Шанс на жизнь: искусственные кровеносные сосуды

Основная причина преждевременной смертности людей во всем мире – сердечно-сосудистые заболевания. Даже у тех людей, которые выглядят совершенно здоровыми, могут незаметно развиваться патологии вен и артерий, нарушающие нормальное кровоснабжение органов. Одна из таких патологий — глубокий тромбоз, требующий экстренной медицинской помощи. Предпочтительным вариантом лечения закупоренных тромбами сосудов врачи называют их замену.

Из чего делают искусственные сосуды

Самый лучший вариант замены − использование собственных сосудов человека. Но в теле человека нет абсолютно «свободных» сосудов, которые можно было бы без последствий извлечь для замены закупоренных. Для «ремонта» наиболее часто повреждаемой аорты хирурги стараются брать «не самую необходимую» подкожную вену ноги. Но с возрастом все сосуды человека изнашиваются, поэтому использование данной вены примерно в 20% случаев представляется нецелесообразным или невозможным.

Первая неудачная попытка пересадки искусственного кровеносного сосуда была предпринята около 1900 года в Австрии. Успешные опыты по имплантации искусственных сосудов относятся к середине 1950-х. С тех пор технологии создания искусственных кровеносных сосудов совершили грандиозный скачок и продолжают быстро совершенствоваться.

Основные материалы для создания искусственных сосудов − дакрон, полиуретан и политетрафторэтилен (ePTFE). Для создания сосудов также применяют натуральные материалы и смеси разных материалов. Кроме того, растет интерес к разработке тканеинженерных сосудистых имплантатов (TEVG, ТИСИ), которые состоят из внешней оболочки, выполняющей роль прочного каркаса, и внедренных в эту оболочку живых клеток человека (или идентичных). В качестве материала оболочки испытываются биоразлагаемые полимеры, натуральные материалы и сочетания разных материалов.

На рис. 1 показана эволюция технологий создания искусственных сосудов.

Проблемы создания искусственных сосудов и поиски материалов для этого связаны с противоречивыми требования к ним. Сосуды должны быть прочными, но тонкими; держать форму под давлением, но быть способными к изгибам и изменению диаметра; не вызывать реакции отторжения и препятствовать образованию тромбов; служить десятилетиями без потери свойств в среде живого организма, агрессивной ко всем чужеродным материалам.

Природе пришлось немало потрудиться, пока она не создала идеальные кровеносные сосуды, сложное строение которых показано на рис. 2.

В таблице 1 приведены преимущества и недостатки искусственных кровеносных сосудов из разных материалов.

Таблица 1. Преимущества и недостатки материалов для искусственных сосудов

Сколько я проживу с искусственным сосудом?

Естественный вопрос для любого человека, которому предлагают операцию по имплантации искусственного сосуда, – сколько он проживет с этим сосудом? В отличие от автомобилей, для которых точно известен среднестатистический срок эксплуатации, для людей этот срок рассчитать практически невозможно, потому что реакция организма уникальна для каждого пациента. К тому же клиники не любят раскрывать процент удачности своих операций. Тем не менее, накопленная статистика позволяет прогнозировать длительность нормального функционирования искусственного сосуда в теле человека: пять лет и более с возможностью последующей замены на новый имплант (кондуит).

Сейчас «золотым стандартом» для операций по пересадке сосудов остается использование подкожной вены (Saphenous Vein, SV) самого пациента. Показатели проходимости крови при трансплантации SV как при аортокоронарном шунтировании (АКШ, CABG), так и при бедренно-подколенном шунтировании (fem-pop) за 10 лет жизни пациента после операции положительно оцениваются в 50% случаев.

Полимерные сосуды пока показывают себя хуже. При АКШ за первый год использования политетрафторэтиленовые (ПТФЭ) кондуиты привели к годовой проходимости около 60% по сравнению с 95% и более при использовании SV. Через 2 года проходимость ПТФЭ-кондуитов снизилась до 32%, тогда как трансплантаты SV показывали проходимость выше 90%. При бедренно-подколенном шунтировании результаты показали проходимость трансплантатов ПТФЭ около 59% за 5 лет (для сравнения, – около 78% при использовании SV).

Необходимо осознавать, что искусственные сосуды применяют, когда нет других вариантов и альтернатива операции только одна − считанные недели или, в лучшем случае, месяцы жизни. Иногда речь идет всего о нескольких часах. К тому же потребность в имплантации искусственных сосудов чаще всего возникает у пожилых людей, поэтому время жизни человека с искусственным сосудом надо сравнивать не с общей продолжительностью жизни человека, а с прогнозом продолжительности его жизни на тот момент, когда ему потребовалась операция. Так что в большинстве случаев надо говорить о двух-трехкратном продлении жизни благодаря искусственным сосудам.

