Запчасти для человека: эволюция протезирования. Часть I

Сергей Ануфриев: Почти каждый день в новостных лентах мы читаем про модульные протезы, про протезы, напечатанные на принтере, протезы, растущие вместе с пользователем. Сейчас «господствующие высоты» заняли протезы с нейроинтерфейсом. Где-то чуть сзади уверенным шагом движутся экзоскелеты, а в лабораториях тестируются бионические глаза и выращиваются искусственные (но такие естественные!) сердца. Кажется, что это появилось как-то вдруг и внезапно, или нет?

Павел Захаров: С момента своего появления живые существа ведут борьбу за существование.

Сколько видов – столько и приемов, способов, тактик и стратегий выживания. Одной из задач, которую решают (или не решают…) живые существа, – это сохранением физиологической полноты тела. Это понятно, потому как сложно жить, если ты – половина от того, что должно быть. Или даже три четверти. Иной раз невозможно жить, если тебя девять десятых. Хорошо знакомые нам саламандры и ящерицы вовсю используют врожденные механизмы регенерации, с помощью которых они отращивают утраченные хвосты и лапы. Некоторые морские звезды вообще размножаются «лучеванием»: звезда всегда отрастит себе новую ногу, а из оторванного луча, если ничего не помешает, может вырасти новая морская звезда. Человек, к сожалению, лишен таких свойств. Но, пока предки земноводных в ходе эволюции учились отращивать ноги, человек отращивал себе мозг. И как бы там ни было, в настоящее время человек является чемпионом по выживанию, потому что у нас есть потрясающий инструмент: наш интеллект.

Сергей Ануфриев: Нападения диких животных, болезни, несчастные случаи и войны приводили к тому, что люди теряли конечности и органы. Такая потеря и сейчас-то сильнейший стресс для организма, а в давние времена была практически приговором и поэтому о том, что руки и ноги можно и нужно чем-то заменить, человек задумался очень давно.

Павел Захаров: Да, первые свидетельства о протезировании дошли до нас в литературных источниках. Индийские Веды рассказали о воине-герое, который получил железную ногу взамен потерянной во время битвы, а древнегреческие сказания содержат историю о рисковом парне по имени Фемистокл, который не побоялся отпилить себе ногу, чтобы сбежать из неволи. Судьба ему благоволила и вместе со свободой он получил симпатичную деревяшку, которую ему выстругал знакомый плотник. Материальные же свидетельства редки, но, тем не менее, производят впечатление тонкостью проработки деталей.

Рис. 1                                                                                             Рис. 2                                                            Рис. 3

На первом рисунке мы видим протез большого пальца правой ноги, обнаруженной вместе с мумией в одной из древнеегипетских гробниц. Материал, из которого сделан протез, – дерево и кожа. Возраст – от 1000 до 600 лет до н. э. К сожалению, других подобных артефактов до нашего времени практически не дошло. Возможно, это объясняется тем, что материалы, из которых делали первые «телозаменители», были довольно «скоропортящиеся» (дерево, кожа, ткани), ломкие, а после смерти владельца и вовсе хранились далеко не идеальных условиях. Также следует учесть, что подобные «высокие технологии» были доступны, возможно, только элите, тогда как простой люд не мог похвастаться ничем подобным. Редки и образцы древних протезов, изготовленных из металла (рис. 2). На снимке – часть протеза ноги из бронзы, датирующаяся античным периодом. Согласно имеющимся историческим источникам, первым по-настоящему европейским протезом признают «ногу из Капуи», найденную в ходе раскопок в Италии. К сожалению, на иллюстрации (рис. 3) мы видим копию, так как оригинал был уничтожен в результате бомбардировки во время Второй мировой войны. Еще один орган, который человек теряет гораздо чаще, чем конечности, и, кстати, теряет до сих пор, – зубы. И снова египтяне были впереди планеты всей.

Рис. 4                                                                              Рис. 5                                                                                                     Рис. 6

Иллюстрации (рис. 4, 5 и 6) прекрасно демонстрируют суть технологии: место потерянного зуба занимал новый, взятый, как правило, у раба (есть свидетельства, что использовались также зубы животных и слоновая кость). Процедура «имплантации» была, наверняка, болезненной, да и дальнейшая жизнь с такими зубами была, прямо скажем, некомфортна, но даже такие зубы – лучше, чем никакие.

Данная техника использовалась удивительно долго – вплоть до XIX века. Правда, зубы теперь брали преимущественно у трупов? и неиссякаемым источником пополнения запасов были тела погибших в боях во время войн. В XIX веке получила хождение неофициальная торговая марка «зубы Ватерлоо» - в этой битве погибло огромное количество здоровых молодых мужчин. Пройти мимо такого «подарка судьбы» тогдашние стоматологи не могли. На блошиных рынках Европы и США до сих пор попадаются подобные коллекции зубов – красивые ящики из красного дерева, бархат и зубы на ниточках (рис. 6). Выбирай – не хочу.

