Еще вчера казалось, что производство запасных органов для нашего хрупкого тела - занятная фантастика, которая, кто знает, может, и реализуется в далеком будущем. А сегодня мы беседуем с человеком, благодаря которому выращивание новых органов стало реальностью и спасением для первых пациентов. Не менее удивительным кажется, что самые новаторские операции по трансплантации созданных в лаборатории органов и самые передовые исследования в области регенеративной медицины проводятся не где-нибудь, а у нас в Краснодаре
Паоло Маккиарини часто произносит слово «фантастика», когда хочет что-нибудь похвалить. Темпераментный, как герой итальянского фильма, он легко переходит от отчаянных восклицаний вроде «Все хотят моей смерти!» (это о коллегах-завистниках) к бурному восхищению перспективами исследований, сулящих спасение новых жизней.
Мы с Паоло ужинаем в одном из ресторанов Олимпийской деревни в Сочи - здесь проходит конференция «Генетика старения и долголетия», на которую со всего мира съехались крупнейшие специалисты в области борьбы со старением.
Несмотря на украинские события, от участия никто не отказался, а что касается Маккиарини, ему и границу пересекать не пришлось. Вообще-то он ученый планетарного масштаба - чуть ли не потенциальный лауреат Нобелевской премии.
Но уже несколько лет Маккиарини руководит Центром регенеративной медицины Кубанского медицинского университета. Переманить профессора в Краснодар сумели с помощью мегагранта правительства РФ в 150 миллионов рублей. На эти деньги и был создан центр.
Здесь мне не надо гоняться за пожертвованиями и можно сосредоточиться на спасении пациентов. Кстати, записывайте - я обращаюсь к мистеру Путину: прошу выдать мне русский паспорт, как Депардье! - смеется Маккиарини.
В обмен на новое сердце для него?
Политику здесь на конференции воспринимают под довольно необычным углом зрения.
У нас есть пациент из Крыма, который ждет трансплантации трахеи с 2011 года, - рассказывает Паоло. - Я несколько раз его смотрел, но прооперировать не мог: ему пришлось бы платить за это, больница не может принять бесплатно иностранного гражданина. Но сейчас Россия захватила… ой, то есть присоединила Крым, и мы сможем сделать ему операцию бесплатно - вот этому я очень рад! В начале июня будем оперировать.
Как выращивают органы
Технология производства трахеи, разработанная Маккиарини, - гордость и главное достижение регенеративной хирургии, новаторского направления медицины, которое занимается выращиванием органов. В 2008 году он первым в мире провел операцию по пересадке пациентке трахеи, выращенной из ее собственных стволовых клеток на донорском каркасе в биореакторе, в 2009-м осуществил другую уникальную операцию: на этот раз орган был сформирован внутри тела пациента без использования биореактора. Наконец, в 2011 году провел первую операцию по трансплантации человеческого органа, целиком выращенного в лаборатории на искусственном каркасе, то есть без использования донорских органов.
В Россию Маккиарини впервые приехал в 2010-м - по приглашению фонда «Наука за продление жизни» провел в Москве мастер-класс по регенеративной медицине. Вскоре он сделал первую в России операцию по трансплантации трахеи девушке, которая после автомобильной катастрофы не могла разговаривать и даже ходить из-за проблем с дыханием. Девушка выздоровела, Маккиарини выиграл мегагрант и стал проводить свои операции у нас в стране, все время добавляя в них что-то новое. Так, недавно он вместе с искусственной трахеей пересадил пациентке часть гортани.
Как можно вырастить орган отдельно от самого человека? - не могу я взять в толк.
Вообще говоря, это невозможно. Из клеток взрослого человека целый орган вырастить не получится. Помимо клеток нужно кое-что еще - донорский орган или искусственный каркас.
Вначале мы делали так: брали орган донора - человека или животного (обычно свиньи) и освобождали его от генетического материала, то есть от клеток. Для этого орган помещали в специальную жидкость, растворяющую мышечные ткани и другие клетки, чтобы остался лишь каркас из соединительной ткани, сетка волокон. У любого органа есть каркас, придающий ему форму, - называется внеклеточный матрикс. Каркас очищенного от клеток органа, взятого у свиньи, не отторгается иммунной системой человека, но там все равно есть проблемы: можно случайно занести вирус, ну, и у многих людей это вызывает неприятие, например у мусульман. Так что лучше всего было использовать каркас человеческого сердца, взятого у погибшего донора.
