§ 55. ТРАНСПЛАНТАЦІЯ ТКАНИН ТА ОРГАНІВ У ЛЮДИНИ
Основні поняття й ключові терміни: ТРАНСПЛАНТАЦІЯ. Трансплантологія.
Пригадайте! Що таке тканини й органи?
Знайомтеся!
Наукову трансплантологію започаткував метод судинних швів, який розробив у 1902 р. французький хірург Алексіс Каррель (1873—1944). Цей метод уможливив трансплантацію органів із збереженням кровообігу. Науковець став засновником експериментальної трансплантації життєво важливих органів й отримав Нобелівську премію з фізіології і медицини (1912). А що таке трансплантація?
ЗМІСТ
Які досягнення сучасної трансплантології?
ТРАНСПЛАНТАЦІЯ (від лат. transplantatio — пересаджування) — це заміщення пошкоджених чи відсутніх тканин або органів власними тканинами або тканинами й органами, що їх взято від іншого організму. Пересадку органів і тканин називають трансплантацією, а науку, що займається вивченням цього процесу, — трансплантологією. Ділянка органа, що пересаджують, називається трансплантатом. Організм, від якого одержують матеріал для трансплантації, називається донором; організм, якому пересаджують трансплантат, — реципієнтом (іл. 123).
Іл. 123. Органи людини — трансплантати
Першу у світі трансплантацію нирки від померлої людини здійснив український лікар Ю. Ю. Вороний (1895—1961). Відбулася ця подія 3 квітня 1933 р.
Пересадка органів і тканин може відбуватися в межах того самого організму (автотрансплантація), між організмами одного виду (алотрансплантація) або між організмами різних видів (ксенотрансплантація).
У клінічній практиці найбільшого поширення набула пересадка тканин і частин органів, наприклад м’язів, сухожилок, шкіри, кісткової, хрящової і жирової тканин, судин, нервових стовбурів, кісткового мозку, печінки, серця. Особливим видом трансплантації є переливання крові, за якого враховуються група крові і резус-фактор донора і реципієнта. В офтальмології широко використовують пересадку рогівки ока за методом, розробленим академіком В. П. Філатовим (1875—1956). З числа органів, що їх трансплантують, найчастіше здійснюють пересадку нирки. Обнадійливі результати отримано в разі трансплантації шкіри, ендокринних залоз, зокрема яєчників, яєчок, щитоподібної та вилочкової залоз.
Отже, успіхи сучасної хірургії дають змогу здійснити технічно пересадку найважливіших для життєдіяльності тканин та органів.
Яким є головне завдання сучасної трансплантології?
Трансплантологія — розділ медицини, що вивчає пересадку тканин, органів або їх штучних замінників. Щорічно в світі здійснюється близько 100 тис. пересадок органів (нирок, серця, печінки, підшлункової залози, легень).
Введення в організм чужорідних білків, не властивих даній особині, викликає імунні реакції, спрямовані на знищення чужорідного білка і збереження сталості власного білкового складу. Відторгнення трансплантата відбувається через антигенну відмінність його від антигенів реципієнта. Реакція відторгнення трансплантата зумовлена антитілами. У цьому полягає трансплантаційний імунітет — надійний захист організму від чужорідних білків. Будь-який організм прагне до збереження імунологічного гомеостазу, тобто сталості антигенного складу тканин. Через те подолання імунологічного бар’єра несумісності тканин — найскладніша проблема трансплантології.
Проте іноді організм може сприймати чужі антигени як свої власні й не виробляти проти них антитіл. Таке явище назване імунологічною толерантністю, тобто толерантністю одного організму до антигенів іншого. Явище імунологічної толерантності було відкрите в 1953 р. чеським ембріологом М. Гашеком і англійським зоологом П. Медаваром (іл. 124). Проведені ними експерименти показали: якщо на ембріональному етапі розвитку ввести в організм чужорідні білки (антигени), то надалі вже дорослі тварини сприйматимуть їх як свої власні. Організм буде до них толерантним. Дослідження М. Гашека і П. Медавара підтвердили гіпотезу Ф. Бернета (1949) про те, що створення імунологічного гомеостазу відбувається в ранній період розвитку організму, коли закладається і формується лімфоїдна тканина.
