Бионика в медицине доклад

Обновлено: 17.05.2024

Гренландский кит может прожить больше 200 лет, кораллы — больше 4000. Футуролог и технический директор Google Рэймонд Курцвейл заявил, что через 10-15 лет человечество фактически научится продлевать жизнь представителей своего вида фактически до бесконечности — то есть, станет бессмертным.

Некоторые ученые считают, что старение человека — это заболевание, и что оно излечимо. Если посмотреть на уровень медицины 120 лет назад и сравнить с нынешними разработками, то такие заявления перестают казаться чем-то из области фантастики. Уже сегодня человек успешно создаёт органы с помощью 3D-принтеров, производит умные протезы. В 2017 году должна состояться первая операция по пересадке головы. Всё большее распространение получают носимые устройства, собирающие информацию о состоянии здоровья человека.

Какие-то из этих инноваций находятся на начальной стадии разработки, а какие-то являются реальность уже сейчас и приносят милиардные доходы своим основателям. К чему всё это приведет в будущем, и как будет выглядеть рынок медицины через каких-то пять или десять лет?

mHealth

Популярность различных медицинских девайсов среди пользователей вполне объяснима. С появлением смартфонов мониторинг здоровья превратился в удобную опцию, которой можно пользоваться когда угодно. С помощью этих данных пациенты могут сами контролировать состояние своего здоровья, получать автоматические напоминания о необходимости принять лекарства. Кроме того, эти данные могут помочь врачам в диагностике и подборе методов лечения. В ближайшее время могут появиться приложения с возможностью удаленного мониторинга и консультаций.

Телемедицина

Медицина будущего будет активно развиваться в направлении телемедицины. Благодаря новым технологиям пациент будет иметь доступ к электронной медицинский карте, сможет дистанционно консультироваться с врачом и отправлять анализы для диагностики в любую лабораторию мира. Это поможет решить проблему низкой доступности квалифицированной помощи в отдельных регионах, отдалённых населенных пунктах.

По данным BBC Research, к 2019 году глобальный рынок телемедицины достигнет почти $44 млрд, показывая среднегодовой рост в 17,7%. В перспективе развитие телемедицины позволит государствам сэкономить значительные средства в сфере здравоохранения, говорится в отчете британской исследовательской компании GBI Research.

Телемедицина — это не только дистанционные консультации врача, но ещё и дистанционное наблюдение за показателями пациентов. Сейчас активно развивается рынок носимых гаджетов, которые способны регистрировать различные показатели (ЭКГ, температуру тела, артериальное давление и т.д.) и отправлять эти данные в медицинский центр.

Ещё одно направление — дистанционное управление медицинским оборудованием. Например, робот-хирург Da Vinci, с помощью которого удаленно можно проводить операции. Хирург сидит за пультом, видит участок в 3D-формате с многократным увеличением и с помощью джойстика управляет четырёхруким роботом, который может находиться на любом расстоянии от него. Также сегодня уже используются комплексы удалённой ультразвуковой диагностики.

Российская разработка в сфере телемедицины — программное обеспечение Digital Pathology, ключевая задача которого — повысить эффективность морфологического этапа онкологической диагностики, снизить вероятность ошибок и сократить сроки диагностики. Сервис позволяет патологам дистанционно работать с оцифрованными гистологическими стёклами, проводить онлайн-консилиумы и отправлять случаи на консультации узкопрофильным специалистам из любой точки планеты. Работа на платформе происходит с той же степенью свободы, что и при использовании медицинского multi-head-микроскопа.

Борьба с раком

Ежегодно в России выявляют примерно 530 000 новых случаев рака, 280 000 заболевших — умирают. До сих пор не существовало эффективной вакцины против рака — учёные не могли ответить на вопрос, почему иммунная система человека не распознает злокачественные клетки и не уничтожает их. Не так давно исследователи разгадали этот феномен.

Ещё одно перспективное направление в онкологии — создание генных препаратов против рака. В октябре 2015 года Американское управление по санитарному надзору за качеством продуктов и медикаментов (FDA) одобрило к применению препарат для лечения меланомы (одного из типов рака кожи).

Препарат Imlygic производства BioVex (дочерняя компания Amgen) создан на основе генетически модифицированного живого онколитического вируса простого герпеса. В нём нет двух генов, отвечающих за размножение в здоровых клетках. Препарат предназначен для лечения тех злокачественных новообразований, которые не могут быть полностью удалены хирургическим путем (тем не менее, препарат нельзя назначать пациентам с подавленной иммунной системой и беременным).

