ОБЗОР И ПРОЕКТ

Трансплантация головы: инженерные проблемы и их решения

Клабуков И.Д., к.б.н. заведующий отделом передовых клеточных технологий Первого МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России
6 февраля 2020
Обзор подготовлен при финансовой поддержке Георгия Соловьёва (Reminder Media).
В настоящем обзоре рассматриваются научные и технические проблемы пересадки головы в ортотопическую позицию с пересечением спинномозгового канала и формированием анастомоза.
Введение
Пересадка головы на сегодняшний день остается одной из самых трудных задач в медицине. Голова — одна из самых крупных и сложных частей тела человека.

Для успешной пересадки головы необходимо последовательное решение следующих проблем:
1
Обеспечение должной анестезии во время трансплантации.
2
Отделение головы от туловища.
3
Сохранение изолированной от туловища головы в условиях, минимизирующих повреждение головного мозга. В момент отделения от туловища наблюдается резкое падение внутричерепного кровяного давления, прекращается обеспечение мозга кислородом, что приводит к повреждениям функций мозга.
4
Осуществление спинномозгового анастомоза — сшивание нервных волокон спинного мозга с нервными волокнами головы.
5
Осуществление микрохирургических анастомозов кровеносных сосудов.
6
Восстановление циркулярных дефектов трахеи и пищевода, осложнения которых обусловлены прежде всего продолжительной ишемией, а также нарушением нормальной периферической иннервации и кровоснабжения.
7
Проведение ортопедических операций по восстановлению целостности, механической прочности и обеспечению подвижности костных элементов.
8
Обеспечение иммунологической совместимости головы и тела.
Большинство известных примеров пересадки головы или голова-грудного комплекса относятся к сосудистой хирургии, а совсем не к нейрохирургии. Так, первая известная операция парабиоза относится к 1912 году [1], непосредственно после первых работ Алексиса Карреля по отработке сосудистого шва.

В 1950-х годах Владимиром Демиховым совместно с его помощником Владимиром Горяйновым была проведена серия экспериментов по сшиванию пересеченных пополам крыс и собак с получением подобий химерных организмов. Результаты данного эксперимента описаны в его книге [2]. У животных восстанавливалось кровоснабжение нижней части тела путем наложения анастомоза аорт и полых вен. При этом пересеченные фрагменты спинного мозга просто фиксировались, попыток их сшивания для получения полноценной химеры не предпринималось. Из недостатков можно также отметить отсутствие связей лимфатической системы, спинномозгового и периферических нервов. Однако подобная серия экспериментов на крысах по сборке химерных организмов представляется хорошей экспериментальной моделью для отработки различных методов наложения сосудистого шва и восстановления проводимости спинномозгового канала. При этом ожидаемая продолжительность жизни химерного организма может составить несколько суток.

Таким образом, практические задачи трансплантации головы сводятся к отработке методов обеспечения целостности изолированного головного мозга, микрохирургических анастомозов кровеносных сосудов, восстановлению, циркулярных дефектов трахеи и пищевода, ортопедических операций по восстановлению целостности, механической прочности и обеспечению подвижности костных элементов, обеспечению иммунологической совместимости.

Вместе с тем, ключевой научной задачей является создание условий для восстановления проводимости нервных волокон спинного мозга.
Проблемы стимулирования нейрогенеза в пересеченном периферическом нерве
Модель восстановления пересеченного волокна периферического нерва является хорошей моделью для понимания динамики регенеративных процессов, происходящих в нервной ткани. При восстановлении проводимости пересеченного нервного волокна наибольших результатов реконструктивная хирургия добилась в области травм пересеченных периферических нервов, при которой не всегда возможно использование аутотрансплантатов. В этом случае используются т.н. "нервные кондуиты" — биоинженерные имплантаты, стимулирующие репаративный нейрогенез.

Можно выделить несколько концептуальных подходов в развитии кондуитов:
  • 1
    Сосудистый кондуит
    Со второй половины 20-го века и до настоящего времени в клинической практике используются венозные и артериальные сосуды для вставки в место повреждения. Основными недостатками данного подхода являются дополнительное повреждение в донорской зоне, перегибы и отсутствие каркасной функции у имплантата, ограничение по длине диастаза нерва (для венозных кондуитов длина дефекта не должна превышать 3 см).

    Meng (2017) оценивал эффективность аутологичного венозного кондуита, поддерживаемого сосудистым стентом, при регенерации повреждения 10 мм малоберцового нерва у кроликов [3]. Регенерацию нервов и функциональное восстановление оценивали с помощью электрофизиологических исследований, сравнения соотношения мышечной массы между левой и правой икроножной мышцей задней конечности, морфологических наблюдений, электронной микроскопии через 12 недель после операции. Группа B (венозный кондуит) имела самый низкий результат для рефлекса торможения, тогда как у группы А (аутологичный трансплантат) был самый высокий результат рефлекса торможения.
  • 2
    Тубуляризированные кондуиты из природных и синтетических материалов
    Использовались кондуиты с дополнительными направляющими внутри. Waitayawinyu (2007) применил модель повреждения седалищного нерва крысы, дефект 10 мм. В эксперименте было 15 крыс с кондуитом из PGA, 15 крыс с сегментом аутогенного нервного трансплантата, 15 крыс с кондуитами из коллагена [4]. Через 15 недель регенерацию нервов оценивали путем измерения изометрической силы сокращения мышц, подсчета аксонов, веса мышечной массы и гистологии. Коллагеновые кондуиты и аутотрансплантаты дали сопоставимые результаты, которые были значительно лучше, чем регенерация с PGA-кондуитами.

    Целью исследования Luis (2007) была проверка in vivo двух различных нервных кондуитов, одного из PLGA, выполненного в новой пропорции (90:10) двух полимеров, Poly (L-лактид): Poly (гликолид), с (DL-лактидом -epsilon-caprolactone) сополиэфира (Neurolac), способствующего регенерации нервов через 10 мм-дефект крысиного седалищного нерва [5]. Молекулярное и сенсорное функциональное восстановление оценивали на протяжении всего периода заживления 20 недель, а с восстановленными нервами проводили морфологический анализ. Как двигательные, так и сенсорные функции были одинаковыми во всех экспериментальных группах восстановления нервов. При сравнении между двумя типами кондуитов не было обнаружено существенных различий.