Іл. 124. П. Медавар (1915—1987)
Для подолання тканинної несумісності під час трансплантації використовують різні методи. До специфічних методів належать: а) добір донора й реципієнта за тканинною сумісністю; б) гальмування трансплантаційного імунітету (наприклад, застосування циклоспорину чи інших препаратів для профілактики реакції відторгнення); в) формування толерантності в реципієнта до антигенів донора. Неспецифічні методи діють на імунну систему всього організму. Вони гальмують не тільки трансплантаційний, а й інфекційний імунітет. Цього досягають різноманітними засобами: гальмуванням активності імунної системи, опроміненням, введенням спеціальної сироватки, гормонів та ін. Проте найважливіше завдання сучасної імунології — не просто загальмувати імунітет, а загальмувати саме трансплантаційний імунітет, зберігши функцію захисту організму від інфекцій.
Отже, головним завданням трансплантології є подолання бар’єра біологічної несумісності.
Якими є основні напрями трансплантології?
В останні десятиліття розвиваються три основні напрями трансплантології: 1) отримання штучних органів; 2) вирощування органів й тканин методом клонування; 3) використання трансплантатів від тварин (іл. 125).
Іл. 125. Тканини й органи свині, що їх використовують для трансплантації
Новим у трансплантології є розділ, пов’язаний зі створенням і застосуванням штучних органів для тимчасової або постійної заміни того чи іншого органа людини (імплантація). Так, наприклад, імплантованим органом можуть слугувати штучні клапани серця, що ними заміняють уражені. Застосовують трансплантацію протезів судин, кришталика ока, зроблених із синтетичних матеріалів. Є моделі мініатюрних мембранних оксигенаторів, легень, підшлункової залози, печінки, нирок, серця. Перспективним є отримання органів за допомогою 3D-принтерів.
Вирощування окремих клітин, тканин і органів поза організмом на живильних середовищах і за певних умов називається експлантацією. Цей метод використовують у наукових дослідженнях для з’ясування багатьох питань теоретичної і практичної біології та медицини. Клітинні культури використовують для отримання ділянок шкіри, деяких ферментів, антитіл. Останнім часом велике практичне значення має метод культивування клітин кісткового мозку. Культивувати в певних умовах можна також цілі ізольовані органи, узяті від живого або загиблого організму. Для цього використовують спеціальні камери, в яких створюють відповідні умови. Через судини органа пропускають кров або спеціальні розчини, насичені киснем, для підтримання його життєдіяльності. Досліди з відновлення функцій таких ізольованих органів, як серце і головний мозок, мали величезне значення для розвитку реаніматології.
Дуже подібними до людських є органи свині, кози, приматів. На сьогодні дослідники вже успішно видаляють ендогенні ретровіруси з геному свині, використовуючи техніку редагування генів CRISPR-Cas9, і вирощують свиней, позбавлених вірусів. Це, у свою чергу, усуває одну з найбільших перешкод для трансплантації органів від свиней до людини.
Отже, перспективи трансплантології пов’язують із вирощуванням органів й тканин, отриманням штучних органів і використанням органів і тканин від організмів інших видів.
ДІЯЛЬНІСТЬ
Розв’язування кросворда
Сучасний стрімкий розвиток біології сприяв появі принципово нових методів регенерації й трансплантації, що є однією з причин розвитку науки про моральність поведінки людини у біологічно-медичній галузі й в сфері охорони здоров’я. Розв’язавши кросворд, ви отримаєте у виділених клітинках назву цієї науки. Підготуйте про неї коротке повідомлення.
