Современная биоинженерия способна воссоздавать живые ткани, мимикрируя под природные структуры для лечения сложных заболеваний человека и одновременной защиты экологии планеты. В лекции Королевского института (The Royal Institution) известный биоинженер и предприниматель Алвена Куреши (Alvena Kureshi) рассказывает о передовых разработках на стыке медицины и материаловедения. Главной темой выступления стало создание искусственных органов, использование повседневных материалов вроде яиц и разработка умных хирургических роботов, способных совершить революцию в трансплантологии и онкологии.
🌍 Биоинженерия на службе здоровья и экологии 3:42
Современная биоинженерия представляет собой междисциплинарное направление, объединяющее науку, инженерное дело и технологии для создания инновационных медицинских устройств, материалов и процессов. Сегодня, когда население Земли достигло 8,2 миллиарда человек, антропогенная нагрузка на планету становится критической. По мнению Алвены Куреши, специалисты любой отрасли, включая здравоохранение, разделяют ответственность за сохранение ресурсов Земли, поэтому биоинженерия должна решать задачи защиты как здоровья людей, так и экологии.
Одним из ключевых экологических вызовов в медицине является замена традиционных пластиковых хирургических повязок и бандажей на биоразлагаемые материалы. Производство классических пластиков опирается на невозобновляемые ископаемые ресурсы и генерирует огромный объем токсичных отходов, усугубляя климатические изменения. В качестве экологически безопасной альтернативы биоинженеры обращаются к натуральным полимерам, среди которых особое место занимает коллаген.
Коллаген является самым распространенным белком в человеческом организме и служит естественным строительным блоком для большинства тканей. В медицине ученые ценят его за биосовместимость — свойство, благодаря которому материал легко принимается организмом, минимизируя риски отторжения и осложнений. Помимо коллагена, перспективным направлением выступает использование биопластиков, получаемых из возобновляемых биологических источников, таких как растения и водоросли, которые способны со временем естественно разлагаться в окружающей среде.
🔬 Три кита тканевой инженерии 8:05
Для успешного создания искусственных тканей, способных восстанавливать, заменять или регенерировать поврежденные органы, биоинженерам необходимо сбалансировать три важнейших фактора.
К ним относятся:
- Живые клетки, формирующие основу ткани.
- Биосовместимый материал (каркас), на котором эти клетки могут расти.
- Контролируемая окружающая среда, обеспечивающая правильное развитие.
Поскольку современная наука пока не способна создавать живую материю из ничего, исследователи по-прежнему зависят от донорских тканей или органов, из которых извлекаются и размножаются первичные клетки (например, фибробласты). Вторым этапом становится перенос клеток на волокнистый структурированный материал. Клетки чутко реагируют на геометрию и свойства подложки, поэтому ученым необходимо в точности воссоздать микроскопическую архитектуру волокон.
Наконец, решающее значение имеет окружающая среда, в которой происходит культивирование ткани. Клетки считывают множество сигналов извне: механобиологические силы (давление, натяжение), физические свойства поверхности (топографию субстрата), а также биохимические стимулы — питательные вещества, витамины и специфические факторы роста, определяющие выживание клеток и выполнение ими необходимых функций.
👁️ Спасение от слепоты: искусственная роговица из клеточного банка 10:48
Первой серьезной клинической задачей, над решением которой Алвена Куреши работала в лаборатории профессора Джуди Дэниелс в Глазной клинике Мурфилдс при Университетском колледже Лондона (UCL), стало восстановление роговицы глаза после химических ожогов или вследствие генетических заболеваний. Роговица — это внешняя прозрачная поверхность глаза, служащая своеобразным «окном в мир», которое пропускает свет на сетчатку и обеспечивает нормальное зрение. Главным условием ее функционирования является абсолютная прозрачность, зависящая от строгой упорядоченности структуры.
