Биоинженерия на стыке науки и природы способна кардинально изменить современную медицину, предлагая экологичные альтернативы традиционному пластику и восстанавливая поврежденные ткани человека. Известный биоинженер и предприниматель Альвена Куреши (Alvena Kureshi) в своей лекции для The Royal Institution рассказала о передовых методах создания искусственных органов и грядущей роботизированной революции в операционных. Спикер поделилась личным двадцатилетним опытом разработки медицинских решений, многие из которых были вдохновлены самыми обычными бытовыми процессами.
🌍 Новая философия медицины: спасение человека и забота о планете 3:57
Что такое биоинженерия? По мнению Альвены Куреши, это дисциплина, объединяющая науку, инженерию и технологии для создания инновационных медицинских устройств, материалов и процессов. Сегодня, когда население Земли достигло 8,2 миллиарда человек, антропогенная нагрузка на экосистему стала критической. По мнению спикера, защита окружающей среды — это общая ответственность человечества, которую нельзя перекладывать исключительно на профессиональных экологов.
В сфере здравоохранения традиционно используются пластиковые хирургические повязки и расходные материалы. Их производство базируется на ископаемом топливе и генерирует огромный объем токсичных отходов, усугубляя изменения климата. Биоинженеры стремятся заменить их экологически чистыми биоразлагаемыми аналогами, требующими значительно меньше ресурсов планеты.
Главным строительным блоком для таких инноваций стал коллаген — самый распространенный белок в человеческом организме. Ученые называют его биосовместимым: поскольку он изначально присутствует в нашем теле, созданные на его основе структуры легко принимаются организмом, что сводит к минимуму риск отторжения или осложнений. В медицине коллаген уже применяется для наложения швов и кожной пластики. Параллельно развиваются биопластики, производимые из возобновляемых биологических источников, таких как растения и морские водоросли. В отличие от традиционного пластика, они способны естественно разлагаться в окружающей среде, принося пользу и медицине, и планете.
🔬 Триада тканевой инженерии: клетки, матрикс и среда 8:05
Чтобы успешно восстанавливать, заменять и регенерировать ткани организма, биоинженерам необходимы три ключевых фактора: живые клетки, подходящий каркас (материал) для их прикрепительного роста и правильное окружение. Как отмечает Альвена Куреши, современная наука пока не способна создавать живую материю из ничего. Исследователи полностью зависят от клеточных источников, извлекаемых из донорских тканей или органов, пожертвованных для научных исследований.
Выращивание тканей происходит в строго контролируемых условиях. Попадая на искусственный каркас, клетки ведут себя по-разному в зависимости от структуры материала и его волокон. Находясь в инкубаторе, они непрерывно считывают сигналы внешней среды. Клетки реагируют на множество внешних факторов:
- Механические силы и физические сигналы, такие как топография и микрорельеф поверхности материала.
- Биохимические стимулы, включая необходимые питательные вещества и факторы роста.
Только при обеспечении правильного баланса этих параметров клетки могут выжить, размножиться и начать выполнять свои специфические биологические функции.
👁️ Регенерация роговицы: преодоление дефицита донорских тканей 10:48
Одним из важнейших направлений работы Альвены Куреши в лаборатории профессора Джуди Дэниелс (Judy Daniels) в глазной больнице Морфилдс при UCL стало восстановление поврежденной роговицы. Проблема роговичной слепоты, вызванной химическими ожогами (кислотой или щелочью) либо тяжелыми генетическими заболеваниями, затрагивает 10 миллионов человек по всему миру. Поврежденная роговица теряет свою прозрачность, мутнеет и прорастает кровеносными сосудами, что полностью лишает человека зрения.
Традиционное лечение критически зависит от трансплантации органов умерших людей. Дефицит донорского материала колоссален: только в Великобритании требуется 70 роговиц в неделю, при этом 88% зарегистрированных доноров органов, готовых пожертвовать сердце, печень или легкие, юридически отказываются давать разрешение на использование своих глаз после смерти.
