11 Биоматериалов, которые могут исцелить человека. Включая, да-да, кусающихся муравьёв.

1800bc_biting-ant

Биоматериалы – это субстанции, не важно, натуральные или синтетические, которые могут быть использованы для улучшения здоровья, облегчения травм и налаживания функционирования организма. Наложение шва? Нужен биоматериал. Для кардиостимулятора? Тоже. Контактные линзы? Ну, вы уже поняли.

По мере развития технологий и науки, происходило развитие и биоматериалов, и способы их использования. В выпуске TED Talk «Новый способ выращивания кости» вы услышите о том, как ученые могут с помощью соляного раствора создать в ноге человека маленький карманчик, благодаря которому стволовые клетки начнут выращивать новую костную ткань и, тем самым, вылечивают повреждение. Ещё один недавний успех — искусственно выращенный в лаборатории миниатюрный мозг.

Область, изучающая биоматериалы, получила своё название лишь в 1960-х, несмотря на то, что сам принцип внедрения в определённых целях различных биоматериалов  в человеческое тело существовал, на тот момент, уже довольно долго. Мы побеседовали с Бадди Ратнером — управляющим Исследовательским Центром по Биоматериалам в университете Вашингтона и соавтором книги «Наука о биоматериалах» — чтобы получить (отнюдь не полный) тур о потрясающих  достижениях в этой сфере за прошедшие тысячелетия.

