Репетиции операций, 3D-органы, сердце в контейнере. Как спасают в клинике им. Мешалкина

Сердце — это буквально центр вселенной любого человека. Часто мы пренебрежительно называем его мотором, но по сути это и есть механизм запуска жизни в организме. Большая роль сердцу отводится и в моральной составляющей человеческой природы. Мы считаем, что именно там поселяется любовь, и там же живут дорогие нам люди, а когда мы огорчены, то говорим, что сердце у нас разбито. Но когда речь заходит о «починке», лирика отходит на задний план, и помочь могут холодная голова, точный расчет и профессиональная инженерия.

Именно такой — прагматичный и сугубо научный подход — уже 66 лет спасает жизни пациентов Национального медицинского исследовательского центра им. ак. Е.Н. Мешалкина. Центр стал одной из визитных карточек Новосибирской области, и у многих устоялось представление, что «Клиника Мешалкина» — это круто. Но не всем доступно закулисье этой «крутости», объясняющее успех клиники. «Деловой квартал» побывал в одной из множества лабораторий центра и узнал, как «репетиции» операций улучшают их исход и какое научное решение вскоре сможет упростить процессы пересадки сердца.

Репетиция операций

Очевидно, что для увеличения шансов пациента на успешное выздоровление и высокое послеоперационное качество жизни необходима тщательная и сложная подготовка хирурга к вмешательству. Но если знания и профессиональные навыки врачей дополнить сложной инженерной мыслью, можно значительно укрепить подготовительный фундамент.

В 2022 г. в НМИЦ появился 3D-принтер, печатающий точную копию органа конкретного пациента из полимеров, чтобы на ней можно было предварительно отработать все манипуляции, проверить гипотезы, отточить приемы, протестировать имплантаты. Принтер работает по технологии SLA. Как рассказал младший сотрудник Института экспериментальной биологии и медицины ФБГУ «НМИЦ им. ак. Е.Н. Мешалкина» Минздрава России Сергей Владимиров, это такой способ, при котором жидкий полимер меняет свои физические свойства под воздействием лазерного излучения определенной длины волны. Жидкий полимер превращается в пластмассу с определенными физико-химическими свойствами и наносится послойно — так создается модель. Технология также известна как фотополимеризация в ванне или 3D-печать с использованием полимерной смолы.

«Модели, напечатанные на принтерах SLA, имеют самое высокое разрешение и точность, самую четкую детализацию и самую гладкую поверхность по сравнению с другими технологиями 3D-печати, но главное преимущество этого метода заключается в его универсальности», — пояснил ученый.

Это означает, что принтер в точности до микрона воспроизводит конкретный орган пациента со всеми его особенностями, и врач в дальнейшем может отработать на нем все предстоящие манипуляции, что сократит время на принятие решений во время операции и увеличит шанс на успех.

«Дело в том, что врожденные пороки сердца — это очень сложная анатомия, которую не всегда можно рассмотреть на компьютерной томографии. В таких случаях врачи обращаются к нам за печатью 3D-модели, на которой они уже могут увидеть все нюансы, сделать расчеты и перепроверить гипотезы. Нестандартные ситуации возникают и в хирургии приобретенных пороков сердца — когда камеры и сосуды органа значительно изменены в связи с заболеванием. Какую стратегию оперативного вмешательства лучше выбрать, какой протез лучше подойдет, как закрепить его? Ответы на эти вопросы врачи находят в работе с 3D-моделями. Поводы для обращения к такому методу возникают в клинической практике практические еженедельно», — рассказала директор Института экспериментальной биологии и медицины ФБГУ «НМИЦ им. ак. Е.Н. Мешалкина» Минздрава России, доктор медицинских наук Ирина Журавлева.

Как создается полимерный орган

Для 3D-моделирования и печати в НМИЦ создана межотраслевая команда специалистов: врачи рентген-диагностики, инженеры-физики и биологи из Института экспериментальной биологии и медицины отвечают за разные этапы работы.

На первом этапе врачи отделения лучевой диагностики проводят КТ-исследование сердца пациента или МРТ (в зависимости от ткани) для получения файла в формате DICOM. На основе полученных данных создается компьютерная 3D-модель сердца.

На втором этапе инженер-физик Института экспериментальной биологии и медицины обрабатывает полученную модель для запуска цикла печати на 3D-принтере. Изготовление модели из медицинского пластика занимает от 24 до 36 часов. За неделю на одном устройстве можно напечатать две-три анатомические модели.

Далее к работе подключаются лаборанты, чья задача — кропотливый ручной труд по обработке поверхности 3D-модели. После завершения печати ее необходимо промыть изопропиловым спиртом, чтобы удалить с поверхности остатки неотвердевшего полимера, а когда промытая модель высохнет, осуществляют финальную полимеризацию — процесс, который обеспечивает максимально возможную прочность и стабильность деталей. Для этого применяется специальная ультрафиолетовая камера с нагревом. В финале остается только в ручном режиме удалить с очищенной и полимеризованной модели поддерживающие структуры. Добившись нужной конфигурации и прозрачности изделия, можно приступать к эксперименту.