1. Вид Tolypocladium inflatum, з продуктів життєдіяльності якого добувають природний циклоспорин — це паразитичний.
2. Більмо — це помутніння.
3. Організм, від якого отримують органи чи тканини.
4. Науковець, який започаткував у трансплантології метод судинних швів.
5. Речовини, що спричиняють відторгнення.
6. Український лікар, який здійснив першу у світі трансплантацію нирки.
7. Орган, що його найчастіше трансплантують у сучасній практичній медицині.
8. Науковець, один із авторів відкриття імунологічної толерантності.
Біологія + Наукова фантастика. Перспективи трансплантології
Фантастика — жанр художньої літератури, в якому за допомогою додавання вигаданих, уявних елементів створюється світ, відмінний від сьогоденного, реального. Тему трансплантації органів розглядали у своїх фантастичних творах О. Беляєв («Голова професора Доуеля», «Людина-амфібія»), М. Булгаков («Собаче серце»), М. Ренар («Доктор Лерн»), К. Грунерт («Голова містера Стейла»). Що ж такого неможливого є в сучасній трансплантології? Оцініть найближчі перспективи цього розділу.
СТАВЛЕННЯ
Чому А. Шварценеггер завів міні-свинок?
Кілька років тому назад актору Арнольду Шварценеггеру замінили один із клапанів серця. Трансплантацію здійснили успішно, і що цікаво, донором для актора стала свиня. Їй ще в зародковому стані було введено гени людини, що допомогли уникнути проблем відторгнення. З того часу Шварценеггер виключив з раціону свинину і його домашніми улюбленцями стали міні-свинки. Сформулюйте власні судження щодо цього напряму трансплантації тканин й органів.
РЕЗУЛЬТАТ
Завдання для самоконтролю
1. Що таке трансплантація? 2. Які є види трансплантації? 3. Як називається наука про трансплантацію? 4. Назвіть основну проблему сучасної трансплантології. 5. Що таке експлантація? 6. Наведіть приклади органів і тканин, що їх трансплантують у людини найчастіше.
7. Якими є досягнення сучасної трансплантології? 8. Яким є головне завдання сучасної трансплантології ? 9. Назвіть основні напрями розвитку науки про трансплантацію.
10. Оцініть перспективи трансплантології.
§ 4. ВОДА ТА ЇЇ ВЛАСТИВОСТІ
Антуан де Сент-Екзюпері (1900-1944) – французький письменник й авіатор. Найвидатнішим художнім твором митця (його Magnum opus) є «Маленький принц», в якому є відомі всім рядки: «У тебе немає ні смаку, ні кольору, ані запаху, тебе неможливо описати, тобою насолоджуються не знаючи, що ти таке. Не можна сказати, що ти необхідна для життя: ти – саме життя».
ЗМІСТ
У чому полягає життєво важлива роль води?
ВОДА – неорганічна речовина, молекули якої складаються з двох атомів Гідрогену та одного атома Оксигену (іл. 4). Вміст води неоднаковий у різних клітинах і різних організмах. Найбільше води міститься в тілі медуз (95—98 %), найменше її у комах (40—50 %) та лишайниках (5—7 %). Кількісно вода посідає перше місце серед хімічних сполук будь-якої клітини. Які ж біологічні функції виконує ця найпоширеніша й найважливіша на Землі речовина?
Іл. 4. Будова молекули води
• Вода є універсальним розчинником для багатьох сполук і забезпечує перебіг хімічних реакцій, клітинне транспортування. За розчинністю у воді всі сполуки поділяються на гідрофільні та гідрофобні. Гідрофільні (від грец. гідро – вода і філіа – любов) сполуки – це полярні речовини, які добре розчиняються у воді. Вони містять частково заряджені групи або частинки, здатні взаємодіяти з молекулами води. Це розчинні кристалічні солі, моносахариди, певні амінокислоти, нуклеїнові кислоти, вітамін С та ін. Гідрофобні (від грец. гідро – вода і фобос – страх) речовини – це неполярні речовини, які не розчиняються у воді. Це нерозчинні мінеральні солі, ліпіди, полісахариди, певні білки, вітамін А.