По всему миру от роговичной слепоты страдают около 10 миллионов человек. При повреждении роговица мутнеет, в нее прорастают кровеносные сосуды, что полностью лишает пациента зрения. Традиционным решением остается трансплантация донорского органа, однако медицина сталкивается с катастрофическим дефицитом материалов. Например, только в Великобритании требуется около 70 роговиц в неделю, но 88% зарегистрированных доноров органов, готовых пожертвовать сердце или печень, отказываются давать разрешение на извлечение глаз после смерти.
Чтобы преодолеть этот кризис, команда Куреши разработала альтернативную стратегию лечения на основе стволовых клеток. Вместо схемы «один донор — один пациент» ученые извлекают взрослые стволовые клетки из стромы (основного коллагенового слоя роговицы). Клетки помещают в чашки Петри, снабжают питательными веществами и культивируют в специальных флаконах. Они быстро делятся, что позволяет создавать масштабные клеточные банки для одновременного лечения множества пациентов.
⚙️ Технология пластической компрессии: от желе к прочной мембране 19:41
Основная масса роговицы (строма) состоит из коллагена, уложенного в уникальный, высокоорганизованный сетчатый узор, который и обеспечивает прозрачность. Когда биоинженеры пытаются воссоздать этот слой в лаборатории, чистый коллагеновый гель по своей консистенции больше всего напоминает обычное пищевое желе. Работать с таком материалом в операционной невозможно: хирурги не способны поднять его пинцетом или наложить швы, поскольку желе мгновенно рвется.
Решением проблемы стал метод пластической компрессии, разработанный покойным профессором Робертом Брауном, под руководством которого Куреши защитила докторскую диссертацию (в научной литературе технология известна под аббревиатурой RAFT). Это удивительно простой и элегантный процесс. Коллагеновый гель, заселенный клетками роговицы, помещают между двумя пластинами, снизу которых находится пористая фильтровальная бумага. Под действием легкого давления из геля удаляется до 99% воды, что приводит к колоссальному увеличению плотности коллагеновых волокон. За считаные минуты бесформенное желе превращается в тончайшую, прочную мембрану, напоминающую кожу, которую можно спокойно удерживать инструментами и пришивать к тканям глаза.
В течение последующих лет технология была существенно модернизирована совместно с промышленными партнерами, чтобы сделать процесс строго стандартизированным и воспроизводимым для клинического применения. Самодельные фильтры заменили единым сертифицированным пористым абсорбером. Изменяя объем геля и плотность коллагена, ученые научились ювелирно настраивать баланс между прочностью мембраны и ее прозрачностью, поскольку чрезмерно плотные гели становятся матовыми. Данная технология уже успешно применяется у пациентов клиники Мурфилдс и выпускается в виде коммерческих наборов.
🍝 Паста-машина как вдохновение для хирургических пластырей 24:04
Еще одним важным направлением работы Алвены Куреши стало создание внутренних хирургических пластырей. Внутри нашего тела, особенно в брюшной полости под мышцами, соединительные ткани обладают строгой продольной направленностью волокон. Если при заживлении раны волокна коллагена ложатся хаотично, формируется грубый внутренний рубец (спайка). По мнению Куреши, существующие на рынке пластиковые хирургические сетки неудовлетворительны: они слишком жесткие, перетяжеленные и часто вызывают у пациентов хроническую боль.
Идея о том, как упорядочить структуру лабораторного коллагена без дорогостоящего оборудования, родилась во время неформального обсуждения итальянской кухни с аспиранткой Алессандрой. Ученые обратили внимание на обычную паста-машину: при прокатывании теста через валики его структура уплотняется и вытягивается в одном направлении. По аналогии с этим процессом исследователи создали метод горизонтального сдвигового потока (Horizontal Shear Flow).
