Научни новини: Титанови сърца, генни редакции, биополимери и една космическа одисея с щастлив край

Човекът с титаново сърце

Сърдечната хирургия е напреднала значително от средата на миналия век. От първите опити за ксенотрансплантация (на сърца от примати и прасета), през усъвършенстването на процеса на прехвърляне на сърце от човек на човек, до първата трансплантация на генномодифициран орган от прасе. Използването на животински органи е стъпка, която се налага както по етични, така и по чисто практични причини – откриването на съвместим донор е трудно и поради това за ново сърце чакат много пациенти. За някои от тях, чието състояние не е критично, изчакването може и да не е от съществена важност, но за други дори период от няколко седмици се оказва решаващ.

Тук на помощ идват устройствата, които могат да поемат отчасти или напълно работата на сърцето, като във втория случай те се наричат изцяло изкуствени сърца (total artificial heart). Тези импланти могат да заменят сърдечния мускул и да осигурят непрекъснато кръвообращение при пациенти с остра сърдечна недостатъчност, като най-често се използват в периода на изчакване за трансплантация (bridge to transplant). През годините изкуствените сърца биват усъвършенствани и размерът им намалява значително. Вече има модели, при които външната част, съдържаща батериите, контролера и други помощни системи, се побират в раница. Въпреки това рядко се изписват пациенти с имплант.

Именно поради това случаят, обявен в началото на месеца от австралийска болница, буди интерес. Мъж е получил иновативен имплант, изработен от титан, с който е прекарал малко над сто дни, докато се намери подходящ донор, като част от това време той е прекарал извън болницата. Благодарение на конструкцията си устройството е леко и компактно, а единствената движеща се част в него е магнитно левитиращ ротор, който изпомпва кръвта. По този начин се избягва механичното триене и износване на подвижните части, което намалява значително вероятността от повреди.

Продуктът на компанията BiVACOR е в начален стадий на изпитания – първата операция за имплантиране е направена в средата на миналата година, но към момента резултатите са обещаващи. Все още е рано да се каже колко дълго може да оперира устройството, но компанията има прототип, който работи вече четири години в лабораторни условия. Именно това е и целта на конструкцията – да се направи имплант, който е достатъчно малък и лек, така че да се използва и от жени и деца; да е мощен, за да може да поддържа дори физически активни мъже, и най-вече дълготраен, за да осигури достатъчно време за откриване на оптимален донор.

Австралийският пациент не е поставил рекорд, защото американецът Стан Ларкин живее над 500 дни с помощта на изцяло изкуствено сърце. Немалка част от това време той прекарва извън болницата със семейството си, като дори успява да спортува. Въпреки това новините от Австралия са вълнуващи и важни – опростената титанова конструкция на новата разработка предполага значително по-дълго да се използва без подмяна. Въпреки че все още не е ясно кога ще бъде одобрена за масова употреба, иновацията дават надежда, че в бъдеще някои пациенти ще могат да живеят пълноценно с механични сърца и нуждата от донори ще намалее.

Генни редакции при човекоподобни

При изследването на заболявания, срещащи се при хората, учените най-често се спират на експериментални животни, с които се работи по-лесно – например мишки. За съжаление, когато е необходимо високо сходство с човешкия организъм, разликите в анатомията и метаболизма правят това невъзможно. В такива случаи изследователите обикновено работят с примати. Яванският макак е близък до човека и често се използва при изследването на инфекциозни и неврологични заболявания, безопасността на медикаменти и в други предклинични експерименти. За тази цел, в зависимост от конкретния опит, се създават генетично редактирани животни, в които са „изключени“ някои гени или тяхната експресия е засилена, или пък са вмъкнати нови.

Но създаването на трансгенни примати не е тривиално. Често използван вектор за вмъкване на гени са лентивирусите, които намират приложение дори в генната терапия при хора. Въпреки това употребата им има редица недостатъци – количеството генетичен материал, което може да се пренесе в гостоприемника, е ограничено, а получените животни много често са мозаечни (някои от клетките им носят новите гени, а други – не). Наред с това подборът на трансгенни ембриони е труден и отваря вратите за грешки, което означава ненужно убиване на експериментални животни. 