• Вода є реагентом, за участі якого в клітинах відбуваються реакції гідролізу, підтримується рН середовища.
• Вода – теплорегулятор, що забезпечує рівномірний розподіл теплоти по всій клітині та організму.
• Вода є осморегулятором для підтримання сталої концентрації розчинних сполук (наприклад, солей, моносахаридів) в клітині чи організмі.
• Вода є опорою, що забезпечує пружність клітин, амортизує механічні впливи.
• Вода – це засіб транспортування речовин у клітинах та організмі (наприклад, провідними тканинами у рослин чи кровоносною системою у тварин).
• Вода як конформатор бере участь в організації просторової компактної структури (конформації) макромолекул за допомогою молекул, що утворюють водневі зв’язки.
Отже, наявність води в клітинах та організмах є обов’язковою умовою їхньої життєдіяльності.
Які основні властивості води визначають її функції?
Вода – єдина речовина на Землі, яка може бути у трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газуватому. За нормальних умов температура замерзання чистої води дорівнює 0 °С, а кипіння – відповідно 100 °С. Густина води є максимальною за температури +4 °С і дорівнює 1 г/см 3 . Із зниженням температури густина зменшується. Коли температура досягає точки замерзання 0 °С або опускається нижче, починають утворюватися дрібні кристалики льоду. Під час замерзання вода розширюється на 1 /9 свого об’єму, і ці кристалики руйнують клітини. Розчинення речовин у воді знижує її температуру замерзання. Через те в клітинах рослин для витримування низьких температур накопичуються вуглеводи й олії, в клітинах членистоногих – гліцерол, в крові арктичних риб – особливі білки-кріопротектори. Перехід води з рідкого в газуватий стан потребує затрат теплоти, що використовується клітинами й організмами для захисту від перегрівання (наприклад, транспірація у рослин, потовиділення у тварин). Виділяючи нагріту воду й пару, вони позбавляються надлишку теплоти.
Основні властивості води
Фізичні властивості
Хімічні властивості
1. Агрегатний стан
2. Висока теплоємність й теплопровідність
3. Поверхневий натяг
1. Взаємодія з певними кислотами, оксидами, основами й солями
2. Участь в гідролізі органічних сполук
3. Здатність до йонізації
Вода здатна поглинати велику кількість теплоти із незначним підвищенням власної температури: у цьому сутність її високої теплоємності. Через те в клітинах вона є чудовим «тепловим акумулятором», запобігаючи різким змінам температури. Вода має й теплопровідність, що забезпечує рівномірний і швидкий розподіл теплоти в клітинах і між клітинами в організмі. Таким чином, ці властивості є основою для терморегуляції організмів.
Воді властивий винятково великий поверхневий натяг, що визначається силами зчеплення молекул води між собою з утворенням водневих зв’язків. Сили притягання між молекулами води спричиняють появу плівки на її поверхні, яка за стійкістю поступається лише поверхневій плівці ртуті. В живому поверхневий натяг визначає форму клітин та їх окремих частин (наприклад, при фагоцитозі). Молекули води завдяки силам зчеплення між собою та із поверхнями, що мають електричний заряд, здатні «підійматися» тонкими трубчастими отворами. Завдяки цьому відбувається переміщення рідин крізь пори клітинних стінок, капілярами тварин і судинами рослин тощо.
Воді властиві висока пружність і нестискуваність, що зумовлює її значення як опори. Ці властивості пояснюють роль гідроскелета для червів, стан напруги в клітинах рослин, сприяють проходженню звукових хвиль по клітинах (наприклад, у дельфінів, кашалотів).
Для клітин велике значення мають й хімічні властивості води. Її амфотерність та здатність до дисоціації (Н2О ⇄ Н + + ОН – ) визначають взаємодію з основами, солями, кислотами та участь в реакціях для підтримання рН цитоплазми та міжклітинних рідин (іл. 5).
