Хотя костная ткань формируется непрерывно, требуется еще идеально совместить концы сломанной кости. По словам врачей, это означало, что ногу на несколько месяцев обездвижат – старый-престарый метод, к нему прибегали еще древние греки и египтяне, когда высоких технологий не было и в помине. Просто на ногу накладывали жесткую повязку.
Египтяне обертывали ногу льняным полотном, так же они поступали с покойниками, когда превращали их в мумии. Греки применяли хлопковую ткань, кору деревьев, воск и мед. Моя повязка была из гипса – турецкого изобретения XIX века. Медицинская гипсовая повязка – это своего рода гончарное изделие из обезвоженного минерального гипса, который в смеси с водой затвердевает не хуже цемента. Впрочем, гипс слишком хрупкий материал, чтобы использовать его в виде массы: такой через несколько дней просто растрескается и рассыплется на кусочки. Но если нанести его на марлевые бинты, он станет гораздо прочнее, волокна ткани скрепят его и не дадут трещинам расползтись. В таком виде гипс может неделями укрывать сломанную ногу плотным коконом. Главное преимущество такого метода перед египетским и греческим состоит в том, что мне, например, не пришлось безвылазно провести в постели три месяца, пока заживала нога. Гипсовая повязка достаточно жесткая и прочная, чтобы выдержать вес тела, не страшны ей и случайные удары во время ходьбы на костылях, так что кость срастается идеально. До изобретения гипса переломы конечностей часто приводили к пожизненной хромоте.
До сих пор помню, как мне положили влажный гипс на забинтованную ногу. Это было странное ощущение одновременно тепла (из-за реакции гипса с водой) и покалывания (как только бинты на коже начали затвердевать). Нога вдруг зачесалась, и стоило немалых усилий ее не трогать. Еще несколько месяцев зуд возникал снова и снова, обычно среди ночи, и я ничего не мог с этим поделать – почесать зудящее место под гипсовой повязкой было просто невозможно. Такова была цена, которую пришлось заплатить, по словам моей мамы, за перерождение в духе «Человека на шесть миллионов долларов». Я жалобно возразил, что никто меня не перерождал, – сам-то я просто мечтал об этом, но тело само себя вылечило, врачи ему только помогли. Я не стану быстрее, сильнее или лучше. Так навсегда и останусь неуклюжим слабаком. Тут мама велела мне закрыть рот, и правильно сделала.
С тех пор в моей жизни было немало серьезных травм и походов в больницу. Не то чтобы на мне живого места не осталось, но близко к тому. Я ломал ребра и пальцы, однажды разбил голову, прошел сквозь стеклянную дверь, повредил слизистую оболочку желудка, получил удар ножом в спину. И всякий раз мое тело само залечивало раны, хотя и под врачебным присмотром. Лишь дважды медикам понадобилось «подновлять» меня. Впервые это случилось уже довольно давно, однако проблема не исчезла и время от времени о себе напоминает.
Все началось с тупой боли во рту, которая через два дня превратилась в острую боль в одном конкретном зубе. От горячего она становилась нестерпимой, а в один прекрасный день, откусывая от сэндвича, я услышал жуткий хруст, от которого мурашки забегали по коже. Хуже всего было то, что страшный звук исходил у меня изо рта и сопровождался сильной болью, пронзившей, казалось, мой мозг. Я тут же потрогал языком ранку и, к своему ужасу, обнаружил острые обломки на месте когда-то крепкого гладкого зуба. Похоже, он сломался… Так и было. После этого я уже не мог ни есть, ни пить, поскольку обнажился нерв, сверхчувствительный к любым прикосновениям, – всякий раз меня пронзала непереносимая боль. Рот стал запретной зоной, я думал только о боли и о том, как от нее избавиться.
Древние египтяне и древние греки не умели лечить зубы. Наши предки жили с дырявыми зубами, мучаясь изо дня в день. Когда боль донимала слишком сильно, зуб просто выдергивали. Это делал щипцами местный кузнец или, если повезет, обученный врач. Позднее стали применять обезболивающие средства, такие как настойка опия.
В 1840 году изобрели новый сплав под названием «амальгама» (в него, как правило, входят серебро, олово и ртуть) – новое слово в медицине. Из-за наличия ртути в исходном виде амальгама при комнатной температуре представляет собой жидкий металл. Но когда ее смешивают с серебром и оловом, образуется твердый, износостойкий, прочный кристалл. Этот волшебный материал, пока он жидкий, можно влить в полость зуба и оставить там до полного затвердевания. Амальгама слегка расширяется, запечатывая дыру, и пломба накрепко связывается с тканями зуба. По твердости и долговечности пломбы из амальгамы намного превосходили старые – из олова и свинца, которые к тому же плавили при высокой температуре, чтобы влить в полость зуба, причиняя пациентам невыносимые страдания.
