Инновации внедряются в органы

Медицинские технологии на протяжении последних лет развиваются так же активно, как и другие наукоемкие отрасли за тем лишь исключением, что внедрение новых разработок занимает более длительное время, чем, например, в IT-секторе или в промышленности: требуется длительный срок испытаний и сертификации инновационных медицинских решений. Новые изделия, препараты и методы для лечения тех или иных заболеваний появляются как путем развития уже существующих наработок, так и посредством абсолютно новых, ранее не применяемых практик и медицинских инноваций.

Дмитрий Быков

Отдельный раздел в инновационной медицине сейчас отводится различным имплантатам и органам, напечатанным на 3D-принтере. В начале февраля текущего года НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра (НИМЦ) первым в России начал проводить реконструктивно-восстановительные операции по закрытию костных дефектов лица с помощью 3D-имплантатов из нанокерамики.

По составу нанокерамика напоминает родную кость пациента, а при ее изготовлении используются оксиды циркония, алюминия и их смеси, безопасные для организма. Чтобы полностью повторить форму утраченного фрагмента, сперва создается трехмерная модель черепа, затем его и твердые ткани, окружающие дефект, печатают из пластика на 3D-принтере, проводится примерка. После этого создается матрица, которая заполняется смесью керамического порошка с полимерами, и после спекания готовый имплантат передается на стерилизацию медикам.

До недавнего времени дефекты костной ткани закрывали протезами из пластика, полиэтиленов, титана и его сплавов, до 40% которых отторгаются из-за развития воспалительных процессов. Таким образом, имплантаты из нанокерамики решают проблему приживаемости и анатомического сходства одновременно.

Американский Oregon Health & Science University (OHSU) также использует в своих разработках 3D-принтер — для изготовления и имплантации искусственных кровеносных сосудов. Изначально технология создана для применения в стоматологии, но при определенных доработках может быть использована и в других направлениях медицины.

Процесс выглядит следующим образом: внутрь канала больного зуба вставляется тонкое полимерное волокно, созданное при помощи специально разработанного метода 3D-печати из агарозы. Оставшиеся пустоты заполняются гелеобразным материалом, содержащим клетки пульпы. Затем волокно извлекается и в полученные микроканалы, которые проходят вдоль всей длины зуба, вводятся эндотелиальные клетки, выделенные из внутренней поверхности стенок кровеносных сосудов. Примерно через семь дней запускается процесс регенерации, и внутри зуба начинают формироваться искусственные сосуды.

Исследования и опыты с искусственными 3D-сосудами проводит и китайская Sichuan Revotek. Сосуды печатаются при помощи биочернил, созданных на основе стволовых клеток, забор которых производится у донора. На печать уходит несколько часов, а затем они помещаются в необходимое место в организме. Исследователи проводили испытания на обезьянах. 30 особям имплантировали сосуды, после чего наблюдали за ними на протяжении нескольких месяцев. Спустя какое-то время специалисты провели обследование и выявили, что сосуды как по строению, так и по функционированию не отличаются от нормальных сосудов организма, не причиняют животным никаких неудобств и не оказывают никаких иных побочных эффектов.

Технологию 3D-печати и "выращивания" клеток развили ученые из израильской Bonus Biogroup, которые разработали так называемые "жидкие кости" — особое вещество из стволовых клеток жировой ткани пациентов, которое быстро формирует новую костную ткань. В рамках инновационного метода проводится забор материала, при помощи специального программного обеспечения создается трехмерная модель необходимой кости. Затем в особых барокамерах на протяжении нескольких месяцев "выращиваются" кости из клеточного субстрата. При этом, как и в случае с нанокерамическими имплантатами, отсутствует отторжение материала организмом.

В последние годы ученые из разных стран делают серьезные успехи и в разработке нейроинтерфейсов, восстанавливающих двигательные функции у пациентов с травмами спинного мозга. Если еще в 2015 году речь шла в основном об опытах на животных — крысах и приматах, то сейчас лаборатории в разных странах тестируют новые технологии на добровольцах-людях. Еще в апреле 2016 года сотрудникам Ohio State University и Battelle Memorial Institute удалось достичь серьезного прогресса при лечении пациента с квадриплегией — параличом всех конечностей.

Благодаря имплантированному в двигательную область коры головного мозга микрочипу, передающему декодированные сигналы в мускулы руки с помощью электростимуляторов, пациент смог заново научиться шевелить пальцами руки и даже играть в компьютерные игры. В будущем ученые также надеются создать беспроводные нейрочипы, способные восстанавливать нейронные связи у пациентов с болезнью Альцгеймера.

