В наши дни машины больше не воют и не лязгают — они негромко гудят или работают бесшумно. К таким машинам относятся и бионические устройства, заменяющие почки, поджелудочную железу, печень и сердце.

Бионические почки

Кровь в организме нуждается в постоянной фильтрации, иначе она не сможет поддерживать жизненные процессы. Токсины и шлаки, образующиеся в процессе обмена веществ и постоянного превращения пищевых продуктов в энергию, отравили бы нас в считанные дни, если бы не почечные фильтры. Вот почему нарушение работы почек стоит на одном из первых мест среди болезней-убийц. Почки устроены таким образом, что токсические вещества и шлаки удаляются из организма прежде всего путем фильтрации крови в многокилометровых разветвлениях капилляров, где она проходит через мембраны, отделяющие низкомолекулярные продукты распада от белков крови и других жизненно важных молекул.

Виллем Кольфф, молодой голландский врач, во время второй мировой войны начал исследования с целью создания искусственной почки, которая могла бы заменить больные почки. Работая по ночам, чтобы не попасть в руки фашистских оккупантов (ибо он приступил к исследованиям в надежде помочь раненым голландским партизанам), Кольфф начал экспериментировать с разнообразными конструкциями искусственных почек. Пользуясь только тем оборудованием, которое нацисты считали необходимым для практикующего врача, он сконструировал аппарат, напоминающий барабан, где кровь могла циркулировать над искусственной мембраной большой площади. У Кольффа не было под рукой современных высококачественных пластических и фильтрующих материалов для такой мембраны, и он пользовался в качестве фильтров целлофановой оберткой для колбас. И хотя его аппарат (напоминающий маленькую стиральную машину, где барабаны вращались в растворе глюкозы, чтобы токсины "вымывались" из крови) был очень примитивен, он действовал.

Громоздкая конструкция Кольффа для диализа (по-гречески "диализ" значит "растворение") в наши дни превратилась в аппаратик не больше обычного телефона. "Сахарный раствор", извлекающий токсины из крови, усовершенствован — это жидкость, по своему составу близкая к крови. Современные портативные искусственные почки можно использовать в домашних условиях. Подсчитано, что не менее 100 000 человек во всем мире пользовались заменяющим почки аппаратом.

Кольфф, работающий ныне в Институте биомедицинской инженерии при Университете штата Юта, полагает, что путем микроминиатюризации в организм человека может быть имплантировано устройство для электродиализа. Собственно говоря, он уже создал искусственную почку весом чуть больше 1 кг, которую можно носить как рюкзачок. Этот прибор способен отфильтровать все ядовитые вещества и шлаки из крови при пользовании им всего в течение двух часов в сутки.

Бионическая поджелудочная железа

Инсулин регулирует энергетические процессы внутри клеток. Поджелудочная железа среди прочего снабжает организм инсулином, и это позволяет накапливать сахар в виде жира для того, чтобы впоследствии он мог быть переработан с выделением энергии. Если этот механизм нарушается, весь процесс обмена веществ разлаживается. Клетки выделяют сахар в кровь, расщепляют собственные белки в ядовитые продукты распада и отравляют организм избытком токсичных веществ. При нехватке в организме инсулина накопление токсинов в крови приводит к разрушению клеток глаза, мозга, кровеносных сосудов. Недостаток инсулина вызывает нарушение водно-солевого баланса в организме, что может стать причиной угрожающе низкого кровяного давления, препятствующего кровоснабжению органов и повреждающего мозг.

Диабет, развивающийся вследствие недостатка инсулина в крови, входит в число десяти главных причин смертности населения США. Без специального лечения больной диабетом может прожить не более 20 лет. Ежедневно получая инсулин — перорально или в виде инъекций, — он может прожить 50 лет. Но инсулинотерапия не в состоянии изменять количество инсулина в соответствии с сиюминутными потребностями организма: зачастую его оказывается либо слишком много, либо слишком мало. Из-за этого у больного диабетом, даже получающего инсулин, всегда нарушен обмен веществ, и его организм постоянно подвергается опасности.

В настоящее время несколько групп исследователей работают над созданием бионической поджелудочной железы, которая могла бы выделять инсулин только в нужное время и в требуемых количествах. Уильям Чик из Джослинского диабетического фонда в Бостоне работает над экспериментальной моделью вживляемой поджелудочной железы, в которой используются ткани здоровой поджелудочной железы человека или животного. Помещая ткань в сеть искусственных капилляров, исследователь заставляет кровь циркулировать через них. Капилляры сконструированы таким образом, что через их стенки могут проникать только инсулин и другие небольшие молекулы, но для молекул белков и клеток крови они непроницаемы. А так как это надежно изолирует ткань поджелудочной железы от кровотока в организме, то исключается и опасность реакции отторжения, поэтому в качестве источника инсулина могут быть использованы ткани поджелудочной железы крыс или других животных. Инсулин, вырабатываемый в организме человека и многих животных, в том числе коров, чей инсулин используется при лечении диабета, сходен по составу и действует одинаково как у людей, так и у животных. Однако, прежде чем испытать изобретение Чика на людях, необходимо найти материал для капилляров, который не разрушал бы кровь больного.

Поджелудочная железа Чика не совсем искусственная, т. е. она не является механизмом в строгом смысле, поскольку в ней используются ткани настоящей поджелудочной железы, а непосредственно механизм используется лишь для определения потребности организма в инсулине и выделения соответствующего его количества из резервуара. Первый же искусственный механизм был сконструирован в 1962 г. Арнольдом Кадишем из Фонда динамики метаболизма в Лос-Анджелесе. Кадиш преобразовал аппарат, которым определяют уровень сахара в пробах крови, в прибор, способный производить эти измерения и выделять в кровь инсулин или сахар в зависимости от потребностей организма. Этот аппарат, несмотря на свою громоздкость и замедленную реакцию, доказал возможность создания полностью искусственной поджелудочной железы.

Одна из наиболее современных и усовершенствованных моделей бионической поджелудочной железы была сконструирована Дж. Стюартом Селднером из Джослина, Ку Вейчаном и Солом Айзенбергом из Уиттекеровского корпоративного центра космических исследований. Она состоит из чувствительного к глюкозе диска, вживленного в тело, и датчика, показывающего больному содержание сахара в крови, т. е. соответственно необходимое количество инсулина. (Между уровнем сахара и уровнем инсулина в крови существует обратная зависимость.) Измеритель глюкозы величиной с небольшую монету многократно испытывался на кроликах и обезьянах в течение длительных сроков — до 117 дней; его способность точно измерять динамику концентрации сахара в крови уже доказана.

Другой измеритель размером с мелкую монетку, сконструированный Сэмюэлем Бессменом из Медицинской школы Университета Южной Калифорнии, прошел испытания на людях. Когда его удастся скомбинировать с микронасосом, регулирующим количество инсулина, который также спроектирован Бессменом, мы получим полностью искусственную поджелудочную железу. Как полагает сам Бессмен, сейчас нет никаких технических трудностей, которые помешали бы созданию искусственной поджелудочной железы, необходимы лишь испытания на животных, прежде чем использовать ее для людей.

Бионическая печень

Более 25 больных в Англии, страдавших острой недостаточностью печени, испробовали на себе прибор, напоминающий прибор для гемодиализа, который сконструировал д-р Ричард Уиллсон из Медицинской школы Вашингтонского университета. По мнению Уиллсона, прибор может быть изготовлен в портативном варианте. Другие ученые разрабатывают имплантируемую искусственную печень.