Чтобы преодолеть этот кризис, команда Куреши применила технологии стволовых клеток. Вместо неэффективной схемы «одна донорская роговица для одного пациента» ученые научились извлекать взрослые стволовые клетки из здорового участка, размножать их в лабораторных флаконах и формировать масштабные клеточные банки для лечения сотен людей.
Основная часть роговицы — строма — состоит преимущественно из коллагена и обладает уникальной упорядоченной архитектурой в виде плетеной корзины. Именно это идеальное плетение, синтезируемое стромальными клетками, обеспечивает абсолютную прозрачность окна нашего глаза. Любая травма или ожог разрушают эту структуру, приводя к слепоте, поэтому главная задача биоинженера — в точности воссоздать этот природный узор.
🧊 Технология RAFT: как превратить «желе» в прочный трансплантат 18:10
В чистом виде коллаген, используемый учеными для создания искусственных тканей в лаборатории, напоминает обычное кулинарное желе. С таким хрупким и подвижным материалом практикующие хирурги работать не могут: его невозможно поднять пинцетом, удерживать в руках или надежно пришить к глазу пациента.
Решением проблемы стала технология пластического сжатия (plastic compression), разработанная покойным профессором Робертом Брауном (Robert Brown), под руководством которого Альвена Куреши защитила докторскую диссертацию. В научной литературе этот метод известен под аббревиатурой RAFT. Процесс изящно прост:
- Коллагеновый гель, заселенный живыми клетками роговицы, помещается между двумя пластинами.
- Снизу подкладывается специальная пористая основа для абсорбции жидкости.
- Удаление 99% влаги приводит к резкому уплотнению коллагена и превращению его в прочную тонкую мембрану.
Полученный материал по механическим свойствам близок к человеческой коже — его можно спокойно брать инструментами и накладывать хирургические швы.
В дальнейшем, совместно с профессором Джуди Дэниелс, этот метод был полностью стандартизирован для коммерческого и клинического применения. Исследователи заменили примитивную фильтровальную бумагу единым стерильным пористым абсорбером. Весь процесс производства готовой ткани в специальной чашке занимает менее одного часа. Регулируя объем и плотность геля, авторы научились находить идеальный баланс («sweet spot») между прочностью мембраны и её прозрачностью, так как чрезмерно концентрированные гели становятся матовыми и непроницаемыми для света. Сегодня эти наборы уже успешно используются в клинической практике на пациентах в больнице Морфилдс.
🍝 Секреты итальянской кухни на службе биоинженерии 24:04
Создание прочного материала — лишь половина успеха. Для внутренних органов крайне важна правильная пространственная направленность волокон. Например, соединительные ткани брюшной полости человека под мышцами строго выровнены в одном направлении. Обычные пластиковые медицинские сетки и пластыри не имитируют эту структуру; они слишком жесткие, что вызывает сильную хроническую боль у прооперированных пациентов. По мнению Куреши, хаотичное расположение волокон при заживлении неизбежно ведет к образованию внутренних рубцов и спаек.
Идея о том, как заставить коллагеновые волокна выстраиваться параллельно друг другу, родилась во время неформального обсуждения итальянской кухни с аспиранткой Алессандрой. Ученые обратили внимание на принцип работы механической машинки для раскатки пасты: проходя сквозь валики, тесто вытягивается и меняет структуру под воздействием физической силы давления.
Эксперимент увенчался успехом: команда разработала метод горизонтального сдвигового потока (horizontal shear flow). Прокатывая специально сконструированный лабораторный валик по поверхности коллагенового геля, исследователи за несколько минут заставили хаотично расположенные фибриллы выстроиться строго вдоль линии движения. Результат был наглядно подтвержден с помощью передовой микроскопии генерации второй гармоники (SHG). Позже высаженные на такой упорядоченный матрикс клетки также начали послушно расти вдоль заданных линий, синтезируя правильную ткань. Этот метод оказался намного дешевле и быстрее альтернативных подходов, требующих использования гигантских и дорогостоящих магнитных полей. Сейчас инженеры дорабатывают автоматический прототип устройства для одновременной стандартизированной раскатки нескольких гелей.