Искусственная кровь

Еще одно инновационное направление, в рамках которого есть несколько разработок ученых из разных стран,— искусственная кровь. Так, специалисты из румынского Universitatea Babes-Bolyai создали искусственный заменитель крови на основе железосодержащего белка гемэритрина, который есть в составе тканей морских червей.

Американский William Marsh Rice University применил при создании искусственной крови белки из мышц китов. Ученые выяснили, что у китов есть накапливающий кислород в мышцах белок миоглобин, похожий на гемоглобин из человеческой крови. Предполагается, что на основе изучения китового белка можно будет повысить эффективность синтеза гемоглобина в искусственных эритроцитах.

В рамках создания искусственной крови, как и при 3D-печати сосудов, используются и стволовые клетки. Исследователи из французского Universite Pierreet Marie Curie в 2011 году провели первое небольшое переливание добровольцам выращенных в лаборатории красных кровяных клеток. Эти клетки вели себя так же, как нормальные эритроциты, причем около 50% из них все еще циркулировали в крови через 26 дней после переливания.

В эксперименте добровольцам влили 10 млрд искусственных клеток, то есть примерно 2 мл крови. Эксперимент прошел успешно, но возникла другая проблема: одна кроветворная стволовая клетка была способна произвести всего до 50 тыс. красных кровяных телец, после чего погибала. Получение новых стволовых клеток — процесс не дешевый, поэтому стоимость одного литра искусственной крови становилась слишком высокой.

Развивая эту тематику, специалисты британского NHS Bloodand Transplant при участии Университета Бристоля провели эксперименты с гемопоэтическими стволовыми клетками. Выяснилось, что чем более ранней является клетка, тем выше ее способность к регенерации, и с помощью всего одной гемопоэтической клетки можно восстановить всю кроветворную ткань у мыши.

Ученым удалось использовать для производства искусственной крови стволовые клетки на ранних стадиях развития, что дало возможность производить ее почти в неограниченных количествах, но будущее такой крови зависит от результатов клинических испытаний.

Новые лекарства и генная инженерия

Наиболее актуальными вопросами, которые в настоящее время пытается решить фармакологическая отрасль, являются разработка и производство лекарственных препаратов для лечения ВИЧ-инфекции и различных онкологических заболеваний. Например, госкорпорация "Ростех" в диапазоне трех лет планирует начать опытное производство и применение цифровых лекарств, предназначенных в первую очередь для лечения онкологических заболеваний, при этом первые экспериментальные образцы уже существуют.

В 2018 году госкорпорация также планирует начать опытное производство и клиническую апробацию биосенсоров на основе микрочипа и аптамеров — особых молекул, связывающихся с определенными молекулами-мишенями,— для экспресс-диагностики наиболее распространенных видов онкологии. Так, "Ростех" разработал спрей с аптамерами, который предназначен для лечения рака головного мозга. Нанесенный на пораженные ткани спрей позволяет хирургу с помощью специальных очков хорошо видеть опухоль и удалять ее полностью без остатка. Несколько экспериментальных операций с использованием спрея уже были проведены специалистами Красноярской клинической больницы скорой медицинской помощи.

Сейчас тестируются и лекарства на основе наноконструкций, которые без операционного вмешательства смогут разрушать раковые клетки под действием переменного магнитного поля. Для внедрения таких технологий в широкую практику требуется цикл доклинических и клинических исследований, который может занять от пяти до семи лет.

В общей сложности, по оценке Grand View Research, глобальный рынок прорывных лекарственных средств к 2025 году достигнет $144,6 млрд. Эксперты резонно предполагают, что лидирующей областью в этом сегменте будет онкология, хотя в 2016 году наилучшие показатели демонстрировали средства для лечения гепатита С.

Статус инновационной терапии (Breakthrough Therapy) присваивается регуляторами США и ЕС наиболее перспективным препаратам, предназначенным для лечения жизнеугрожающих заболеваний. Такой статус позволяет фармацевтическим компаниям сократить время разработки нового лекарства на 30-50%, а следовательно, снизить затраты и добиться скорейшего выхода на рынок своего продукта.

В последние годы все чаще регуляторы США присваивают статус прорывной терапии новым лекарствам, и именно эта тенденция станет одним из драйверов роста в данной области, подчеркивают аналитики. Онкология займет лидирующее положение по количеству инновационных лекарств с официальным статусом, так как исследования многих перспективных молекул приближаются к стадии его получения. В 2017 году именно препараты для лечения онкопатологий получили больше всего сертификатов о присвоении этого статуса. Сегмент редких заболеваний также нарастит число лекарств с прорывным статусом.