(9,500 – 1000 до н.э.) Первые хирургические швы? Кусающиеся муравьи. Накладывать швы или стежки, чтобы удерживать человеческую ткань вместе, начали очень давно – согласно «Biomaterials Science», в период Неолита. Древние египтяне использовали для этих целей льняную ткань, в то время как европейцы предпочитали волокна из кишок животных. Примерно тогда же, в Южной Африке и Индии, муравьёв использовали для лечения ран. Согласно Бадди Ратнеру: «Если, удерживая края раны вместе, поднести к ним клещи этих ребят, они сильно укусят, и будут удерживать рану закрытой». На фотографии запечатлен муравей, сфотографированный на Западном побережье Австралии, май 2012. Фото: John Tann/Flickr.
(9,500 – 1000 до н.э.) Первые хирургические швы? Кусающиеся муравьи. Накладывать швы или стежки, чтобы удерживать человеческую ткань вместе, начали очень давно – согласно книге «Наука о биоматериалах», в период Неолита. Древние египтяне использовали для этих целей льняную ткань, в то время как европейцы предпочитали волокна из кишок животных. Примерно тогда же, в Южной Африке и Индии муравьёв использовали для лечения ран. Согласно Бадди Ратнеру: «Если, удерживая края раны вместе, поднести к ним клещи муравьев, они сильно укусят, и будут удерживать рану закрытой». На фотографии запечатлен муравей, сфотографированный на Западном побережье Австралии, май 2012. Фото: Джон Тэнн/Flickr.
(600 до н.э.) Народ Майя придумывает первый bluetooth. Нет, не беспроводные технологии. Как объяснил нам биоинженер Молли Стивенс в «Новом способе вырастить кость», у Майя был очень оригинальный метод замены больных или выпавших зубов, а именно – вставка кусочка голубой перламутровой ракушки на место зуба. «Эта ракушка твёрдая и долговечная. А если вставить её в челюстную кость, она с ней срастётся», - сказал Стивенс. «У этого материала чудесный химический состав, чудесное строение». (Также интересно: и Римляне и Инки использовали золото в стоматологических целях.) Фотография: Wikimedia Commons.
(600 до н.э.) Народ Майя придумывает первый bluetooth. Нет, не беспроводные технологии. Как объяснила нам биоинженер Молли Стивенс в «Новом способе выращивания кости», у Майя был очень оригинальный метод замены больных или выпавших зубов, а именно – вставка кусочка голубой перламутровой ракушки на место зуба. «Эта ракушка твёрдая и долговечная. А если вставить её в челюстную кость, она с ней срастётся», — сказала Стивенс. «У этого материала чудесный химический состав, чудесное строение». (Также интересно: и Римляне и Инки использовали золото в стоматологических целях.) Фотография: Wikimedia Commons.
(1829) Перспективная идея: метал в теле. В 1829 доктор Генри Леверт начал эксперименты, целью которых было выяснить, могут ли металлы быть использованы в медицинских имплантатах без вреда для здоровья. Согласно «Истории Хирургии в США» (The History of Surgery in the United States ), в 21 эксперименте на собаках он протестировал различные металлические крепления, выяснив, что платиновые приживались лучше, чем серебряные, золотые или свинцовые. В течение нескольких последующих десятилетий, хирурги всё больше интересовались возможностью использования металлических винтов и пластинок для закрепления кости, вместо шин и корсетов. Согласно данным медицинской технической компании Zimmer, в 1886 немецкий хирург Х.Хансманн стал первым врачом, которому это удалось. Фотография: Kolossus.
(1829) Перспективная идея: метал в теле. В 1829 доктор Генри Леверт начал эксперименты, целью которых было выяснить, могут ли металлы быть использованы в медицинских имплантатах без вреда для здоровья. Согласно «Истории Хирургии в США» (The History of Surgery in the United States ), в 21 эксперименте на собаках он протестировал различные металлические крепления, выяснив, что платиновые приживались лучше, чем серебряные, золотые или свинцовые. В течение нескольких последующих десятилетий, хирурги всё больше интересовались возможностью использования металлических винтов и пластинок для закрепления кости, вместо шин и корсетов. Согласно данным медицинской технической компании Zimmer, в 1886 немецкий хирург Х.Хансманн стал первым врачом, которому это удалось. Фотография: Kolossus.
(1881) Испытание искусственного сердца. Сейчас, благодаря теориям предыдущего поколения философов и врачей, у современных учёных есть довольно ясное представление о том, что принцип работы сердца напоминает насос. Бадди Ратнер объясняет: «Люди сказали себе: ‘Ну, мы знаем, как работает насос. Мы всё время качаем с его помощью воду’». И за этим последовал шквал экспериментов. В 1881, французский учёный Етинне Джулс Марси (на фото) опубликовал проект искусственного сердца – несмотря на это, прошло целых сто лет, прежде чем что-либо подобное было вживлено в человека.
(1881) Испытание искусственного сердца. Сейчас, благодаря теориям предыдущего поколения философов и врачей, у современных учёных есть довольно ясное представление о том, что принцип работы сердца напоминает насос. Бадди Ратнер объясняет: «Люди сказали: ‘Ну, мы знаем, как работает насос. Мы всё время качаем с его помощью воду’». И за этим последовал шквал экспериментов. В 1881, французский учёный Етинне Джулс Марси (на фото) опубликовал проект искусственного сердца – несмотря на это, прошло целых сто лет, прежде чем что-либо подобное было вживлено в человека.

(1926) Прорыв: нержавеющая сталь. Хотя метал и использовался для имплантации, на тот момент не было достаточно информации, утверждать, насколько, на самом деле, это безопасно. В 1924 году, доктор наук Артур Цирольд Миннеапольский продолжил эксперименты Леверта над собаками и обнаружил, что железо и сталь слишком быстро ржавеют в теле; медь, алюминий и цинк вызывают обесцвечивание тканей; золото, серебро и алюминий также не годятся для использования. В 1926, эксперименты с особым видом нержавеющей стали, проба “18-8”, оказались многообещающими. «Открытие технологии её изготовления позволило начать использование металлов в теле регулярно и по разумной цене», - сказал Бадди Ратнер. (Через пару десятилетий, с появлением титана, всё станет ещё лучше.) Фотография: iStock.