Но в 2011 году мы освоили технологию, не требующую доноров вообще, - создание синтетического каркаса. Он производится по размерам пациента, это такая трубка из упругого и пластичного нанокомпозитного материала. Это настоящий прорыв: синтетический каркас освобождает нас от доноров - а для детей, например, их чаще всего и не найти, - снимает вопросы биоэтики и делает операцию намного более доступной.
Но как из этой трубки сделать живой работающий орган?
В биореакторе!
Это что-то вроде биопринтера?
Нет, - смеется Маккиарини, - биопринтер позволяет производить простые ткани, сосуды например, но не сложные органы. А биореактор - это устройство, в котором созданы оптимальные условия для роста и размножения клеток. Он обеспечивает им питание, дыхание, отводит продукты обмена. В биореакторе мы засеиваем на каркас мононуклеары - клетки пациента, выделенные из костного мозга. Это такой вид стволовых клеток, способных превратиться в специализированные клетки разных органов. Каркас в течение 48 часов обрастает этими клетками, а мы побуждаем их превратиться в клетки трахеи. И орган готов, его можно пересаживать пациенту. Организм его не отторгает, ведь он выращен из клеток самого пациента.
Мозг, сердце и пенис
Вы ведь не собираетесь ограничиваться трахеей?
Следующими будут пищевод и диафрагма. Сейчас мы испытываем их на животных. А потом вырастим первое работающее сердце - видимо, в коллаборации с Техасским институтом сердца.
На Кубани есть питомник обезьян для медицинских исследований - если все получится, мы будем испытывать на них работу выращенного в лаборатории сердца. Вообще говоря, здесь многие такие вещи сделать гораздо проще, чем в Европе или США. Так что через несколько лет эта технология дойдет до клиники. Есть хорошие шансы, что первое человеческое сердце будет выращено в России.
А какие органы требуются чаще всего?
Ко мне часто обращаются со странными запросами. Однажды президент, кажется, Всемирного общества гомосексуалистов попросил сделать ему пенис.
Второй пенис - интересная мысль!
Да нет, единственный, почему-то его не было. Но я не смог ему помочь, ничего в пенисах не понимаю. И матку просили сделать. Люди ведь хотят не только продления жизни, и несчастны они не только из-за болезней - им не дают покоя всякие безумные желания.
Но мы не занимаемся всеми этими модными вещами. Что мы действительно пытались сделать - это вырастить яички, потому что очень много детей страдает раком яичек или их врожденными аномалиями. Но, к сожалению, стволовые клетки не получается превратить в клетки яичек, и мы вынуждены были остановить эти исследования.
А вообще, конечно, мы стараемся работать над тем, что больше всего нужно нашим пациентам. Вот Елена Губарева сейчас делает очень важный проект по выращиванию диафрагмы. Если все получится, это спасет тысячи детей, которые рождаются без диафрагмы и умирают из-за этого.
Какие органы сложнее всего будет вырастить?
Сердце, печень, почки. То есть вырастить их нетрудно - сегодня вполне реально создать любые органы и ткани. А вот заставить их нормально функционировать, вырабатывать необходимые организму вещества очень сложно. Выращенные в лаборатории, они перестают работать уже через несколько часов. Проблема в том, что мы недостаточно хорошо понимаем, как они работают.
Но, может, нам и не нужно будет их выращивать - я мечтаю о том, чтобы использовать стволовые клетки для восстановления работоспособности этих органов. Можно ведь стимулировать процессы регенерации в самом организме. Это просто фантастически привлекательное и дешевое решение: любой человек даже в самой бедной стране имеет собственные стволовые клетки, и не нужно никаких операций по трансплантации органов!
Много нужно времени, чтобы вырастить человеческий орган?
Зависит от его сложности. Трахею мы выращиваем за 3-4 дня, для сердца потребуется 3 недели.
А мозг можно вырастить?
Да, я мечтаю поймать некоторых политиков и заменить им мозг. И яйца заодно. Но если серьезно, выращивание мозга входит в мои планы.
Да ведь в мозгу главное - бесчисленные связи между нейронами, как их воссоздать?
Все обычно переусложняют эту проблему, все гораздо проще. Речь, конечно, не о замене всего мозга. Допустим, я подстрелил вас. У вас ранение в голову, вы потеряли часть мозга, но выжили. А если заменить эту нефункционирующую часть субстратом, функция которого - вызывать рост нейронов, притягивая их из других частей мозга? Тогда поврежденная часть со временем восстановится, постепенно вовлекаясь в деятельность мозга и обрастая связями. Это могло бы полностью изменить жизнь тысяч пациентов!