Геном

Новые пути к успехам в медицине откроет детальное знание человеческого генома. В последние годы стоимость расшифровки генома снижается быстрее, чем прогнозирует закон Мура. Так, до изобретения систем секвенирования нового поколения стоимость процедуры составляла около $100 млн, однако сейчас компании уже создают технологии, которые снижают стоимость расшифровки до $1000.

Согласно прогнозам, к 2020 году процедура будет стоить копейки. И информация, получаемая в результате этого анализа, совершит революцию в медицине. Чем дешевле будет технология, тем больше людей можно привлечь к секвенированию, а данные этих расшифровок в свою очередь помогут понять значение тех или иных генетических особенностей.

Ещё одна важная и активно обсуждаемая тема — модификация человеческого генома. В 2015 году в мире появился первый пациент, чья жизнь была спасена благодаря редактированию генов. Используя генную терапию, британским медикам удалось обратить вспять развитие онкологического заболевания у ребенка.

Недавно в Великобритании разрешили проводить генетическую модификацию человеческих эмбрионов с помощью технологии CRISPR/Cas9. До сих пор подобные исследования на Западе вообще были запрещены.

Отмечу, правда, что разрешение касается только исследовательских целей и выдано пока одному научному коллективу. Но старт таких исследований может стать важным шагом к началу применения технологии редактирования генома на людях. Потенциально это позволит лечить сотни и даже тысячи наследственных заболеваний. Но пока что эта технология вызывает жаркие споры.

Сегодня по ДНК-анализам можно выявить предрасположенность к тем или иным заболеваниям. Используя эти данные, можно принимать профилактические меры. По крови матери генетики могут оценить возможность хромосомных аномалий у плода.

Возможно, в будущем детям уже в роддоме будут делать полную расшифроку генома и выдавать инструкцию для жизни на пару сотен лет.

Персонализированная медицина

Персонифицированная медицина изучает не только иммунный ответ на лечение, но и природу заболевания, его вариации, которые определяются при помощи биомаркеров (белков, генов). Они выявляют мишени для воздействия препарата и необходимую дозу лекарства.

Сегодня уже разработаны инсулиновые помпы со встроенным компьютером, которые позволяют точно рассчитать и подать пациенту необходимое количество инсулина. А ученые из Wake Forester создали прототип компьютерного алгоритма для 3D-печати индивидуальных лекарств.

3D-печать органов

В будущем человека можно будет напечатать на биопринтере за 2 часа 47 минут, говорят учёные. Пока что это воспринимается как научная шутка, а не реальность. Но ведь всего пару десятилетий назад и сама технология биопечати казалась чем-то из области ненаучной фантастики.

Ученые из института регенеративной медицины Wake Forester в Северной Каролине уже смогли с помощью стволовых клеток напечатать копии человеческих костей, хрящей и мышц. Трёхмерные органы пока ещё не пересаживали людям, но технология совершенствуется с каждым днём. Например, до недавнего времени учёные не могли печатать достаточно прочные органы, а также воспроизводить кровеносные сосуды, без которых новые клетки не могут получать питательные вещества и кислород. Но новый биопринтер, разработанный Wake Forester, решил эти проблемы.

В целом, биопринтеры работают примерно по тому же принципу, что и обычные 3D-принтеры — только вместо пластика они использует разные типы живых клеток. В будущем 3D-печать органов станет реальностью, и это позволит решить проблему донорства.

В 2014 году в Нидерландах состоялась пересадка человеку фрагмента черепа, созданного на 3D-принтере. В 2015 году в Испании впервые в мире человеку пересадили напечатанные ребра.

Сегодня на 3D-принтере уже научились печатать таблетки. Кроме того, ученые уже умеют печатать почечную ткань, которую можно использовать для клинических исследований лекарств.

Медицина и бионика

Прикладная бионика — наука, которая объединяет биологию и технику. Применение бионики в медицине позволит спасти жизнь многим пациентам или просто улучшить её качество. Постоянно ведутся работы по созданию искусственных органов, способных функционировать в симбиозе с организмом человека.

Несколько лет назад был создан первый бионический глаз для слепых, который уже успешно имплантировался человеку. Протез позволяет ориентироваться в пространстве, видеть очертания объектов и контуры лиц. Пока подобные импланты очень дороги. К тому же, подобные разработки не могут вернуть зрение полностью, однако даже нынешние достижения дают надежду на прозрение миллионам слепых.

