Cilvēces postindustriālie attīstības tempi, proti, zinātnes un tehnoloģijas, ir tik lieli, ka pirms 100 gadiem tos nevarēja iedomāties. Tas, ko agrāk lasīja tikai populārajā zinātniskajā fantastikā, tagad ir parādījies reālajā pasaulē.
Medicīnas attīstības līmenis 21. gadsimtā ir augstāks nekā jebkad agrāk. Slimības, kas agrāk tika uzskatītas par nāvējošām, mūsdienās tiek veiksmīgi ārstētas. Taču onkoloģijas, AIDS un daudzu citu slimību problēmas vēl nav atrisinātas. Par laimi, tuvākajā nākotnē šīm problēmām būs risinājums, no kuriem viens būs cilvēka orgānu audzēšana.
Bioinženierijas pamati
Zinātne, izmantojot bioloģijas informatīvo bāzi un savu problēmu risināšanai izmantojot analītiskās un sintētiskās metodes, radās ne tik sen. Atšķirībā no tradicionālajām inženierzinātnēm, kas savās darbībās izmanto tehniskās zinātnes, galvenokārt matemātiku un fiziku, bioinženierijā iet tālāk un izmanto novatoriskas metodes molekulārās bioloģijas veidā.
Viens no jaunizveidotās zinātnes un tehnikas sfēras galvenajiem uzdevumiem ir mākslīgo orgānu audzēšana laboratorijā, lai tos tālāk transplantētu pacienta ķermenī, kuram orgāns ir bojāts vai sabojājies. Pamatojoties uz trīsdimensiju šūnu struktūrām, zinātnieki ir spējuši virzīties uz priekšu pētījumos par dažādu slimību un vīrusu ietekmi uz cilvēka orgānu darbību.
Diemžēl pagaidām tie nav pilnvērtīgi orgāni, bet tikai organoīdi - rudimenti, nepabeigta šūnu un audu kolekcija, ko var izmantot tikai kā eksperimentālus paraugus. To veiktspēja un dzīvotspēja ir pārbaudīta ar eksperimentāliem dzīvniekiem, galvenokārt uz dažādiem grauzējiem.
Vēstures atsauce. Transplantoloģija
Bioinženierijas kā zinātnes izaugsmei bija ilgs bioloģijas un citu zinātņu attīstības periods, kuru mērķis bija cilvēka ķermeņa izpēte. Jau 20. gadsimta sākumā impulsu tās attīstībai saņēma transplantācija, kuras uzdevums bija izpētīt iespēju pārstādīt donora orgānu citai personai. Tādu paņēmienu izveide, kas spēj kādu laiku saglabāt donoru orgānus, kā arī pieredzes un detalizētu transplantācijas plānu pieejamība ļāva ķirurgiem no visas pasaules 60. gadu beigās veiksmīgi pārstādīt tādus orgānus kā sirds, plaušas, nieres.
Šobrīd transplantācijas princips ir visefektīvākais gadījumā, ja pacientam draud nāves briesmas. Galvenā problēma ir akūts donoru orgānu trūkums. Pacienti vargadiem gaidīt savu kārtu, to negaidot. Turklāt pastāv liels risks, ka pārstādītais donora orgāns var neiesakņoties recipienta organismā, jo pacienta imūnsistēma to uzskatīs par svešķermeni. Pretstatā šai parādībai tika izgudroti imūnsupresanti, kas tomēr kropļo, nevis ārstē – cilvēka imunitāte katastrofāli novājinās.
Mākslīgās radīšanas priekšrocības salīdzinājumā ar transplantāciju
Viena no galvenajām konkurences atšķirībām starp orgānu audzēšanas metodi un to transplantāciju no donora ir tā, ka laboratorijā orgānus var ražot, pamatojoties uz topošā recipienta audiem un šūnām. Pamatā tiek izmantotas cilmes šūnas, kurām piemīt spēja diferencēties par noteiktu audu šūnām. Zinātnieks spēj kontrolēt šo procesu no ārpuses, kas ievērojami samazina risku, ka cilvēka imūnsistēma nākotnē atgrūs šo orgānu.
Turklāt mākslīgo orgānu audzēšanas metode var radīt neierobežotu skaitu to, tādējādi apmierinot miljoniem cilvēku dzīvībai svarīgās vajadzības. Masveida ražošanas princips ievērojami samazinās orgānu cenas, izglābjot miljoniem dzīvību un ievērojami palielinot cilvēku izdzīvošanu un atbīdot bioloģiskās nāves datumu.