Мечты и разочарования
Как к вашим успехам относятся коллеги?
Ох, сложная это тема, - грустнеет Маккиарини. - Когда вы делаете что-то совсем новое, впервые в истории, вас всегда ругают. И пройдет столько времени, прежде чем люди примут то, что вы делаете! Меня до сих пор критикуют, и жестко, ведь я делаю безумные, небывалые вещи. Люди бывают очень ревнивы к успеху коллег: меня много атаковали, пытались максимально осложнить мне работу, иногда очень грязными способами.
Что самое сложное в вашей работе и жизни?
В моей жизни? Да у меня нет частной жизни. Все так запущено! Самое сложное - отнюдь не наука, а эти атаки коллег, их ревность. Если б они хотя бы делали это с уважением! Нет, тотальное неуважение, никаких человеческих отношений, только конкуренция. Я опубликовал десятки статей в ведущих научных журналах, но мне по-прежнему заявляют, что у меня нет доказательств, что наши методы работают. Они готовы критиковать все на свете, даже как я в туалет хожу.
У меня столько проблем из-за этой ревности, на меня все время адски давят. Наверное, это цена, которую должен заплатить каждый первопроходец. Но ведь мы спасем жизни - это так прекрасно, это стоит любых атак… Стойте, я хочу тирамису! Тирамису! Тирамису! И американо, пожалуйста.
О чем вы мечтаете?
В личном плане? Сесть в лодку и уплыть подальше от всех. И больше никаких контактов с этим миром. Только я и моя собака - мне достаточно. А в профессиональном плане мечтаю о том, чтобы спасать людей без трансплантации органов - путем клеточной терапии. Вау! Это было бы фантастически, просто фантастически здорово!
Когда технология выращивания органов станет массово доступной в развитых странах?
Технология выращивания трахеи уже отработана почти до совершенства. Если мы будем продолжать клинические испытания в Краснодаре, года через два накопится достаточно доказательств, что этот метод безопасен и эффективен, и его начнут применять в других местах. Это зависит от числа пациентов прежде всего, ну, и от многих других вещей. А я буду заниматься пищеводом, диафрагмой, сердцем… Думаю, прогресс будет быстрым, особенно в России. Запасайтесь терпением и ждите - сами все увидите.
Интересно, а новое тело для моего мозга можно будет вырастить?
Это еще зачем?
Чтобы продлить жизнь и молодость, конечно.
Не понимаю, зачем вам опять молодое тело, чтобы покорить тысячи девушек? Скучно же жить слишком долго.
Что-то мне пока не становится скучно, скорей наоборот.
Ну не знаю. Меня уже тошнит от этой жизни! Вы, русские, всегда призываете всех бороться со старением. Вы философы и мечтатели, вам кажутся ужасно важными чисто философские проблемы.
Да что ж тут философского, что может быть естественней любви к жизни?
Вы хотите бороться с природой, а я считаю, наши тела уже совершенны. Посмотрите на себя. Нет, лучше не на себя, а на девушек - природа сотворила их совершенными, кто я такой, чтобы бороться с ней?
Вы уже боретесь, делая операции.
Надо же, какой необычный у нас разговор начался. Такие только в России случаются…
Мы спорили еще долго - пока нас не выставили из закрывающегося ресторана.
Кого еще удалось сманить в Россию с помощью мегагрантов
Цель программы мегагрантов - привлечь ведущих мировых ученых в российские вузы. Уже состоялось четыре таких конкурса. Первый прошел в 2010-м, последний - в 2014 году. В резуль-тате мегагранты получили 163 российских и зарубежных ученых. Среди них немало знаменитостей, есть даже несколько нобелевских лауреатов. «РР» знакомит с некоторыми из них
Сидней Альтман
Лауреат Нобелевской премии по химии 1989 года, профессор Йеля, займется разработкой антибактериальных и антивирусных препаратов в Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН в Новосибирске.
Йорн Тиде
Известный немецкий специалист в области морской геологии и глубоководного бурения, возглавил лабораторию «Палеогеография и геоморфология полярных стран и Мирового океана» на факультете географии и геоэкологии СПбГУ, которая занимается изучением изменений климата в Арктике и обоснованием права России на арктический шельф.