Сергей Ануфриев: А что протезировали кроме рук, ног и зубов?

Павел Захаров: Несколько лет назад итальяно-иранская археологическая экспедиция обнаружила захоронение женщины, которая, как считается, была знатной особой, возможно – жрицей храма, на территории которого находилась ее могила. В ее левой глазнице была найдена полусфера из смолы, инкрустированная золотыми нитями (рис.7 и рис.8) Конечно, ни о каком восстановлении физиологических функций при таком протезировании речи не шло, но протез глаза вполне мог служить ритуальным целям.

Рис. 7                                                                                        Рис. 8

К средним векам человек в значительной степени развил технологии обработки металлов. Первыми, кто опробовал железные руки и ноги, были, конечно, военные, знать, феодалы. Простолюдины могли довольствоваться простыми деревяшками или малокомфортными, грубыми и тяжелыми железными «поделками». Если, конечно, выживали после потери конечности. Элита же могла рассчитывать на квалифицированную (по тем временам) медицинскую помощь, а затем и на услуги профессиональных механиков и оружейников. На фото (рис. 9, рис. 10) мы видим образец, дошедший до нас из далеких 1500 годов.

Рис. 9                                                                                  Рис. 10

Источники утверждают, что эта рука принадлежала немецкому рыцарю Гоцу фон Берлихенгену. Он лишился руки в битве при Ландсхуте в 1503 году и заказал своему оружейнику ее копию из металла. Как мы видим, данная железная рука не статична. Благодаря мастерству оружейника, она обладает определенной свободой движения, хотя и минимальной. И она может выполнять несколько полезных функций – не только имитирует физиологическую полноту тела, но и обладает очевидной утилитарной полезностью: движущиеся пальцы могут сжимать инструмент – булаву, держать щит. Сложно сказать, насколько эффективно было использование данной руки в бою, но сам факт наличия такой руки мог иметь неплохой PR-эффект и свидетельствовать о силе и доблести ее обладателя. И уж точно можно сказать, что в своем поместье Гоц фон Берлихенген правил железной рукой.

Сергей Ануфриев: Появлялись новые материалы, улучшались технологии их обработки, мастерство протезирования росло, как менялись протезы?

Павел Захаров: Если протез ноги в любой его части не требовал особой тонкости в движении – задача его была довольно проста – держать вес при ходьбе, то к протезам рук требования были куда жестче. Руки человека – очень тонкий инструмент, поэтому простым крюком, который мы привыкли видеть на картинках с изображениями пиратов, или щипцами довольствоваться хотели далеко не все. От протезов рук требовалось одно: быть руками.

И постепенно протезы стали приобретать совершенство, удивляющее даже нас, современных людей.

Рис.11                                       Рис.12

Протез руки (рис. 11, рис. 12) датируется серединой или второй половиной XIX века. Он изготовлен около 1840 года или позже. Обратите внимание на довольно тонкую проработку деталей и большое число позиций (степеней свобод), которые могла принимать рука. Запястье вращается, пальцы гнутся и могут удерживать предметы. Понятно, что до автоматизации еще далеко, но какой прогресс! Но наиболее знаковым кажется другое: протезирование становится доступным для рядовых граждан, что говорит о повышении уровня гуманизации общества, постепенном стирании границ между сословиями. Это продукт массового, серийного производства. В связи с тем, что протезирование встало на промышленные рельсы и технологии стали массовыми, появились и специальные медицинские приемы при проведении ампутаций. Врачи стали пользоваться специальными приемами по формированию культи для будущего протеза – ей придавалась форма, облегчающая последующее использование протеза.

Сергей Ануфриев: Какую лепту в появление нового вида протезирования внесло огнестрельное оружие?

Павел Захаров: Годы первой мировой войны ознаменовались появлением десятков тысяч несчастных, получивших увечья лица. Только в Англии таких пациентов насчитывалось около 60 тыс. человек. Будучи в остальном абсолютно здоровыми людьми, бойцы, получившие ранения в лицо, становились настоящими изгоями. Им пришли на помощь не врачи, а… скульпторы.

Рис. 13                                                                                                           Рис. 14

В своей парижской студии с конца 1917 года работала американка Анна Коулман Лэдд, которая была вдохновлена работой профессора лондонской Королевской академии художеств Фрэнсиса Дервента Вуда. Британец начал свою работу в марте 1916-го и даже взял под свое руководство отделение в одном из лондонских госпиталей, которое получило у пациентов и их родственников прозвище «Магазин оловянных носов». Получение протезов мягких тканей было также важно не только по соображениям милосердия и гуманности, но имело и чисто медицинское содержание: протезы изолировали раневые полости, открытые микробам и инфекциям, что, безусловно, способствовало снижению риска позднего заражения.