Есть ряд успешных проектов по созданию миоэлектрических протезов конечностей. Такие протезы способны считывать нервные импульсы с уцелевшей части руки или ноги и выполнять функции хвата, удержания предмета. В качестве примера назову активные протезы i-LIMB шотландской компании Touch Bionics, выпускаемые с 2007 года. Они позволяют совершать сложные движения и поднимать даже мелкие предметы. Кроме того, сенсоры дают возможность управлять силой, с которой протез сжимает предметы, и даже скоростью движения пальцев.

Возможно, в будущем эти технологии позволят менять износившиеся живые органы человека на механические прототипы.

Генная инженерия представляет собой новое направление в сфере молекулярной биологии, которое получило широкое распространение во многих сферах медицины и биологии относительно недавно.

Генная инженерия позволяет целенаправленно, по заранее намеченной программе, экспериментально модифицировать геном с использованием генетической информации из разных гетерологических систем: вирусов, бактерий, насекомых, животных и человека. Применяя методы генной инженерии, ученые способны модифицировать структуру генов, а также создавать гибридные гены.

Следует отметить огромный вклад генной инженерии в улучшение сферы медицинского обслуживания. Так, благодаря генной инженерии стало возможным создание новых диагностических препаратов, вакцин и препаратов для заместительной терапии, а также лечение наследственных заболеваний. Применение генной терапии в лечении такой патологии как первичные иммунодефициты является единственным терапевтическим методом, обеспечивающим полное излечение, что значительно улучшает качество жизни пациентов и снижает риск летального исхода. В последнее время рассматриваются новые варианты применения генной инженерии в трансплантологии и редактировании генома эмбрионов. Возможность применения этой инновационной технологии порождает множество биоэтических вопросов. Считаю, что анализ предполагаемых последствий применения генной инженерии для общества должен создавать рамки возможного вмешательства в геном организмов.

Среди многих достижений генной инженерии, получивших применение в медицине, наиболее значимое — получение человеческого инсулина в промышленных масштабах. Генные инженеры в качестве первой практической задачи решили клонировать ген инсулина. Клонированные гены человеческого инсулина были введены с плазмидой в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали.

Использование генно-инженерного инсулина не вызывало каких-либо патологических реакций в организме, в том числе и иммунопатологических, которые часто наблюдались у пациентов, использующих в терапии диабета инсулин животного происхождения. Масштабное использование генно-инженерного инсулина значительно снизило летальность от диабета, в особенности у пациентов детского возраста, так как именно у этой категории населения преимущественно развивается инсулинозависимый диабет 1 типа. Следующими разрабатываемыми генно-инженерными препаратами были интерфероны и интерлейкины, используемые в терапии вирусных и онкологических заболеваний.

Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находятся на стадии клинических исследований. Среди них лекарства, используемые в терапии артрозов, сердечно-сосудистых заболеваний, онкологических заболеваний.

Сферы использования генной инженерии в медицине значительно расширяются. Так актуальной является возможность применения генной инженерии в диагностике и терапии наследственных заболеваний.

В настоящее время известно более 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения. Генные инженеры разрабатывают диагностические препараты, позволяющие обнаруживать генетические аномалии в период беременности, что дает возможность предотвратить рождение ребенка с генетической аномалией [4].

Так в 1989 году в Национальных Институтах Здоровья США впервые была предпринята попытка применить в клинической практике генную терапию для лечения пациентов с диагнозом тяжелая комбинированная иммунная недостаточность (ТКИН). Наиболее обнадеживающие результаты ожидают в тех случаях, когда заболевание обусловлено дефектом одного гена. В этом случае полагают, что удастся вводить нормальный ген в соматические клетки прицельно в то место на хромосоме, где находится дефектный ген. При гомологичной рекомбинации введенный ген заместит дефектный. Такой однократной процедуры в ряде случаев будет достаточно, чтобы излечить болезнь. Однако на практике очень трудно проконтролировать судьбу введенной в клетки ДНК, и на одно правильное встраивание в геном приходится более 1000 случайных. Разрабатывается и другой подход, когда введенный ген не заменяет дефектный, а компенсирует его функцию, встраиваясь в хромосому в другом месте.

Инновационной технологией в редактировании генома является технология CRISPR. По причине легкости редактирования генома с использованием технологии CRISPR существует значительный интерес к перспективам редактирования генома эмбриона человека.

Основной метод применения технологии CRISPR — доставка редактирующих агентов в клетки эмбриона, созданного путем оплодотворения in vitro. В последствии может оказаться более целесообразным и этически приемлемым редактировать гаметогенные клетки-предшественники у будущих родителей. Преимущество зародышевой коррекции аллелей генов, соответствующих патологическим состояниям, заключается в том, что они навсегда исчезнут из генома.

