Człowiek nie do zdarcia
Transplantologia i biotechnologia szansą człowieka na długowieczność
Jakie szanse ma człowiek na nieśmiertelność? Czy rewolucja informatyczna, biotechnologiczna i telekomunikacyjna przybliży go do tego celu? Gwałtowny rozwój robotyki medycznej oraz transplantologii – z wykorzystaniem już nie tylko ludzkich, ale też sztucznych narządów – stwarza perspektywy, jakie wcześniej wydawały się nierzeczywiste. Inspirujące odkrycia, o jakich stale donoszą serwisy naukowe, sycą ludzi obietnicami, że wkrótce uda się pokonać raka i wygrać z chorobami przewlekłymi. Że dzieci dostaną szansę na bezpieczniejsze życie, a osoby starsze nie będą musiały bać się niepełnosprawności.
Nie znaczy to jeszcze, że śmierć przestanie zbierać żniwo i nie będzie nadal budzić strachu. Można zapomnieć o nieustannie odradzających się homunkulusach. Biologia ma swoje ograniczenia i chyba nie ma co liczyć na życie poza limit wyznaczony przez ewolucję. Ale wiadomo już, że nie będzie to 80 ani 100 lat, ale 120 lub 150. Lecz co ważniejsze – naukowcy pracują nad tym, aby kres ludzkiej egzystencji nie był tak trudny jak obecnie; aby wszyscy, bez względu na wiek, mogli prowadzić życie aktywne i zdrowe. Bez ograniczeń, bez wyrzeczeń.
Koszty rozwoju
Spełnienie takiej obietnicy nie będzie łatwe. Krótka analiza zalet i wad rozwoju cywilizacyjnego wskazuje, że każdy sukces był jednocześnie zalążkiem klęski. Antybiotyki weszły do powszechnego użycia po 1945 r. Zgodnie z przewidywaniami okazały się najwygodniejszą bronią w walce z zarazkami, zamieniając wiele śmiertelnych chorób – np. zapalenia płuc – w przejściowe infekcje. Dziś już jednak wiadomo, że traktując nimi bakterie, przyspiesza się tylko ich ewolucję. Ospa, dżuma, cholera – które kiedyś potrafiły wybić jedną trzecią mieszkańców Europy – przestały siać postrach. Ale w ich miejsce pojawiły się nowe choroby – ebola, grypa, wirus Zika – z którymi mimo sporego wysiłku naukowców nie można sobie szybko poradzić.
Cywilizacja wyposażyła ludzi w samochody, ale tysiące giną w wypadkach na drogach. Dała możliwość korzystania z wind, przez co jednak współczesny człowiek porzucił wchodzenie po schodach, czynność dającą dobre skutki w profilaktyce chorób serca i mięśni. XXI w. przyniósł zminiaturyzowane komputery, smartfony i tablety, które jednak pogarszają wzrok użytkowników, przemieniając ich w krótkowidzów. Ludzkość stoi na progu upowszechnienia się wirtualnej rzeczywistości, która zapewnia mnóstwo atrakcji, zniechęcając jednocześnie do wychodzenia z domu i uprawiania jakiegokolwiek sportu. Depresje i nerwice to już chleb powszedni, wywołany szaleńczym tempem nowoczesnego życia.
Gdzie zatem szukać pocieszenia, skoro za postęp płaci się coraz wyższą cenę? Nadzieję dają transplantologia i biotechnologia.
Nie chodzi tu jednak o przeszczepianie narządów znane z obecnych czasów. Dla osób przyzwyczajonych do list dawców i biorców, skomplikowanej definicji śmierci mózgowej i sporów o jej etyczne podstawy, jedną z najistotniejszych zmian będzie możliwość hodowania własnych organów z komórek macierzystych lub poleganie na narządach sztucznych, czyli automatycznych urządzeniach wszczepianych do organizmu człowieka. Aż kusi, aby pomarzyć, że uda się wyhodować w laboratorium zestaw narządów, które człowiek będzie mógł wymieniać, gdy jego własne ulegną degeneracji, lub że dzięki genetyce wszystkie nieuleczalne choroby zostaną opanowane.