И Лэдд, и Вуд проводили долгие часы, изготавливая маски-слепки лиц своих клиентов. На основе старых фотографий и пожеланий раненых они делали маски из гальванизированной меди, которые должны были скрыть все последствия ранения.

Маски весили 100-250 граммов, прикосновение металлической маски к коже на ранах было неприятным, и мало кто носил ее с удовольствием, но социальный эффект перевешивал все страдания. У маски имелись и другие недостатки. Она не старела, как остальные части тела, и не могла выразить эмоции, оставаясь пугающе безжизненной. Срок ее жизни был недолгим – под воздействием дождя, пота, слез она трескалась и ломалась. В настоящее время для изготовления протезов мягких тканей лица используются полимеры (рис. 16, рис. 17).

Рис. 16                                                        Рис. 17

Сергей Ануфриев: Наверное, уже можно подводить предварительные краткие итоги. С чем же мы пришли к началу XXI века?

Павел Захаров: Сегодня мы можем заменить путем донорства и протезирования (использования внешних и внутренних механических устройств) волосы, нейроимпланты для борьбы с симптомами Паркинсона и эпилепсией, кожу, зубы, костную ткань, легкие, голосовые связки, конечности и пальцы, межпозвоночные диски и позвонки, суставы и хрящевые ткани,  косметические протезы лицевой части и лицо полностью, глаза (хрусталик, роговая оболочка), а сейчас и кусочки глазного дна, сухожилия, кровеносные сосуды разных типов, клапаны сердца и сердце полностью, поджелудочную железу, печень, почки, кишечник, мочевой пузырь и др.

Этот список показывает, как совместные достижения медицины и других наук – физиологии, материаловедения, информатики, электроники, механики и пр., позволяют нам довольно уверенно вмешиваться в работу человеческого организма. Сегодня мы можем заменить не только конечности, но и ряд внутренних органов. При этом некоторые из пересаженных органов могут быть получены не от стороннего донора, а являются «собственными», то есть изготовленными путем клонирования с применением технологий стволовых клеток, полученных у самого пациента. Конечно, нельзя забывать о «стационарной» технике – приборах ИВЛ, ИК и аппаратах диализа. Люди с ограниченными возможностями передвижения активно используют разного типа инвалидные коляски и будет справедливо причислить их к категории протезов, так как эта техника буквально заменяет человеку ноги.

Сергей Ануфриев: Конечно, сделанная ретроспектива не полна. Подробный рассказ об эволюции протезов (с подробными примерами всех видов и типов протезов всех времен и описанием технологий их создания и функционирования) превратился бы в настоящую многотомную энциклопедию. Можем ли мы обозначить сам факт эволюции технологий, выявить и продемонстрировать тренды, по которым развивается протезирование и, возможно, сделать прогнозы на будущее.  

Павел Захаров: Это древо развития наглядно иллюстрирует направления развития технологий протезирования.

Вспомним азы: преимущество в выживании и размножении получают организмы, которые более приспособлены к существованию в среде. Быть более приспособленным – значит, обладать меньшим числом недостатков. В живой природе наличие полезных и вредных свойств определяется случайными мутациями генов. Давление естественного отбора приводит к выбраковке организмов с недостатками.

Решая стоящую перед ним задачу воссоздания утраченной конечности, человек делает множество образцов. Какие из вариантов он отбракует, а какие оставит? Ответ очевиден. Каждая последующая модель, тип и вид лучше предыдущего. Каждая последующая технология изготовления эффективнее предыдущей. Материалы, использующиеся при протезировании, также сменяли один другой – дерево, металл, полимеры и их комбинации вкупе с тонкой электроникой. С каждым новым «шагом» полезных свойств становилось все больше, а недостатков меньше. Мы наблюдаем все тот же хорошо знакомый нам естественный отбор, в котором основным фактором отбора является не природа с ее случайными мутациями, а человек, управляющий изменениями.

Итак, мы видим два основных направления развития протезирования. Первое, «биологическое направление» описывает развитие технологии донорства. Конечно, человеку больше всего подходят органы человека, но людей традиционно не хватает, поэтому люди не могли не попытаться «имплантировать» в себя органы животных. В итоге довольно быстро стало понятно, что органы животных могут быть использованы только после серьезного вмешательства в геном. Но лучше гор могут быть только горы, а лучше человеческих органов – другие человеческие органы (древняя людоедская поговорка). Причем лучше прочих органов – органы собственные. И сейчас во многих научных центрах идут исследовательские работы по выращиванию человеческих органов с использованием собственных клеток пациентов для исключения риска отторжения. Технологии, которые при этом используются, кроме как волшебством, назвать трудно. Если мочевой пузырь выращивается путем «накапывания» на нейтральную коллагеновую основу определенной клеточной культуры, то кровеносные сосуды уже можно печатать на биопринтерах – слой за слоем, слой за слоем… После того, как орган будет готов, его можно пересаживать в тело пациента, не боясь реакции иммунной системы.