Свиньям восстановили функции органов через час после смерти

+

В течение нескольких минут после последнего удара сердца в организме запускается целая серия биохимических реакций, вызванных недостатком кислорода и питательных веществ. Эти реакции начинают разрушать клетки и органы тела. Однако этот процесс можно замедлить, считают ученые Йельского университета.

Три года назад, в 2019-м, исследователи разработали технологию BrainEx – она позволила через несколько часов после смерти восстановить клетки мозга мертвых свиней. В своей новой работе те же ученые использовали новую технологию – OrganEx, когда в органы и ткани доставляли специально разработанную защитную жидкость для клеток. Таким образом специалистам удалось восстановить кровообращение и другие клеточные функции у животных через час после смерти.При этом биохимические показатели были практически нормальными и стабильными, а органы предохранялись от деградации на тканевом, клеточном и молекулярном уровне.

Вскоре после прекращения дыхания и кровообращения клетки в тканях закисляются и отекают, что приводит к нарушению целостности их мембран и гибели. В организме в большом количестве выделяются гормоны и цитокины, активируются нервная, иммунная и свертывающая системы. Все это приводит к повреждению органов, системному ацидозу и гиперкалиемии. Тем не менее, исследователям неоднократно удавалось получить образцы жизнеспособных клеток и тканей, а также зафиксировать электрофизиологическую активность спустя длительное время после смерти.

Поддержание жизнеспособности органов и тканей — ключевая задача трансплантологии. Обычно ее обеспечивают промыванием органа специальным раствором и его охлаждением, но такой подход работает лишь в течение нескольких часов. В экспериментах удается значительно продлить время жизни извлеченных из организма почек, печени, сердца и легких, создавая определенные условия и искусственно обеспечивая их перфузию (ток жидкости по системе кровеносных сосудов).

В 2019 году сотрудники Йельского университета под руководством Ненада Сестана (Nenad Sestan) представили систему BrainEx, с помощью которой им удалось восстановить кровоток и отдельные функции в изолированном свином мозге через четыре часа после смерти животного. Теперь они усовершенствовали ее и испытали в масштабах целого организма. Новая система получила название OrganEx.

Она состоит из резервуара с перфузионным раствором, оксигенатора (для насыщения кислородом и выведения углекислого газа), диализатора (для удаления продуктов метаболизма и распада тканей), систем подачи гепарина (для предотвращения свертывания крови) и смеси лекарственных препаратов (в том числе антиоксидантов и экспериментальных супрессоров механизмов клеточной смерти), соединенных системой насосов, а также регулятора температуры, набора датчиков и системы управления. Подготовленный раствор подается из выхода системы через артериальный катетер в аорту ниже отхождения от нее почечных артерий и, прошедший через весь организм и смешанный с кровью, забирается на вход по венозному катетеру из правого предсердия. Раствор подается с пульсацией, которая имитирует естественный кровоток, под контролем артериального давления.

Для получения перфузата исследователи модифицировали разработанный ими ранее Hemopure, который представляет собой очищенный полимеризованный телячий гемоглобин в сбалансированном растворе лактата и минеральных солей. В соответствии с данными от метаболических датчиков система в процессе циркуляции добавляет в него электролиты (или удаляет их излишки), буферные растворы, глюкозу, аминокислоты, витамины и другие необходимые вещества.

Устройство OrganEx

+

Для испытаний OrganEx использовали свиней (Sus scrofa domesticus) массой 30–35 килограмм. После введения гепарина и препаратов для наркоза у них вызывали остановку сердца. У части животных забирали ткани на анализы непосредственно после этого. Остальных оставляли, поддерживая температуру тела на физиологическом уровне 36–37 градусов Цельсия. После этого еще у части животных проводили вскрытие с забором образцов спустя час и семь часов.

Остальным через час после остановки сердца либо начинали проводить стандартную экстракорпоральную мембранную оксигенацию (ЭКМО) собственной крови животных, либо подключали их к OrganEx и наблюдали в течение шести часов с последующим забором образцов.

Флюороскопическая ангиография, допплерография, оксиметрия и анализы крови показали, что экспериментальная система обеспечила адекватную перфузию и стабильное насыщение кислородом внутренних органов и мозга с нормализацией кислотности и электролитного состава крови, в то время как ЭКМО с этой задачей не справилась.

Восстановление перфузии органов при использовании ЭКМО и OrganEx

+

Функциональные показатели, включая поглощение глюкозы разными тканями, сократительную активность сердца, синтез белков в печени и другие, подтвердили высокую сохранность органов у животных из основной группы.

Функциональные показатели органов при использовании ЭКМО и OrganEx

+

Иммуногистохимическое исследование образцов префронтальной коры мозга, гиппокампа, сердца, печени и почек показало, что через шесть часов после подключения к OrganEx эти органы сохраняют свою тканевую и клеточную целостность на уровне, сопоставимом с образцами, полученными сразу после смерти. Кроме того, в клетках мозга, сердца, печени и почек наблюдалось подавление выработки маркеров различных сигнальных путей клеточной гибели, таких как активированная каспаза 3 (actCASP3), результаты TUNEL, интерлейкин-1β, сериновая/треониновая киназа 3 (RIPK3) и глутатионпероксидаза 4 (GPX4). При ЭКМО, напротив, происходило выраженное некротическое повреждение клеток и тканей.

Анализ тканевой и клеточной целостности органов в основной и контрольных группах

+

Результаты секвенирования РНК одиночных ядер в образцах гиппокампа, сердца, печени и почек подтвердили супрессию повреждения клеток и указали на запуск некоторых восстановительных процессов в них при использовании OrganEx.

Результаты секвенирования РНК одиночных ядер в образцах гиппокампа, сердца, печени и почек

+

По мнению авторов работы, полученные результаты не только свидетельствуют о функциональной пригодности разработанной методики, но и указывают на недооцененный потенциал клеточного восстановления после длительного отсутствия кровоснабжения при поддержании температуры тела у крупных млекопитающих.

В случае успеха дальнейших испытаний OrganEx может значительно увеличить количество качественных органов для трансплантации. В далекой перспективе модификации этой системы, возможно, найдут применение и в спасении пациентов, находящихся в критическом состоянии.

Как отметил в сопутствующем комментарии в Nature эксперт по биоэтике и законодательству в области трансплантологии Брендан Пэрент (Brendan Parent) из Нью-Йоркского университета, при внедрении подобных систем в клиническую практику придется серьезно пересмотреть подход к прекращению жизнеобеспечения безнадежных пациентов, поскольку здесь идет речь о сохранении органов, не извлеченных из тела донора.