    Canan (2008) подвергал две группы крыс экспериментальной резекции большеберцовых и малоберцовых нервов. Первой группе проводили регенерацию при помощи аутографта. У второй группы регенерация проводилась с коллагеновым кондуитом [6]. Через 90 дней животных умерщвляли, сегменты нерва удаляли и секционировали для микроскопии. Для получения каждого количественного параметра применялись три различные стратегии выборки, то есть размеры малых, средних и больших ступеней. Между этими стратегиями отбора проб нет существенных различий в отношении общего количества миелинизированных нервных волокон, площади поперечного сечения аксонов и толщины миелина.

    Okamoto (2009) использовал кондуит из коллагена с направляющими волокнами при повреждении малоберцового нерва размером 30 мм у собак-биглей [7]. Хотя функциональное восстановление происходило в течение 52 недель, морфологический анализ показал, что нужен более длительный период времени для полной регенерации периферического нерва.

    Penna (2011) использовал модель повреждения седалищного нерва крысы, 15 мм. Имплантировал кондуит из поливинилхлорида (ПВХ) длиной 19 мм [8]. После имплантации вокруг кондуита из ПВХ, так называемого биогенного кондуита, образовался соединительный слой ткани. Толщина стенки биогенных кондуитов увеличивалась в течение 4-х недель после имплантации. Биогенные кондуиты показали наибольшее количество сосудов на поперечное сечение через 4 недели. Результаты анализа не показали существенной разницы между регенерацией с биогенным кондуитом и аутографтом. Поперечная площадь нерва и количество аксонов в биогенной группе были значительно ниже, чем в группе с аутографтом.
  • 3
    Кондуиты с факторами роста и белками внеклеточного матрикса
    McKay (2003) на модели повреждения седалищного нерва крысы 10 мм использовал фактор ингибирования лейкемии (LIF), который, действует как «фактор травмы», потенциально увеличивая восстановительный потенциал [9]. LIF повысил эффективность регенерации. Таким образом, экзогенный LIF может сыграть потенциальную роль в развитии подходов к регенерации периферических нервов.

    Midha (2003) использовал для регенерации хирургически созданных 10-миллиметровых дефектов на седалищном нерве крысы пористые кондуиты длиной 12 мм с внутренним диаметром 1,3 мм и внешним диаметром 1,8 мм из поли(2-гидроксиэтилметакрилат-со-метилметакрилат) (PHEMA-MMA) [10]. Внутренний просвет кондуитов был заполнен коллагеновой матрицей или матрицей, заполненной либо нейротропином-3, нейротрофическим фактором мозга, либо фактором роста фибробластов. Регенерацию нервов через кондуиты с увеличенным коэффициентом роста оценивали через 8 недель после восстановления гистоморфометрическим анализом. Кондуиты были биостабильны и биосовместимы и поддерживали регенерацию нервов более чем в 90% случаев. Регенерация нервов была лучше с кондуитами, в которые были добавлены факторы роста, по сравнению с пустыми кондуитами и теми, которые содержат только коллагеновый гель (отрицательный контроль). кондуиты, заполненные FGF, продемонстрировали регенерацию, сравнимую с аутотрансплантатами (положительный контроль) и показали значительно лучшую регенерацию, чем другие группы. Время наблюдения – 8 недель.

    Lee (2003) разработал новую систему доставки факторов роста, чтобы обеспечить устойчивую доставку фактора роста нервов (NGF) [11]. Эта система доставки использует гепарин для иммобилизации NGF и замедления его диффузии из фибринового каркаса. Ранее эта система улучшала рост нейритов (длинные цилиндрические отростки нервных клеток) in vitro, и в этом исследовании оценена способность этой системы доставки улучшать регенерацию нервов по кондуитам. Протестировано влияние контролируемой доставки NGF на регенерацию периферического нерва при дефекте седалищного нерва с дефектом в 13 мм у крыс. Гепаринсодержащая система доставки изучалась в сочетании с тремя дозами NGF, результаты сравнивались с положительным контролем (изотрансплантаты) и отрицательными контролями (только один фибрин, только NGF и пустые кондуиты). Нервные волокна обрабатывали через 6 недель после операции для гистоморфометрического анализа. Результаты этого исследования показывают, что включение новой системы доставки, обеспечивающей контролируемое высвобождение факторов роста, усиливает регенерацию периферического нерва и представляет собой значительное влияние в усиление регенерации нервных волокон при коротких дефектах.

    Mohanna (2003) разработал нервный кондуит из поли-3-гидроксибутирата (PHB), заполненный глиальным фактором роста (GGF), суспендированным в альгинатном гидрогеле [12]. Повреждение в 2-4 см малоберцового нерва кролика. В эксперименте использовали кондуит PHB, содержащий либо GGF в альгинатном гидрогеле (GGF), либо только альгинат, либо пустой кондуит PHB. Ткани анализировали на 21, 42 и 63 день после операции. Регенерацию аксонов и шванновских клеток оценивали с использованием количественной иммуногистохимии. В течение всего времени исследования количество аксонов и шванновских клеток в GGF-трансплантатах было значительно больше, чем в альгинатных и пустых кондуитах, причем последний показал лучшую регенерацию, чем кондуиты с альгинатом. Результаты указывают на ингибирующее действие альгината на регенерацию, что частично отменяется добавлением GGF к каналам. В заключение, GGF стимулирует прогрессирующее и устойчивое увеличение регенерации в длинных нервных каналах.

    Ikeguchi (2006) применил модель повреждения седалищного нерва крысы, 15 мм, доказал, что силиконовый кондуит, внутренняя поверхность которого была имплантирована отрицательно заряженными ионами углерода (C-) предварительно обработанная основным фактором роста фибробластов, способствует регенерации периферического нерва, значительно ускоряет регенерацию нервов, и этот эффект усиливается основным фактором роста фибробластов. Анализы проводили на 12 и 24 неделе после операции [13].

    De Boer (2011) использовал модель повреждения седалищного нерва крысы длиной 10 мм и оценивал влияние фактора роста нервов (NGF) на кондуит из поли-молочно-ко-гликолевой кислоты (PLGA), соединяющий повреждение седалищного нерва размером 10 мм [14]. Было сравнено 9 групп: PLGA-кондуиты, заполненные физиологическим раствором, физиологическим раствором и NGF с различными концентрациями (5, 20, 50 и 100 мг / мл), ничем не заполненные и с аутологичным трансплантатом, введённые в разрыв седалищного нерва. У аутологичного трансплантата была наибольшая площадь сечения и имела значительно большее количество миелиновых волокон. Не было обнаружено существенных различий в функциональной оценке между группами или между кондуитами с микросферами и кондуитом, заполненным физиологическим раствором. Нервный кондуит PLGA способен поддерживать регенерацию нервов. Система доставки микросфер не препятствует регенерации.