Że taka wizja może się ziścić, pokazują eksperymenty ze sztuczną macicą, sztuczną skórą, bionicznym okiem… A przecież nie są to pierwsze ludzkie organy, którymi próbowano zastąpić te naturalne, zużyte. Palma pierwszeństwa w tym wyścigu zdecydowanie należy się sercu. A historia urządzenia o nazwie AbioCor może być wielce pouczająca.
Serce odzyskane
Pierwsze w pełni autonomiczne sztuczne serce wszczepiono 3 lipca 2001 r. w uniwersyteckim Louisville Jewish Hospital w amerykańskim stanie Kentucky. Operacja trwała 7 godzin, a 59-letni żołnierz piechoty morskiej Robert L. Tools – który z powodu zaawansowanej niewydolności i nadciśnienia płucnego miał przed sobą raptem miesiąc życia – mógł dzięki eksperymentowi przeżyć jeszcze prawie pół roku.
Nie on jednak był bohaterem tej operacji, lecz AbioCor – urządzenie wielkości grapefruita, wyprodukowane przez firmę Abiomed z Danvers, niedaleko Bostonu. Ważyło 900 g, pracowało cicho i miarowo. Podstawowym szczegółem różniącym go od naturalnego serca był brak przedsionków. Synchronizację pracy komór, pompujących w ciągu minuty nieco ponad osiem litrów krwi, zapewniał tytanowy silnik zasilany przez skórę niewielką baterią przymocowaną do paska (aparat posiadał też własny akumulator wewnętrzny, który działał przez pół godziny podczas wymiany baterii zewnętrznej).
Nigdy wcześniej żadnemu choremu nie usunięto naturalnego narządu, by w jego miejsce wstawić całkowicie autonomiczną sztuczną pompę. Na tym polegał przełom, bo sama idea wykorzystania aparatury zastępującej pracę mięśnia sercowego nie była nowa. Francuski lekarz wojskowy Julien Offray de La Mettrie już w połowie XVIII w. próbował skonstruować model ludzkiego serca w przydomowym warsztacie, a mniej więcej 200 lat później rozpoczęto eksperymenty na psach, zastępując ich serca biologiczne sterowaną pneumatycznie pompą wykonaną z polichlorku winylu.
AbioCor otwierał nowy rozdział. Dawał chorym wolność, bo mogli swobodnie oddychać, a więc nie wymagali hospitalizacji. Pierwszy pacjent chodził z nowym sercem na ryby, do restauracji, klubów i właściwie jedynej rzeczy, jakiej mu zakazano, była gra w koszykówkę. Ale po kilku latach przyszła refleksja, czy AbioCor to właściwe rozwiązanie? Wszyscy wyposażeni w niego pacjenci zmarli w końcu z powodu zakrzepów lub krwotoków. Może więc lepszym wyjściem byłoby konstruowanie protez zwanych sztucznymi komorami, które, współpracując z sercem, z powodzeniem mogą leczyć niewydolność lub wspierać jego pracę do momentu transplantacji zdrowego narządu?
Do tej idei jest przekonany inż. Roman Kustosz, kierownik Pracowni Sztucznego Serca w zabrzańskiej Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii: – W naszym ośrodku naukowo-badawczym powstaje cała rodzina tego typu urządzeń, które już z powodzeniem wykorzystują polscy kardiochirurdzy. Takie protezy skutecznie wspomagają chore serce u dorosłych i dzieci, bez konieczności wymiany, nawet przez ponad rok. A najnowsze rozwiązanie tego typu, wszczepialne pompy wirowe, pozwalają na wspomaganie niewydolnego serca niemal przez 10 lat.