Деньги и санкции

Как рассказал Сергей Владимиров, сама SLA-технология 3D-печати не нова на рынке и разработана давно, однако первые подобные машины были дорогими, а качество печати было далеким от идеала. Со временем фирмы-производители — как, например, американская Formlabs — существенно усовершенствовали технологию как на аппаратном, так и на программном уровне, сделав процесс печати более качественным и, главное, предсказуемым, превратив создание сложнейших 3D-моделей в рутину. Был разработан широкий ассортимент фотополимеров, в том числе и подходящие для создания анатомических моделей, а стоимость всей этой технологии существенно снизилась. Сейчас такие принтеры можно встретить повсюду: в инжиниринговых центрах, лабораториях, стоматологиях, университетах, школах и даже домах людей, увлеченных прототипированием и моделированием.

Однако перспективы использования американского аппарата сегодня туманны: в связи с санкциями стало сложнее покупать и само оборудование, и сырье для печати. Пока их еще можно приобрести в России — запасы есть, но с ростом потребности российских клиник в таком оборудовании оно может быстро закончиться. Как будут развиваться события — покажет время, а пока ученые продолжают проводить исследования, чтобы совершенствовать свои технологии и находить принципиально новые решения и подходы к решению задач, стоящих перед кардиохирургами. Например, в ближайшей перспективе специалисты центра проведут исследование по созданию автономного транспортного контейнера для транспортировки сердца вне организма.

Сердце в контейнере

Проект направлен на разработку способа длительного поддержания функций органа вне тела и создания специального контейнера, в котором орган может быть транспортирован на большие расстояния.

«Нехватка донорских сердец — острейшая проблема во всем мире. Одним из способов ее решения может быть расширение географии донорских баз. В нашей стране этому препятствуют значительные расстояния между донорскими базами и центрами трансплантации. Используемый в настоящее время способ консервации сердца позволяет безопасно транспортировать орган в течение трех-четырех часов, что заставляет нас отказываться от использования доноров из отдаленных регионов. Наш проект направлен на разработку технологии поддержания функции сердца вне тела донора на протяжении всего периода транспортировки. Для решения поставленной задачи наша команда разрабатывает специальный транспортный контейнер, способный поддерживать функцию трансплантата. Ряд экспериментов на животных должен доказать преимущества такого способа по сравнению с методом, применяемым сегодня — фармакохолодовой консервацией в пакете со льдом, когда сердце находится в состоянии ишемии, то есть не функционирует и не питается кровью. Доказано, что восстановление функций после трансплантации зависит от длительности перенесенной органом ишемии. Предлагаемый нами способ позволит сохранять сердце до суток в условиях его непрерывного функционирования вне тела», — рассказал руководитель проекта, кандидат медицинских наук, научный сотрудник НМИЦ им. ак. Е.Н.Мешалкина Максим Жульков.

Чтобы реализовать проект, научные сотрудники центра должны разработать специальную хирургическую технику изъятия сердца, отличную от той, что применяется сегодня в клинике. Суть ее заключается в постепенной изоляции сердца вместе с легкими с сохранением кровотока в органах — в таком состоянии сердце сокращается самостоятельно, не требуя участия центральной нервной системы, а собственные легкие донора, не будучи отсоединены, продолжают насыщать кровь кислородом.

Самостоятельно сокращающийся орган будет сохраняться в контейнере на этапе доставки до клиники, затем, уже в операционной, его будут останавливать и практически сразу имплантировать в тело реципиента. Таким образом, период ишемии органа, по словам Максима Жулькова, будет сокращен до минимума.

В качестве экспериментальной модели для отработки новой техники забора сердца ученые выбрали минипигов. Их органы функционально и анатомически сопоставимы с органами человека, поэтому именно на них уже несколько лет отрабатываются в экспериментальных операционных новые методики выполнения кардиохирургических вмешательств.

В ходе эксперимента будет изучено поведение сердца вне тела с течением времени, подвергнуты сравнению разные способы сохранения сердца, поддержания биохимического состава крови и функции извлеченного органа.

«В итоге мы должны не только разработать методику поддержания функции сердца вне тела, но и предложить и опробовать систему, позволяющую перевозить орган на борту самолета, автотранспортом или поездом. Это должен быть транспортный модуль, требующий устройства искусственной вентиляции легких и устройств для искусственного согревания жидкостей, технических возможностей для обеспечения кардиостимуляции. Наша задача — найти возможность поддержать все жизненно важные константы, чтобы орган продолжал функционировать так, как это было бы в теле», — рассказал руководитель проекта.

Поскольку проект включает в себя множество направлений, он требует коллаборации специалистов, так как работы сопряжены с исследованиями в области и математического моделирования, и физики, и биоинженерии, и фундаментальной медицины. В исследованиях примут участие специалисты Института экспериментальной биологии и медицины НМИЦ в коллаборации с учеными научных центров СО РАН: Института цитологии и генетики и Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича.

Финансирование на исследование на первых этапах выделялось самим центром, затем проект получил грантовую поддержку Российского научного фонда.

«Мы предполагаем, что в случае успешной реализации проекта и последующего внедрения в клиническую практику новое технологическое решение позволит значительно увеличить пул донорских органов — мы сможем доставлять их практически из любой точки нашей страны. Это позволит увеличить количество пересадок сердца и улучшить качество оказания высокотехнологической помощи пациентам с терминальной стадией хронической сердечной недостаточности», — заключил Максим Жульков.

Фоторепортаж Егора Тиммермана