Рональд Инглхарт
Политолог и социолог из США, профессор Мичиганского университета, занимается сравнением ценностных ориентиров в разных странах; в России работает в Высшей школе экономики.
Симомура Осаму
Лауреат Нобелевской премии по химии 2008 года, создатель зеленых светящихся кроликов и поросят, исследует биолюминесценцию в красноярском Сибирском федеральном университете.
Антонио Луке Лопес
Физик, изобретатель и миллионер, профессор Мадридского университета, занимается в питерском физтехе разработкой новых типов солнечных батарей.
Марио Биаджоли
Профессор факультета исследований науки и технологий в Калифорнийском университете в Дэвисе, руководит исследованиями социологии научного и технологического предпринимательства в Европейском университете в Санкт-Петербурге.
Павел Певзнер
Директор программы по биоинформатике и системной биологии в Университете Калифорнии (Сан-Диего), директор Национального центра по вычислительной масс-спектрометрии, создает уникальную для России лабораторию алгоритмической биологии, где ученые займутся чтением геномов.
Постиндустриальные темпы развития человечества, а именно науки и техники, велики настолько, что их невозможно было представить еще 100 лет назад. То, о чем раньше можно было прочитать только в научно-популярной фантастике, теперь появилось и в реальном мире.
Уровень развития медицины 21-го века выше, чем когда-либо. Заболевания, считавшиеся смертельно опасными раньше, в наши дни успешно лечатся. Однако еще не решены проблемы онкологии, СПИДа и множества других заболеваний. К счастью, в ближайшем будущем для этих проблем найдется решение, одним из которых послужит выращивание органов человека.
Основы биоинженерии
Наука, использующая информационный базис биологии и пользующаяся аналитическим и синтетическим методами для решения своих задач, зародилась не так давно. В отличие от обычной инженерии, которая для своей деятельности применяет технические науки, по большей части математику и физику, биоинженерия идет дальше и пускает в ход инновационные методы в виде молекулярной биологии.
Одной из главных задач новоиспеченной научно-технической сферы является выращивание искусственных органов в лабораторных условиях с целью их дальнейшей пересадки в тело пациента, у которого отказал из-за повреждения или в силу изношенности тот или иной орган. Опираясь на трехмерные клеточные структуры, ученые смогли продвинуться в изучении влияния различных болезней и вирусов на деятельность человеческих органов.
К сожалению, пока это не полноценные органы, а лишь органоиды - зачатки, незаконченная совокупность клеток и тканей, которые можно использовать только в качестве экспериментальных образцов. Их работоспособность и уживчивость проверяются на подопытных животных, в основном, на разных грызунах.
Историческая справка. Трансплантология
Росту биоинженерии как науки предшествовал долгий период развития биологии и других наук, целью которых было изучение человеческого тела. Еще в начале 20-го века толчок своему развитию получила трансплантология, задачей которой было изучение возможности пересадки органа донора другому человеку. Создание методик, способных консервировать на некоторое время донорские органы, а также наличие опыта и детальных планов по трансплантации позволили хирургам со всего мира в конце 60-х годов успешно пересадить такие органы, как сердце, легкие, почки.
На данный момент принцип трансплантации является наиболее действенным в случае, если пациенту угрожает смертельная опасность. Основная проблема заключается в остром дефиците донорских органов. Больные могут годами ждать своей очереди, так ее и не дождавшись. Кроме того, существует высокий риск того, что пересаженный донорский орган может не прижиться в теле реципиента, так как иммунной системой пациента он будет рассматриваться в качестве инородного предмета. В противоборство данному явлению были изобретены иммунодепрессанты, которые, однако, скорее калечат, чем лечат - иммунитет человека катастрофически ослабевает.
Преимущества искусственного создания над трансплантацией
Одно из главных конкурентных отличий метода выращивания органов от их пересадки от донора заключается в том, что в лабораторных условиях органы могут производиться на основе тканей и клеток будущего реципиента. В основном, используются стволовые клетки, обладающие способностью дифференцироваться в клетки определенных тканей. Данный процесс ученый способен контролировать извне, что существенно снижает риск будущего отторжения органа иммунной системой человека.
Более того, с помощью метода искусственного выращивания органов можно производить их неограниченное количество, тем самым удовлетворяя жизненно важные потребности миллионов людей. Принцип массового производства значительно снизит цены на органы, спасая миллионы жизней и значительно увеличивая выживаемость человека и отодвигая дату его биологической смерти.