Odkąd zebrano dowody, że w pewnych sytuacjach dzięki protezom serce doskonale się regeneruje i nie trzeba go usuwać z klatki piersiowej, spektakularny cel, jakim byłoby skonstruowanie urządzenia w pełni zastępującego naturalny organ, przestał być priorytetowy. Więcej uwagi poświęca się poszukiwaniu nowych biomateriałów, z którego mogłyby być wykonane wszczepialne maszyny.
W przypadku poliuretanu, jaki zastosowali Amerykanie w AbioCorze, pacjenci musieli przyjmować silne leki zapobiegające powstawaniu zakrzepów, co i tak nie uchroniło ich przed śmiercią, gdyż nie tolerowali maksymalnych dawek i doświadczali udaru krwotocznego.
– Chodzi o znalezienie bezpiecznej wyściółki biologicznej, na przykład z tkanki zwierzęcej lub ludzkiej, by ograniczyć do minimum tego typu ryzyko – mówi Roman Kustosz. Dobrym rozwiązaniem mogą być też protezy wykonane z nowego typu poliuretanu bardziej odpornego na degradację, z żywymi komórkami, które będą rosnąć na powierzchni biomateriału. Francuzi realizują już innowacyjny na skalę światową projekt wszczepialnego sztucznego serca CARMAT, którego wnętrze wyściełali chemicznie utrwaloną martwą tkanką biologiczną Pericardium, która bardzo dobrze sprawdza się w biologicznych zastawkach. Partnerem tego projektu, który wszedł już w drugą fazę badań klinicznych, jest ośrodek w Zabrzu.
Alternatywą dla sztucznego serca może być też wyhodowanie jego biologicznego odpowiednika w laboratorium – z własnych komórek biorcy, na szkielecie tkanki ludzkiej lub zwierzęcej. I takie eksperymenty trwają już w USA, choć nawet ich entuzjaści nie spodziewają się, by udało się osiągnąć pożądany rezultat wcześniej niż za kilkanaście lat. Regeneracja serca za pomocą komórek macierzystych pozyskanych z innych części ciała wymaga z kolei czasu na ich rozwinięcie się w chorym narządzie. Protezy wspomagające serce działają natychmiast i także z tego powodu są najlepszym rozwiązaniem dla skrajnie chorych pacjentów z niewydolnością, dla których nie ma innego ratunku. Być może w przyszłości mechaniczne pompy będą przez kilkanaście miesięcy odciążały chory narząd, podczas gdy w tym samym czasie wstrzyknięte komórki macierzyste zdążą uformować nowy. – Dlatego dziś aktualne prace skupiają się na przygotowaniu do badań klinicznych pierwszej polskiej wszczepialnej pompy wirowej – podsumowuje Roman Kustosz.
Pomoc macierzysta
Kolejny trop to komórki macierzyste. Nadzieje, jakie naukowcy wiążą z nimi, nie są płonne. Mają bowiem niebywałą umiejętność rozwijania się w ściśle zaprojektowany typ tkanki. Można z nich – jak mówią w swoim żargonie biolodzy – wyprowadzić komórki służące do leczenia białaczek, choroby Parkinsona, porażeń mięśni, ubytków poparzonej skóry, a nawet zastępować nimi pozawałowe blizny w sercu. W wielu wypadkach nie są to już eksperymenty, lecz codzienna praktyka.
Początkowo zastosowanie komórek macierzystych budziło opory etyczne. Problemem był sposób ich pozyskiwania. Wyodrębniano je z zarodków na bardzo wczesnym etapie rozwoju, aby były jeszcze niezróżnicowane i dały się przemodelować w oczekiwanym kierunku. Było to nie do przyjęcia dla obrońców embrionów, którzy zakazywali poświęcania ich na rzecz odzyskiwania komórek, nie przyjmując do wiadomości, iż mogą w ten sposób uratować życie innym ludziom.
