, полупроницаемые мембраны из полисахаридов, полупроницаемые мембраны на основе производных альгинатов, полупроницаемые мембраны из гидрогелей и ихсополимеров на основе полиакриламидов, поливинилового спирта и полиакрилонитрил-сульфат метисульфоната (гидрогель AN69). В настоящее время проводятся клинические испытания гибридной поджелудочной железы с использованием алло-β-клеток, а трансплантация островков поджелудочной железы с середины 70-х годов прошлого столетия в медицинских центрах Европы и США осуществлена нескольким сотням больных; у каждого десятого пациента достигнута инсулиннезависимость реципиентов в течение одной недели после начала функционирования гибридной системы.