Еще одной сферой использования генной инженерии в медицине является CAR-T-терапия. На сегодняшний день одним из наиболее перспективных направлений в терапии онкологических заболеваний является адоптивная клеточная иммунотерапия. При проведении такой терапии выделяют, активируют и размножают аутологичные T-лимфоциты, а затем вводят их обратно пациенту, что приводит к частичной регрессии или эрадикации опухоли. Введение Т-клеток, модифицированных химерными антигенными рецепторами (CAR-T-клеток), является одним из наиболее активно развивающихся направлений иммуноонкологии [6]. CAR-T-клетки представляют собой генетически модифицированные собственные Т-клетки пациентов, которые содержат химерный антигенный рецептор. Этот рецептор содержит в себе часть антитела, специфического к антигену опухоли и часть, рецептора Т-клеток. С использованием CAR-T-терапии получены обнадеживающие результаты при гематологических опухолевых заболеваниях. Так, клинические испытания CAR-T-клеток, направленных против В-лимфоцитарного антигена CD19, показали их эффективность при лечении резистентных к химиотерапии опухолей В-клеточного происхождения.

Биоэтические проблемы

С точки зрения биоэтики возникает ряд вопросов о допустимости применения генной инженерии по отношению к человеку. Помимо биоэтических проблем существует ряд дополнительных вопросов как в непосредственно самой процедуре генетической модификации клеток организма человека, так и в отдаленных последствиях этой процедуры для отдельного человека и для человеческой популяции в целом.

Использование генной терапии в лечении наследственных заболеваний также сопровождается рядом проблем, так при лечении некоторых заболеваний отдаленным последствием такой терапии является развитие онкологических заболеваний.

Обратной стороной CAR-T-терапии является высокий риск возникновения системных и опасных для жизни побочных эффектов, в первую очередь, гиперцитокинемии (цитокиновый шторм, цитокиновый каскад, синдром выброса цитокинов и синдром лизиса опухоли). Эти осложнения могут спровоцировать развитие синдрома полиорганной недостаточности и, как следствие, привести к летальному исходу. Еще одна существенная проблема применения CAR-T-терапии – неспецифическая цитотоксичность, особенно актуальная в случае терапии солидных опухолей, к которым крайне сложно подобрать специфичные антигены. Неспецифическая цитотоксичность обусловлена развитием интенсивной и быстрой кросс-реакции введенных Т-клеток на здоровые клетки, что часто приводит к летальному исходу.

Примером этических суждений о конкретных последствиях может служить то, что граница между лечением и улучшением в области медицинской генетики не является очевидной, и улучшающая генная инженерия сама по себе может быть благом, но угрозу представляет социальное неравенство относительно распределения выгод генной инженерии так как это может привести к созданию серьезной и необратимой несправедливости. Любые генно-инженерные процедуры будут доступны в первую очередь для развитых стран, в то время как страны третьего мира будут лишены возможности использования генно-инженерных технологий.

Отдельные генетические последовательности, пригодные для улучшающей генной инженерии людей, в будущем могут быть запатентованы. Рынок улучшающей генной инженерии представляется перспективным: все люди будут заинтересованы в улучшении параметров своего потомства, но, иметь доступ к таким процедурам в первую очередь будут жители развитых стран.

Использование генной инженерии приведет не только к усугублению неравенства между жителями отдельных стран, но и к расслоению общества внутри этих стран. Генетически привилегированные люди могут стать не стареющими, здоровыми супер гениями безупречной физической красоты, отличающимися блестящим остроумием и обезоруживающим, умаляющим чувство собственного достоинства юмором, излучающими тепло, эмпатический шарм и ослабленную непоколебимость. Непривилегированные останутся сегодняшними людьми, возможно, не имеющими чувства самоуважения и страдающими от случайных приступов зависти. Мобильность между низшими и высшими классами может исчезнуть, и ребенок, рожденный в бедной семье, не имеющий генетического усовершенствования, не сможет успешно соперничать с супер детьми богатых родителей. Даже если не случится дискриминация или эксплуатация низшего класса, все еще будет что-то разрушительное в перспективе общества с такими крайними формами неравенства.

Примерами категорических суждений являются изменение уникальности и ценности личности человека, подвергшегося воздействию генной инженерии, а также дискриминация по отношению к еще не родившемуся ребенку, в случае проведения генно-инженерных процедур на зародышевой линии.

В воспроизводстве наиболее важными вопросами являются интересы ребенка, который не может дать свое предварительное согласие или свободно вступать в любую форму договора. Ведь эмбрион является будущей личностью, которая не давала разрешения на проведение опытов.