Достижения биоинженерии
На сегодняшний день ученые в состоянии выращивать зачатки будущих органов - органоиды, на которых испытывают различные болезни, вирусы и инфекции с целью проследить процесс заражения и разработать тактику противодействия. Успешность функционирования органоидов проверяют посредством их трансплантации в тела животных: кроликов, мышей.
Стоит также отметить, что биоинженерия достигла определенных успехов в создании полноценных тканей и даже в выращивании органов из стволовых клеток, которые, к сожалению, пока невозможно пересадить человеку в силу их неработоспособности. Однако на данный момент ученые научились создавать искусственным путем хрящи, сосуды и другие соединительные элементы.
Кожа да кости
Не так давно у ученых Колумбийского университета получилось создать фрагмент кости, по структуре схожий с суставом нижней челюсти, соединяющим ее с основанием черепа. Фрагмент был получен посредством использования стволовых клеток, как и при выращивании органов. Чуть позже израильской компании Bonus BioGroup удалось изобрести новый метод воссоздания человеческой кости, который был с успехом испробован на грызуне - искусственно выращенная кость была пересажена в одну из его лап. В данном случае опять же были использованы стволовые клетки, только получены они были из жировой ткани пациента и в последующем помещены на гелеобразный каркас кости.
Начиная с 2000-х годов, для лечения ожогов доктора применяют специализированные гидрогели и методы естественной регенерации поврежденных участков кожи. Современные же экспериментальные методики позволяют вылечивать сильнейшие ожоги за несколько дней. Так называемый Skin Gun распыляет особую смесь со стволовыми клетками пациента на поврежденную поверхность. Также наблюдаются крупные успехи в создании стабильно функционирующей кожи с кровеносными и лимфатическими сосудами.
Недавно ученым из Мичигана удалось вырастить в лабораторных условиях часть мышечной ткани, которая, правда, вдвое слабее оригинальной. Точно так же ученые в Огайо создали трехмерные ткани желудка, которые были в состоянии производить все необходимые для пищеварения ферменты.
Японские же ученые совершили почти невозможное - вырастили полностью функционирующий человеческий глаз. Проблема трансплантации заключается в том, что присоединить зрительный нерв глаза к головному мозгу пока не представляется возможным. В Техасе искусственным путем в биореакторе удалось также вырастить легкие, но без кровеносных сосудов, что ставит под сомнение их работоспособность.
Перспективы развития
Совсем недолго осталось до того момента в истории, когда человеку можно будет пересадить большинство органов и тканей, созданных в искусственных условиях. Уже сейчас ученые со всего мира располагают разработками проектов, экспериментальными образцами, некоторые из которых не уступают оригиналам. Кожу, зубы, кости, все внутренние органы по прошествии некоторого времени можно будет создавать в лабораториях и продавать нуждающимся людям.
Новые технологии также ускоряют развитие биоинженерии. 3D-печать, получившая распространение во многих сферах человеческой жизни, будет полезной и в рамках выращивания новых органов. 3D-биопринтеры уже экспериментально используются с 2006 года, а в будущем они смогут создавать трехмерные работоспособные модели биологических органов, перенося культуры клеток на биосовместимую основу.
Общий вывод
Биоинженерия как наука, целью которой является выращивание тканей и органов для их дальнейшей трансплантации, зародилась не так давно. Семимильный темп, в котором она шагает по пути прогресса, характеризуется существенными достижениями, которые в будущем спасут миллионы жизней.
Выращенные из стволовых клеток кости и внутренние органы сведут на нет нужду в донорских органах, количество которых и так находится в состоянии дефицита. Уже сейчас ученые располагают множеством разработок, результаты которых пока не слишком продуктивны, но имеют огромный потенциал.
Возможность вырастить человеческий орган в пробирке и пересадить его человеку, нуждающемуся в пересадке — мечта трансплантологов. Ученые по всему миру работают над этим и уже научились делать ткани, небольшие работающие копии органов, и до полноценных запасных глаз, легких и почек нам на самом деле осталось совсем немного. Пока что органеллы используются в основном в научных целях, их выращивают, чтобы понять, как работают органы, как развиваются болезни. Но от этого до трансплантации всего несколько шагов. МедНовости собрали сведения о самых перспективных проектах.