🥚 Антибактериальные нанотехнологии: от водорослей до яичной скорлупы 31:24
Другим вектором исследований стало долгосрочное сотрудничество Альвены Куреши с Федерико Троттером (Federico Trotter), основателем компании Metalmy, разрабатывающей экологически чистые химические процессы. Компания Metalmy синтезирует уникальные наночастицы, размер которых составляет всего одну тысячную ширины человеческого волоса. Благодаря столь малым размерам они способны физически проникать внутрь болезнетворных микробов и уничтожать их, демонстрируя мощный антимикробный эффект. Такая защита от бактерий критически важна для предотвращения инфицирования открытых ран.
Биоинженеры внедрили эти наночастицы в биопластик на основе агара (морских водорослей) и в коллагеновые мембраны. Проведенные тесты доказали, что клетки на таком материале остаются живыми, а сам композит эффективно защищает раны от патогенов. Данная технология перспективна для лечения диабетических язв стопы — огромной финансовой и терапевтической проблемы для системы здравоохранения Великобритании (NHS).
В поисках новых экологичных материалов Куреши объединила усилия с Дэвидом Чоу (David Chow) из UCL, создавшим спинаут Rovm. Чоу предложил использовать в медицинских целях подскорлуповую оболочку куриных яиц — ту самую тонкую пленку, которая обычно отправляется в отходы при чистке вареного яйца. Данная мембрана состоит преимущественно из природного коллагена, она биосовместима и обладает выраженными противовоспалительными свойствами. Объединив оболочку яйца с наночастицами от Metalmy, ученые зафиксировали резкое снижение роста патогенных микроорганизмов, сохранявшееся даже на 21-й день эксперимента, что превзошло результаты коммерческих аналогов.
🤖 Будущее хирургии: робототехника и эндолюминальные операции 40:15
По мнению Альвены Куреши, идеальное будущее хирургии — это полное отсутствие внешних шрамов, максимальная автоматизация процессов и проведение удаленных операций высококлассными специалистами через телемедицинские каналы. Медицина уже прошла две важные технологические революции. В 1980-х годах доминировала классическая открытая хирургия с большими разрезами, оставлявшая массивные рубцы и приводившая к частым осложнениям. В 2000-х годах наступила эра минимально инвазивной (лапароскопической) хирургии, ярким примером которой стало повсеместное внедрение робота Da Vinci, позволяющего врачу управлять высокоточными манипуляторами через крошечные надрезы.
Следующим шагом, как утверждает спикер, станет эндолюминальная хирургия — проведение сложнейших внутренних операций без единого надреза на теле, исключительно через естественные анатомические пути организма, например, через желудочно-кишечный тракт. Существующие сегодня гибкие эндоскопы оснащены лишь камерами и подходят только для диагностики, но не для хирургического лечения.
Серьезная технологическая революция ожидается в лечении рака кишечника. Благодаря развитию диагностических инструментов выявляемость рака на ранних (1 и 2) стадиях резко возрастала. По прогнозам Куреши, развитие инструментов сделает открытые операции на брюшной полости пережитком прошлого, подобно тому как кардиохирургия перешла от операций на открытом сердце к щадящему стентированию артерий.
Для воплощения этой концепции Альвена Куреши совместно с инженером-изобретателем Арналом основала стартап Spenta, развивающийся при поддержке венчурного фонда Zinc. Стартап Spenta создает медицинского робота нового поколения, способного беспрепятственно проходить по всем анатомическим изгибам толстой кишки, с высокой точностью удаляя опухоли и полипы. Спикер верит, что подобные технологии сделают операционные залы по всему миру умнее, безопаснее и избавят пациентов от калечащих хирургических вмешательств.