Через сто пятьдесят лет после того, как этот сплав впервые использовали для недорогого лечения зубов, мне поставили мою первую пломбу из амальгамы. Она держится до сих пор, и я могу провести языком по ее ровной гладкой поверхности. Пломба превратила меня из физически и умственно истощенного бедолаги в прежнего веселого здорового мальчишку, который порой, возможно, действовал на нервы окружающим. С того времени я поставил еще восемь пломб – первые четыре из амальгамы, остальные из композитной пластмассы. Эти композитные пломбы состоят из прочного прозрачного пластика и кварцевого порошка, который придает им жесткость и износостойкость, причем они гораздо лучше амальгамы подходят к цвету зубов. Эти пломбы тоже вливают в полость зуба. Как только материал заполняет отверстие, в рот вставляют маленькую ультрафиолетовую лампу, свет запускает химическую реакцию в пластике, и тот затвердевает почти мгновенно. Еще один современный метод – удаление и полная замена поврежденного зуба фарфоровой (или циркониевой) копией. Она прочнее композитной пломбы, и у нее более натуральный цвет. Без этих средств стоматологии у меня сейчас осталось бы совсем мало собственных зубов.
Еще один биоматериал, который и по сей день со мной, вживили в 1999 году, когда я работал в Нью-Мексико. Виной тому стала игра в футбол. Мяч был у моих ног, я сделал резкий поворот – и почувствовал острую боль в колене. При этом раздался отчетливый хлопок. Сама мысль о том, что, просто дернув коленом, я без видимых причин мог что-то разорвать внутри, кажется странной. Но именно так и произошло. Я порвал одну из связок, фиксирующих правый коленный сустав, а именно переднюю крестообразную связку.
Связки – это эластичные бинты в нашем теле. Вместе с мышцами, а также сухожилиями, которые соединяют мышцы со скелетом, они скрепляют суставы и придают упругость нашим движениям. Задача связок – сочленять кости. Они вязкоэластичны, то есть могут резко растянуться до предела и, если не ослабить усилие, так и останутся вытянутыми. Отчасти поэтому спортсмены делают упражнения на растяжку, когда хотят увеличить гибкость суставов, – они удлиняют связки. Но, несмотря на всю их важность для суставов, у связок слабое кровоснабжение, поэтому порванные связки практически невозможно восстановить. И мне пришлось заменить их, чтобы сустав снова заработал.
Хирургически это можно сделать по-разному. Врач сделал мне переднюю крестообразную связку из фрагмента моего собственного подколенного сухожилия и прикрутил ее к колену винтами, так что, если я опять вздумаю поиграть в футбол или покататься на лыжах, новая связка не выпадет из сустава.
Наши органы весьма разборчивы в отношении инородных тел и бо́льшую их часть отторгают. Титан – один из немногих металлов, которые не отторгаются нашим организмом. Более того, титан способен к остеоинтеграции, то есть образует прочные связи со скелетом. Это очень удобно, если вам нужно прикрепить часть подколенного сухожилия к кости – будьте уверены, соединение не ослабнет и не растянется со временем. Титановые винты служат мне верой и правдой уже больше десяти лет и благодаря замечательному сочетанию прочности и химической инертности (а ведь найдется не так уж много металлов, которые никогда не вступают в реакцию с организмом, даже нержавеющая сталь чувствительна к суровому внутреннему климату) они и сейчас должны быть как новые. Надежное покрытие из оксида титана предохраняет винты от порчи, и я определенно рассчитываю, что их запаса прочности хватит мне до конца жизни. Титан также способен выдерживать высокие температуры, так что, когда я умру и буду кремирован, опознать меня можно будет по титановым винтам. Надеюсь, когда они снова увидят божий свет, мои родственники отнесутся к ним с должным почтением, потому что без них я не мог бы делать многое из того, что люблю: бегать, играть с семьей в футбол, ходить в горы. Благодаря титановым винтам и моему хирургу я вновь обрел спортивную форму, за что я перед ними в неоплатном долгу.