Еще одним вопросом является то, что сегодня никто не может даже приблизительно оценить те последствия, которые повлечет за собой размножение живой материи, созданной искусственно.

Экспертами в области биоэтики также рассматривается вероятность создания биологического оружия при использовании генной инженерии. Наиболее часто рассматриваются варианты создания генно-модифицированных организмов в качестве инфекционного агента, приводящего к развитию пандемий.

Также хочется осветить биоэтические вопросы генетического тестирования. Наиболее глубокие проблемы, относящиеся к прогнозированию, лежат в сфере здравоохранения, где проводится генетическое тестирование. Генные технологии имеют отношение к правам человека и в судебных случаях — например, при установлении отцовства или материнства и при идентификации подозреваемых преступников. Права человека нарушаются и тогда, когда насильственное или даже добровольное тестирование методами генной технологии может представлять угрозу частной жизни индивида, если информация помещается в общедоступную базу данных. Нарушение прав человека в данном случае состоит в том, что подозреваемым становится любой, кто отказывается подвергнуться ДНК-тестированию.

Двигаться вперед или остановиться? Предлагаем поразмышлять….

Автор — Валерия Пугачева

Лещинская, И. Б. Генетическая инженерия / И. Б. Лещинская // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 1. – С. 32-394.

Мохов, А. А. Использование технологии геномного редактирования: достижения и перспективы / А. А. Мохов, А. А. Чапленко, А. Н. Яворский // Биомедицина. – 2019. – Т. 15, № 2. – С. 34-42.

Молекулярные подходы к безопасной и контролируемой Т-клеточной терапии / Р. С. Калинин [и др.] // Acta Naturae. – 2018. – Т. 10, № 2. – С. 17-25.

Воронцова, З. И. Философские и социокультурные проблемы биогенных технологий / З. И. Воронцова // Новые технологии. – 2009. – № 4. – С. 13-19.

Найдыш, В. М. Философские проблемы антропогенетики генной инженерии (статья вторая) / В. М. Найдыш, Е. Н. Гнатик // Вестник РУДН. – 2009. – № 3. – С. 31-38.

Воронцов, С. А. Морально-этические проблемы развития биотехнологии / С. А. Воронцов // Вестник молодежной науки. – 2017. – Т. 5, № 12. – С. 22-27.

International Union of Immunological Societies: 2017 Primary Immunodeficiency Diseases Committee Report on Inborn Errors of Immunity / C. Picard [et al.] // J. Clin. Immunol. – 2018. – Vol. 38, N 1. – P. 96-128.

Первичные иммунодефициты: принципы терапии и организации медицинской помощи / Н. Chapel [et al] // Frontiers in Immunology. – 2014. – Т. 5, № 12. – С. 1-15.

Список литературы 14
Введение
Не для кого ни секрет, что жизнь возникла и функционирует по естественным законам. Отсюда вытекает актуальность данной темой: знание этих законов позволяет не только подобрать ключ к пониманию мира, но и использовать их для практических целей. Живая природа с незапамятных времен служила человеку источником вдохновения в его стремлении к научному и техническому прогрессу. Начав с изучения внешней, наблюдаемой стороны творений природы, с копирования того, что было доступно непосредственно созерцанию, человек в дальнейшем стал вникать в сущность вещей и процессов окружающего мира, научился вскрывать их глубокие взаимосвязи, познавать законы природы и, опираясь на добытые знания, перешел к преобразованию познанных вещей и процессов в соответствии с запросами практики.

В науке сложилось новое направление - бионика, задачей которой является использование результатов изучения конструкций и процессов в биологических объектах для совершенствования существующих и создания новых, более совершенных приборов, устройств и машин. Выделяют теоретическую бионику и техническую бионику. Но в этом реферате я бы хотел в основном рассмотреть техническую бионику.

Цель: Раскрыть основные положения бионики, установить взаимосвязь

между миром техники и животным миром

Рассмотреть основные направления бионики
Изучить взаимосвязь природы и техники
Привести примеры заимствования техники от природы

Бионика (от греч. piov — элемент жизни , буквально — живущий) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги.

изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

В последнее десятилетие бионика получила значительный импульс к новому развитию. Это связано с тем, что современные технологии переходят на гига- и наноуровень и позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Современная бионика в основном связана с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

Доисторический человек, наблюдая за окружающей природой, извлекал из нее некоторые уроки, помогавшие ему создавать полезные устройства. В известном смысле такой подход можно назвать бионикой. В какой-то степени элементы бионики вложены в изобретение колеса, ножа и других инструментов. Арабские врачи задумались об использовании хрусталя или стекла для увеличения изображения подобно тому, как это происходит в хрусталике глаза. Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер. Русский ученый Н.Е. Жуковский разработал методику расчета подъемной силы крыла самолета на основе изучения полета птиц.

Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т.п.

В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один из создателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнего и несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного. Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающие в сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанные живыми системами за время эволюционного развития.

Глава 3. Техническая бионика.

Происхождение и источники других заимствований у природы очертить труднее. Предполагают, например, что искусственные плотины из камня, датируемые 3-м тысячелетием до нашей эры, были заимствованы у бобров, что устройство паутины натолкнуло древних рыбаков на идею рыболовных сетей. Кроме того, полагают, что прекрасная терморегуляция ячеистых домов индейцев пуэбло в Новой Мексике — домов, построенных из смешанной с водой глины, — объясняется имитацией архитектуры глиняного гнезда ос- отшельников.

Имена некоторых первооткрывателей забылись, но другие сумели войти в историю. Китайца Чай-Луна* (или Тсай-Луна) считают изобретателем бумаги. Этот материал он создал в 105 году нашей эры, смешивая бамбук с водой, после внимательного изучения гнезд общественных, т.е. живущих роем, ос родственниц упомянутых выше одиночных ос. Гнезда этих перепончатокрылых на самом деле состоят из дерева, смешанного со слюной. Они строятся вокруг сот, закрепленных на столбе или другой опоре, которые окружены множеством слоев из того же материала. Гораздо позже, в XIX веке большинство изобретателей, полагаясь на интуицию и продвигаясь на ощупь, все же получили патенты на свои устройства.

Бионический стиль пришел и в дизайн интерьера: как в жилых помещениях, так и в помещениях сферы услуг, социального и культурного назначения. Примеры бионики можно увидеть в современных парках, библиотеках, торговых центрах, ресторанах, выставочных центрах и т.д. Что же характерно для этого модного стиля? Каковы его особенности? Как и в случае архитектуры, бионика интерьера использует природные формы в организации пространства, в планировании помещений, в дизайне мебели и аксессуаров, в декоре.

Воск и пчелиные соты - основа для создания необычных конструкций в

Паутина является необычайно лёгким и экономным сетчатым материалом. Часто применяется как основа в дизайне перегородок, дизайне мебели и осветительных приборов, гамаков.
Наружные или внутренние лестницы могут быть выполнены в виде спиральных или необычных конструкций, созданных из комбинированных природных материалов, повторяющих плавные природные формы. В дизайне лестниц художники бионического направления чаще всего отталкиваются от растительных форм.
Цветные стекла и зеркала используются в примерах бионики для того, чтобы создать интересное освещение.
В деревянных домах в качестве несущих колон могут использоваться стволы деревьев. Вообще дерево - один из самых распространенных материалов интерьера в стиле бионики. Также применяют шерсть, кожу, лен, бамбук, хлопок и др.
Отличным решением является применение перфорации с целью уменьшения веса отдельных конструкций. Пористые костные структуры часто используются для создания интересной мебели, при этом экономя материал, создавая иллюзию воздушности и легкости.

Бионика в медицине ставит перед учёными важные задачи по изучению нервной системы человека и животных, а также моделирования нервных клеток и нейронных сетей для создания более совершенных вычислительных систем.

Также бионика в медицине занимается изучением органов чувств и многих систем восприятия окружающего мира живыми организмами.

Важной задачей бионики в медицине по-прежнему является изучение принципов ориентации, навигации и локации у различных видов животных.

И последнее, но не менее важно исследование бионики в медицине, является тщательное изучение физиологических, биохимических, а также морфологических особенностей живых организмов.

В медицине благодаря бионике совершились множественные полезные открытия, среди которых можно назвать и использование биотоков. Правда, их открыл ещё раньше итальянский физиолог Гальвани, но в те времена использование биотоков не позволяло добиться нужного результата. Но только не в наше время, сегодня использование биотоков в медицинской бионике позволило сделать существенный прорыв в виде искусственной руки, которая работает с помощью импульсов. Первый искусственный протез появился в 1957 году, но его возможности были крайне малы, такая рука могла только сжимать и разжимать пальцы, а также совершать чередование этих команд. Эти опыты проводились до 1960 года, после этого бионика в медицине вновь совершила стремительный рывок, предоставив общественности новый вид искусственной руки, она уже могла не только сжимать пальцы, но и более сносно писать с помощью ручки.

Животный мир, удивляя и восхищая биоников совершенством своих устройств и уникальных систем, не спешит раскрывать им свои тайны. Однако, хотя знакомство с целесообразным устройством организма и жизнедеятельностью животных приносит все больше и больше загадок, человеку иногда удается успешно применять полученные знания на практике.