С помощью сконструированного в лаборатории механического роллера на поверхность коллагенового геля воздействовали направленными силами сдвига. Подтвержденный методом сверхточной микроскопии второго гармонического поколения (SHG) результат показал, что хаотичные коллагеновые фибриллы полностью перестроились и вытянулись строго по вектору движения роллера. Более того, засеянные на такую подложку живые клетки послушно подчинились структурным навигационным сигналам и начали синтезировать собственный упорядоченный коллаген. Этот метод дешев и занимает всего пару минут, выгодно отличаясь от разработок других научных групп, использующих гигантские и дорогие источники магнитных полей. В настоящее время инженерная команда Куреши создает автоматизированные прототипы устройств для одновременного проката нескольких гелей.
🥚 Наночастицы и яичная скорлупа: экологичные раневые повязки 31:24
В поисках новых экологически чистых материалов Алвена Куреши начала сотрудничество с Федерико Троттером, основателем компании Metalchemy, разрабатывающей «зеленые» методы химического синтеза. Компания производит биопластики из водорослей и агар-агара для упаковочной индустрии и медицины, а также синтезирует экологически безопасные наночастицы. Эти частицы невероятно малы — их размер составляет примерно одну тысячную от толщины человеческого волоса. Благодаря своим масштабам они обладают мощным антимикробным эффектом, легко проникая сквозь клеточные стенки бактерий и уничтожая их.
Исследователям удалось успешно интегрировать наночастицы Metalchemy внутрь коллагеновых мембран и биопластиков. Эксперименты подтвердили, что добавление антибактериальных компонентов не убивает полезные живые клетки, заселенные на повязку. Подобные модифицированные материалы имеют огромный потенциал для лечения хронических диабетических язв стопы и применения в костной регенерации.
Параллельно совместно с Дэвидом Чоу из UCL была реализована идея по утилизации бытовых отходов птицеводства. Выяснилось, что тонкая мембрана, расположенная с внутренней стороны яичной скорлупы, преимущественно состоит из природного биосовместимого коллагена и обладает противовоспалительными свойствами. Для коммерциализации этой идеи Дэвид Чоу создал спин-аут компанию Rovm. Объединив усилия, ученые внедрили антимикробные наночастицы Metalchemy в структуру очищенной яичной мембраны. Тесты показали выдающийся результат: модифицированная яичная повязка эффективно сдерживала рост патогенных микроорганизмов на протяжении 21 дня, показав себя значительно лучше коммерческих химических аналогов.
🤖 Роботизированная хирургия: будущее без шрамов 40:15
В финальной части выступления Алвена Куреши поделилась своим видением будущего хирургии, в котором операционные вмешательства станут полностью бесшовными, автоматизированными и доступными удаленно для пациентов в любой точке мира. Эволюция хирургических технологий уже прошла через две крупные революции. В 1980-х годах доминировала традиционная открытая хирургия, требовавшая больших разрезов и приводившая к образованию массивных шрамов и частых послеоперационных осложнений. В 2000-х годах наступила эпоха малоинвазивной хирургии, ярким символом которой стала роботизированная система Da Vinci, позволяющая врачам управлять микроинструментами через небольшие проколы.
По мнению Куреши, следующим качественным скачком станет эндолюминальная хирургия — проведение операций без единого надреза на теле пациента, исключительно через естественные анатомические пути организма, например, желудочно-кишечный тракт. На сегодняшний день медицинские эндоскопы оснащены лишь видеокамерами и используются преимущественно для диагностики, но не для сложных хирургических манипуляций. Между тем, потребность в прецизионном лечении рака кишечника резко возрастает, и благодаря развитию диагностических инструментов врачи все чаще выявляют опухоли на ранних стадиях.
Для реализации этой амбизиозной задачи Алвена Куреши совместно с инженером Арналом основала стартап Spenta при поддержке венчурного фонда Zinc. Они создают роботизированную систему нового поколения, способную гибко перемещаться по всем изгибам и поворотам толстой кишки, удаляя опухоли изнутри. Как утверждает исследовательница, подобно тому, как операции на сердце трансформировались благодаря внедрению сосудистых стентов, новые эндолюминальные инструменты со временем сделают традиционную открытую онкологическую хирургию кишечника полностью устаревшей.
