Медицина и технические инновации
Сердечно-сосудистые заболевания по-прежнему занимают в промышленно развитых странах первое место в статистике причин смерти. В одной только Германии инфаркт миокарда случается в среднем у 280-ти тысяч человек в год. Поскольку инфаркт миокарда – это отмирание участка сердечной мышцы вследствие нарушения её кровоснабжения, одним из самых частых и опасных осложнений является сердечная недостаточность. Сердце теряет способность обеспечивать нужным количеством крови жизненно важные органы и, прежде всего, головной мозг. В таких случаях, чтобы спасти жизнь пациента, необходимы специальные аппараты, способные хотя бы временно поддержать насосную функцию сердца. На разработке и производстве именно таких аппаратов специализируется американская компания «Abiomed» со штаб-квартирой в Денвере, штат Колорадо. И не просто специализируется, а является мировым лидером в этой области. Но речь идёт не об огромных стационарных аппаратах искусственного кровообращения, а о довольно миниатюрных изделиях. Несколько лет назад компания завершила разработку аппарата «Abiocor», предназначенного для пересадки и представляющего собой полноценное искусственное сердце. Понятно, что такая трансплантация требует сложнейшей хирургической операции со вскрытием грудной клетки. Однако иногда пациент вовсе и не нуждается в искусственном сердце – его собственный орган вполне может восстановить свою функцию, если ему дать небольшую передышку. Именно этой цели и служит новая разработка фирмы – миниатюрный роторный насос. К тому же новинка позволяет отказаться от традиционной обширной операции и обойтись щадящим малоинвазивным хирургическим вмешательством, а именно введением специального венозного катетера. Торстен Зис (Thorsten Sieß), руководитель технического отдела европейского филиала компании «Abiomed Europe», расположенного в Ахене, поясняет:
На кончике этого специального катетера мы разместили крохотный насос для прокачивания крови. В самом миниатюрном исполнении он не намного толще спички, то есть может быть введён практически любому пациенту через бедренную вену. Оттуда врач продвигает его непосредственно в сердце. Сама по себе такая процедура уже давно стала рутинной. И там этот насос способен прокачивать до 2,5 литров крови в минуту.
Такой производительности достаточно, если собственное сердце больного, хоть в полсилы, но всё же функционирует. Если же нет, в ход идут системы несколько больших габаритов, способные обеспечить поступление в артерии от 5-ти до 6-ти литров крови в минуту. Торстен Зис говорит:
Итак, на кончике катетера размещён миниатюрный электродвигатель, вращающий своего рода крохотный судовой винт. Он находится как бы внутри корпуса насоса. Вся эта система получила название «Impella». Для того, чтобы столь миниатюрное устройство могло прокачивать всё же довольно значительный объём крови, нам использовали высокооборотный ротор с частотой вращения от 30-ти тысяч до 50-ти тысяч оборотов в минуту.
Уже от одной мысли, что внутри сердца с чудовищной скоростью вращается какая-то посторонняя штуковина, становится не по себе. А тот, кто помнит, что 40 процентов всего объёма крови составляют красные кровяные тельца, невольно задаётся вопросом, как эти клетки могут в таком насосе уцелеть и попасть обратно в кровоток не изрубленными вдребезги. Опасения такого рода понятны, но совершенно напрасны, – говорит Торстен Зис:
Вы должны иметь в виду, что кровяные тельца очень чувствительны к так называемому срезающему усилию. Под микроскопом эти клетки выглядят как не до конца надутые резиновые спасательные круги, как полупустые мягкие пластиковые пакеты. То есть оболочка этих клеток как бы великовата для их содержимого. Поэтому если такую клетку поместить в поле действия срезающего усилия, то есть если её мембрану начать пощипывать, то это усилие не должно превышать определённого значения, иначе клетка будет повреждена или разрушена. Нам удалось сконструировать наш насос так, что возникающие в процессе его работы срезающие усилия не достигают критических значений.
Ещё одна техническая проблема состояла в выборе подходящих материалов для насоса – ведь с точки зрения коррозийной активности кровь не уступает морской воде. Торстен Зис говорит:
Это преимущественно стали, используемые для изготовления протезов тазобедренных суставов. Можно применять также титановые сплавы. Однако мы остановили свой выбор на специальных пластмассах.
На сегодняшний день система катетера с мини-насосом уже была использована в Европе более 2-х тысяч раз – с отличными результатами. Получен допуск и для США, на тамошний рынок система поступит в ближайшие недели. Она не только проста в применении, но и стоит относительно недорого. Главное же – она реально спасает человеческие жизни – говорит Торстен Зис:
Практически мы даём сердцу больного передышку, возможность отдохнуть и восстановиться. После этого наша система ему уже не нужна, значит, для нас главное – краткосрочное и среднесрочное применение. Так что в данном случае мы делали упор не на долговечность аппарата, а на его компактность, миниатюрность и простоту применения, чтобы у дежурных врачей скорой помощи не было никаких отговорок и объяснений, почему они всё тянули и не использовали нашу систему сразу. Ведь задержка означает, что за это время отомрёт ещё какой-то участок сердечной мышцы, который потом уже не удастся восстановить.