Іл. 5. Розташування молекул води під час розчинення кухонної солі
Вода як реагент бере участь в біологічно важливих реакціях розкладу сполук за участі води – реакціях гідролізу. Ці реакції є основою гомеостазу й обміну речовин та перетворення енергії. Наприклад, гідроліз солей з утворенням кислот чи лугів має значення для підтримання рН у біосистемах, гідроліз білків до амінокислот забезпечує клітини будівельним матеріалом тощо.
Отже, життєво важливе значення води визначається її унікальними фізико-хімічними властивостями.
Які особливості будови молекул води визначають її властивості?
У молекулі води атоми Гідрогену утримуються біля атома Оксигену міцними ковалентними зв’язками, завдяки цьому вода є дуже стійкою сполукою. Водяна пара починає розкладатися на О2 і Н2 за температури, вищої від 1000 °С.
У молекул води дві пари спільних електронів зміщені до Оксигену, тому електричний заряд всередині молекул розподілений нерівномірно: протони Н + створюють позитивний заряд на одному полюсі, а пари електронів Оксигену – негативний заряд на протилежному полюсі. Ці заряди є рівними за значенням і розташовані на певній відстані один від одного. Отже, молекула води – це постійний диполь, який може взаємодіяти з носіями позитивних і негативних зарядів (дипольність молекул).
Завдяки полярності сусідні молекули води можуть взаємодіяти між собою і з молекулами полярних речовин з утворенням водневих зв’язків, які зумовлюють унікальні фізичні властивості й біологічні функції води (іл. 6). Енергія цих зв’язків становить лише 4,5 ккал/моль, і завдяки тепловому рухові вони постійно виникають і розриваються. Водневі зв’язки – це зв’язки, які виникають між частково негативним зарядом на атомі Оксигену однієї молекули води та позитивним зарядом на атомі Гідрогену іншої.
Іл. 6. Водневі зв’язки між молекулами води
Отже, унікальні властивості води визначаються такими особливостями молекул води, як: 1) наявність ковалентних зв’язків між атомами; 2) наявність водневих зв’язків між молекулами; 3) дипольність молекул; 4) малі розміри молекул.
ДІЯЛЬНІСТЬ
Завдання на застосування знань «Вміст води у власному організмі»
Визначте вміст води у організмі, для чого використайте такі дані:
• вміст води в організмі людей різного віку різний: у зародка (8 міс.) – 83 %, у новонародженого – 73 %, у підлітків – 65 %, у дорослого – 60 %, у літньої людини – 55 % від маси тіла;
• близько 95% від загальної кількості води в клітинах припадає на вільну воду (є розчинником) і 5 % – на зв’язану воду (вода у зв’язках з молекулами речовин).
Завдання 1. Визначте вміст води у власному організмі.
Завдання 2. Визначте вміст вільної і структурованої води у власному організмі.
Дайте відповідь на запитання. Чому вміст води у людини з віком зменшується? Як це позначається на життєвих функціях організму людини? Чому в клітинах більша частка припадає на вільну воду?
СТАВЛЕННЯ
На Землі немає важливішої речовини, ніж вода, і водночас немає сполуки з такою кількістю аномальних властивостей. «Немає природного тіла, яке могло б зрівнятися з водою за впливом на геологічні процеси. Не лише земна поверхня, а й глибинні частини Землі визначаються в найістотніших своїх проявах існуванням й властивостями ВОДИ». Так писав геніальний український науковець В. І. Вернадський. Заповніть у робочому зошиті таблицю та обґрунтуйте значення води для життя на Землі.
ВЗАЄМОЗВ’ЯЗОК МІЖ БІОЛОГІЧНОЮ РОЛЛЮ І ВЛАСТИВОСТЯМИ ВОДИ
Біологічна роль води
Властивості води