Помог тут случай с одним пациентом, которому из-за раковой опухоли требовалось удалить трахею. После операции он бы не смог дышать сам и до конца жизни зависел бы от аппарата искусственного дыхания. Первым делом больному сделали компьютерную томографию, просветив его рентгеновскими лучами. Обычно так выявляют раковые опухоли головного мозга и других органов. Однако на этот раз с помощью томографии построили трехмерное изображение трахеи. Затем его «распечатали» на 3D-принтере, новейшем чуде техники, которое позволяет создавать объекты на основе цифровой информации. По сути, он мало отличается от обычного принтера, только вместо мельчайших чернильных капель 3D-принтер выпускает слой за слоем микросгустки биоматериала, постепенно строя объект. Сегодня мы уже умеем печатать не только простейшие бытовые предметы вроде чашки и бутылки, но механические устройства, например дверные петли и даже двигатели. Для этого используют сотни различных материалов, включая металлы, стекло и пластик. А профессор Александр Сейфальян распечатал на 3D-принтере точную копию трахеи из материала, который он сам разработал вместе с сотрудниками, – нечто вроде инкубатора для стволовых клеток пациента. Взрослые стволовые клетки служат строительным материалом для тканей, и каждому типу клеток в организме соответствует особый тип стволовых клеток. Стволовые пары для остеобластов называются мезенхимными стволовыми клетками. Ученые насытили трехмерный клеточный каркас мезенхимными стволовыми клетками из костного мозга пациента и поместили в биореактор. Первоначальный биоматериал превратился в колонии разнообразных клеток, из которых возникли хрящи и другие ткани; а затем эта новая устойчивая живая среда поглотила трехмерный каркас. В итоге осталось то, что можно было назвать новой трахеей.
Технология хороша тем, что орган выращивают из собственных клеток пациента, поэтому он становится частью тела. Организм не отторгает трансплантат, и можно обойтись без иммунодепрессантов с их сильными побочными эффектами. (А значит, пациенту не грозят инфекции и паразиты – обычные спутники подавленного иммунитета.) Однако, чтобы лечение принесло пользу, организм должен снабжать трахею кровью, и пока неясно, можно ли наладить этот процесс. Клеточная среда должна быть стабильной, иначе трахея потеряет форму и человек не сможет нормально дышать.
Еще одна трудность – обеззараживание. Дело в том, что хрупкие полимеры, из которых состоит трехмерный каркас, не переносят обычной высокотемпературной стерилизации. Однако, несмотря на все эти трудности, 7 июля 2011 года был создан первый трансплантат из собственных стволовых клеток пациента.
Каркас трахеи, насыщенный стволовыми клетками, незадолго до пересадки. Работа профессора Сейфальяна и его команды
Успех профессора Сейфальяна ускорил производство нового поколения трехмерных каркасных материалов. Но трахея должна служить исправно, а залог ее долгой жизни – хорошее кровоснабжение. Однако трахея не управляет работой всего организма, эту функцию выполняют другие органы. Поэтому следующая задача – вырастить печень, почки, а может быть, даже сердце. Если отказывает один из этих главных органов, человеку требуется пересадка. Нужен здоровый донорский орган, биологически совместимый с тканями реципиента, и больному придется всю жизнь сидеть на таблетках, чтобы организм не отторг инородное тело. Но для большинства пациентов это последний шанс вернуть здоровье и силы, поэтому донорских органов всегда не хватает.
Постоянный дефицит донорских органов втройне опасен. Во-первых, пациентам, у которых не работают печень или почки, предстоит длительное и очень дорогое лечение, от которого они полностью зависят. Во-вторых, сердечники часто умирают, не дождавшись подходящего здорового органа. И в-третьих, растет спрос на черном рынке, а это значит, что бедняков, особенно в развивающихся странах, все чаще вынуждают продавать собственные органы. Подобная практика документально зафиксирована. Ученые из Мичиганского университета недавно провели исследование в Бангладеш: тридцать три опрошенных продавца почек не получили обещанных денег, и после операции их здоровье серьезно ухудшилось. Обычно донора переправляют в зарубежную частную клинику, где богатый пациент дожидается здорового органа. Там же происходит и трансплантация. Средняя стоимость почки составляет около 1200 долларов США.