Легкие . Ученые из Техасского университета вырастили легкие человека в биореакторе. Правда, без кровеносных сосудов такие легкие не функциональны. Однако команда ученых из Медицинского центра Колумбийского университета (Columbia University Medical Center, New York) недавно впервые в мире получили функциональное легкое с перфузируемой и здоровой сосудистой системой у грызунов ex vivo.
Ткани сердечной мышцы . Биоинженерам из университета Мичигана удалось вырастить в пробирке кусок мышечной ткани. Правда, полноценно сердце из такой ткани пока работать не сможет, она вдвое слабее оригинала. Тем не менее пока это самый сильный образец сердечной ткани.
Кости . Израильская биотехнологическая компания Bonus BioGroup использовалат трехмерные сканы для создания гелеобразного каркаса кости перед посевом стволовыми клетками, взятыми из жира. Кости, получившиеся в результате, они успешно пересадили грызунам. Уже планируются эксперименты по выращиванию человеческих костей по этой же технологии.
Ткани желудка . Ученым под руководством Джеймса Уэллса из Детского медицинского клинического центра в Цинциннати (Огайо) удалось вырастить «в пробирке» трехмерные структуры человеческого желудка при помощи эмбриональных стволовых клеток и из плюрипотентных клеток взрослого человека, перепрограммированных в стволовые. Эти структуры оказались способны вырабатывать все необходимые человеку кислоты и пищеварительные ферменты.
Японские ученые вырастили глаз в чашке Петри . Искусственно выращенный глаз содержал основные слои сетчатки: пигментный эпителий, фоторецепторы, ганглионарные клетки и другие. Трансплантировать его целиком пока возможности нет, а вот пересадка тканей — весьма перспективное направление . В качестве исходного материала были использованы эмбриональные стволовые клетки.
Ученые из корпорации Genentech вырастили простату из одной клетки
. Молекулярным биологам из Калифорнии удалось вырастить целый орган из единственной клетки.
Ученым удалось найти единственную мощную стволовую клетку в простатической ткани, которая способна вырасти в целый орган. Таких клеток оказалось чуть меньше 1% от общего числа. В исследовании 97 мышам трансплантировали такую клетку под почку и у 14 из них выросла полноценная простата, способная нормально функционировать. Точно такую же популяцию клеток биологи нашли и в простате человека, правда, в концентрации всего 0,2%.
Сердечные клапаны . Швейцарские ученые доктор Саймон Хоерстрап (Simon Hoerstrup) и Дорта Шмидт (Dorthe Schmidt) из университета Цюриха (University of Zurich) смогли вырастить человеческие сердечные клапаны , воспользовавшись стволовыми клетками, взятыми из околоплодной жидкости. Теперь медики смогут выращивать клапаны сердца специально для неродившегося еще ребенка, если у него еще в зародышевом состоянии обнаружатся дефекты сердца.
Ушная раковина . Используя стволовые клетки, ученые вырастили . Эксперимент был проведен исследователями из Университета Токио (University of Tokyo) И Университета Киото (Kyoto University) под руководством Томаса Сервантеса (Thomas Cervantes).
Кожа. Ученые из Цюрихского университета (Швейцария) и университетской детской больницы этого города впервые сумели вырастить в лаборатории человеческую кожу, пронизанную кровеносными и лимфатическими сосудами . Полученный кожный лоскут способен почти полностью выполнять функцию здоровой кожи при ожогах, хирургических дефектах или кожных болезнях.
Поджелудочная железа . Ученые впервые создали , способные вырабатывать инсулин. Еще одна попытка вылечить диабет I типа.
Почки . Ученые из австралийского университета Квинсленда научились выращивать искусственные почки из стволовых клеток кожи. Пока это лишь маленькие органоиды размером 1 см, но по устройству и функционированию они практически идентичны почкам взрослого человека.
21/06/2017
Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Регулярно поступающие новости из сферы регенеративной медицины звучат обнадеживающе и многообещающе. Кажется, что уже не за горами тот день, когда биоинженерные ткани и органы будут так же доступны, как запчасти к автомобилям
Успехи регенеративной медицины
Методы терапии с использованием клеточных технологий уже многие годы успешно применяют во врачебной практике. Созданы и успешно используются искусственные органы и ткани, полученные с помощью методов клеточной терапии и тканевой инженерии. К практическим достижениям в области регенеративной биомедицины относится выращивание хрящевых тканей, мочевого пузыря, уретры, сердечных клапанов, трахеи, роговицы и кожи. Удалось вырастить искусственный зуб, пока только в организме крысы, но стоматологам стоит задуматься о кардинально новых подходах. Была разработана технология восстановления гортани после операции по ее удалению и уже выполнено много таких операций. Известны случаи успешной имплантации трахеи, выращенной на донорской матрице из клеток пациента. В течение многих лет осуществляют трансплантацию искусственной роговицы.