Разумеется, я пока что не умер и хотел бы сохранять физическую силу и здоровье еще лет пятьдесят. Для этого мне, без сомнений, придется выдержать дальнейшую «переделку». Обзор современных технологий вселяет надежду. Нам пока еще далеко до «Человека на шесть миллионов долларов», но за последние сорок лет мы сделали ощутимый рывок.
Разумеется, я пока что не умер и хотел бы сохранять физическую силу и здоровье еще лет пятьдесят. Для этого мне, без сомнений, придется выдержать дальнейшую «переделку». Обзор современных технологий вселяет надежду. Нам пока еще далеко до «Человека на шесть миллионов долларов», но за последние сорок лет мы сделали ощутимый рывок.
Мои мама и дедушка на прогулке, 1982 год
Это фотография моего дедушки, который умер в девяносто восемь лет. До конца жизни он сохранял ясный ум и мог ходить, опираясь на палку. Не каждому так везет. И все же у него было немало проблем со здоровьем, да и ростом он стал заметно ниже. Неизбежно ли угасание, или же в будущем мы сможем победить главные возрастные изменения посредством перестройки организма? Позволят ли мне технологии, над которыми трудятся ученые-биомедики в своих лабораториях, дожить до девяноста восьми, и чтобы при этом я мог ходить, бегать и даже кататься на лыжах, не растеряв здоровья и подвижности нынешних сорока трех лет?
Что касается подвижности, следует отметить, что первым делом изнашиваются и выходят из строя не мышцы и даже не связки (вот тут мне чуть-чуть не повезло), а внутренние поверхности суставов. В этом отношении особо уязвимы сложно устроенные гибкие коленные и тазобедренные суставы, выдерживающие немалый вес тела. Впрочем, локтевые, плечевые и пальцевые суставы тоже изнашиваются и выходят из строя. Это механическое истирание приводит к хроническому недугу под названием остеоартрит. Другой вид артрита, ревматоидный, развивается из-за повреждения суставов иммунной системой и приводит к таким же последствиям. Разрушаются ли они сами, или это вы их калечите (в ДТП, во время занятий спортом), никакой отдых и иммобилизация не помогут, если не работают тазобедренные, коленные, локтевые или какие-либо еще суставы. В отличие от остальных костей, внутренняя поверхность сустава не способна к самозаживлению и самовосстановлению, поскольку она состоит не из костных клеток.
Замена тазобедренных суставов практикуется хирургами довольно давно. Первую попытку предприняли в 1891 году, взяв за основу слоновую кость. В наши дни чаще применяют титан и керамику. Успех отчасти объясняется простой анатомией бедра: это одинарный шарнир, на котором нога может вращаться как угодно (в том числе очень странным образом; если вы когда-нибудь занимались йогой, то поймете, о чем я). Придумали даже социальный ритуал, чтобы показать всевозможные движения бедрами, – танцы в стиле диско. Умеете крутить бедрами и одеваетесь по моде – тогда вы «крутой».
Тазобедренный сустав формируется еще в утробе матери – на верхнем конце бедренной кости появляется шарообразный нарост, в точности совпадающий с выемкой в тазу (вертлужной впадиной). В дальнейшем тазовая и бедренная кости растут с одинаковой скоростью и в любом возрасте идеально соответствуют друг другу. Поверхность у обеих костей (как, впрочем, и у любой другой) шероховатая, поэтому еще один слой ткани – хрящ – выстилает место стыка. Хрящ мягче кости, но гораздо тверже мышцы. Он образует гладкую прослойку между бедренной и тазовой костями, а также служит амортизатором. Связки, мышцы и сухожилия скрепляют сустав, ограничивают его подвижность, благодаря им округлый конец бедренной кости надежно удерживается в тазовой выемке во время бега, прыжков и, разумеется, джайва. При артрите суставный хрящ разрушается и заново уже не вырастает.
Поэтому, когда приходится менять сустав, головку бедренной кости ампутируют и ставят вместо нее титановый шарик. В тазу просверливают новую выемку по размеру протеза и кладут внутрь высокоплотный полиэтилен – он-то и выполняет роль хряща. Такой протез полностью восстанавливает подвижность ноги и служит десятки лет, пока полиэтилен не потеряет своих свойств – тогда вновь требуется замена. В последних моделях детали так хорошо пригнаны, что полиэтиленовая прокладка не нужна, но пока неясно, выигрывают ли они в долговечности, – не исключено, что прямой контакт металла с металлом или, в более современных протезах, керамики с керамикой ускорит износ. Как бы то ни было, операции по замене тазобедренных суставов сегодня в порядке вещей и уже вернули миллионам пожилых людей радость движения.