(1926) Прорыв: нержавеющая сталь. Хотя метал и использовался для имплантации, на тот момент не было достаточно информации, чтобы утверждать, насколько, на самом деле, это безопасно. В 1924 году, доктор наук Артур Цирольд Миннеапольский продолжил эксперименты Леверта над собаками и обнаружил, что железо и сталь слишком быстро ржавеют в теле; медь, алюминий и цинк вызывают обесцвечивание тканей; золото, серебро и алюминий также не годятся для использования. В 1926, эксперименты с особым видом нержавеющей стали, проба “18-8”, оказались многообещающими. «Открытие технологии её изготовления позволило начать использование металлов в теле регулярно и по разумной цене», — сказал Бадди Ратнер. (Через пару десятилетий, с появлением титана, всё станет ещё лучше.) Фотография: iStock.

(Поздние 1940-е) «Герои-хирурги + пластик= большой прорыв» В годы после окончания Второй Мировой Войны, ассортимент биоматериалов и количество способов их применения необыкновенно возросло. Бадди Ратнер приписывает эту заслугу двум факторам. Во-первых, большинству военных хирургов были даны неограниченные полномочия на использование новых материалов для спасения жизни пациентов, и многие проявили большую креативность. Во-вторых, пластик стал широко доступным. «Это стало эпохальным событием», - считает Бадди Ратнер. “Во время войны большинство разновидностей пластика, которые сейчас мы принимаем за нечто само собой разумеющиеся, являлись дефицитными материалами первой необходимости… Когда война закончилась, врачи заметили несколько очевидных причин для продолжения его использования. Ему гораздо легче придать нужную форму, чем металлу. Он лёгок и обладает очень низкой реакционной способностью”. На фотографии запечатлён американский военный хирург, оперирующий солдата США, раненого японским снайпером, в подземной операционной, позади линии фронта острова Бугенвиль, декабрь 1943. Фотография:NARA.
(Поздние 1940-е) «Герои-хирурги + пластик= большой прорыв». В годы, после окончания Второй Мировой Войны, ассортимент биоматериалов и количество способов их применения необыкновенно возросло. Бадди Ратнер приписывает эту заслугу двум факторам. Во-первых, большинству военных хирургов были даны неограниченные полномочия на использование новых материалов для спасения жизни пациентов, и многие проявили большую креативность. Во-вторых, пластик стал широко доступным. «Это стало эпохальным событием», — считает Бадди Ратнер. “Во время войны большинство разновидностей пластика, которые сейчас мы принимаем за нечто само собой разумеющиеся, являлись дефицитными материалами первой необходимости… Когда война закончилась, врачи заметили несколько очевидных причин для продолжения его использования. Ему гораздо легче придать нужную форму, чем металлу. Он лёгок и обладает очень низкой реакционной способностью”. На фотографии запечатлён американский военный хирург, оперирующий солдата США, раненого японским снайпером, в подземной операционной, позади линии фронта острова Бугенвиль, декабрь 1943. Фотография:NARA.
(1949) Линзы для предотвращения слепоты. Как рассказал Молли Стивенс, офтальмолог Сэр Гарольд Ридли, по окончании Второй Мировой обнаружил, что у многих венных пилотов в глазах были кусочки пластика. Выяснилось, что это – материал от самолёта. Однако он не вызывал никаких признаков раздражения или воспаления. В результате, Ридли использовал этот материал для создания внутриглазных линз для лечения катаракты (на фото). Первая такая операция была проведена в 1949. ( На заметку: концепция контактной линзы для поверхности глаза была придумана ещё в 1508 году Леонардо да Винчи; а первая версия для массового потребления была разработана в 1949.) Фотография: Dr. Rakesh Ahuja.
(1949) Линзы для предотвращения слепоты. Как рассказала Молли Стивенс, офтальмолог Сэр Гарольд Ридли, по окончании Второй Мировой обнаружил, что у многих военных пилотов в глазах были кусочки пластика. Выяснилось, что это – материал от самолёта. Однако он не вызывал никаких признаков раздражения или воспаления. В результате, Ридли использовал этот материал для создания внутриглазных линз для лечения катаракты (на фото). Первая такая операция была проведена в 1949. (На заметку: концепция контактной линзы для поверхности глаза была придумана ещё в 1508 году Леонардо да Винчи; а первая версия для массового потребления была разработана в 1949.) Фотография: Dr. Rakesh Ahuja.