А теперь от сердечно-сосудистых заболеваний, лидирующих среди причин смерти, обратимся к раковым заболеваниям, прочно занимающим в этом печальном списке второе место. Шансы на выздоровление зависят здесь – пожалуй, больше чем где бы то ни было, – от своевременной диагностики. В данном случае «своевременная» означает «чем раньше, тем лучше». Одним из распространённых методов обнаружения опухолей внутренних органов служит сонография, именуемая в обиходе ультразвуковым исследованием, или просто УЗИ. Поскольку этот метод диагностики не связан с радиоактивным облучением, он совершенно безвреден и применяется чрезвычайно широко. Но если говорить о диагностике новообразований, то у него есть один существенный недостаток: при обнаружении опухоли пациенту приходится подвергаться биопсии, то есть изъятию на анализ пробы ткани, поскольку сама сонография не позволяет отличить злокачественную опухоль от доброкачественной. Пока не позволяет. Однако уже в ближайшее время ситуация кардинально изменится, – уверены американские учёные. Мостафа Фатеми (Mostafa Fatemi), научный сотрудник знаменитой клиники Майо в Рочестере, штат Миннесота, говорит:
Мы используем ультразвук совершенно по-новому. Наш метод позволяет не только визуализировать ткань, но одновременно и измерять её плотность. То есть наша картинка содержит дополнительную информацию. А это, как мы надеемся, позволит существенно повысить качество диагностики.
Суть метода состоит в том, чтобы облучать ткани не одним ультразвуковым сигналом, а сразу двумя. Эти два сигнала несколько отличаются друг от друга по частоте. При наложении этих частот возникает своеобразная вибрация – аналогичного эффекта можно добиться в слышимом диапазоне частот, если наложить два хоть и близких по высоте, но всё же не идентичных звука. Возникает ощущение, будто звук «плывёт». В ультразвуковом диапазоне этот эффект столь силён, что высвобождаемая при этом энергия заставляет ткань слегка вибрировать, и эта вибрация, в свою очередь, сопровождается звуком в слышимом диапазоне. Ткань словно бы скрипит, – говорит Мостафа Фатеми:
Мы регистрируем этот звук, записываем его, а потом пересчитываем в картинку. В принципе всё это немного напоминает всем известный способ проверки качества хрусталя: слегка ударив по краю фужера, можно по тому звону, который он издаст, определить, цел он или треснут.
Звук от треснутого фужера замирает значительно быстрее, чем от целого. По словам учёного, сходным образом ведут себя и ткани внутренних органов, когда на них воздействует ультразвук. Более мягкая ткань звучит иначе, чем более плотная. Мостафа Фатеми поясняет:
Это помогает нам обнаруживать уплотнения в ткани. А мы знаем, что эти уплотнения, как правило, связаны с опухолями.
Самое важное состоит в том, что для злокачественных опухолей в среднем характерна более высокая плотность, чем для доброкачественных. И это различие можно визуально обнаружить на картинке, получаемой с помощью двухлучевого ультразвукового аппарата. Сегодня новый метод проходит испытания в диагностике опухолей молочной железы и простаты. Весьма перспективным представляется также его применение в исследовании щитовидной железы. Потому что традиционная сонография даёт здесь ненадёжные результаты, – говорит Мостафа Фатеми:
Проблема с обычной ультразвуковой диагностикой заключается в том, что она показывает все узелки в щитовидной железе, и врач не может определить, есть ли среди них злокачественные. Поэтому он назначает биопсию – весьма неприятную для пациента процедуру. Наша аппаратура позволяет видеть различия между доброкачественными и злокачественными узелками. И именно это вселяет в нас надежду, что нам удастся заметно уменьшить количество ненужных биопсий.
Ведущиеся сегодня испытания дают весьма многообещающие результаты. Тем не менее, американские учёные признают, что и при самом благоприятном стечении обстоятельств пройдёт ещё не один год, прежде чем новый метод диагностики займёт своё место в повседневной клинической практике.