Изучение полета пернатых позволило людям понять, каким же образом даже тяжелым птицам удается легко взлетать и парить в воздухе. В результате этого появилась авиация. Но при всем старании инженеров и техников и развитии науки достигнуть летных результатов пернатых так и не удалось. Почему?

То есть любая часть организма птиц специально создана для самых разных способов их передвижения в воздухе.

Для того чтобы летающие роботы могли эффективно осуществлять навигацию, надо их снабдить способностью оценивать расстояние, отделяющее их от земли, или определять возможные препятствия. Ради выполнения летающими аппаратами этих задач не всегда подходят уже изобретенные инженерами приспособления, например радары или телеметрический лазер. Вот почему одна группа марсельских исследователей разработала навигационное устройство совершенно другой природы. Оно заимствует способ использования мухой своих нейронов — детекторов движения. Оно копирует фасеточный способ зрения у мух.

3.4.3. Плавание.

Обзор

В перспективе тканевая инженерия, если и не приведет к бессмертию, то уж точно сделает решение многих современных проблем медицины более чем реальным.

Автор

Редакторы

В последние десятилетия стали отчетливо проявляться тревожные тенденции старения населения, роста количества заболеваний и инвалидизации людей трудоспособного возраста, что настоятельно требует освоения и внедрения в клиническую практику новых, более эффективных и доступных методов восстановительного лечения больных. На рисунке 1 показано, как изменяется структура заболеваний в настоящее время.

Рисунок 1. Мировая динамика частоты заболеваний.

На сегодняшний день наука и техника предлагает несколько альтернативных путей восстановления или замены поврежденных или пораженных патологией тканей и органов:

трансплантацию;
имплантацию;
тканевую инженерию.

В рамках данной статьи мы подробнее остановимся на возможностях и перспективах тканевой инженерии.

Тканевая инженерия — современная инновационная технология

Принципиально новый подход — клеточная и тканевая инженерия — является последним достижением в области молекулярной и клеточной биологии. Этот подход открыл широкие перспективы для создания эффективных биомедицинских технологий, с помощью которых становится возможным восстановление поврежденных тканей и органов и лечение ряда тяжелых метаболических заболеваний человека.

Цель тканевой инженерии — конструирование и выращивание вне организма человека живых, функциональных тканей или органов для последующей трансплантации пациенту с целью замены или стимуляции регенерации поврежденных органа или ткани. Иными словами, на месте дефекта должна быть восстановлена трехмерная структура ткани.

Важно отметить, что обычные имплантаты из инертных материалов могут устранить только физические и механические недостатки поврежденных тканей, — в отличие от тканей, полученных методом инженерии, которые восстанавливают, в том числе, и биологические (метаболические) функции. То есть, происходит регенерация ткани, а не простое замещение ее синтетическим материалом.

Однако для развития и совершенствования методов реконструктивной медицины на базе тканевой инженерии необходимо освоение новых высокофункциональных материалов. Эти материалы, применяемые для создания биоимплантатов, должны придавать тканеинженерным конструкциям характеристики, присущие живым тканям:

способность к самовосстановлению;
способность поддерживать кровоснабжение;
способность изменять строение и свойства в ответ на факторы окружающей среды, включая механическую нагрузку.

Клетки и матриксы — основа основ для тканевой инженерии

Наиболее важным элементом успеха является наличие необходимого количества функционально активных клеток, способных дифференцироваться, поддерживать соответствующий фенотип и выполнять конкретные биологические функции. Источником клеток могут быть ткани организма и внутренние органы. Возможно использование соответствующих клеток от пациента, нуждающегося в реконструктивной терапии, или от близкого родственника (аутогенных клеток). Могут быть использованы клетки различного происхождения, в том числе первичные (рис. 2) и стволовые клетки (рис. 3).

Рисунок 2. Первичная клетка человека.

библиотека Федерации Киокушинкай г. Южноуральска

Рисунок 3. Стволовая клетка человека.

Первичные клетки — это зрелые клетки определенной ткани, которые могут быть взяты непосредственно от организма-донора (ex vivo) хирургическим путем. Если первичные клетки взяты у определенного организма-донора, и впоследствии необходимо имплантировать эти клетки ему же в качестве реципиента, то вероятность отторжения имплантированной ткани исключается, поскольку присутствует максимально возможная иммунологическая совместимость первичных клеток и реципиента. Однако первичные клетки, как правило, не способны делиться — их потенциал к размножению и росту низок. При культивировании таких клеток in vitro (посредством тканевой инженерии) для некоторых типов клеток возможна дедифференцировка, то есть потеря специфических, индивидуальных свойств. Так, например, хондроциты, вводимые в культуру вне организма, часто продуцируют фиброзный, а не прозрачный хрящ.

