Искусственные органы: человек, собранный из механизмов

В наши дни машины больше не воют и не лязгают - они негромко гудят или работают бесшумно. К таким машинам относятся и бионические устройства, заменяющие почки, поджелудочную железу, печень и сердце.

Бионические почки

Кровь в организме нуждается в постоянной фильтрации, иначе она не сможет поддерживать жизненные процессы. Токсины и шлаки, образующиеся в процессе обмена веществ и постоянного превращения пищевых продуктов в энергию, отравили бы нас в считанные дни, если бы не почечные фильтры. Вот почему нарушение работы почек стоит на одном из первых мест среди болезней-убийц. Почки устроены таким образом, что токсические вещества и шлаки удаляются из организма прежде всего путем фильтрации крови в многокилометровых разветвлениях капилляров, где она проходит через мембраны, отделяющие низкомолекулярные продукты распада от белков крови и других жизненно важных молекул.

Виллем Кольфф, молодой голландский врач, во время второй мировой войны начал исследования с целью создания искусственной почки, которая могла бы заменить больные почки. Работая по ночам, чтобы не попасть в руки фашистских оккупантов (ибо он приступил к исследованиям в надежде помочь раненым голландским партизанам), Кольфф начал экспериментировать с разнообразными конструкциями искусственных почек. Пользуясь только тем оборудованием, которое нацисты считали необходимым для практикующего врача, он сконструировал аппарат, напоминающий барабан, где кровь могла циркулировать над искусственной мембраной большой площади. У Кольффа не было под рукой современных высококачественных пластических и фильтрующих материалов для такой мембраны, и он пользовался в качестве фильтров целлофановой оберткой для колбас. И хотя его аппарат (напоминающий маленькую стиральную машину, где барабаны вращались в растворе глюкозы, чтобы токсины "вымывались" из крови) был очень примитивен, он действовал.

Громоздкая конструкция Кольффа для диализа (по-гречески "диализ" значит "растворение") в наши дни превратилась в аппаратик не больше обычного телефона. "Сахарный раствор", извлекающий токсины из крови, усовершенствован - это жидкость, по своему составу близкая к крови. Современные портативные искусственные почки можно использовать в домашних условиях. Подсчитано, что не менее 100 000 человек во всем мире пользовались заменяющим почки аппаратом.

Кольфф, работающий ныне в Институте биомедицинской инженерии при Университете штата Юта, полагает, что путем микроминиатюризации в организм человека может быть имплантировано устройство для электродиализа. Собственно говоря, он уже создал искусственную почку весом чуть больше 1 кг, которую можно носить как рюкзачок. Этот прибор способен отфильтровать все ядовитые вещества и шлаки из крови при пользовании им всего в течение двух часов в сутки.

Бионическая поджелудочная железа

Инсулин регулирует энергетические процессы внутри клеток. Поджелудочная железа среди прочего снабжает организм инсулином, и это позволяет накапливать сахар в виде жира для того, чтобы впоследствии он мог быть переработан с выделением энергии. Если этот механизм нарушается, весь процесс обмена веществ разлаживается. Клетки выделяют сахар в кровь, расщепляют собственные белки в ядовитые продукты распада и отравляют организм избытком токсичных веществ. При нехватке в организме инсулина накопление токсинов в крови приводит к разрушению клеток глаза, мозга, кровеносных сосудов. Недостаток инсулина вызывает нарушение водно-солевого баланса в организме, что может стать причиной угрожающе низкого кровяного давления, препятствующего кровоснабжению органов и повреждающего мозг.

Диабет, развивающийся вследствие недостатка инсулина в крови, входит в число десяти главных причин смертности населения США. Без специального лечения больной диабетом может прожить не более 20 лет. Ежедневно получая инсулин - перорально или в виде инъекций, - он может прожить 50 лет. Но инсулинотерапия не в состоянии изменять количество инсулина в соответствии с сиюминутными потребностями организма: зачастую его оказывается либо слишком много, либо слишком мало. Из-за этого у больного диабетом, даже получающего инсулин, всегда нарушен обмен веществ, и его организм постоянно подвергается опасности.

В настоящее время несколько групп исследователей работают над созданием бионической поджелудочной железы, которая могла бы выделять инсулин только в нужное время и в требуемых количествах. Уильям Чик из Джослинского диабетического фонда в Бостоне работает над экспериментальной моделью вживляемой поджелудочной железы, в которой используются ткани здоровой поджелудочной железы человека или животного. Помещая ткань в сеть искусственных капилляров, исследователь заставляет кровь циркулировать через них. Капилляры сконструированы таким образом, что через их стенки могут проникать только инсулин и другие небольшие молекулы, но для молекул белков и клеток крови они непроницаемы. А так как это надежно изолирует ткань поджелудочной железы от кровотока в организме, то исключается и опасность реакции отторжения, поэтому в качестве источника инсулина могут быть использованы ткани поджелудочной железы крыс или других животных. Инсулин, вырабатываемый в организме человека и многих животных, в том числе коров, чей инсулин используется при лечении диабета, сходен по составу и действует одинаково как у людей, так и у животных. Однако, прежде чем испытать изобретение Чика на людях, необходимо найти материал для капилляров, который не разрушал бы кровь больного.

Поджелудочная железа Чика не совсем искусственная, т. е. она не является механизмом в строгом смысле, поскольку в ней используются ткани настоящей поджелудочной железы, а непосредственно механизм используется лишь для определения потребности организма в инсулине и выделения соответствующего его количества из резервуара. Первый же искусственный механизм был сконструирован в 1962 г. Арнольдом Кадишем из Фонда динамики метаболизма в Лос-Анджелесе. Кадиш преобразовал аппарат, которым определяют уровень сахара в пробах крови, в прибор, способный производить эти измерения и выделять в кровь инсулин или сахар в зависимости от потребностей организма. Этот аппарат, несмотря на свою громоздкость и замедленную реакцию, доказал возможность создания полностью искусственной поджелудочной железы.

Одна из наиболее современных и усовершенствованных моделей бионической поджелудочной железы была сконструирована Дж. Стюартом Селднером из Джослина, Ку Вейчаном и Солом Айзенбергом из Уиттекеровского корпоративного центра космических исследований. Она состоит из чувствительного к глюкозе диска, вживленного в тело, и датчика, показывающего больному содержание сахара в крови, т. е. соответственно необходимое количество инсулина. (Между уровнем сахара и уровнем инсулина в крови существует обратная зависимость.) Измеритель глюкозы величиной с небольшую монету многократно испытывался на кроликах и обезьянах в течение длительных сроков - до 117 дней; его способность точно измерять динамику концентрации сахара в крови уже доказана.

Другой измеритель размером с мелкую монетку, сконструированный Сэмюэлем Бессменом из Медицинской школы Университета Южной Калифорнии, прошел испытания на людях. Когда его удастся скомбинировать с микронасосом, регулирующим количество инсулина, который также спроектирован Бессменом, мы получим полностью искусственную поджелудочную железу. Как полагает сам Бессмен, сейчас нет никаких технических трудностей, которые помешали бы созданию искусственной поджелудочной железы, необходимы лишь испытания на животных, прежде чем использовать ее для людей.

Бионическая печень

Более 25 больных в Англии, страдавших острой недостаточностью печени, испробовали на себе прибор, напоминающий прибор для гемодиализа, который сконструировал д-р Ричард Уиллсон из Медицинской школы Вашингтонского университета. По мнению Уиллсона, прибор может быть изготовлен в портативном варианте. Другие ученые разрабатывают имплантируемую искусственную печень.

Бионические легкие

Большая часть легких состоит из мембран, так что возникает максимальная поверхность, на которой происходит газообмен. Омывая мембраны, кровь теряет углекислый газ и другие газообразные продукты обмена, одновременно насыщаясь кислородом. В 1963 г. Джон Гиббон из Джефферсонского медицинского колледжа штата Виргиния изобрел машину сердце - легкие, которая одновременно прогоняет кровь через сосуды тела и обогащает ее кислородом; это позволяет хирургам на время операций на сердце освободить от крови кровеносные сосуды, соединяющие сердце и легкие. С появлением этого аппарата началась новая эра операций на открытом сердце. До этого единственный способ, позволяющий оперировать на сердце, заключался в том, что врачи охлаждали тело больного, пропуская кровь через змеевик, до 24 °С - прерывание тока крови на короткое время не приносило особого вреда больному. Но в этом случае на саму операцию оставалось не более получаса, так как возникала опасность повреждения мозга от переохлаждения или недостатка кислорода.

Вместе с тем разрабатывались бионические легкие как таковые. В ходе экспериментов выяснилось, что "переносной мембранный оксигенатор", изобретенный Конверсом Пирсом (госпиталь для ветеранов в Бронксе, Нью-Йорк) и успешно испытанный на собаках, можно облегчить до 4-5 кг, и его можно будет носить как рюкзак. Льюис Хэд и его коллеги из Северо-Западного мемориального госпиталя в Чикаго создали искусственное легкое из силастиковых трубочек, помещенных в мягкий пластиковый контейнер; его имплантировали собакам и овцам.

Широкое испытание искусственных легких, начатое в апреле 1975 г., финансируется Национальным институтом сердца и легких. Опыты осуществляются в девяти госпиталях и университетских исследовательских центрах США. До сих пор лечению подверглось свыше 150 человек с острой респираторной недостаточностью. Некоторые из них были подключены к искусственному легкому на срок до трех недель. В апреле 1975 г. журнал "Сайнтифик америкэн" писал: "Искусственное легкое скоро может пополнить список надежных искусственных... заменителей для тех органов человека, которые плохо работают".

Бионическое сердце

Когда с возрастом или в результате болезни сокращения сердца делаются аритмичными или замедленными по сравнению с нормой (около 70 ударов в минуту), происходит недостаточное снабжение кровью всего организма. В прошлом это состояние пытались корректировать введением гормональных стимуляторов непосредственно в сердце, но лечение часто запаздывало, и больной, страдавший сердечной аритмией, умирал, не дождавшись помощи.

Замысел прибора, который посылал бы электрические импульсы в область предсердия и таким образом регулировал ритм сокращений, впервые зародился у д-ра А. С. Химена, директора Уиткинского фонда по профилактике сердечных болезней, еще в 1928 г. Однако прошел 31 год, прежде чем было произведено первое вживление водителя сердечного ритма (кардиостимулятора). Такой разрыв во времени объяснялся несовершенством технологии. Многие материалы, использованные в кардиостимуляторе - эпоксидные смолы, силастик, нержавеющая сталь, титан, - стали доступными только в 50-х годах, когда начались работы по программе космических исследований. Сказанное относится и к созданию ртутной батарейки, которая способна давать ток по крайней мере в течение трех лет. Электронный таймер, необходимый для посылки электрических импульсов к сердцу, появился только в начале 50-х годов, после того как изобретенный в 1948 г. транзистор позволил его миниатюризовать. Первый кардиостимулятор, весивший всего 140 г, был имплантирован больному в 1959 г. д-ром Сэмюэлем Хантером из Медицинской школы Миннесотского университета.

Регуляторы ритма сердечных сокращений имеют свои недостатки. Их работе, например, мешают микроволновые печи. Случалось, что некоторые новейшие модели, активирующие сердце посредством направленных в имплантированный приемник радиоволн, даже заставляли срабатывать электронную защиту от воров, которой оборудованы склады. Известны случаи, когда батарейки садились, - к счастью, почти всегда без трагического исхода.

Недавно был изобретен аккумулятор, который можно подзаряжать непосредственно в теле больного. Это избавляет его от необходимости операции для замены использованной батарейки. Новейшие достижения в области атомной энергии позволили хирургам вживлять в грудную полость больного стимулятор, работающий на радиоактивном плутонии. Плутоний, заключенный в покрытую инертным пластиком свинцовую оболочку, может давать энергию в течение десяти и более лет.