Поради това търсенето на нови механизми за внасяне на трансгени в примати е изключително активно и наскоро японски екип предложи алтернатива, базирана на транспозонната система piggyBac. Транспозоните са фрагменти ДНК, които имат способността да се отделят от основната нишка на генома и да прескачат на други места. Феноменът е много интересен и е открит от Барбара Макклинтък, за което тя получава Нобелова награда за физиология и медицина през 1983 г. В случая транспозонът е специално „сглобен“, така че да носи чужда генетична информация и след внасянето му в клетките може да се интегрира в генома им.

Този подход решава някои от ключовите проблеми с лентивирусите – размерът на ДНК, която може да се вмъкне, е много по-голям, селекцията на ембрионите може да стане на по-ранен етап, няма нужда от вземане на мерки за биобезопасност, а се оказва и че има по-голяма успеваемост от системите, базирани на вируси.

Учените са измислили сравнително прост начин, за да изпитат системата. Вмъкват генетична информация за синтеза на две флуоресцентни багрила – червено и зелено, които могат да се засекат съответно в мембраните и ядрата на клетките. Тази флуоресценция се наблюдава от учените във всички изследвани тъкани, което означава, че внасянето на гените е стабилно. Донякъде очаквано, интензитетът на флуоресценцията в различните тъкани не е еднакъв, което ясно показва нуждата от внимателно подбиране на правилни промотори – своеобразни ключове, активиращи експресията на гените. Така технологията би станала още по-прецизна, давайки възможност за насочване към конкретни тъкани, в които учените искат да бъде активна трансгенната ДНК.

Създаването на животни с променен геном е от голяма важност за медицинските проучвания, поради което приносът на това изследване е значителен. Очакват се и още подобрения след оптимизацията на промоторите и създаването на библиотека според целевите тъкани. Много вероятно е системата да намери и други приложения, например за генна терапия или други цели. Пример е CRISPR – обикновен инструмент за генетична редакция, който направи революция в молекулярната биология.

Нов поглед върху целулозата

Целулозата е най-разпространеният биополимер на планетата и се открива в растения, водорасли и бактерии. При растенията тя е част от клетъчната стена, поддържаща клетъчното съдържимо, което е под високо осмотично налягане. Това позволява на растенията да са едновременно гъвкави, но и да могат да устояват на тежестта си. Напоследък поради специфичните си свойства, освен за традиционните производства като текстил и хартия, целулозата става все по-търсена суровина за нови разработки – биогорива, опаковки и др. В две скорошни публикации е представена още по-интересна употреба на природния полимер.

Към момента повечето детергенти са продукт на химическата (съответно петролната) промишленост, но това не е единствената екологична вреда. Голяма част от тях съдържат помощни вещества, които са опасни за екосистемите. Пример за това са фосфатите – те се добавят с цел омекотяване на водата, тъй като твърдата вода (с повече разтворени карбонати в нея) отмива по-лошо замърсяванията. След употребата на препарата фосфатите попадат във водния цикъл и създават риск от еутрофикация. Това е процес, при който при прекомерна концентрация на хранителни вещества във водните басейни се наблюдава бурен растеж на водорасли (т.нар. цъфтеж на водата) – така кислородът във водата намалява и условията за живот на водните обитатели се влошават.

Възможно решение, при което се използват природни материали, предлагат учени от Китай. Те комбинират наноцелулозни фибри, получени от дървен материал, с протеина зеин, извлечен от царевица. Двете съставки работят в тандем и създават специфична емулсия, която има способността да обвие маслените капки, съдържащи замърсителя, и да ги отдели от повърхността, на която са се закрепили. Така получените агрегати са хидрофобни и това помага да бъдат отмити.

От публикуваните резултати се вижда, че при еднаква концентрация разработката им е по-неефективна от традиционните препарати. Но при увеличаване на концентрацията на емулсията тя се справя по-добре с петна от мазнина и доматена паста върху памучен плат. Сходни резултати се наблюдават и при домакински съдове, замърсени с мазнина. Повишената концентрация не притеснява авторите, тъй като при микроскопски анализ те са установили, че по измитата повърхност няма остатък от емулсията, което предполага, че тя не може да навреди на тъканите и съдовете.

Предвид достъпността на основните суровини, необходими за иновативния препарат, той има потенциал да предложи екологична алтернатива на традиционните детергенти, при това на по-ниска цена, ако производството му стане по-масово.

Способността на тези емулсии да улавят маслени частици привлича интереса и на друг китайски екип, който създава аерогел за пречистване на вода, замърсена с мазнини. В състава на препарата са включени наноцелулозни фибри и титаново-карбиден максен (Ti₃C₂T_x). Максените (MXenes) са сравнително нови материали, които са изградени от много тънки слоеве, подобно на графена, и са хидрофилни (привличат вода). След първата публикация през 2011 г. те бързо намират най-разнообразно приложение – в батерии и суперкондензатори, различни сензори и разработки за целево депониране на медикаменти.

След химическа обработка на този аерогел той става значително по-стабилен и с хидрофобна повърхност. Благодарение на това си свойство може да бъде използван като филтър, който адсорбира (задържа по повърхността си) мазнините, но не поема вода. Така задържащата му способност се увеличава многократно – 1 грам от материала може да задържи между 20 и 70 грама различни органични вещества, като етанол, соево и машинно масло. Впечатляващото е, че материалът може да се регенерира без значителни загуби на способността си да поема мазнини – след пет цикъла на употреба тя намалява само с 11%.

Съвременната химия се развива с бързи темпове и дава възможност за използване на най-различни отпадни суровини от други промишлености по иновативни начини. Това само по себе си е полезно за природата, но в комбинация с производство на екологични продукти прави разработките още по-интересни.

Отново на Земята

Астронавтите Суни Уилямс и Бъч Уилмор успешно се върнаха на Земята, след като прекараха 286 дни вместо планираните 8 на Международната космическа станция (МКС). Това не е най-дългият престой в Космоса. Рекордът е поставен от Валери Поляков, който остава на станция „Мир“ 437 дни. Много вероятно е обаче престоят на Уилямс и Уилмор да е най-дългото непредвидено удължаване на мисия. По тази линия предишният първенец е Сергей Крикальов, често наричан последният гражданин на СССР, който бива заварен от падането на режима на борда на станция „Мир“, където остава 311 дни – два пъти повече от предвиденото.

Американските астронавти излетяха към МКС в средата на миналата година с помощта на експерименталната капсула „Старлайнер“ на компанията „Боинг“. За съжаление, след редица технически проблеми NASA взе решение капсулата да се върне без екипажа си. Операцията премина с леки технически затруднения, които не биха застрашили хората на борда ѝ. Връщането на двамата астронавти бе делегирано на SpaceX и тяхната капсула Dragon като част от следващия планиран екипаж към орбиталната станция (SpaceX Crew-9), чийто състав беше намален, за да има две свободни места. Поради тези промени изстрелването на ракетата се забави с около месец. През това време SpaceX направи рокади в площадките за изстрелване, а „паркираните“ на МКС капсули бяха преместени на други портове, за да се освободи място.

Очаквано, ситуацията беше използвана и за политически интриги – Илън Мъск обвини предишната президентска администрация, че е изоставила астронавтите, а малко след като встъпи във втория си мандат, Доналд Тръмп поиска от Мъск да върне астронавтите, въпреки че планът за това беше изготвен преди месеци. След приводняването на капсулата, в официалния профил на Белия дом в X беше пуснато съобщение, че президентът е изпълнил обещанието си да ги спаси, като беше добавена благодарност към Мъск.

В крайна сметка, въпреки техническите и политическите премеждия, историята на двамата астронавти приключи успешно и те вече са при семействата си. През деветте месеца, които прекараха на станцията, Суни Уилямс и Бъч Уилмор не показаха признаци на умора. Скоро след като стана ясно, че престоят им ще се удължи значително, те бяха приобщени към постоянния екипаж и включени в експерименталната работа и в поддръжката на станцията, като Уилямс дори пое командването ѝ през голяма част от времето, което прекара на нея. Тя също така постави рекорд за най-дълго време, прекарано в открития Космос от жена – над 62 часа. И двамата астронавти са ветерани с дълъг опит, което най-вероятно им е помогнало да останат в добро състояние на духа и да не приемат определението „космокрушенци“. Въпреки че рискът от здравословни проблеми при удължен престой в Космоса не е пренебрежим, към момента няма информация някой от двамата да има оплаквания.