Наиболее влиятельными игроками области прорывных лекарств эксперты называют компании Hoffmann-LaRoche, Gilead, Novartis, Pfizer, Abb Vie, Janssen, Bristol-Myers Squibb, Eli Lilly, Sanofi, Regeneron, Acadia Pharmaceuticals, Boehringer Ingelheim, Amgen, Astra Zeneca и Glaxo Smith Kline. Многие из них имеют мощности или производят по контракту свои препараты в России, но, как правило, эти лекарства далеки от понятия "прорывное", при этом во многих случаях декларируемое "производство" на деле превращается в простую упаковку.

Из российских частных компаний разработкой и производством лекарств для лечения онкологии наиболее активно занимается компания Biocad, в портфель которой входят отечественные биоаналоги жизненно важных препаратов на основе моноклональных антител. Компания выпускает около 20 лекарственных препаратов, предназначенных для лечения различных злокачественных опухолей, в зависимости от характера заболевания могут применяться различные лекарства.

На борьбу с онкологическими заболеваниями направлены и усилия специалистов по генной терапии. Изначально совокупность биотехнологических и медицинских методов, направленных на лечение заболеваний, вызванных мутациями в структуре ДНК или поражением ДНК вирусами, с помощью редактирования генетического аппарата рассматривали как средство излечения наследственных генетических заболеваний, однако в настоящее время ученые надеются применить ее для борьбы с широким спектром заболеваний: болезнью Альцгеймера, диабетом, сердечной недостаточностью и раком.

Одной из самых перспективных технологий генной терапии является редактирование генома CRISPR/Cas9. Эту технологию открыли еще в 2013 году как механизм бактериального иммунитета вирусной ДНК. Ученые называют ее "молекулярными ножницами", так как она позволяет с высокой точностью вырезать и изменять участки ДНК любых организмов прямо в живых клетках. В прошлом году ученые из Китая провели первый в мире эксперимент по редактированию генома взрослого человека с помощью технологии CRISPR/Cas9. Сотрудники Сычуаньского университета ввели модифицированные Т-лимфоциты пациенту, больному раком легких, что запустило процесс уничтожения раковых клеток в его организме.

Инновационная классика

Параллельно с абсолютно новыми для медицины технологиями развиваются и классические методы лечения тех или иных заболеваний. Например, специалисты Сибирского федерального биомедицинского исследовательского центра (СФБМИЦ) разработали новый сверхточный метод хирургического лечения нарушений ритма сердца с помощью электрического тока.

Для внедрения этого способа лечения СФБМИЦ работал над выявлением причин фибрилляции предсердий в течение десяти лет. Новый метод предполагает индивидуальный подход в лечении и заключается в визуализации активных очагов автономной нервной системы пациентов с последующим точечным радиочастотным воздействием на них.

В рамках нового метода для выявления очагов пациенту сначала проводят компьютерную томографию, чтобы определить точную поверхность сердца, затем визуализацию для определения функционального состояния органа и выявления патологических изменений со специальным радиофармпрепаратом, который скапливается в активных очагах аритмии. Благодаря этой методике хирургу не нужно выполнять большой объем оперативного вмешательства — достаточно воздействовать на конкретные точки.

Передовые разработки в области кардиологии и эндопротезирования есть также у холдинга "Швабе" — искусственный желудочек сердца "Инвента" и углеродный композиционный материал (УКМ) для медицинского применения. "Инвента" представляет собой миниатюрный насос размером с пальчиковую батарейку. Он имплантируется в организм пациента и перекачивает кровь вместе с больным сердцем, давая возможность ему восстановиться. Технология позволяет человеку вести нормальный образ жизни и в долгосрочной перспективе может стать реальной альтернативой операции по пересадке донорского сердца.

Углеродный композиционный материал "Швабе", из которого делаются, в том числе, и межпозвоночные диски, обладает малым весом и более высокой совместимостью с человеческим организмом по сравнению с протезами из металла, полимера или керамики. Такой имплантат не подвержен усталостным напряжениям и разрушениям: расчетный срок эксплуатации изделия составляет 20-25 лет. Протез УКМ может использоваться для замещения дефектов любых частей скелета: костей черепа, позвоночника, конечностей, таза и других.

Все эти технологии и разработки призваны в перспективе продлить жизнь человека и улучшить ее качество. Например, по мнению экс-министра финансов и главы Центра стратегических разработок Алексея Кудрина, уровень развития медицины через несколько лет позволит сделать человека практически бессмертным. "Где-то 10-15 лет потребуется, чтобы медицина, по сути, решила одну из проблем — у нас появится почти бессмертный человек, в силу ряда достижений генетики, медицины, производства органов",— считает он. Вопрос только в том, насколько быстро новые решения найдут применение и будут внедрены в российской медицине.