Рис. 5. Искусственное сердце Кольффа. На рисунке показаны основные принципы конструкции большинства моделей искусственного сердца, предназначенных для обеспечения кровообращения в организме. Предложенный Кольффом вариант работает на сжатом воздухе, который проходит по трубкам, выходящим из полости тела, к компрессорам или воздушным насосам. Другие разновидности искусственного сердца приводятся в действие электрическим током или маленьким ядерным реактором

Но, несмотря на огромные успехи хирургии и бионики, от инфарктов все еще погибает свыше 500 000 американцев в год. Совершенно ясно, что необходимо создать бионическое сердце, которое полностью взяло бы на себя функции больного органа. Не удивительно, что в разных медицинских центрах США ученые наперебой стараются изобрести такой аппарат. Группы ученых, такие, как возглавляемая Ди Бейки в Бэйлорском медицинском колледже, Кольффом в Университете штата Юта, Кули в Техасском институте сердца в Хьюстоне и Тецузо Акуцу в Университете штата Миссисипи, ежегодно публикуют тома новых разработок.

К настоящему времени ученые во всем мире с тем или иным успехом испытали более полусотни разных прототипов бионического сердца. Создатели аппарата сталкиваются с двумя основными трудностями.

Во-первых, нужен насос, который при вживлении обеспечил бы бесперебойное кровообращение во всем теле без ущерба для крови. Во-вторых, необходим миниатюрный источник энергии. Конечно, с тех пор как в 1957 г. Акуцу и Кольфф пересадили первое искусственное сердце собаке, достигнуты значительные успехи. Одним из показателей прогресса является время выживания животных с вживленным искусственным сердцем: если первая собака прожила всего полтора часа, то уже в 1974 г. теленок жил 28 дней.

Теленку вживили сконструированное Кольффом и его сотрудниками искусственное сердце, которое получало энергию от радиоактивного плутония-238. В этой модели, весившей около 1,5 кг, плутоний вырабатывал электроэнергию, которая снабжала поршневой двигатель Стирлинга. Двигатель работал по замкнутому циклу, поэтому отходов в виде шлака не было. К нему были подсоединены гибкие передачи; последние в свою очередь приводили в движение насос. Все устройство было покрыто силиконовой резиной, а радиоактивный источник заэкранирован свинцом. После гибели теленка через 28 дней с момента операции выяснилось, что причиной смерти послужил блокировавший насос тромб, который, по-видимому, образовался из-за повреждения форменных элементов крови.

Несмотря на сложность конструкции сердца на основе ядерного реактора, д-р Ли Смит из группы Кольффа в 1975 г. заявил, что, по его прогнозам, такой аппарат будет через два-три года вживляться людям, причем операция будет настолько простой, что больной сможет встать через день-другой, а энергии для обеспечения нормальной работы сердца хватит на десять лет.

Другая группа исследователей, возглавляемая Ди Бейки, разработала конструкцию, состоящую из двух дакроновых мешков, помещенных один в другой. Внутренний мешок снабжен клапанами Старра - Эдвардса, после его заполнения кровью наружный мешок заполняется воздухом. Давление воздуха на внутренний мешок выжимает кровь из "сердца" в кровеносные сосуды. Теоретически такой тип насоса-груши не должен разрушительно влиять на кровь, вот почему этот принцип конструкции в высшей степени желателен. Однако группа Ди Бейки до сих пор не нашла вживляемого источника энергии для бионического сердца: все предварительные опыты на животных проходили с применением сложной системы наружных воздушных насосов, соединенных с сердцем посредством трубок. Помимо прочих неудобств, такая конструкция значительно увеличивает опасность проникновения инфекций по трубкам, соединяющим насос с телом.

Третий аппарат, сулящий успех, - так называемое "небьющееся" сердце, разрабатываемое группой исследователей фирмы "Био-Медик" в Миннетонке (штат Миннесота). Этот аппарат не проталкивает кровь толчками, а гонит ее непрерывным потоком и тем самым причиняет меньший вред крови, чем другие типы искусственных сердец. Но пройдет много времени, прежде чем его начнут испытывать на людях - до сих пор его не испытывали даже на экспериментальных животных.

Никто не сможет с уверенностью сказать, сколько времени понадобится на создание имплантируемого сердца, неизвестно даже, будет ли это когда-либо возможно. Кардиостимулятор появился на свет через 31 год после того, как возникла сама идея его создания, а машина сердце - легкие - через 20 лет. Бионическое сердце намного сложнее обоих этих аппаратов, но все же менее чем за два десятилетия после появления первой модели достигнуты значительные успехи. Как говорил Дж. С. Нормен из Техасского кардиологического института в 1974 г., "с каждым годом мы медленно, но верно продвигаемся вперед, и я хочу подчеркнуть, что область мы избрали самую трудную, решив создать полностью имплантируемое сердце. Однако, невзирая на трудности, нас ожидает светлое будущее".