Spór stracił na znaczeniu, gdy naukowcy nauczyli się za pomocą wyrafinowanych manipulacji niemal każdą komórkę dorosłego organizmu, pobraną np. ze skóry lub wątroby, cofnąć w rozwoju do fazy macierzystej. Tak ją odmłodzić, aby zróżnicowała się w nową tkankę – niekoniecznie w tę samą, z której pochodzi, lecz w tę, którą chciało się wszczepić choremu: produkującą insulinę, wytwarzającą dopaminę, nowe neurony przenoszące bodźce wzdłuż rdzenia kręgowego lub odbierającą impulsy wzrokowe w siatkówce. Tego rodzaju komórki macierzyste nazywają się pluripotencjalnymi, a sam proces cofania ich rozwoju za pomocą genów lub białek określa się mianem indukcji. Dużą ich zaletą jest to, że pochodzą od pacjenta, nie trzeba więc bać się odrzutu przeszczepu.
Jest jeszcze inna metoda sięgania po komórki macierzyste, którą w Klinice Perfect Medica z Gdańska stosuje ortopeda dr Marek Krzemiński. Odzyskuje je z tkanki tłuszczowej pacjentów, którzy zgłaszają się do leczenia zwyrodnień stawów. Nowatorski sposób polega na zastosowaniu zamkniętego systemu do poboru i separacji komórek, które następnie są od razu przeszczepiane do uszkodzonych ścięgien lub chrząstki stawowej. – Chorzy mają pewność, że wszczepiany materiał jest zawiesiną komórek macierzystych o bardzo wysokiej jakości – przekonuje dr Krzemiński. – Efektem jest pojawienie się ruchomości w chorych stawach i ustąpienie bólu. A wizja wszczepienia endoprotezy wyraźnie się oddala.
Świat lotem błyskawicy obiegają doniesienia o eksperymentalnie wyhodowanych strunach głosowych, tchawicy, nerkach, pęcherzu moczowym, a nawet zawiązkach serca i wątroby.
Niestety, do sytuacji, w której da się wyleczyć większość nieuleczalnych chorób, jeszcze daleko. Bo komórek macierzystych nie wystarczy odpowiednio zaprogramować i przeszczepić. Trzeba jeszcze stworzyć im w chorej tkance, do której trafią, odpowiednią niszę, czyli jak najlepsze warunki, by zdołały się zaadaptować i rozpocząć swoje nowe życie.
Biologia w druku
Coraz częściej zaś pojawiają się informacje o drukowaniu nowych organów, czyli tzw. bioprintingu. Wiele przedmiotów – także modeli narządów wewnętrznych pomocnych przy edukacji lekarzy – powstaje już dzięki drukarkom 3D. Bioprinting zrodził się na początku XXI w., kiedy odkryto, że żywe komórki mogą być opryskiwane przez dysze drukarek atramentowych bez ryzyka ich uszkodzenia. Obecnie, wykorzystując specjalnie zaprogramowane komputerowo głowice tych maszyn, można formować organy wewnętrzne z komórek i polimerów w kształcie idealnie odwzorowującym naturę. W laboratoriach powstały już dzięki tej metodzie nowe uszy, kości, chrząstki, mięśnie, skóra, zawiązki nerek i wątroby, a także tchawica i naczynia krwionośne. W 2016 r. zespół z Northwestern University w Chicago wydrukował nawet protezy jajników, które nadawały się do transplantacji u myszy.
Ludzkie gonady z drukarek 3D to na razie fantazja, ale żyły i tętnice, które jako by-passy można by wszczepiać do ciała, już nie. Sichuan Revotek, firma biotechnologiczna z siedzibą w Chengdu w Chinach, z powodzeniem wszczepiła taki drukowany odcinek aorty małpie. Z kolei Organovo z San Diego poinformowało o sukcesie przeszczepienia wydrukowanej tkanki wątrobowej u myszy. I ma nadzieję, że w ciągu 3–5 lat uda się opracować tę procedurę przy leczeniu przewlekłej niewydolności wątroby u ludzi.
W University of Michigan już wiele razy sięgnięto po terapię wykorzystującą drukowanie w 3D dróg oddechowych – u dzieci z rzadką wrodzoną chorobą rozmiękania tchawicy i oskrzeli. Wszczepia się im sztuczne rusztowania wykonane z samorozkładającego się materiału, ale zanim się rozpuści – drogi oddechowe pacjentów zdążą się wzmocnić, więc nie trzeba wykonywać im tracheotomii, by mogły przeżyć pierwsze lata życia.
Na marginesie: z bioprintingu coraz śmielej zaczęły także korzystać firmy kosmetyczne – wytwarzana na drukarkach ludzka skóra służy im do testowania nowych specyfików.
Wyrafinowana elektronika
Ludzki organizm w dużej mierze już pracuje jak maszyna mająca własne zasilanie elektryczne. Sto miliardów komórek mózgu, dzięki którym człowiek myśli, porusza się, zachowuje świadomość, jest pod stałym napięciem, a obieg informacji między nimi to nic innego, jak przekazywanie impulsów elektrycznych. W sercu również znajduje się automatyczny i niezależny od naszej woli mechanizm, dzięki któremu powstają miarowe skurcze – a jeśli naturalna pompa szwankuje, trzeba wspomóc ją elektrycznym stymulatorem lub defibrylatorem.
Stymulatory pobudzają leniwe serce do pracy, zaś kardiowertery-defibrylatory (w skrócie ICD) przerywają śmiertelną arytmię. Gdy komory lub przedsionki serca kurczą się zdecydowanie zbyt często lub całkowicie utraciły synchronizację poszczególnych włókien mięśniowych, ICD wywołuje wstrząs elektryczny, który w ciągu kilku sekund przywraca układ przewodzący serca do stanu prawidłowego i zapobiega nagłemu zatrzymaniu krążenia.
Elektryczne stymulatory oprócz kardiologii i neurologii (np. przy leczeniu choroby Parkinsona, drżenia samoistnego, padaczek i dystonii) wykorzystywane są również w ortopedii, urologii oraz przy terapiach przewlekłego bólu.
Laryngolodzy i okuliści korzystają z wyrafinowanej elektroniki, jeśli można polepszyć jakość życia, poprawiając wzrok lub słuch albo zastępując niesprawne zmysły. – Bez współpracy z inżynierami, akustykami i elektronikami nie miałbym tak doskonałych wyników leczenia – powiada prof. Henryk Skarżyński, który pierwszy implant ślimakowy, przywracający słuch 30-letniemu mężczyźnie z całkowitą głuchotą, wszczepił w Polsce w 1992 r. Panowała wtedy opinia, że taki zabieg może uszkodzić wewnętrzną strukturę ucha. Nie inaczej było w 2002 r., kiedy wszczepienie implantu u pacjentki z częściową głuchotą szło pod prąd obowiązującej wówczas teorii, iż stymulacja elektryczna u osoby z zachowanymi resztkami słuchu nieodwracalnie je zniszczy.
Potęga miniaturyzacji
Co do bionicznego oka, które mogłoby przywracać wzrok niewidomym, sceptyków jest więcej. Prof. Jerzy Szaflik, znany okulista i były konsultant krajowy w tej dziedzinie, podkreśla, że choć skonstruowanie sztucznej gałki ocznej nie jest już wyzwaniem, to połączenie jej z mózgiem przez nerw wzrokowy pozostaje raczej w sferze marzeń. Nasz naturalny układ optyczny można za to zastąpić kamerą – na świecie żyje już ponad 300 osób, u których wykonano tego rodzaju zabieg, uzyskując substytut widzenia. – Rozdzielczość nie jest imponująca, ale pacjenci widzą kształty, potrafią ocenić odległość – przyznaje profesor.
Jeśli zastanowić się nad dalszymi etapami ulepszania tego typu urządzeń, możliwe wydają się dwa kierunki: miniaturyzacja i zwiększenie ich trwałości. Kiedyś stymulatory serca wystarczały na 5 lat, dziś – nawet na kilkanaście. Coraz więcej urządzeń jednorazowego użytku można zewnętrznie doładowywać. Ograniczeniem jest wielkość baterii – nie da się ich jeszcze na tyle zmniejszyć, by nie utracić sprawności układu zasilającego. Choć ma rozmiar paznokcia, współczesny stymulator nie jest już tylko prostym rozrusznikiem (takim jak pół wieku temu, gdy zaczęto leczyć nim zaburzenia rytmu serca). To niezwykle inteligentne urządzenie diagnostyczne: zapisuje EKG, mierzy zużycie tlenu, wyposażone jest w biosensory wykrywające aktywność fizyczną i informujące o konieczności przyspieszenia akcji serca. Trudno sobie wyobrazić, jakie jeszcze miałby zbierać informacje potrzebne do monitorowania stanu układu krążenia.
Jeśli ktoś potrzebuje innych dowodów na korzyści, jakie może przynieść zespolenie biologii z techniką, powinien przeanalizować długą listę implantów i protez oraz prototypowych narządów wewnętrznych, które w różnych laboratoriach na świecie już udało się skonstruować. Ostatnim spektakularnym wynalazkiem jest sztuczna macica, o której wiosną tego roku poinformowali neonatolodzy ze szpitala dziecięcego w Filadelfii. W przyszłości urządzenie wyglądające jak sterylny worek wypełniony roztworem imitującym płyn owodniowy, może zastąpić klasyczne inkubatory, do których przenosi się wcześniaki. Byłby to dla nich zdrowszy pomost między łonem matki a światem zewnętrznym. Na razie z pomysłu korzystały przez miesiąc płody owiec między 105 a 120 dniem ciąży (co odpowiadało 23–24 tygodniom u ludzi). Przez czas trwania eksperymentu ich płuca i mózgi rozwijały się jak w naturalnych warunkach.
Perspektywy
Na co dzień ludzie nie zastanawiają nad tym, z ilu – na pozór niewidocznych – sztucznych materiałów można już dziś korzystać przy leczeniu chorób i likwidowaniu skutków kalectwa. Protezy rąk i nóg, mechaniczne komory serca, przezroczyste soczewki czy nawet plomby lub implanty zębowe to tylko przykłady niezwykłej symbiozy biologii z chemią lub inżynierią, bez której trudno wyobrazić sobie współczesną medycynę i tę, która za jakiś czas nadejdzie.
Jak szybko? – Kiedy rozpoczynaliśmy prace nad protezami serca, ten czas był liczony w latach, a dziś przyspieszenie jest ogromne – mówi prof. Zbigniew Nawrat z zabrzańskiej Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii. – Wykłady o sztucznych narządach dla studentów Śląskiego Uniwersytetu Medycznego muszę uaktualniać co pół roku.
Barierą niełatwą do pokonania – poza reakcją ustroju biorcy na przeszczep mechanicznych i biologicznych protez – jest zespolenie ich z naturalnymi tkankami organizmu: zwłaszcza nerwami i ośrodkowym układem nerwowym, który steruje pracą całego ustroju.
Prawdą jest, że wiele z odkryć na polu biotechnologii i robotyki nie wyszło z fazy prototypów. Droga od jednej komórki macierzystej do wytworzenia całego organu o złożonej funkcji jest długa i wyboista. Ale czy ktoś chciałby z niej zejść?
Postępy transplantologii i biotechnologii dają nadzieję na powstanie człowieka 2.0, postczłowieka, ale z tym wiążą się dylematy filozoficzne i etyczne, określane mianem posthumanizmu. Przyjrzyjmy się więc najpierw historii ulepszania rodzaju ludzkiego oraz blaskom i cieniom tych przedsięwzięć.