(1952) Первые искусственные сосуды. Знаете, чего было очень много по окончании Второй Мировой Войны? Материала для изготовления парашютов. Хирург Артур Вурхиз стал инициатором их использования для создания первых искусственных сосудов. Сегодня, чаще всего используемый материал для артериальных заменителей – Гор-Текс, изначально им изолировали провода, но только до тех пор, пока Билл Гор, случайно не начал баловаться таким кусочком на горнолыжный подъёмник в Колорадо. «Парень, сидящий рядом с ним, оказался сосудистым хирургом», - разъяснил Бадди Ратнер. «Он посмотрел на этот кусочек и сказал: “Эта штуковина бы очень подошла для латания сосудов”». Фотография: Joachim Koschikowski.
(1952) Первые искусственные сосуды. Знаете, чего было очень много по окончании Второй Мировой Войны? Материала для изготовления парашютов. Хирург Артур Вурхиз стал инициатором их использования для создания первых искусственных сосудов. Сегодня чаще всего используется материал для артериальных заменителей – Гор-Текс, изначально им изолировали провода, но только до тех пор, пока Билл Гор, случайно не начал баловаться таким кусочком на горнолыжный подъёмник в Колорадо. «Парень, сидящий рядом с ним, оказался сосудистым хирургом», — разъяснил Бадди Ратнер. «Он посмотрел на этот кусочек и сказал: “Эта штуковина бы очень подошла для латания сосудов”». Фотография: Joachim Koschikowski.
(1961) Эндопротезирование тазобедренного сустава прижилось. Этой идее также понадобилось немало времени, чтобы воплотиться в жизнь. Согласно «Науке о Биоматериалах», первая попытка в этой области хирургии, состоявшаяся в 1891, была неудачной, а впоследствии, с 1920-х по 1950-е такие эксперименты и вовсе не проводились. Хирургу Джону Чарнли, работавшему в бывшем туберкулёзном санатории в Англии, удалось усовершенствовать не только материалы, но и саму процедуру в 1961. В то время, как его современники пытались уменьшить трение в суставе с помощью жидкости, Чарнли решил использовать вместе этого скользкие твёрдые материалы. Фотография: National Institutes of Health.
(1961) Эндопротезирование тазобедренного сустава прижилось. Этой идее также понадобилось немало времени, чтобы воплотиться в жизнь. Согласно «Науке о Биоматериалах», первая попытка в этой области хирургии, состоявшаяся в 1891, была неудачной, а впоследствии, с 1920-х по 1950-е подобные эксперименты и вовсе не проводились. Хирургу Джону Чарнли, работавшему в бывшем туберкулёзном санатории в Англии, удалось усовершенствовать не только материалы, но и саму процедуру в 1961. В то время, как его современники пытались уменьшить трение в суставе с помощью жидкости, Чарнли решил использовать вместе этого скользкие твёрдые материалы. Фотография: National Institutes of Health.
(с 1960-х по 1980-е) Стремительный подъём во всей сфере биоматериалов. Когда Бадди Ратнер ещё писал докторскую диссертацию в Политехническом институте Бруклина, биоматериалы только становились новым концептом. «Это даже не являлось самостоятельной отраслью», - сказал он. «Просто кучка учёных из самых разнообразных областей – инженеры-механики, инженеры-электрики, инженеры-химики, биологи и химики – все кто размышлял о том, как применить в медицине что-то новое. Это постепенно переросло в самостоятельную область науки». За это время было сделано много открытий: кардиостимуляторы, эндопротезирование коленного сустава, почечный диализ, грудные импланты, стентирование (показано), замена сердечного клапана… Одновременно изучались новые материалы, такие как силикон, тефлон, гидрогель, био-стекло, и также способы их применения в медицине. Фотография: iStock.
(с 1960-х по 1980-е) Стремительный подъём всей отрасли биоматериалов. Когда Бадди Ратнер ещё писал докторскую диссертацию в Политехническом институте Бруклина, биоматериалы только становились новым концептом. «Это даже не являлось самостоятельной отраслью», — сказал он. «Просто кучка учёных из самых разнообразных областей: инженеры-механики, инженеры-электрики, инженеры-химики, биологи и химики – все кто размышлял о том, как применить в медицине что-то новое. Это постепенно переросло в самостоятельную область науки». За это время было сделано много открытий: кардиостимуляторы, эндопротезирование коленного сустава, почечный диализ, грудные импланты, стентирование (показано), замена сердечного клапана… Одновременно изучались новые материалы, такие как силикон, тефлон, гидрогель, био-стекло, и также способы их применения в медицине. Фотография: iStock.
(1982) Первая успешная операция по вживлению искусственного сердца в человека. В 1957, Доктор Виллем Йохан Колфф (до этого он сконструировал первую модель искусственных почек из банок от апельсинового сока и пакетиков из-под сосисок) вживил в собаку искусственное сердце. После операции она прожила всего лишь 90 минут. Двенадцать лет спустя, хирурги Доминго Лиотта и Дентон Кули использовали искусственное сердце для поддержания жизни человека на время, пока не найдётся донор. Он прожил 64 часа. В то же самое время, Колфф с командой единомышленников продолжал работу над улучшением их конструкции – это займёт у них десятилетия. Согласно «Науке о Биоматериалах», один из студентов-выпускников Колффа, Роберт Йорвик, спроектировал модель сердца «Йорвик – 7», показанную на фотографии. В 1982, эта модель стала первым искусственным сердцем, перманентно вживлённым в человека (дантист из Сиэтла с застойной сердечной недостаточностью). За счет этого, удалось продлить его жизнь на 112 дней. Фотография: National Museum of American History.
(1982) Первая успешная операция по вживлению искусственного сердца в человека. В 1957, Доктор Виллем Йохан Колфф (до этого он сконструировал первую модель искусственных почек из банок от апельсинового сока и пакетиков из-под сосисок) вживил в собаку искусственное сердце. После операции она прожила всего лишь 90 минут. Двенадцать лет спустя, хирурги Доминго Лиотта и Дентон Кули использовали искусственное сердце для поддержания жизни человека на время, пока не найдётся донор. Он прожил 64 часа. В то же самое время, Колфф с командой единомышленников продолжал работу по улучшению их конструкции – это займёт у них десятилетия. По данным The New York Times, один из студентов-выпускников Колффа, Роберт Йорвик, спроектировал модель сердца «Йорвик – 7», показанную на фотографии. В 1982, эта модель стала первым искусственным сердцем, перманентно вживлённым в человека (дантист из Сиэтла с застойной сердечной недостаточностью). Благодаря этому, его жизнь удалось продлить на 112 дней. Фотография: National Museum of American History.
(1997) Тканевая инженерия становится реальностью. Следующий рациональный шаг в сфере биоматериалов - создание настоящего биологического материала, который подходит для использования в целях лечения и улучшения тела. Пока учёные экспериментировали с выращиванием хрящей и кожи в 1970-х и 1980-х, согласно книге «Основы тканевой инженерии и Регенеративной медицины» [PDF], сама область вышла на первый план в 1997, после того, как анестезиолог Чарльз Ваканти создал мышь с хрящём, в форме человеческого уха на спине. (Клонированная овца Долли стала знаменитостью в том же году – на фотографии чучело.) Количество исследования в области выращивания различных тканей стремительно растёт. Фотография: Toni Barros/Flickr.
(1997) Тканевая инженерия становится реальностью. Следующий рациональный шаг в сфере биоматериалов — создание настоящего биологического материала, который подходит для использования в целях лечения и улучшения тела. Пока учёные экспериментировали с выращиванием хрящей и кожи в 1970-х и 1980-х, согласно книге «Основы тканевой инженерии и Регенеративной медицины» [PDF], сама область вышла на первый план в 1997, после того, как анестезиолог Чарльз Ваканти создал мышь с хрящём, в форме человеческого уха на спине. (Клонированная овца Долли стала знаменитостью в том же году – на фотографии чучело.) Количество исследований в области выращивания различных тканей стремительно растёт. Фотография: Toni Barros/Flickr.
(2006) Первый выращенный в лаборатории орган вживлён в человека. В 2006 году статьи о хирурге Энтони Атала заняли первые полосы всех газет, после того, как он анонсировал, что, вместе со своей командой в Институте Регенеративной медицины Северной Каролины, вырастил несколько мочевых пузырей из клеток пациентов и успешно вживил эти взращенные лабораторией органы. Они сделали это, взяв маленький кусочек ткани и вырастив вокруг него новые клетки, вне человеческого тела, с помощью искусственного каркаса – процесс, длительностью от шести до восьми недель. «Это лишь один маленький шажок в процессе выращивания и замещения повреждённых тканей и органов», - прокомментировал Атала.
(2006) Первый выращенный в лаборатории орган вживлён в человека. В 2006 году статьи о хирурге Энтони Атала заняли первые полосы всех газет, после того, как он анонсировал, что, вместе со своей командой в Институте Регенеративной медицины Северной Каролины, вырастил несколько мочевых пузырей из клеток пациентов и успешно вживил эти взращенные лабораторией органы. Они сделали это, взяв маленький кусочек ткани и вырастив вокруг него новые клетки, вне человеческого тела, с помощью искусственного каркаса – процесс, длительностью от шести до восьми недель. «Это лишь один маленький шажок в процессе выращивания и замещения повреждённых тканей и органов», — прокомментировал Атала.
(2013) Лабораторный мозг? Сама практика тканевой инженерии и выращивания органов по-прежнему ещё очень молода – но количество исследований в этой области стремительно растет. (Узнайте о ткани сердца - Genspace by Nina Tandon.) В этом году, учёный из Университета Йокогама Сити, Япония, провел многообещающий эксперимент, в котором в мышь были помещены искусственно выращенные человеческие клетки печени. Хирурги в Университете Дьюка успешно имплантировали пациенту созданный биоинженерами кровяной сосуд. А в Австрийской Академии Наук команда учёных сумела вырастить в лаборатории миниатюрный мозг. За 20-30 дней развития в нём сформировались чёткие регионы, в том числе, и кора больших полушарий.
(2013) Лабораторный мозг? Сама практика тканевой инженерии и выращивания органов по-прежнему ещё очень молода – но количество исследований в этой области стремительно растет. (Узнайте о ткани сердца — Genspace by Nina Tandon.) В этом году, учёный из Университета Йокогама Сити, Япония, провел многообещающий эксперимент, в котором в мышь были помещены искусственно выращенные человеческие клетки печени. Хирурги в Университете Дьюка успешно имплантировали пациенту созданный биоинженерами кровяной сосуд. А в Австрийской Академии Наук команда учёных сумела вырастить в лаборатории миниатюрный мозг. За 20-30 дней развития в нём сформировались чёткие регионы, в том числе, и кора больших полушарий.

Так что же дальше?

Всегда трудно предсказать, в какую сторону будет развиваться отрасль, но у Бадди Ратнера есть несколько предположений. Он рассматривает мозг, как пространство для изучения различных применений биоматериалов и способов лечения рака. Но самой многообещающей для него является регенеративная медицина. «Мы сможем выращивать и восстанавливать повреждённые, утерянные или больные части тела. А это, в свою очередь, охватывает все области – от выращивания пальцев до восстановления волос – всё ваше тело, от носа до кончиков ногтей», — сказал он. «У нас есть куча оснований полагать, что всю область медицины ждут глобальные изменения, поскольку, по мере старения, организм  изнашивается, ломается, заболевает и, поэтому, нуждается в замене. Замена  — вот главный концепт».

Статья опубликована, как часть выпуска «Вопросов, которые стоит задавать»: “Стоит ли нам переконструировать человека?”. Посмотрите также плэйлист выступлений на эту тему от Хуаны Энрикез и Энтони Аталы – скептический взгляд биоэтика Пола Рута Волпа.

Автор перевода: Анна Соколкина
Источник: ideas.ted.com

Похожие статьи

Добро пожаловать на планету, которая понятна каждому