Уже налажено серийное производство биопринтеров, которые слой за слоем печатают живые ткани и органы заданной трехмерной формы
Самыми простыми для выращивания оказались хрящевая ткань и кожа. В деле выращивания костей и хрящей на матрицах достигнут большой прогресс. Следующий уровень по сложности занимают кровеносные сосуды. На третьем уровне оказались мочевой пузырь и матка. Но эта ступень уже пройдена в 2000–2005 гг., после успешного завершения ряда операций по трансплантации искусственного мочевого пузыря и уретры. Тканевые имплантаты вагины, выращенные в лаборатории из мышечных и эпителиальных клеток пациенток, не только успешно прижились, сформировав нервы и сосуды, но и нормально функционируют уже около 10 лет.
Самыми сложными органами для биомедицины остаются сердце и почки, которые имеют сложную иннервацию и систему кровеносных сосудов. До выращивания целой искусственной печени еще далеко, однако фрагменты ткани печени человека уже получены с помощью метода выращивания на матрице из биоразлагаемых полимеров. И хотя успехи очевидны, замена таких жизненно важных органов, как сердце или печень, их выращенными аналогами - все-таки дело будущего, хотя, возможно, и не очень далекого.
Матрицы для органов
Нетканые губчатые матрицы для органов делают из биоразрушаемых полимеров молочной и гликолевой кислот, полилактона и многих других веществ. Большие перспективы и у гелеобразных матриц, в которые, кроме питательных веществ, можно вводить факторы роста и другие индукторы дифференцировки клеток в виде трехмерной мозаики, соответствующей структуре будущего органа. А когда этот орган сформируется, гель бесследно рассасывается. Для создания каркаса также используют полидиметилсилоксан, который можно заселить клетками любой ткани.
Базовая технология выращивания органов, или тканевая инженерия, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных тканей
Следующий шаг - это выстилание внутренней поверхности полимера незрелыми клетками, которые затем образуют стенки кровеносных сосудов. Далее другие клетки желаемой ткани по мере размножения будут замещать биоразлагаемую матрицу. Перспективным считается использование донорского каркаса, определяющего форму и структуру органа. В экспериментах сердце крысы помещали в специальный раствор, с помощью которого удаляли клетки мышечной сердечной ткани, оставив другие ткани нетронутыми. Очищенный каркас засеивали новыми клетками сердечной мышцы и помещали в среду, имитирующую условия в организме. Всего через четыре дня клетки размножились настолько, что начались сокращения новой ткани, а через восемь дней реконструированное сердце уже могло качать кровь. С помощью этого же метода на донорском каркасе была выращена новая печень, которую затем пересадили в организм крысы.
Базовая технология выращивания органов
Пожалуй, нет ни одной биологической ткани, к попыткам синтезирования которой не приступила бы современная наука. Базовая технология выращивания органов, или тканевая инженерия, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных тканей. Эти клетки затем помещают внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена.
Матрицу из коллагена можно получить путем очистки от клеток донорской биологической ткани или создать ее искусственным путем из биоразрушаемых полимеров либо специальной керамики, если речь идет о костях. В матрицу помимо клеток вводят питательные вещества и факторы роста, после чего клетки формируют целый орган или его фрагмент. В биореакторе удалось вырастить мышечную ткань с готовой кровеносной системой.
Самыми сложными органами для биомедицины остаются сердце и почки, которые имеют сложную иннервацию и систему кровеносных сосудов
Эмбриональные стволовые клетки человека индуцировали к дифференцировке в миобласты, фибробласты и клетки эндотелия. Прорастая вдоль микротрубочек матрицы, эндотелиальные клетки сформировали русла капилляров, вошли в контакт с фибробластами и заставили их переродиться в гладкомышечную ткань. Фибробласты выделили фактор роста сосудистого эндотелия, который способствовал дальнейшему развитию кровеносных сосудов. При пересадке мышам и крысам такие мышцы приживались намного лучше, чем участки ткани, состоящие из одних мышечных волокон.