Эти проблемы не исчезнут, пока мы не найдем альтернативу пересадке органов. Выращивание тканей из биоматериала на трехмерном клеточном каркасе – наиболее перспективная технология на данный момент. Конечно, труд предстоит немалый. Органы сложно устроены: чтобы они работали как надо, множество специализированных клеток вступают во взаимодействие. Например, печени и почкам недостаточно собственного кровяного запаса, должна быть налажена связь с главными артериями. Но самая острая проблема – это сердце, поскольку оно у нас одно; умрет сердце – умрем и мы. Уже существуют искусственные сердца, однако никто еще не смог прожить с таким сердцем больше года. Вполне вероятно, что в создании новых органов трехмерная печать будет играть ключевую роль. Зубные имплантаты уже делают на 3D-принтерах. Так, в 2012 году изготовили новую челюсть для восьмидесятитрехлетней женщины. Это была искусственная титановая кость, но скоро научатся печатать в 3D каркасный материал и насыщать его клетками, которые со временем превратятся в собственные зубы пациента.
Искусственная челюсть, напечатанная на 3D-принтере
Кажется, пора приступать к массовому производству жизненно важных органов – все готово для этого. Вполне допускаю, что и в девяносто восемь, с новым сердцем и еще парой-другой органов, я сохраню здоровье и хорошую физическую форму. Но буду ли я как «Человек на шесть миллионов долларов» – «лучше, сильнее, быстрее»?
Трудно сказать, но, пожалуй, ответ отрицательный. Мы ведь стареем не потому, что у нас дряхлые клетки, а потому, что вся клеточная система приходит в негодность. Это как испорченный телефон: каждое новое поколение клеток повторяет не совсем ту структуру, которую получает в наследство, и ошибка закрепляется. Моя кожа стареет не потому, что ее клеткам стукнуло сорок три; нет, они моложе, так как взрослые стволовые клетки все время порождают новые клетки взамен прежних. Я старею потому, что мало-помалу деградирует сама структура кожи и клетки, поколение за поколением, воспроизводят ее дефекты. Появляются пятна, утончения, морщины, и конца этому не видно.
То же можно сказать о сердечно-сосудистой системе. Болезни, связанные с системой кровообращения, являются главной причиной смерти в Великобритании – от них умирает почти треть англичан. Скорее всего, я умру от сердечного приступа или инсульта. То и другое, по сути, сбой сердечно-сосудистой системы, поддерживающей жизнь в моем теле, – сердца, легких, артерий и вен. Хирург может ее починить, заменив негодные детали донорскими органами или искусственно выращенными имплантатами, но он не может остановить износ всей системы в целом. Операция не омолодит девяностовосьмилетнюю сердечно-сосудистую систему, не убережет ее от новой поломки. А возможность замены всей сосудистой системы на нашем веку не предвидится.
И значит, несмотря на все успехи трансплантологии, структура взаимодействий между органами и тысячами других внутренних систем, от которых зависят наша жизнь и здоровье, с годами будет накапливать ошибки и выходить из строя. А мы будем стареть.
Конечно, когда преждевременно истекает срок службы какой-нибудь одной части тела, у нас в запасе есть радикальное средство – синтетические имплантаты. Но они не решают конечную проблему (если можно ее так назвать) – проблему смерти. Их задача – улучшить качество жизни. Так, вместо отрезанной конечности можно поставить робота: электромеханическое устройство принимает нервные сигналы от мозга и трансформирует их в шевеления искусственной кисти или ноги. Даже люди, полностью парализованные ниже шеи, могут управлять роботизированными конечностями – протез хотя бы отчасти возвращает им былую свободу движений. Новая технология доступна и тем, кто не может ходить в силу преклонного возраста.
Это другой тип будущего, отличный от того, который предлагает тканевая инженерия: царство бионики, в котором наши движения и физический контакт с миром все больше зависят от синтетических и электронных посредников. О таком будущем грезили создатели «Человека на шесть миллионов долларов», именно эта технология сделала героя «лучше, сильнее, быстрее». По нынешнему курсу те шесть миллионов составляют миллионов тридцать пять – цифра, конечно, взята с потолка, но технологии по продлению жизни действительно очень дороги. Чтобы дожить до ста лет здоровым и полным сил, придется выложить кучу денег. Нам или кому-то вместо нас? Станет ли эта технология предметом роскоши? Только ли богачи в свои девяносто восемь будут играть в теннис, тогда как остальным уготованы инвалидные кресла? Или же мы просто сможем дольше работать – вплоть до восьмидесяти или девяноста лет? Я бы предпочел последнее, но если это и правда будет стоит тридцать пять миллионов долларов, большинство людей никогда не сможет позволить себе такое будущее, сколько бы они ни вкалывали.