Создание искусственных заменителей поврежденных органов - одна из самых быстрорастущих областей современной медицины. Ученые всего мира усиленно изыскивают способы миниатюризации отдельных компонентов, позволяющие сконструировать полностью вживляемые органы. Кроме тех, о которых мы уже рассказали, есть еще "искусственные кишки", позволяющие вводить питательные вещества людям, из-за болезни или операции потерявшим способность к кишечному пищеварению; вживляемые насосы и капсулы для тех, кто нуждается в непрерывном введении лекарства, и множество разновидностей кардиологических вспомогательных приборов, которых мы не касались. Мы не хотим вводить читателя в заблуждение, утверждая, что уже созданы запасные части для любого органа или части тела; во многих областях предстоит еще немало исследований. Но работа двигается вперед, и можно представить себе, что когда-нибудь удастся создать организм, почти полностью состоящий из бионических органов. Но уж, конечно, скажете вы, это не относится к мозгу.

Бионический мозг

Неприятные, трудные и опасные виды работ будут сопровождать человека всегда: работа с радиоактивными веществами, в подводных шахтах, в космическом пространстве и т. п. А что, если для этих целей мы сумеем управлять целым бионическим организмом - собственно говоря, роботом - на расстоянии, посылая ему "мысленные приказы", родившиеся в нашем мозгу?

Эта, казалось бы, фантастическая идея не так уж и фантастична. С 1973 г. агентство новейших исследований, работающее по заданию военных, ассигновало 1 млн. долларов на программу, изучающую возможность подключения компьютера к электроэнцефалографическим сигналам человека, иными словами, к его мозгу. Задачей этих читающих мысли машин является улавливание усталости, рассеянности, неуверенности. Разумеется, при этом военные преследовали прежде всего свои цели: предупредить пилота, что он отвлекается, дать возможность стрелку целиться и стрелять рефлекторно, не пользуясь моторной системой организма, позволить расшифровщикам аэрофотографий, сделанных с целью разведки, установить, когда их "фотографическая память" (которой теоретически обладает каждый из нас) находится в состоянии наиболее полной мобилизации.

Программа осуществляется целым рядом ученых. Главной базой является Университет штата Иллинойс, но исследования проводят также Массачусетский технологический институт, Южнокалифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Рочестерский университет, Станфордский университет и Станфордский научно-исследовательский институт. Так, нейрофизиолог и электроинженер Лоуренс Пиннео из Станфордского научно-исследовательского института сконструировал "шлем для чтения мыслей", который улавливает электроэнцефалографические сигналы, соответствующие определенной мысли, и через компьютер анализирует возникающие при этом токи, в том числе и то, как человек воспринимает цвет и форму и насколько он внимателен. На головах людей, участвовавших в опытах Пиннео, крепились электроды, и люди могли двигать из стороны в сторону точки на телевизионном экране, подключенном к компьютеру; им даже удавалось мысленно провести точку через лабиринт. Впрочем, электроды нужны не всегда. Ученые Массачусетского технологического института исследуют магнитные излучения мозга, которые могут быть зафиксированы так же, как электро-энцефалографические сигналы. Возможно, что такие магнитные волны будет улавливать прибор, помещенный около головы.

Сейчас производятся обширные исследования мозга. Ученые, в частности, изучают его с целью создания более совершенных компьютеров, копирующих функции мозга. Трудно предсказать, к чему приведут все эти пути науки. Как утверждает один ученый, "каждое технологическое пророчество оказывалось ложным. Кто знает, что принесет новый век?" Добавим, что то же можно сказать о ближайших десяти годах.

Что, если перед лицом неминуемой смерти мы могли бы передать все наши мысли, чувства и знания компьютеру - перенести всю нашу личность на бионический мозг, который сохранит ее до тех пор, пока ее не смогут передать другому человеческому телу? Как мы увидим из следующей главы, может оказаться, что это будет наше собственное тело.