Органоиды
Используя трехмерные клеточные культуры, удалось создать простую, но вполне функциональную печень человека. В совместной культуре эндотелиальных и мезенхимальных клеток при достижении определенного соотношения начинается их самоорганизация и образуются трехмерные шарообразные структуры, представляющие собой зачаток печени. Через 48 ч после трансплантации этих фрагментов в организм мышей устанавливаются связи с кровеносными сосудами и внедренные части способны выполнять характерные для печени функции. Проведены успешные эксперименты по имплантации крысе легкого, выращенного на очищенной от клеток донорской матрице.
Воздействуя на сигнальные пути индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, удалось получить органоиды легких человека, состоящие из эпителиальных и мезенхимальных компартментов со структурными особенностями, характерными для легочных тканей. Биоинженерные зародыши подчелюстных слюнных желез, сконструированные in vitro , после трансплантации способны развиваться в зрелую железу путем формирования гроздьевидных отростков с мышечным эпителием и иннервацией.
Разработаны 3D-органоиды глазного яблока и сетчатки глаза с фоторецепторными клетками: палочками и колбочками. Из недифференцированных эмбриональных клеток лягушки вырастили глазное яблоко и вживили его в глазную полость головастика. Через неделю после операции симптомы отторжения отсутствовали, и анализ показал, что новый глаз полностью интегрировался в нервную систему и способен передавать нервные импульсы.
А в 2000 г. опубликованы данные о создании глазных яблок, выращенных из недифференцированных эмбриональных клеток. Выращивание нервной ткани наиболее сложно из-за многообразия типов составляющих ее клеток и их сложной пространственной организации. Однако на сегодня существует успешный опыт выращивания аденогипофиза мыши из скопления стволовых клеток. Создана трехмерная культура органоидов клеток головного мозга, полученных из плюрипотентных стволовых клеток.
Напечатанные органы
Уже налажено серийное производство биопринтеров, которые слой за слоем печатают живые ткани и органы заданной трехмерной формы. Принтер способен с высокой скоростью наносить живые клетки на любую подходящую подложку, в качестве которой используют термообратимый гель. При температуре ниже 20 °С он представляет собой жидкость, а при нагреве выше 32 °С затвердевает. Причем печать осуществляется «из материала заказчика», то есть из растворов живых клеточных культур, выращенных из клеток пациента. Клетки, напыляемые принтером, через некоторое время сами срастаются. Тончайшие слои геля придают конструкции прочность, а затем гель можно легко удалить с помощью воды. Однако чтобы таким способом можно было сформировать функционирующий орган, содержащий клетки нескольких типов, необходимо преодолеть ряд сложностей. Механизм контроля, за счет которого делящиеся клетки формируют правильные структуры, еще не понятен до конца. Однако представляется, что несмотря на сложность этих задач, они все же решаемы и у нас есть все основания верить в стремительное развитие медицины нового типа.
Биобезопасность применения плюрипотентных клеток
От регенеративной медицины ждут очень многого и вместе с тем развитие этого направления порождает множество морально-этических, медицинских и нормативно-правовых вопросов. Очень важной проблемой является биобезопасность применения плюрипотентных стволовых клеток. Уже научились перепрограммировать клетки крови и кожи c помощью факторов транскрипции в индуцированные стволовые плюрипотентные клетки. Полученные культуры стволовых клеток пациента в дальнейшем могут развиваться в нейроны, ткани кожных покровов, клетки крови и печени. Следует помнить, что во взрослом здоровом организме плюрипотентных клеток нет, но они могут спонтанно возникать при саркоме и тератокарциноме. Соответственно, если ввести в организм плюрипотентные клетки или клетки с индуцированной плюрипотентностью, то они могут спровоцировать развитие злокачественных опухолей. Поэтому необходима полная уверенность в том, что в трансплантируемом пациенту биоматериале таких клеток не содержится. Сейчас разрабатываются технологии, позволяющие прямо получить клетки тканей определенного типа, минуя состояние плюрипотентности.
В XXI в. с развитием новых технологий медицина обязана перейти на качественно новый уровень, который позволит своевременно «отремонтировать» организм, пораженный тяжелой болезнью или возрастными изменениями. Хочется верить, что совсем скоро выращивать органы прямо в операционной из клеток пациента будет так же просто, как цветы в оранжереях. Надежду подкрепляет то, что технологии выращивания тканей уже работают в медицине и спасают жизни людей.