Поскольку первичные клетки не способны делиться и могут потерять свои специфичные свойства, возникла необходимость альтернативных источников клеток для развития технологий клеточной инженерии. Таковой альтернативой стали стволовые клетки.

Рисунок 4. Биокерамические изделия из ортофосфатов кальция.

Для направления организации, поддержания роста и дифференцировки клеток в процессе реконструкции поврежденной ткани необходим специальный носитель клеток — матрикс, представляющий из себя трехмерную сеть, похожую на губку или пемзу (рис. 4). Для их создания применяют биологически инертные синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген) и биокомпозиты. Так, например, эквиваленты костной ткани получают путем направленной дифференцировки стволовых клеток костного мозга, пуповинной крови или жировой ткани в остеобласты, которые затем наносят на различные материалы, поддерживающие их деление (например, донорскую кость, коллагеновые матрицы и др.).

На сегодняшний день одна из стратегий тканевой инженерии такова:

Отбор и культивирование собственных или донорских стволовых клеток.
Разработка специального носителя для клеток (матрицы) на основе биосовместимых материалов.
Нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования.
Непосредственное внедрение тканеинженерной конструкции в область пораженного органа или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри конструкции (префабрикация).

Кровеносные сосуды из принтера

Однако прежде чем действительно можно будет имплантировать выращенные в лаборатории органы с собственными кровеносными сосудами, пройдет еще какое-то время.

Давай, Россия, давай вперед!

Рисунок 6. Лауреат премии Президента РФ Екатерина Игоревна Шишацкая.

Первый опыт трансплантации тканеинженерной конструкции в клинике

Осенью 2008 года руководитель клиники Университета Барселоны (Испания) и Медицинской школы Ганновера (Германия) профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini; рис. 7) провел первую успешную операцию по трансплантации биоинженерного эквивалента трахеи пациентке со стенозом главного левого бронха на протяжении 3 см (рис. 8) [11].

В качестве матрикса будущего трансплантата был взят сегмент трупной трахеи длиной 7 см. Чтобы получить природную матрицу, по свойствам превосходящую все то, что можно сделать из полимерных трубок, трахею очистили от окружающей соединительной ткани, клеток донора и антигенов гистосовместимости. Очищение заключалось в 25 циклах девитализации с применением 4%-деоксихолата натрия и дезоксирибонуклеазы I (процесс занял 6 недель). После каждого цикла девитализации проводили гистологическое исследование ткани для выявления количества оставшихся ядросодержащих клеток, а также иммуногистохимическое исследование на наличие в ткани антигенов гистосовместимости HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP и HLA-DQ. Благодаря биореактору собственной разработки (рис. 9) ученые на поверхность медленно вращающегося отрезка трахеи равномерно нанесли шприцем суспензию клеток. Затем трансплантат, наполовину погруженный в среду для культивирования, вращался вокруг своей оси с целью попеременного контакта клеток со средой и воздухом.

Рисунок 8. Операция по пересадке пациентке трахеи.

Рисунок 9. Биореактор для создания тканеинженерного эквивалента трахеи. А — схема биореактора, вид с боку. Б — герметизация биореактора. В — биореактор с тканеинженерным эквивалентом трахеи in situ. Г — биореактор после удаления эквивалента трахеи. Д — вид эквивалента трахеи непосредственно перед операцией.

Эквивалент трахеи находился в биореакторе 96 часов; затем его трансплантировали пациентке. При операции был полностью удален главный левый бронх и участок трахеи, к которому он примыкал. В образовавшийся промежуток вшили трансплантат, а некоторое несоответствие диаметров просветов тканеинженерного эквивалента и бронха реципиента было преодолено благодаря эластичности донорской ткани.

По истечении десяти суток после операции пациентка была выписана из клиники без признаков дыхательной недостаточности и иммунной реакции отторжения трансплантата. По данным компьютерной томографии, с помощью которых была сделана виртуальная 3D реконструкция дыхательных путей, тканеинженерный эквивалент был практически неотличим от собственных бронхов пациентки (рис. 10).

Рисунок 10. Виртуальная 3D-реконструкция дыхательных путей по данным компьютерной томографии и бронхоскопии перед операцией (А, Б) и через 1 месяц и после замены стенозного участка левого главного бронха тканеинженерным эквивалентом (В, Г). Стрелкой указан стеноз.

Читайте также: