ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА ЧЕЛОВЕКА

Дата: 
18 ноября 2018
Журнал №: 
Рубрика: 

Сегодня никого не удивляет использование медицинской техники в самых разных областях здравоохранения. Не так давно в России стали применять ещё одно средство технической поддержки человека — искусственные органы. Что такое биомедицинская инженерия, каковы перспективы развития этого направления, мы попросили рассказать начальника научно-исследовательской лаборатории систем искусственной биомедицинской регуляции Института биомедицинских систем НИУ МИЭТ, начальника лаборатории носимых биосовместимых устройств и бионических протезов Института бионических технологий и инжиниринга Николая Базаева.

Текст: Ирина Доронина

Н. Базаев

— Что такое биомедицинская инженерия?
— Это широкое направление, находящееся на стыке огромного количества профессий, имеющих отношение к медицине и биологии. В этой сфере трудятся программисты, разработчики, химики, медики, люди многих других специальностей. Непосредственно биомедицинская инженерия искусственных органов занимается исследованиями и разработками в области технических средств для замещения утраченных функций природных органов. Основная задача — создать систему, позволяющую компенсировать возникшее нарушение и тем самым помочь человеку вернуться к относительно привычному образу жизни.

— Какие органы можно заместить с помощью биомедицинских систем?
— Если говорить про заместительную терапию, то наиболее широкое распространение получили аппараты «искусственное сердце». Одним из представителей данных устройств является аппарат вспомогательного кровообращения левого желудочка сердца. Он способствует восстановлению необходимых объёмов кровотока, а, значит, и процессов обмена и метаболизма.

Широко используется в клинической практике заместительная почечная терапия. Аппаратура представляет собой небольшой шкаф, где осуществляется приготовление специальных растворов, очищающих кровь, производится забор крови из кровеносного русла и её возврат, добавление корректирующих жидкостей, мониторинг состояния пациента, контроль удаления излишков жидкости и многое другое.

Цель — очистить кровь от продуктов метаболизма. Через поры мембранного картриджа кровь взаимодействует с теми самыми специальными жидкостями, которые её очищают. По химическому составу они похожи на плазму крови и забирают в себя только продукты метаболизма, токсины и т. д. В медицине эта процедура называется гемодиализ (очищение крови). Она используется в острых случаях, когда, например, человек отравился, и почки не могут справиться с интоксикацией или, когда у человека постепенно, ввиду неправильного образа жизни или каких-то сопутствующих заболеваний, почки начинают терять свои функции, и в определённый момент организм нуждается в поддержке.

Аппаратура находит применение и для компенсации сахарного диабета (искусственная поджелудочная железа). При этом необходимо решать ряд задач: от точного определения (мониторирования) концентрации глюкозы в крови до введения инсулина с целью поддержания «сахара» крови на физиологически нормальном уровне.

Бионическое ухо

Сегодня можно говорить о целом ряде приборов и разработок, которые успешно внедрены в клиническую практику — аппарат искусственной вентиляции лёгких, аппарат «искусственная печень», технология для создания искусственной кожи, крови…

Отмечу вклад нанотехнологий и нанокомпозитных материалов, которые используются в биомедицине. Одно из наиболее интересных направлений — регенеративная медицина, которая позволяет ускорять процессы заживления тканей, в том числе и таких, которые сами регенерировать не могут (хрящевая ткань). В нашем институте развиваются проекты по созданию искусственных сухожилий, связок и т. д.

Большие перспективы имеет биопринтинг — создание сразу готового органа, разработанного для человека с использованием его собственных клеток, которые обуславливают приживаемость. В будущем можно прогнозировать появление «фабрик» по персонализированному изготовлению искусственных органов. Фабрики будут находиться при крупных больницах и заниматься сбором необходимой информации о пациенте для создания трёхмерной модели органа и его последующей печати. На мой взгляд, практическая реализация этих идей наступит не раньше, чем через 20 лет.

— Носимый аппарат «искусственное сердце», насколько мне известно, — самый успешный проект вашего института. Он прошёл много клинических испытаний и активно применяется не один год.
— Действительно, проект получил широкую клиническую практику. Мы взаимодействуем с научным центром сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева, с Национальным медицинским исследовательским центром им. Е.Н. Мешалкина, Первым МГМУ им. И.М. Сеченова и др. Сейчас реализуем проект по созданию полного искусственного сердца — системы, позволяющей полностью заменить данный орган, а также ведём разработку аппарата «искусственное сердце» для применения в педиатрической кардиохирургии.

Искусственное сердце

— Какие заболевания можно вылечить с помощью биомедицинской инженерии искусственных органов?
— К сожалению, утраченные функции многих органов невозможно восстановить. Единственным примером является применение аппарата «искусственное сердце». При снижении насосной функции сердца плохо становится всем органам, поскольку они начинают испытывать недостаток в кислороде, питательных веществах, хуже выводятся продукты метаболизма. Это приводит к полиорганной недостаточности. Если вовремя восстановить сердечную функцию, то можно значительно улучшить ситуацию с состоянием пациента. В клинической практике известны случаи, когда пациенты с полиорганной недостаточностью были настолько слабыми, что не смогли бы перенести операцию по пересадке сердца. В условиях, когда им ставят аппарат вспомогательного кровообращения, кровоток в организме восстанавливается, доставка жизненно важных веществ возобновляется, и это часто помогает больным поправиться и планово подойти к операции по трансплантации сердца.

— Технический аппарат может заменить печень?
— В печени метаболизируется большое количество вредных для организма веществ. Она выполняет фильтрующую функцию. Чтобы ей как-то помочь, используется искусственная система с определённым набором сорбентов, фильтрующих кровь. В принципе, механизм похож на работу искусственной почки.

— А искусственная почка как работает?
— В клинической практике, как я уже говорил, используется в основном гемодиализ. Что это такое? Пациентам ставятся два катетера — артериальный и венозный. Через один кровь забирается и пропускается через массообменное устройство, затем очищенная кровь возвращается через второй катетер в систему кровообращения. Процедура длится три-четыре часа. Есть вариант ночного гемодиализа. Таким образом техническая система компенсирует дисфункцию почек.

Перед тем как врач принимает решение о подобной терапии, он оценивает остаточную функцию почек. Ситуации бывают разные: каким-то пациентам нужна одна процедура в неделю, каким-то больше. Помимо очищения крови ключевым моментом терапии является удаление излишков жидкости из организма. Минус в том, что перемещаться пациенты во время гемодиализа не могут, а должны находиться на кушетке рядом с аппаратом «искусственная почка». Мы придумали портативную носимую персонализированную систему для искусственного жизнеобеспечения пациентов с хронической почечной недостаточностью.

Медико-биологические испытания на свинке

— Что собой представляет искусственная почка, разработанная учёными МИЭТ?
— Система реализует метод перитонеального диализа. Очищение крови проводится не непосредственно, а через брюшную полость. Раствор вливается в брюшную полость пациента, которая служит естественной мембраной. Через неё осуществляется транспортировка метаболитов из крови в диализирующий раствор. Наш аппарат в свою очередь очищает (регенирирует) диализирующий раствор. За счёт этого время его использования увеличивается с 4—6 часов до 24 часов и более. Объём заливаемой жидкости зависит от индивидуальных особенностей пациента и обычно для взрослого человека составляет два литра. Детям редко проводят гемодиализ, вместо этого используют перитонеальный диализ, потому что у них небольшая масса тела и небольшой объём крови. Удобно и то, что перитонеальный диализ можно проводить в домашних условиях.

Изначально идея была такая: человек ходит с «искусственной почкой» постоянно, и она работает, как и природная почка. В гемодиализе ведь какая проблема: человек после процедуры на три дня уходит домой. За это время в организме накапливаются продукты метаболизма до критических концентраций. Снова придя на гемодиализ, за три-четыре часа он убирает их все разом. Для организма это серьёзная встряска, и после процедуры самочувствие, мягко говоря, не очень.

Когда мы начинали заниматься этим аппаратом, то поставили перед собой цель облегчить жизнь пациента, создать систему по весу не более пяти килограммов и удалять с её помощью три вещества: мочевину, креатин, мочевую кислоту. Медико-биологические испытания провели на собаке с острой почечной недостаточностью. Достижением стало то, что собака хорошо перенесла установку аппарата, он помог почкам вывести из организма токсины. Это было в конце 2016 года. Клинических испытаний на человеке пока не было, по плану они ожидаются в 2020 году. Если говорить откровенно, то к человеку подходить боязно, хотя на животных аппарат проявил себя успешно.

— А кроме собаки, на ком ещё апробировали систему?
— Недавно на базе Тверского государственного медицинского университета мы повторили эксперимент на более крупном животном — на свинье. Суть была в том, что животное без почек должно было жить с «искусственной почкой». По показателям биохимии мы смотрели, насколько аппарат справляется. Всё проходило в два этапа: на первом вводили рентген-контрастное вещество, которое вызывало острую почечную недостаточность, но какие-то остаточные функции почек всё-таки сохранялись. Сутки животные находились без аппарата, и результаты анализов подтверждали, что острая почечная недостаточность присутствует: был рост креатинина, мочевины и других показателей. На вторые сутки к животному подключали «искусственную почку» и смотрели за динамикой.

Показатели, например, по креатинину изначально находились в районе 69 мколь/л (это пониженная концентрация креатинина, но физиологически допустимая), за первый день с повреждённой функцией почек показатель увеличился больше, чем в два раза. Во второй день, когда животное подключили к аппарату, прироста не было. То есть, на аппарате креатинин был примерно 150 мколь/л. С учётом того, что некоторые функции почек сохранялись, мы подтвердили биохимическими анализами крови, что аппарат со своей задачей справляется. После этого был осуществлён эксперимент по постановке аппарата животному с отсутствующими почками. За сутки на аппарате креатинин вырос со 150 до 240 мколь/л (что чуть больше верхней границы нормы). На четвёртый день аппарат сняли, и через 12 часов вновь были сделаны замеры: креатинин вырос до 600 мколь/л.

Будущие биоинженеры

Выводы следующие: в том случае, если почки отсутствуют вообще, аппарата в текущей версии не хватает. Это и понятно, у почек много функций. Они производят гормоны, регулируют давление, ионный состав крови и т. д. Есть огромное количество факторов, и ни один аппарат сегодня, мне кажется, не справится с полным замещением этого органа. Но в случае с острой и хронической почечной недостаточностью аппарат можно применять. На животных — точно. Уже поступают запросы на разработки подобных носимых устройств для ветеринарной практики. Как будут проходить клинические испытания на человеке, пока не знаем, но вполне вероятно, что в скором времени гемодиализ в стационаре можно будет заменить домашним диализом с помощью носимого аппарата «Искусственная почка».

— Какой у биомедицинских приборов способ питания?
— Они могут работать как от аккумулятора, так и от розетки. Мы создали две модификации аппарата: первая регенерирует раствор с помощью сорбции и электролиза: сорбенты удаляют креатинин, мочевую кислоту, фосфаты, а электролизёр — мочевину. Собственно, то, чем я занимался последние три года,— это исследование электролиза. Моя команда ищет новые материалы для изготовления электродов и режимов работы электролизёра. Изначально весь электролиз был на электродах из драгоценных металлов — с платиновым покрытием. Платина — дорогой и редкий металл, и все манипуляции с ним должны быть под контролем у государства. В итоге мы нашли материал, который по всем показателям лучше платины и гораздо дешевле её. На поверхности этого нового материала мы осуществили эффективный процесс разложения мочевины. Это первый вариант аппарата.

— А второй какой?
— Второй вариант хотим сделать полностью пассивным. В первом варианте на электролиз тратится много электроэнергии (это к вопросу о том, сколько «искусственная почка» может автономно работать на аккумуляторах: с электролизом — примерно восемь часов). Не так давно начали сотрудничать с химиками, представителями фармацевтического сектора, с которыми синтезируем специализированные сорбенты, позволяющие связывать мочевину. Это позволит значительно упростить аппарат, уменьшить его массу и габариты, а в связи с тем, что метод удаления метаболитов пассивный — затраты электроэнергии минимальны, и аппарат может работать сутки и больше.

«Искусственная почка», аппарат для искусственного кровообращения «АВКН-Спутник» и аппарат для лазерной сварки

— Какие у Вас планы?
— Для себя я ставлю план в ближайший год отработать технологию получения специализированных сорбентов для удаления мочевины, что существенно снизит энергозатраты, уменьшит массу аппарата (сейчас он весит три с половиной килограмма, а с помощью сорбентов масса может быть снижена до двух килограммов). Плюс, если нам удастся добиться хороших результатов, система будет дешевле в эксплуатации, а значит, появится возможность обеспечить диализом большее количество нуждающихся.

— Насколько она будет дешевле?
— В настоящее время стоимость эксплуатации аппарата сравнима со стоимостью перитонеального диализа. Однако, мы сможем сделать её вдвое дешевле. До тысячи рублей в день. Для примера процедура гемодиализа составляет от четырёх тысяч рублей за процедуру.

— Какие, на Ваш взгляд, нужны реформы, чтобы биомедицина развивалась более свободно и продуктивно?
— Не открою Америку. Не хватает стабильного финансирования. Если взять, к примеру, мою деятельность, то она процентов на 70 состоит из бумажной работы. У нас же грантовая система. Нет грантов — нет денег. А на них нужно писать качественные вразумительные заявки. Конечно, хотелось бы всё своё время посвящать творчеству, разработкам. Понимаю, что это утопия, и государство не может выдавать гранты всем подряд, а мы, в свою очередь, должны давать результат в существующей системе. Но чтобы создать новый высокотехнологичный медицинский прибор требуется 7—10 лет. А гранты в основном рассчитаны на 2—3 года.

И ещё один важный аспект биомедицинской инженерии: химики, физики, медики, программисты, инженеры, те, кто занимается этим направлением, должны работать вместе. Если не будем сотрудничать, то получится басня про лебедя, рака и щуку. Мы никуда не продвинемся. Попыткой объединить усилия стал не так давно открытый учёными МИЭТ и Сеченовского университета Институт бионических технологий и инжиниринга. Но этого, безусловно, мало. Нужна командная работа на базе всех заинтересованных сторон. Только тогда можно говорить о том, что будущее биомедицинской инженерии определено и направления, куда двигаться, в первую очередь, хорошо известны.