Итак, технологии создания искусственных сосудов из полимеров уже давно применяются в практической медицине, но нуждаются в совершенствовании. При этом основная проблема на сегодня − создание тонких сосудов. Попытки сделать сосуды диаметром меньше 6 мм пока оказываются неудачными из-за высокого риска образования тромбов и недостаточной гибкости стенок.

Тканевая инженерия − путь к искусственным органам

Картина бессмертия с помощью регулярной замены всех органов «механикой» с сохранением только мозга человека («в отдельном отсеке») описана фантастами, но не вызывает энтузиазма и доверия. Также сомнительно выращивание всех живых органов с нуля для замены изношенных.

Наиболее реалистичным и перспективным представляется создание искусственных органов с каркасом, сделанным из полимеров, и внедренных в каркас живых клеток самого человека. Именно по такому пути идут ученые, создавая искусственные сосуды методом тканевой инженерии (TEVG, ТИСИ). Работы над этими технологиями начались еще в 1980-х.

Клетки собирают у пациента и размножают in vitro (в искусственных условиях). Затем клетки смешивают с белковым материалом, например коллагеном или фибрином, и высевают на пористый каркас. Одно из направлений − создание каркаса из разлагаемых в теле человека материалов – в надежде, что клетки постепенно сами создадут прочный каркас. Всю конструкцию помещают в биореактор, где ее подготавливают к имплантации. Этот процесс показан на рисунке.

Научный коллектив Тошихару Шиноки опубликовал информацию об успешном функционировании таких сосудов у детей при наблюдении за 25 пациентами в период до 7 лет после операции. Было отмечено, что 40% пациентов даже не нуждались в ежедневном приеме лекарств. Это значительно ниже, чем в группах пациентов, получающих аналогичные процедуры с использованием синтетических сосудистых трансплантатов, которые часто требуют длительной терапии, препятствующей образованию тромбов.

При всей перспективности технология TEVG очень дорогостоящая. На создание сосудов требуется много времени, причем каждый сосуд изготавливается для каждого пациента индивидуально. Невозможно поставить создание сосудов на поток, как это уже сделано с сосудами из полимеров.

Рынку искусственных сосудов предсказывают рост

По числу операций по пересадке сосудов всех типов лидируют США, где в 2022 году провели около 15 тысяч операций. Стоимость операции по пересадке искусственного сосуда в зависимости от сложности обычно варьируется от 30 до 100 тысяч долларов. Наиболее распространенный материал для изготовления искусственных сосудов — политетрафторэтилен (ePTFE), в США его доля рынка составляет около 48%.

Рынку искусственных кровеносных сосудов обещают дальнейший рост. Аналитики Inkwood Research рассчитали, что в США до 2032 года рынок будет расти почти на 6% в год, а его выручка достигнет $2,4 млрд.

В России также ведутся исследования по созданию и применению полимерных искусственных сосудов. В Томском политехническом университете создали уникальную систему многоканального электроспиннинга, предназначенную для их изготовления. С ее помощью можно получать сосуды из полимерных материалов отечественного производства. По словам разработчиков, такие сосуды не только дешевле зарубежных аналогов, но и более точно имитируют внутреннюю организацию естественного кровеносного сосуда, а также его поведение в организме пациента.

Разработанная технология позволяет изготавливать сосуды диаметром от 1 до 40 мм, что дает возможность заменять не только крупные магистральные артерии, но и маленькие вены. Кроме того, ученые планируют изготавливать и другие имплантаты, имеющие форму условной трубки: искусственные желчные протоки, мочеточники, гортань, трахею.

В России производятся все базовые полимеры для искусственных сосудов. СИБУР выпускает разнообразные марки полиэтилена, полипропилена, каучуки, полистирол, полиэтилентерефталат. Сеть НИОКР-центров «СИБУР ПолиЛаб» сегодня реализует порядка 80 проектов по разработке новых специальных марок базовых полимеров, пластиков, каучуков и продуктов органического синтеза по заказам промышленности и медицины. Так что можно надеяться, что скоро и в России будут поставлены на поток операции по имплантации искусственных сосудов отечественного производства.

Заключение

Искусственные кровеносные сосуды, создание которых впервые стало возможным благодаря достижениям в технологиях полимерных материалов, сохраняют жизнь десяткам тысяч пациентов, продлевая ее на 5–10 лет, а иногда и больше. Впереди нас ждут интереснейшие достижения на стыке соединения клеточной инженерии и синтетических материалов. Они, к сожалению (или к счастью?), не обещают бессмертия, но расширят наши возможности жить дольше и более полноценной жизнью.