А теперь обратимся к туберкулёзу – болезни, не нуждающейся в новых методах диагностики, зато настоятельно требующей новых методов лечения, а ещё лучше – эффективных методов предупреждения. Всемирная организация здравоохранения хочет добиться решающего прорыва в борьбе с этим хоть и очень давно известным, но от этого ничуть не менее опасным заболеванием. Оно уносит ежегодно 1,5 миллиона жизней. Микобактерией туберкулёза, известной также как палочка Коха, инфицирован каждый третий житель нашей планеты. Серьёзную тревогу вызывает у медиков и стремительное распространение резистентных штаммов бактерий, устойчивых ко многим стандартным противотуберкулёзным препаратам, даже самым современным. Именно поэтому Всемирная организация здравоохранения сделала ставку на эффективную профилактическую вакцину – она должна быть готова уже к 2015-му году. Собственно, первую вакцину против чахотки, возбудитель которой был открыт немцем Робертом Кохом (Robert Koch) в конце 19-го века, создали ещё в 1919-м году двое французских учёных – Альбер Кальмет (Albert Calmette) и Камилль Герен (Camille Guirin). В основу этой вакцины – её принято по-русски именовать БЦЖ (BCG – Bacilles Calmette-Guirin) – был положен ослабленный штамм микобактерий туберкулёза. Они действительно вызывают иммунную реакцию, которая, однако, предохраняет от заболевания только детей. С тех пор разработка более эффективной вакцины ведётся весьма активно в разных странах мира. Сегодня испытания по специальной программе проходят 20 препаратов, претендующих на то, чтобы стать всемирно признанной противотуберкулёзной вакциной. Один из них разработан в Германии, в берлинском Институте инфекционной биологии имени Макса Планка. Директор Института, профессор Штефан Кауфман (Stefan Kaufmann), преисполнен оптимизма:
Я уверен, что наш уровень знаний позволяет нам сегодня сконструировать действительно эффективную вакцину.
Главное – разобраться в тех хитростях, которые использует микобактерия, чтобы обмануть иммунную систему человеческого организма. И сегодня исследователи уже неплохо понимают эти механизмы. Ключевой этап – то, как микобактериям удаётся преодолевать первый барьер иммунной системы – клетки-фагоциты, задача которых – поглощать и убивать любой инфицирующий агент. Фагоциты реагируют на специфические белки на мембране патогена-агрессора, заключают его внутри себя в специальный пузырёк – так называемую фагосому – и сразу же отправляют к месту переваривания, где подвергают воздействию ряда кислот и ферментов, составом напоминающих желудочный сок. В результате такого воздействия вторгшиеся в организм бактерии обычно погибают, однако к микобактериям туберкулёза это не относится, – говорит Ульрих Шайбле (Ulrich Schaible), профессор лондонской Высшей школы гигиены и тропической медицины:
Микобактерии выработали механизмы, позволяющие им блокировать процесс переваривания в фагоцитах.
В результате клетки, изначально предназначенные для уничтожения патогенов, становятся для них надёжным убежищем. Всё дело в том, что на поверхности мембраны микобактерий имеются молекулы жиров, которые предохраняют её от разрушительного воздействия кислот. Кроме того, один из этих жиров вызывает, судя по всему, и другой, ничуть не менее важный эффект. Это выяснилось, когда профессор Шайбле нанёс покрытие из этого жира на полимерные наночастицы – миниатюрные круглые шарики – и ввёл их в фагоциты.
Процесс переваривания останавливается, у клетки происходит что-то вроде расстройства пищеварения.
Иммунная система вполне успешно подавляет микобактерии туберкулёза вне фагоцитов, но внутри них патогены надёжно защищены и могут пребывать там десятилетиями. Когда же защитные силы организма по той или иной причине ослабевают – например, из-за голода или ВИЧ-инфекции, – бациллы Коха покидают своё убежище, вызывая стремительное развитие болезни. Понимание всех этих механизмов и позволило группе микробиологов под руководством профессора Кауфмана усовершенствовать вакцину БЦЖ:
Мы так генетически модифицировали штамм БЦЖ, что он уже не может, как раньше, надёжно прятаться внутри клеток хозяина. Мы как бы сняли с этих бактерий шапку-невидимку, извлекли их из пузырьков и презентовали иммунной системе.
Главный компонент новой вакцины – белок, изнутри разрушающий в фагоцитах пузырьки-фагосомы. Фагоциты гибнут, и микобактерии внезапно оказываются видимыми и уязвимыми для иммунной системы. В опытах на животных новая вакцина уже доказала свою высокую эффективность. Теперь предстоят важные испытания на безопасность для человека. Эксперты полагают, что в конечном счёте распространение туберкулёза удастся пресечь лишь комбинацией разных вакцин, использующих различные слабые места микобактерий. Впрочем, и у микобактерий в запасе ещё не один трюк, к тому же они способны быстро мутировать, о чём свидетельствует резистентность многих штаммов. Поэтому большинство специалистов сомневаются в том, что высокоэффективная вакцина действительно будет готова уже к 2015-му году.