    Гистоморфометрия, ретроградное отслеживание, электрофизиология и функциональные результаты оценивались до 16 недели.

    Liu (2011) разработал композитный нервный кондуит, состоящий из полимолочной кислоты-капролактона (P(LLA-CL)) и фактора роста нервов (NGF). Использовал модель повреждения седалищного нерва крысы, дефект размером 10мм. Дефекты были соединены мостиком с использованием аутотрансплантата, пустого P(LLA-CL)-кондуита, кондуита с инъекцией NGF в Р(LLA-CL) и композитного кондуита P(LLA-CL)/NGF, соответственно. Регенерированные нервные волокна собирали, а морфологическую и функциональную оценку регенерации нервов проводили через 12 недель после операции. Количество и расположение регенерированных нервных волокон, миелинизация и восстановление нервных функций были одинаковыми в группе кондуитов P (LLA-CL)/NGF и группе нервных аутотрансплантатов, но были значительно больше для пустых кондуитов P (LLA-CL) и с инъекцией NGF в P (LLA-CL). Поэтому композитный P (LLA-CL)/NGF-кондуит, который обладает благоприятными механическими свойствами и биосовместимостью, может эффективно способствовать регенерации седалищного нерва у крыс. Заживление происходило в течение 12 недель.
  • 4
    Кондуиты с градиентами нейротрофинов и других факторов роста
    Xua (2003) проверил, будет ли устойчивое высвобождение фактора роста нервов (NGF) в нервных направляющих кондуитах увеличивать регенерацию периферического нерва [15]. NGF-содержащие полимерные микросферы (РРЕ) загружали в силиконовые или PPE-каналы, чтобы обеспечить длительную, специфичную для участка доставку NGF. Каналы использовались для соединения 10-миллиметрового дефекта седалищного нерва крысы. Через три месяца после имплантации морфологический анализ выявил более высокие значения диаметра волокна, популяции волокон и плотности волокон по сравнению с пустыми кондуитами. Нервные кондуиты, иммобилизованные с градиентом NGF, имеют потенциал для будущего использования в лечении повреждённых нервов.

    Оh (2017) на модели повреждения седалищного нерва крысы (20 мм) изготовил нервный направляющий кондуит (NGC) с фактором роста нервов (NGF) [16]. Скорость нервной проводимости (через 12 и 24 недели) регенерированных нервов через NGC сравнивалась с неповреждённым нервом. Скорости проводимости нервов во всех группах NGC постепенно увеличивались со временем. NGF, иммобилизованный на кондуите усиливал регенерацию нервов. В частности, группа с градиентом NGF показала значительно более высокую скорость проводимости нерва, чем другие группы NGC, что указывает на большую функциональную реннервацию регенерированных нервов через кондуит.
  • 5
    Кондуиты с клеточным компонентом в своем составе
    Следующим этапом в развитии нервных кондуитов было создание конструкций с использованием клеточного компонента в составе конструкции.

    Shimizu (2007) применил два типа конструкций с использованием мезенхимальных стволовых клеток человека, дифференцированных в Шванновские клетки, а также линию Шванновских клеток крысы для восстановления 10-мм дефекта седалищного нерва у крыс [17]. На основе теста walking track было продемонстрировано преимущество ШК по сравнению с МСК. Срок наблюдения — 3 недели. На этой же модели Nie (2007) использовал новый тканевой нерв, заполненный дифференцированными клетками в коллагене, использовал PLGA-кондуит [18]. При этом регенерация нервов оценивалась с помощью измерения седалищного функционального индекса (SFI) ежемесячно и гистологического анализа. Показатель восстановления седалищного нерва был значительно лучше у крыс с аутотрансплантатом и выше, чем у группы с PLGA. У животных, с аутотрансплантатом с дифференцированными EMSCs регенерация была лучше, чем у животных с PGLA-кондуитом. Эти результаты показывают, что когда EMSCs имплантировались в дефект периферического нерва, то они дифференцировались в ШК, которые способствуют продвижению регенерации аксонов. Наблюдения проводили в течение 4 месяцев после операции.

    В работе Zhang (2008) модель повреждения седалищных нервов была построена на левых ногах у крыс SD (10 мм) с использованием деацетилхитинового канала [19]. Три группы: группа А — трансплантат нерва in situ (n = 12, расстояние между зазорами 10 мм); группа B — биологический канал хитина, перекрывающий дефект периферического нерва (n=12, расстояние зазора 10 мм) и группа C — биологический канал хитина, соединяющий дефект периферического нерва с нервными волокнами в каналах (n = 12, расстояние зазора 10 мм). Электрохимическое, гистологическое исследование и подсчет повторных миелинизированных аксонов были проведены на 6-й и 12-й недель после операции. Скорость нервной проводимости и подсчет повторных миелинных аксонов группы А были лучше, чем у группы В и С, а в группе С лучше, чем в группе В.

    Erba (2010) использовал модель повреждения седалищного нерва у крысы в виде дефекта длиной 10мм. ADSC, трансплантированные в искусственном нервном кондуите (PHB), стимулируют рост аксонов от проксимального нервного конца и вызывают большую пролиферацию Шванновских клеток в дистальный конец [20]. Эти результаты свидетельствуют о том, что любой регенерирующий эффект трансплантированных ADSC, скорее всего, опосредуется начальным повышением высвобождаемых факторов роста и / или косвенным воздействием на эндогенную активность ШК.

    Mohammadi (2015) изучил влияние трансплантации некультивированной стромальной сосудистой фракции (СВФ) на регенерацию седалищного нерва. 10-миллиметровый дефект седалищного нерва соединяли с помощью силиконового кондуита, заполненного СВФ [21]. Контрольная группа: силиконовый кондуит заполняли только фосфатно-буферным солевым раствором. Поведенческие и функциональные исследования подтвердили более быстрое восстановление регенерированных аксонов у животных с СВФ, чем в контрольной группе. Мышечная масса у животных в группе СВФ была значительно больше, чем в контрольной группе. Морфометрические индексы регенерированного волокна показали, что количество и диаметр миелиновых волокон значительно выше у животных с СВ, чем в контрольной группе. Трансплантация СВФ в сочетании с силиконовым кондуитом может рассматриваться как легкодоступный источник стромальных клеток, который улучшает функциональное восстановление седалищного нерва. Наблюдения проводили в течение 8 и 12 недель после операции.
Примечание: найти изображение большего размера (запросили у автора). Рисунок 1. Срез спинномозгового канала: отмечены восходящие, нисходящие и двусторонние пути
Проведенный коллективом авторов из Первого МГМУ им. И.М. Сеченова литературный обзор позволил сделать вывод, что лучшие на сегодняшний день результаты по экспериментальному восстановлению поврежденных периферических нервов были продемонстрированы на животных моделях с применением коллагенового кондуита в комбинации со шванновскими клетками [22]. В данном типе тканеинженерных конструкций активным компонентом являются шванновские клетки, выполняющие функции разрушения миелиновой оболочки аксона для обеспечения его роста, и одновременно секретирующие нейротрофические цитокины для направленного роста.

Возможно использование скаффолдов с градиентом концентраций нейротрофических факторов для стимулирования направленного роста нейрональных клеток в спинном мозге.

Хотя в спинном мозге функции шванновских клеток выполняют иные глиальные клетки (олигодендроциты), однако терапевтический эффект показала инъекция не только несвойственных нишам спинного мозга ШК (в эксперименте на крысах) [23], но и мезенхимальных стромальных клеток (МСК) в эксперименте на крысах [24], и даже несепарированная мононуклеарная фракция (МНФ) костного мозга в клинических исследованиях [25].

Эффективность использования МСК и МНФ может объясняться снижением тканевого воспаления в области их имплантации, что препятствует инфильтрации иммунными клетками и разрастанию соединительной ткани. Противовоспалительные и антифибротические эффекты применения МСК и МНФ ранее были отмечены в многочисленных исследованиях.
Спинномозговые анастомозы
В медицинской литературе приводится описание удивительных случаев восстановления проводимости поврежденного спинного мозга при смещении позвонков при переломовывихе, или повреждением спинного мозга ранящим снарядом (пулей, ножом и др.). Однако следует отметить, что имеется большое количество препятствий, не дающих возможности в адекватной хирургическим вмешательствам мере проявиться компенсаторно-восстановительным механизмам спинного мозга, поскольку соединительная ткань (рубец) как правило растет быстрее нервного волокна, и пока отсутствуют методы, которые позволили бы справиться с этим [26,27].

В обзорной работе А.Г. Аганесова по хирургическому лечению осложненной травмы позвоночника приведено описание множества таких удивительных случаев [28]. Например, Briggs у мальчика 17 лет после перелома на уровне грудного позвонка Th10 сшил спинной мозг четырьмя биодеградируемыми кетгутовыми швами, после чего отмечалось восстановление функции мочевого пузыря и ног.

Stewart и Harte в 1901 г. сшили спинной мозг через 3 ч после огнестрельного ранения в области грудного позвонка Th7 [29], причем через 8 месяцев восстановились чувствительность и движения, произвольное мочеиспускание и испражнение, оставалось только ночное недержание мочи. В дальнейшем восстановились произвольные движения бедра, голени и пальцев стоп. Однако, через 6 лет восстановленные функции были утрачены. Уже после смерти больной в 1925 г. при патологоанатомическом исследовании было обнаружено сдавление спинного мозга плотной рубцовой тканью [30].

Lumb&Nornes впервые в эксперименте с 1967 г., Derlon, Yturraspe, Young, Gorman, Roy-Camille, Lechevalier с 70-х годов XX века разрабатывают способ соединения перерезанных концов спинного мозга после удаления части или целого позвонка. Эксперимент проводился на собаках и обезьянах [5] и заключался в удалении позвонка, укорочении позвоночника и соединении перерезанного спинного мозга.

Derlon писал, что необходимо удалить поврежденную часть спинного мозга, создав резаную рану и сопоставляя культи конец в конец, нельзя также удалять большую часть спинного мозга, так как это может нанести вред, но не указывает границы максимальной резекции спинного мозга [31].

В СССР также проводились аналогичные исследования. С 1975 г. известны работы проф. В.И. Зяблова и его учеников, посвященные изучению регенерации перерезанных концов спинного мозга при последующем его соединении

В патенте А.В. Ковалева приводится резюме по исследованиям в области спинномозговых анастомозов в СССР [32]. В 1975 году В.И. Зяблов выдвигает научную концепцию о разрушающем действии (лизис, растворение клеток и тканей нервной системы под влиянием ферментов) патологически измененного ликвора при травме центральной нервной системы, в частности спинного мозга, на ткани. Был сделан вывод, что ликвор препятствует органотипичной репаративной регенерации нервной ткани [33]. Зяблов с соавторами разрабатывает новые способы оперативного вмешательства при травме спинного мозга, уменьшающих присутствие ликвора в зоне повреждения, в том числе, и на уровне изобретений, доказывает принципиальную возможность и практическую достижимость регенерации аксонов нервных клеток через зону повреждения спинного мозга в эксперименте при таком условии. В дальнейшем совместно с клиницистами (академик АМН СССР А.А. Корж, член-корр. АМН СССР Г.С. Юмашев) апробирует полученные им данные на спинальных больных в Москве и в Харькове и получает положительные результаты. Была впервые экспериментально подтверждена идея о патологическом лизирующем влиянии спинномозговой жидкости на поврежденную ткань спинного и головного мозга, были разработаны разные способы оперативного лечения, предотвращающие контакт поврежденного мозгового вещества с патологически измененным ликвором, способствующим образованию в зоне травмы кист и грубого глиосоединительнотканного рубца. Была разработана нейрохирургическая операция, одной из главных целей которой являлось снижение присутствия ликвора в зоне спинальной травмы [34]. Для предупреждения развития кист в области анастомоза после рассечения твердой оболочки спинномозговую жидкость (ликвор) удаляют из краниальной и каудальной частей подпаутинного пространства спинного мозга. Выше места его повреждения производят прокол по задней средней борозде спинного мозга до его центрального канала. Место соединения концов укрывают мягкой мозговой оболочкой и герметизируют. Способ временно и частично позволяет удалить ликвор из зоны травмы, но не позволяет обеспечить длительное воздействие веществ, стимулирующих органотипическую регенерацию спинного мозга.

Учеником В.И. Зяблова Ю.Д. Розгонюком изучена морфология спинномозгового рубца при различных способах соединения концов спинного мозга после его перерезки в эксперименте [35]. Автором произведено 8 видов операций на 88 животных, что позволило сделать вывод о возможности регенерации спинного мозга соединением его культей конец в конец в условиях изоляции анастомоза от ликвора и сохранения сосудистой сети спинного мозга. Эти условия способствуют формированию рыхлого глиосоединительнотканного рубца между культями и прорастанию сквозь него регенерирующих нервных волокон.

Восстановление поврежденных нервов удалось ускорить с помощью введения в зону повреждения особых веществ, например, полиэтиленгликоля (ПЭГ) [36]. соответствующие исследования провели две группы специалистов Техасского университета в Остине, одной из которых руководил Кристофер Спает (С.S. Spaeth), а другой — Джордж Биттнер (G.D. Bittner). В экспериментах на крысах они выяснили, что поврежденные отростки седалищного нерва грызунов быстрее срастаются в присутствии ионов кальция [37]. Использование антиоксидантов, таких как мелатонин и метиленовый синий стимулировали восстановление нейронов [38,39]. Была разработана технология использования фьюзогенов на основе полиэтиленгликоля [40].

Интересным примером использования современных технологий является случай 24-летней женщины, пострадавшей в результате скоростной лыжная авария. В этом случае спинномозговой рубец был иссечен, и в зазор установлена коллагеновая вставка. МРТ-томография показала, что в спинном мозге выросли новые аксоны и нервы.

В 2014 году польская команда сообщила о 38-летнем мужчине с травматическим разрезом спинного мозга на уровне грудного позвонка Т9. Через 2 года после травмы одна из обонятельных луковиц пациента была удалена и использована для получения культуры, содержащей клетки обонятельной оболочки и фибробласты обонятельного нерва. После резекции глиального рубца культивированные клетки трансплантировали в культю спинного мозга выше и ниже травмы, и в 8-миллиметровый промежуток, перекрытый четырьмя полосками аутологичного нерва. Пациент прошел интенсивную программу до и послеоперационной нейрореабилитации. Наблюдалось улучшение состояния пациента, частичное восстановление произвольных движений нижних конечностей и увеличение мышечной массы в левом бедре. Нейрофизиологические исследования подтвердили восстановление целостности кортикоспинальных путей и произвольный характер зарегистрированных мышечных сокращений [41].

В работе Bozkurt et al. (2010) показано, что имплантация прогениторных клеток, выделенных из спинного мозга на хитозановом матриксе способствует восстановлению спинномозговой травмы на крысах [42].

В области клеточных технологий сверхсложность выделения и культивирования клеток-предшественников олигодендроцитов делают актуальным получение индуцированных плюрипотентных глиальных клеток и создание тканеинженерныхк конструкций на матриксе с анизотропной морфологией (например, структурированный коллаген/желатин). Альтернативным подходом является снижение воспаления и фиброза за счет инъекции активно секретирующих паракринные факторы клеток — прежде всего МСК.
Изолированная голова
Рис.2. Схема пересадки головы щенка на шею взрослой собаки
Первый опыт по подсадке дополнительной головы на тело собаки выполнила команда Алексиса Каррела и Чарльза Гэнтри в 1908 году, во время эксперимента анастомозы оставались без кровообращения в течение 20 минут, и, несмотря на слуховые, зрительные и кожные рефлекторные реакции, наблюдаемые сразу после пересадки, состояние химеры быстро ухудшалось, и через несколько часов ее усыпили [43,44].

В 1950-е гг Владимир Демихов отработал тактику сосудистого шва и осуществил трансплантацию головы щенка вместе с частью грудной клетки в гетеротопическую позицию на шею другой собаки.
Рисунок 3А/Б. Собаки с двумя головами. Фотографии заимствованы из монографии В. П. Демихова: "Пересадка жизненно-важных органов в эксперименте", 1960 г.
Рисунок 3А: пересаженная голова и собака-реципиент пьют молоко; б) при повышенной температуре окружающей среды пересаженная голова высунула язык и стала производить частые (типа дыхательных) движения. Фотографии заимствованы из монографии В. П. Демихова: " Пересадка жизненно-важных органов в эксперименте", 1960 г.
Рисунок 3Б: при повышенной температуре окружающей среды пересаженная голова высунула язык и стала производить частые (типа дыхательных) движения.
Рисунок 4. Рисунок из оригинальной статьи Уайта [48], показывающий изолированную голову, пересаженную на изолированное тело обезьяны через прямой шов сонных артерий и яремных вен.
В 1965 году американский нейрохирург Роберт Уайт также предпринял попытку трансплантации головы. Его целью было выполнить пересадку мозга на изолированное тело, в отличие от Гатри и Демихова, которые пересадили всю верхнюю часть тела собаки, а не только изолированный мозг. Это потребовало от него использовать иные методы перфузии, чем его предшественники.

Фактически, поддержание кровотока в изолированном мозге было самой большой проблемой. Были созданы сосудистые петли для сохранения анастомозов между внутренней челюстной и внутренней сонной артериями собаки-донора. Эту систему называли «ауто-перфузией», так как она позволяла мозгу перфузироваться его собственной каротидной системой даже после того, как голова была отделена от второго шейного позвонка тела.

Затем кровоснабжение мозга осуществлялось анастомозами с яремной веной и сонной артерией реципиента [45]. Используя эти перфузионные методы, Уайт смог шесть раз успешно пересадить головной мозг на шейную сосудистую сеть крупных собак-реципиентов. Собаки прожили от 6 часов до 2 дней [46].

Посредством непрерывного электроэнцефалограммного (ЭЭГ) мониторинга Уайт контролировал жизнеспособность трансплантированной мозговой ткани и сравнивал активность мозга трансплантата с мозгом реципиента. Кроме того, используя имплантируемый модуль записи, он также отслеживал метаболическое состояние мозга с помощью измерений потребления кислорода и глюкозы и продемонстрировал, что после операции трансплантированный мозг находился в состоянии активного метаболизма, что по его мнению являлось еще одним признаком функционального успеха трансплантации [47].

Посредством протокола аутоперфузии и последующего отслеживания функции мозга Уайт продемонстрировал кратковременную возможность трансплантации изолированного мозга.

В 1970 г. Уайт провел первую пересадку головного мозга у приматов. Он выполнил четыре цефалосоматических анастомоза между изолированными головами обезьян и изолированными телами обезьян, используя прямой шов сонных и яремных вен. Цервикальная ламинэктомия была выполнена на уровне четвертого-шестого церебральных позвонков.

После перерезания спинного мозга из-за последующего развития спинального шока и гипотонии была начата инфузия катехоламинов и искусственная вентиляция легких, которая поддерживалась в течение оставшейся части эксперимента. Через три-четыре часа после операции голова могла жевать, глотать пищу, следить глазами за движущимися объектами и кусаться. Более того, посредством мониторинга ЭЭГ было продемонстрировано, что у паттерн характерен фазе бодрствования [49].
Рисунок 5. а — перекрестная циркуляция яремно-сонной артерии на мышиной модели трансплантации головы, б — первая трансплантация головы обезьяны с перекрестной циркуляцией. Рисунок из статьи Lamba et al. (2016) [51]
Несмотря на достигнутый результат, реваскуляризация головы оставалась проблемой, а послеоперационная выживаемость варьировала от 6 до 36 часов. Из-за сужения, которое развивалось в яремной вене на линии шва, венозный возврат из головы был затруднен. Поэтому использование прямого шва не было достаточно успешным, чтобы обеспечить беспрепятственный кровоток, и голове требовалась постоянная инфузия гепарина, что в конечном итоге приводило к кровопотере и смерти. Более того, Уайт признал, что перерезание шейного отдела позвоночника было еще одним ограничением метода, так как требовало непрерывной респираторной поддержки животного.

Дальнейшая модификация сосудистых анастомозов произошла только в 2015 году китайским хирургом Сяо-Пин Реном [50]. В отличие от ранее описанного прямого анастомоза, он использовал метод, при котором была пересечена одна только сонная артерия и контралатеральная яремная вена, что позволило неповрежденной сонной артерии и яремной вене непрерывно перфузировать донорскую голову на протяжении всей операции.

Используя этот протокол для пересадки головы у мышей, он смог поддерживать кровяное давление у мышей выше 100/60 мм рт.ст. в течение всей операции. Кроме того, записи ЭЭГ от голов доноров и реципиентов после операции продемонстрировали нормальную электрическую активность. Перерезав только одну сонную артерию и яремную вену, метод Рена сводил к минимуму травму реципиента, предотвращал развитие ишемии, а также учитывал интактную деятельность мозга. Более половины мышей в эксперименте прожили более 24 часов, при этом самая длинная выживаемость составила 6 месяцев [52]. При этом длительность каждой операции составляла около 10 часов [53].

Хотя ранее пересадка головы собаке и примату Уайта продемонстрировала кратковременный успех, отчасти из-за осложнений, связанных со свертыванием крови, гепаринизацией и ишемией, протокол реваскуляризации Рена позволил обеспечить более длительную выживаемость подсаженных изолированных голов у мышей.

В 2014 году Рен предложил альтернативу традиционному методу трансплантации головы при перерезании спинного мозга. Ранее пересечение происходило на уровне шейных позвонков C3/C4 и поэтому не сохраняло ствол головного мозга донора. При этом терялась возможность независимого дыхания и кровообращения, требуя использования внешних систем жизнеобеспечения. Однако выполняя пересадку головы мыши, у которой сохранялась целостность донорского ствола головного мозга, животное-донор Рена могло дышать самостоятельно после трансплантации. Использование Реном разреза над стволом головного мозга, таким образом, позволяло обеспечить независимое дыхание у донора и более длительное время выживания по сравнению с традиционными разрезами на уровне С3/С4, выполненными Уайтом и его предшественниками.

Дальнейшие развитие работ по наложению сосудистых анастомозов может лежать в методах обеспечения изолированной перфузии различных отделов головного и спинного мозга, в частности его восходящих и нисходящих участков. Так, для перфузии мозга могут быть использованы тормозящие (ГАМК и глицин), и возбуждающие (глутаминовая кислота) нейротрансмиттеры, а также вещества, снижающие уровень клеточного стресса в тканях ЦНС.
Индуцированная гипотермия
Индуцированная гипотермия — широко распространенная нейропротективная терапия, применяемая у пациентов с остановкой сердца, инсультом и гипоксически-ишемической энцефалопатией. В первых экспериментах Уайта на обезьянах использовалась глубокая гипотермия (<25 °C), чтобы защитить изолированный мозг во время ишемических этапов процедуры трансплантации. Однако в модели Рена, описанной выше, он смог успешно провести трансплантацию головы с индукцией умеренной гипотермии у мышей (29-33 °C).

При этом оптимальное время для подготовительного охлаждения еще не установлено. Однако, некоторые работы в области клеточной биологии позволяют предположить о ступенчатом режиме, включающем охлаждение головы до 32 °C в течение термодинамического времени, достаточного до полного охлаждения всех сегментов головного мозга, и лишь затем — оперативное охлаждение до операционной температуры в 29 °C.

В дополнение к оптимизации гипотермии, изучаются фармакологические препараты для сохранения функции мозга после перенесения интраоперационной ишемии. Например, перфторан, газопереносящее фторсодержащее органическое соединение, использовался в качестве кровезаменителя при гипотермии, и было продемонстрировано, что он обеспечивает существенную нейропротекцию и поддержание церебральной оксигенации в рандомизированном исследовании на 50 пациентах [54,55]. Сероводород также может быть кандидатом для использования в цефалосоматическом анастомозе из-за его потенциальной роли как нейропротекторного газа. Однако до настоящего времени ни одно клиническое исследование не продемонстрировало его эффективность у пациентов с церебральной ишемией.

Биологические резервы ткани головного мозга также требуют своего изучения. Проведение операций по трансплантации головы будет оказывать стресс-воздействие на ткани изолированного участка с головным мозгом. В настоящее время в условиях гипотермии и непрерывной перфузии достигнуты следующие параметры для предназначенных к трансплантации донорской печени (до 24 часов), почек (до 36 часов), сердца (до 12 часов). Различия в длительности сохранения изолированных органов связаны с различиями в потребностях тканей в кровоснабжении и эндогенными механизмами нейрогуморальной регуляции.
Фьюзогены
Недавняя разработка т.н. «фьюзогенов» — веществ, способствующих слиянию клеток при создании клеточных гибридом — также способствовала прогрессу в области спинального анастомоза и восстановления. К фьюзогенам относятся полимеры, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ), полоксамеры и полоксамины, которые способны сливать мембраны клеток вместе [56].

В 2004 году команда под руководством Dr. Borgens из Университета Пердью лечила параплегических собак инъекциями ПЭГ в течение 72 часов после травмы спинного мозга и установила, что более половины прошедших процедуру собак смогли ходить уже через 2 недели после лечения [57]. Следует отметить, что сам Borgens заявил, что, хотя результаты его исследования показали, что ПЭГ может принести явную пользу собакам с острой травмой спинного мозга, существуют значительные различия между собачьим и человеческим спинным мозгом, которые необходимо учесть, прежде чем эта терапия может быть использована в клинике. Более того, Borgens вызывал повреждение спинного мозга в своей модели с помощью техники сжатия/сдавливания с постоянным смещением [58]. Этот тип травмы заметно отличается от типа разреза, который будет выполнен во время трансплантации головы, и, следовательно, ограничивает применимость успеха Боргенса с ПЭГ в процедуре трансплантации головы.

В своем обзоре 2012 года Cho и Borgens описали успешный опыт применения наночастиц ПЭГ для морских свинок с повреждением спинного мозга [59]. Они выполнили исследование применения PEG in vivo и измеряли физиологическое восстановление с помощью соматосенсорных вызванных потенциалов (ССВП). Опять же, им удалось продемонстрировать несколько примечательных особенностей использования ПЭГ в качестве фьюзогена, включая его специфичность к поврежденным участкам, «герметизацию» разрушенных мембран, снижение образования активных форм кислорода и перекисное окисление липидов и, как уже упоминалось, функциональное восстановление, измеренное по восстановлению проводимости ССВП. Однако, как и раньше, морским свинкам в исследовании Cho и Borgens не проводился разрез спинного мозга, вместо этого животным, которым они применяли ПЭГ, была нанесена компрессионная травма спинного мозга. Таким образом, успех, который Cho и Borgens продемонстрировали в отношении использования PEG после компрессионного повреждения, не может быть напрямую обобщен на процедуру перерезания спинного мозга, как это происходит при трансплантации головы.

В статье о своем протоколе GEMINI Канаверо предположил, что в дополнение к фьюзогенам, может использоваться электрическая стимуляция для ускорения восстановления нейронов, оторванных во время разреза спинного мозга [60]. Он использовал результаты успешного клинического применения стимуляции спинного мозга (SCS) у людей с повреждением спинного мозга. Однако лишь одно из исследований, на которые он ссылался, описывает трех пациентов с хронической неполным повреждением спинного мозга, которые перед стимуляцией передвигались с помощью вспомогательных устройств.

Протокол спинномозгового анастомоза GEMINI основан на введении водорастворимых проводящих ПЭГ-графеновых нанолент (PEG-GNR). В эксперименте на крысах отмечалось влияние нейрофизиологическую проводимость после резкого пересечения шейного отдела у крыс. PEG-GNR были получены полимеризацией оксида этилена из анион-ребристых графеновых нанолентах. Они объединяют фузогенный потенциал ПЭГ (полиэтиленгликоль) с электропроводящими свойствами графеновых нанолент [61]. Однако, в этом исследовании гистологического исследования не проводилось.

При проведении операции мышца и фасция ушивались, кожа зашивалась наглухо. Раствор декстрозы 5% (20 мл/кг) вводили ежедневно посредством внутрибрюшинной инъекции. Две культи спинного мозга крыс удерживались в механической близости от простой гиперэкстензии головы. Выполнялась анестезия в комбинации золетила и ксилазина (соотношение 3:1, 1 мл/кг).

В связи с этим необходимо провести дальнейшее исследование, чтобы понять, насколько безопасным и эффективным может быть инвазивная SCS, в частности, после пересечения спинного мозга, в экспериментах на лабораторных животных.

Альтернативой большим дозировкам фьюзогенов может стать использование ферментов для расщепления миелина. В этом случае временная демиелинизация позволит обеспечить рост аксонов и слияние пересеченных клеток.

Еще одной альтернативной может стать имитация естественной электроактивности периферических нервов. Дело в том, что по всей видимости нормальная физиология головного мозга находится в зависимости от сигналов электропотенциалов со стороны периферических нервов. Отсутствие такой электроактивности возможно приводит к развитию патологий ЦНС, выражающихся в том числе в гибели животных в экспериментах по изоляции головы спустя несколько дней после эксперимента, даже в условиях непрерывной перфузии. Решением может стать специальная электроактивная стимуляция, например реализованная в проекте Electr-X (DARPA).
Ортопедия и остеосинтез
Рисунок 6. Пример использования жестких модулей системы Harms (у человека). Проведение экспериментов на лабораторных животных потребует доработки размеров в соответствии с анатомией животного
Вопросы фиксации сшитых позвонков для предотвращения послеоперационных травм раскрываются во многих источниках современной научной литературы [62]. Доказано, что при отсутствии фиксации или при ее неэффективности в постоянно травмируемых участках спинного мозга в результате нестабильности возникают не только микроциркуляторные расстройства, приводящие к рубцеванию, но и прямая механическая травма нервной ткани. При этом возрастают риски таких осложнений, как миграция имплантов в результате несостоятельной фиксации, которая приводит к повторной, грубой травме [63].

Ввиду сложности операции предпочтительным являются методы жесткой фиксации нескольких позвонков с наложением жестких модулей транспедикулярной фиксации для предотвращения растяжения, сдавливания и скручивания области анастомоза.

Помимо прочего, жесткая фиксация позволит при проведении экспериментальных исследований на лабораторных животных:
  • контролируемо вводить в область анастомоза клеточные продукты, вспомогательные соединения;
  • использовать имплантируемые электроды для стимулирования направленного роста аксонов;
  • использовать фиксируемые датчики-потенциометры для контроля за электроактивностью в области спинномозгового анастомоза.
Малоинвазивный контроль результатов
Восстановление нормальной физиологической активности головного мозга столкнется с проблемой адекватной оценки его состояния. Среди возможных методов такой оценки можно выделить:
  • электроэнцефалографию (ЭЭГ) — неинвазивные методы замеров электрических потенциалов в отделах головного мозга;
  • имплантацию в мозг инертных (например, золотых) электродов для непосредственного съема электропотенциалов с отделов, отвечающих за двигательную активность.
Болевой контроль
Проблема, которая не была решена исследователями-первопроходцами по пересадке головы, вероятно из-за того, что они проводили эксперименты на мышах и приматах, была проблема боли. Развитие послеоперационного болевого синдрома (ПБС) рассматривается как возможное осложнение после трансплантации головы. Предполагается, что центральная нейропатическая боль может быть облегчена путем избирательного поражения белого вещества, направленного на сенсорный компонент хронической боли. Считается, что путем высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука возможно минимизировать кровотечение, участвовать в мониторинге в реальном времени и избежать побочных повреждений. Эта процедура все еще экспериментальная, и никакие клинические исследования не показали, что ультразвуковое воздействие действительно бы уменьшило симптомы ПБС.

Вопросы наркоза и послеоперационного ведения животных также важны для снижения травматичности для трансплантатов, поскольку шоковое состояние очевидно будет снижать жизнеспособность как трансплантата тела, так и головы. В экспериментальных исследованиях отработано использование золетил-ксилолового наркоза (соотношение соотношение 3:1 в расчете на 1 мл/кг веса), а послеоперационное обезболивание может предусматривать местное введение ультракаина.
Иммунология
Хотя клетки головного мозга отделены от кровеносных и лимфатических сосудов специальным плотным слоем эндотелиальных клеток (гематоэнцефалический барьер), который не позволяет большинству иммунных клеток (например, естественным киллерам) проникать непосредственно в нервную ткань, существуют естественные иммунные механизмы головного мозга. Активность таких механизмов может сыграть свою роль при трансплантации аллогенных тканей. Поэтому проблема иммунологической совместимости глиальных и нейрональных клеток может являться критичной. Современные методы иммуносупрессии не могут гарантировать отсутствия осложнений, в том числе ввиду необходимости введения некоторых препаратов непосредственно в спинномозговой канал.

Более того, чистота проведения экспериментов на лабораторных животных потребует использования и отработку методов как на линейных животных (например, крысах Wistar), так и в комплексе линейное животное + животное другой линии (например, серая крыса Rattus norvegicus).
Анастомозы трубчатых эпителиальных органов (пищевод и трахея)
Хотя в целом в настоящее время отработаны методы восстановления поврежденных трахеи и пищевода, проблема их неосложненного восстановления может стать достаточно значимой при пересадке головы.

Развитие данных осложнений связано с гиперплазией соединительной ткани в месте анастомоза, что на сроках 3-6 месяцев приводит к критическому сужению просвета и невозможности нормального функционала органа. Дополнительной сложностью по-видимому является то, что данные этапы операции будут выполняться в последнюю очередь, уже после транспедикулярной фиксации позвонков. Это приведет к возможному развитию ишемии краевых участков эпителиальных органов, которое возможно можно предотвратить организацией дополнительной перфузии прилежащих артерий в течение не более 15 минут с момента их иссечения при операции.

Данные положения также справедливы при выполнении предварительных операций по сшиванию половинок тела лабораторных животных — в целях предотвращения развития ишемических повреждений кишечника. Возможно использование различных поддерживающих терапий, например внутрибрюшинное и внутривенное введение ММСК КМ снижает тяжесть развития ишемических повреждений кишечника даже в случае среднесрочной ишемии, и может быть использовано как поддерживающая терапия.
Химерный организм, составленный из двух половинок
Рисунок 7. Схема соединения половины одного животного с нижней половиной другого (из работы В.П. Демихова)
Наиболее подробно техника создания химерных организмов из двух половинок, как предварительный этап трансплантации головы, описан в работах В.П. Демихова. В этом случае для достижения удовлетворительного результата достаточно было сшить два крупных кровеносных сосуда (аорту и нижнюю полую вену), а также пищевод. Эксперимент проводился на двух видах животных: собаках и крысах.

Схема операции выглядела следующим образом: двух животных под морфинно-барбамиловым наркозом рассекали поперек на уровне диафрагмы. У одного животного оставляли верхнюю половину тела с диафрагмой, а у второго животного — нижнюю половину тела также с диафрагмой. Эти две половины тела составляли между собой так, чтобы диафрагма верхней половины животного соприкасалась с диафрагмой нижней половины второго животного (Рис. 7).

Затем аорту верхней половины сшивали с аортой нижней половины, а нижнюю полую вену — с нижней полой веной. Обе половины позвоночника соединяли между собой и соприкасающиеся позвонки обеих частей фиксировали толстыми лигатурами друг к другу. Кожа и мышцы соединяемых половин тела сшивалась обычным образом.

Продолжительность жизни соединенных половин в первых опытах составляла несколько часов. Гибель наступала от резкого снижения артериального давления.

При пересадке всей нижней половины щенка другому животному такая половина жила до 6 дней.

При испытании различных вариантов соединения половин тела было установлено, что полная перерезка спинного мозга ниже уровня диафрагмы уже не вызывала столь резкого понижения артериального давления, возможно вследствие меньшей травмы надпочечников.

Другим осложнением во время операции было застойное полнокровие в нижней половине тела. Причиной этого были два момента: 1) расширение сосудов нижней половины в результате перерезки спинного мозга, 2) чисто механическое препятствие (в форме перегиба или сдавления) в местах соединения нижних полых вен.
Таблица 1. Технические проблемы при проведении безопасной и жизнеспособной трансплантации головы человека (из работы [64])
Протокол эксперимента по пересадке головы.
Часть 1: Спинномозговой анастомоз
Подготовка к пересадке головы представляет собой сложную методическую задачу. Прежде всего необходимо исключить в операции неблагоприятные исходы, являющиеся следствием неудовлетворительного подготовки к операции и неудачного выполнения сосудистых анастомозов. Поэтому непосредственно перед трансплантацией тела необходимо будет отработать методику сшивания половинок тела, показанную ранее в работах В.П. Демихова.


1. Объект исследования
Линейные крысы Wistar


2. Охлаждаемый стол
В то время, как для рутинных абдоминальных операций рекомендуется использовать подогреваемый столик для исключения, то для трансплантации тела потребуется охлаждать области головного мозга [65]. Подобное охладение может негативно сказаться на работе хирургической бригады, а также потребует введения в команду дополнительных обязанностей анестизиолога по контролю температуры в различных зонах тел.


3. Продолжение следует....
Присоединяйтесь к обсуждению