С заменой коленного сустава дело обстоит примерно так же – правда, коленный сустав сложнее устроен: это не одинарный шарнир, он отвечает не только за сгибание и разгибание, но и за скручивание. Как-нибудь в уличном кафе, глядя от нечего делать по сторонам, присмотритесь к прохожим. Они ходят «от колена», то есть выдвигают колено вперед, заносят его над местом, куда собираются шагнуть, затем опускают стопу, приноравливаясь к спускам и подъемам, то есть поворачивая ее под тем или иным углом, что требует сложной регулировки и перегруппировки коленного сустава. Бег – это еще более суровое испытание для наших коленей: ко всему прочему они сотрясаются от постоянных ударов стопы о землю. Попробуйте идти, не сгибая ноги в коленях, – вы сразу оцените важность этих суставов. Мне совсем не улыбается перспектива полной замены коленного и тазобедренного суставов в ближайшие десять-двадцать лет. Впрочем, если это единственный способ оставаться на ногах, я, конечно же, соглашусь на операцию. Однако десять лет – это большой срок для медицины и материаловедения. Ученые ищут способы восстановления поврежденной хрящевой ткани внутри суставов, и, возможно, их открытия спасут меня от скальпеля.
Хрящ – сложная живая материя. Подобно гелю, он обладает внутренним каркасом из волокон, по большей части коллагеновых. (Коллаген – молекулярный родственник желатина и основной белок в человеческом теле, он отвечает за упругость и прочность кожи и других тканей. Именно поэтому его часто указывают на этикетках кремов от морщин.) Однако, в отличие от гелевого, хрящевой каркас заключает в себе живые клетки – они формируют хрящ и поддерживают его в нормальном состоянии. Эти клетки называются хондробластами. Сейчас уже научились выращивать хондробласты из собственных стволовых клеток пациента. Однако простое введение этих клеток в сустав не приводит к восстановлению хряща, отчасти потому, что хондробласты не могут выжить вне коллагенового каркаса, без него они погибают. Это все равно что заселить Луну лондонцами – совершенно беспомощными без привычной городской инфраструктуры.
Временная конструкция внутри сустава, которая имитирует базовое строение хряща, – вот что нужно. Если ввести хондробласты в этот трехмерный каркас, или, иначе, подложку-носитель, то они будут расти, активно делиться, у них будет вдоволь времени и места, чтобы построить заново свою естественную среду обитания и нарастить хрящ. Несомненно, клетки либо сами поглотят каркас-подложку, либо его будут проектировать таким образом, что он сразу растворится, как только новые клетки закончат обустройство своей среды обитания, при этом готовый хрящ в колене или бедре не пострадает.
Идея восстановления хрящевой ткани на трехмерном клеточном каркасе может показаться надуманной, но такой способ действительно существует, и впервые его применил в 1960-х годах профессор Ларри Хенч. Некий полковник поставил перед ним задачу – найти способ восстановления костной ткани, чтобы врачам не пришлось ампутировать ноги солдатам, искалеченным на Вьетнамской войне: «Мы умеем спасать жизни, но не умеем спасать конечности. Нам нужны новые материалы, которые не отторгает организм». В поисках материала, идеально совместимого с костью, Хенч и его команда открыли гидроксиапатит, который при попадании в организм человека образует чрезвычайно прочную связь со скелетом. Хенч проводил опыты с разнообразными составами на основе гидроксиапатита. В итоге он обнаружил, что, если придать материалу форму стекла, тот обретает замечательные свойства. Биоактивное стекло имеет пористую структуру, то есть состоит из чрезвычайно узких каналов.
Клеточный каркас из биостекла с растущими внутри клетками
Костным клеткам, остеобластам, в новой среде было раздолье. Они размножались, образуя новую кость, и попутно разрушали, как бы разъедали, каркас из биостекла.
Биоинженерия достигла немалых успехов. Можно вырастить ткань для искусственных трансплантатов или восстановить с ее помощью живые кости черепа и лица. Но воссоздать кости более сложной структуры, выдерживающие большой вес, пока не получается, на это нужно время, к тому же трехмерному клеточному каркасу не под силу неизбежные перегрузки. Большие трехмерные структуры выращивают в лабораториях, а не в организме пациента. Клетки созревают в биореакторе, при той же температуре и влажности, что и внутри тела, и регулярно получают питательные вещества. Успех этой технологии открывает возможность полной замены органов. Первые шаги в этом направлении уже сделаны: ученые вырастили дыхательное горло в лабораторных условиях.