Sasniegumi bioinženierijā
Šodien zinātnieki spēj izaudzēt topošo orgānu rudimentus - organellus, uz kurām tiek pārbaudītas dažādas slimības, vīrusi un infekcijas, lai izsekotu procesaminfekcijas un izstrādāt pretpasākumus. Organellu funkcionēšanas panākumus pārbauda, pārstādot tos dzīvnieku ķermeņos: trušiem, pelēm.
Vērts atzīmēt arī to, ka bioinženierija ir guvusi zināmus panākumus pilnvērtīgu audu veidošanā un pat orgānu audzēšanā no cilmes šūnām, kuras diemžēl vēl nevar pārstādīt cilvēkam to nederīguma dēļ. Taču šobrīd zinātnieki ir iemācījušies mākslīgi izveidot skrimšļus, asinsvadus un citus savienojošos elementus.
Āda un kauli
Ne tik sen Kolumbijas universitātes zinātniekiem izdevās izveidot kaula fragmentu, kas pēc struktūras ir līdzīgs apakšējā žokļa locītavai, kas savieno to ar galvaskausa pamatni. Fragments tika iegūts, izmantojot cilmes šūnas, tāpat kā orgānu audzēšanā. Nedaudz vēlāk Izraēlas uzņēmumam Bonus BioGroup izdevās izgudrot jaunu cilvēka kaula atjaunošanas metodi, kas tika veiksmīgi pārbaudīta uz grauzēja - mākslīgi izaudzēts kauls tika pārstādīts vienā no tā ķepām. Arī šajā gadījumā tika izmantotas cilmes šūnas, tikai tās tika iegūtas no pacienta taukaudiem un pēc tam novietotas uz želejveida kaula rāmja.
Kopš 2000. gadiem ārsti apdegumu ārstēšanai izmanto specializētus hidrogēlus un bojātas ādas dabiskās atjaunošanas metodes. Mūsdienu eksperimentālās metodes ļauj izārstēt smagus apdegumus dažu dienu laikā. Tā sauktie Skin Gun aerosoliīpašs maisījums ar pacienta cilmes šūnām uz bojātās virsmas. Ir gūti arī lieli sasniegumi, veidojot stabili funkcionējošu ādu ar asins un limfas asinsvadiem.
Orgānu audzēšana no šūnām
Nesen Mičiganas zinātniekiem izdevās izaudzēt muskuļu audu laboratorijas daļā, kas tomēr ir uz pusi vājāka par oriģinālu. Līdzīgi Ohaio zinātnieki izveidoja trīsdimensiju kuņģa audus, kas spēja ražot visus gremošanai nepieciešamos fermentus.
Japāņu zinātnieki ir paveikuši gandrīz neiespējamo – izaudzējuši pilnībā funkcionējošu cilvēka aci. Transplantācijas problēma ir tāda, ka vēl nav iespējams acs redzes nervu piestiprināt pie smadzenēm. Teksasā bija iespējams arī mākslīgi audzēt plaušas bioreaktorā, taču bez asinsvadiem, kas liek šaubīties par to veiktspēju.
Attīstības perspektīvas
Nepaies ilgs brīdis vēsturē, kad cilvēkam varēs pārstādīt lielāko daļu mākslīgos apstākļos radīto orgānu un audu. Jau tagad zinātnieki no visas pasaules ir izstrādājuši projektus, eksperimentālus paraugus, no kuriem daži nav zemāki par oriģināliem. Ādu, zobus, kaulus, visus iekšējos orgānus pēc kāda laika var izveidot laboratorijās un pārdot cilvēkiem, kam tas nepieciešams.
Jaunās tehnoloģijas paātrina arī bioinženierijas attīstību. Noderēs 3D druka, kas kļuvusi plaši izplatīta daudzās cilvēka dzīves jomāskā daļa no jaunu orgānu audzēšanas. 3D bioprinteri eksperimentāli tiek izmantoti kopš 2006. gada, un nākotnē tie varēs izveidot 3D funkcionējošus bioloģisko orgānu modeļus, pārnesot šūnu kultūras uz bioloģiski saderīgu pamatu.
Vispārējs secinājums
Bioinženierzinātne kā zinātne, kuras mērķis ir audu un orgānu audzēšana to tālākai transplantācijai, dzima ne tik sen. Lēcīgos tempus, ar kuriem viņa gūst panākumus, raksturo nozīmīgi sasniegumi, kas nākotnē izglābs miljoniem dzīvību.
Cilmes šūnās audzēti kauli un iekšējie orgāni novērsīs nepieciešamību pēc donoru orgāniem, kuru jau tā trūkst. Jau tagad zinātniekiem ir daudz sasniegumu, kuru rezultāti vēl nav īpaši produktīvi, taču tiem ir liels potenciāls.