По всей вероятности, я доживу до девяноста восьми лет. Сгорблюсь ли я и стану вполовину меньше ростом, буду ходить медленно, с палочкой, как мой дед, или мой удел – резвиться с внуками на спортплощадке, – во многом зависит от успехов биомедицины, а также от состояния экономики. Впрочем, я очень надеюсь, что монотонные заклинания моих братьев: «Мы можем собрать его заново, он будет лучше, быстрее, сильнее…» когда-нибудь станут явью. Немножко бессмертия мне бы не повредило.
11. Эпилог
В этой книге я тщательно препарировал материальный мир. Я хотел показать, что материалы – это не просто разноцветные комки вещества, но еще и сгустки наших желаний и потребностей. Чтобы нам было где жить и во что одеваться, чтобы лакомиться шоколадом и смотреть кино, мы сделали замечательную вещь – проникли в сложную структуру материалов. Этот способ познания мира называется материаловедением, ему уже несколько тысяч лет, и он такое же человеческое достижение, как другие науки, музыка, изобразительное искусство, кинематограф, литература, о которых мы знаем гораздо больше. Эту последнюю главу я посвящаю языку материаловедения – с его помощью можно понять и описать сущность любого материала, а не только тех, которые мы подробно рассмотрели в этой книге.
Общий подход таков: материал не бывает цельным и однородным, это обман чувств. На самом деле материалы состоят из множества связанных между собой разнородных элементов, которые можно обнаружить на разных уровнях. Любой материал подобен матрешке – многочисленные структуры (почти все незаметны глазу) вложены одна в другую, идеально совпадая в пропорциях. Именно такая иерархическая архитектура делает каждый материал сложным и уникальным, в буквальном смысле делает и нас такими, какие мы есть.
Одной из наиболее фундаментальных материальных структур являются атомы, но важны и другие. Выше уровнем расположены дислокации, кристаллы, волокна, каркасы, гели и пены (ограничусь здесь структурами, о которых рассказывал, на самом деле их больше). Все это персонажи повести, и каждый вносит вклад в общий замысел. Есть в ней и главные герои, но понять до конца, почему материал ведет себя так или иначе, можно, лишь проследив за всеми участниками истории. Как мы уже видели, ложка из нержавеющей стали не имеет собственного вкуса, потому что атомы хрома внутри ее кристаллов вступают в реакцию с кислородом, компонентом воздуха, и образуют на поверхности невидимый защитный слой оксида хрома. Если поскрести по металлу, его не тронет ржавчина: защитный слой восстановится гораздо быстрее. Вот почему мы первое поколение, не ощущающее вкуса столовых приборов. Молекулярное объяснение в данном случае годится, но понимание других свойств нержавеющей стали требует рассмотрения всех ее структур.
Если мы посмотрим на материалы с этой точки зрения, то вскоре увидим, что все они обладают одинаковым набором внутренних структур. (Самый простой пример – все материалы состоят из атомов.) И выяснится, что у металлов много общего с пластмассами, у которых, в свою очередь, много общего с человеческой кожей, с шоколадом и прочими материалами. Чтобы зрительно представить связь между всеми материалами, взгляните на карту матрешковидного материального мира. Обычная карта изображает разные географические объекты в одном масштабе, а наша изображает один и тот же объект – показывает материал изнутри, в разных масштабах.
Начнем, пожалуй, с главного – с атомов. Они приблизительно в десять миллиардов раз меньше нас, поэтому человеческий глаз не различает атомные структуры. На Земле существует 94 природных типа атомов, при этом восемь из них составляют 98,8 % всей массы планеты: железо, кислород, кремний, магний, сера, никель, кальций и алюминий. Остальные, включая углерод, в техническом смысле лишь микроэлементы. Мы умеем превращать некоторые распространенные элементы в редкие, но для этого нужен ядерный реактор, причем стоимость процесса превышает затраты на разработку природного месторождения, да еще и приводит к образованию радиоактивных отходов. Вот почему в наш век золото все еще в цене. Если сложить все золото, когда-либо добытое человечеством, оно легко уместится внутри одного большого особняка. Тем не менее природная редкость некоторых полезных типов атомов, например неодима или платины, не такая большая проблема, поскольку свойства материала определяет не только атомный состав. Как мы уже знаем, разница между твердым прозрачным алмазом и мягким черным графитом не имеет никакого отношения к их атомному составу – оба материала состоят из одного и того же чистого элемента углерода. Коренное различие в их физических свойствах объясняется расположением атомов либо в виде куба, либо в виде слоев шестиугольных пластин. Эти структуры неслучайны – вы не можете создать любую, на свой выбор, – и подчиняются законам квантовой механики, которая трактует атомы не как сингулярные частицы, но как выражение многих волн вероятности. (Вот почему имеет смысл называть структурами как сами атомы, так и их упорядоченные скопления.) Некоторые из квантовых структур образуют свободные электроны, и тогда материал обладает электропроводностью. У графита именно такая структура, поэтому он проводит электричество. В алмазе точно такие же атомы, но в иной структуре не позволяют электронам свободно перемещаться внутри кристалла, поэтому алмазы не проводят электричество. Кстати, подобным же образом объясняется и их прозрачность.
Чудеса природы иллюстрируют тот факт, что даже с весьма ограниченным набором атомных ингредиентов можно создавать материалы с самыми разнообразными свойствами. Прекрасный пример тому – наши тела. Мы сделаны главным образом из углерода, водорода, кислорода и азота; легкие перестановки в молекулярной структуре элементов, щепотка минералов, таких как кальций и калий, дали широкий ассортимент биоматериалов, от волос до костей. Трудно переоценить философское и технологическое значение этой материаловедческой максимы: чтобы постичь сущность материального объекта, недостаточно знать его базовый химический состав. В конечном счете на ней стоит современный мир.
Следовательно, чтобы создать новый материал, мы должны соединить атомы. Если их наберется около сотни, получится так называемая наноструктура. «Нано» означает «одна миллиардная», этот мир населен телами примерно в миллиард раз меньше нас. Макромолекулы из десятков и сотен атомов образуют более крупные структуры, чем атомы. К этим структурам относятся физиологические белки и жиры; также наночастицы составляют основу пластиков, например нитроцеллюлозы, из которой делают целлулоид, и лигнина, который удаляют из древесины, прежде чем сделать из нее бумагу. Пористая наноструктура образует мелкодисперсную пену, такую как аэрогель. Все материалы, упомянутые в этой книге, проявляют свои характерные признаки на уровне наномолекул, и манипуляции именно с этой структурой существенно влияют на их свойства. Люди применяют нанотехнологии не одну тысячу лет, но косвенно – к примеру, при плавке металла. Когда кузнец ударяет молотом по куску железа, он меняет форму кристаллов, перемещая атомы в кристаллической решетке со скоростью звука. Разумеется, мы не видим этих наноразмерных превращений. На своем уровне мы замечаем лишь, как меняется форма металла. Для нас металл существует в виде цельного куска – вся замысловатая механика кристаллов открылась нам лишь недавно.
Нанотехнологии сегодня у всех на слуху, потому что теперь мы вооружены микроскопами и инструментами для прямого воздействия на эти мельчайшие скопления атомов и можем создать целый ряд новых наноструктур. Например, накопители света, которые сохраняют его в виде электричества, наноизлучатели и даже запахоуловители. Кажется, наши возможности безграничны, но самое интересное, что многие наноструктуры способны к самосборке. То есть материалы умеют сами себя создавать. Звучит пугающе, но на самом деле это полностью укладывается в законы физики. Ведь в чем принципиальная разница между мотором автомобиля и нанодвигателем? В нановерсии преобладают и очень ярко выражены электростатическая сила и поверхностное натяжение, которые удерживают частицы вместе, в то время как сила тяжести очень слаба. На автомобильный двигатель сильнее всего действует земная гравитация, растаскивающая детали двигателя в разные стороны. Можно сконструировать наномашины, которые будут собирать (и чинить) себя сами под действием электростатической силы и поверхностного натяжения. Подобная молекулярная машинерия по большей части уже присутствует в клетках, почему они и способны к самосборке, а вот мы на своем, человеческом, уровне нуждаемся в клее и мускулах.
Наноструктуры все же слишком малы. Чтобы увидеть или хотя бы почувствовать их, приходится собирать их и встраивать в микроскопические структуры, крупнее в десять-сто раз и тоже невидимые, – но с этими уже можно взаимодействовать. Речь идет о грандиозном технологическом достижении XX века – кремниевых микросхемах. Эти мельчайшие скопления кристаллов кремния и электропроводников приводят в движение электронную вселенную. Их миллиарды внутри множества окружающих нас электронных машин. Это они воспроизводят для нас музыку, фотографируют нас на отдыхе, стирают нашу одежду. Они являются искусственным эквивалентом нейронов мозга и по размеру сопоставимы с ядрами клеток человеческого тела. Как ни странно, в них отсутствуют мобильные составляющие, и для управления потоком информации они используют лишь электрические и магнитные свойства материалов.