Искусственное выращивание органов человека

Генетически модифицированные животные, в телах которых станут выращивать органы для трансплантации людям, появятся в России в ближайшие годы. МФТИ подписал соглашение с китайскими учеными об участии в совместном проекте. Животные с человеческими генами помогут получить максимально подходящий материал для пересадки. Он не вызовет отторжения из-за реакции иммунитета, так как не будет восприниматься организмом человека как чужеродный. На первом этапе специалисты проведут перестройку генома свиньи. Аналогичная работа планируется также с нечеловекообразными приматами — яванскими макаками. Трансгенных животных намерены также использовать для доклинических исследований новых лекарств.

Отредактировать эмбрион

В трансплантации сердца, почек, печени и других жизненно важных органов нуждаются тысячи людей, однако донорского материала, который сейчас берут в основном от только что умершего человека, остро не хватает. Проблема усугубляется тем, что пересаживать можно только генетически идентичные ткани и органы. Материал, взятый у животных, неизбежно будет распознан как чужеродный и отторгнут иммунитетом. Однако нужные органы можно создать искусственно в лаборатории методами тканевой инженерии или попробовать «вырастить» внутри организма другого биологического вида.

Фото: TASS/DPA/Holger Hollemann

Ученые Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с коллегами из Китая запускают масштабный проект по созданию генетически модифицированных животных для нужд трансплантации. Как сообщил «Известиям» руководитель лаборатории геномной инженерии Павел Волчков, соответствующее соглашение МФТИ с четырьмя китайскими организациями было подписано в Шанхае в рамках Третьего заседания Координационной комиссии по инновационному сотрудничеству и форума «Инвестиции в инновации». С китайской стороны главным интересантом стала компания Clonorgan, представляющая собой венчурный стартап. Также свои подписи поставили представители бизнес-инкубатора города Ченду, Института ветеринарии и животноводства Китайской академии наук и правительства города Чунцин.

— Компания Clonorgan пришла к нам за помощью в плане редактирования генома, — пояснил Павел Волчков. — Сотрудники нашей лаборатории уже отработали технологию создания трансгенных животных.

Речь идет о ксенотрансплантации — пересадке органов, тканей или клеток от организма одного биологического вида другому. Генетикам нужно добиться, чтобы ткани и органы, выращенные в животном, можно было перенести в организм человека и трансплантат не отторгался бы вследствие иммунного ответа, был функционален и служил длительное время.

Гуманизированные животные

В научной литературе животные, организмы которых состоят из генетически разнородных клеток (то есть взятых от разных биологических видов), получили название химер. Как отметили в МФТИ, на данный момент уже получено более 10 линий гуманизированных свиней, несущих необходимые модификации в геноме. Пока их будут применять для тестирования новых препаратов. На таких животных можно проверять методики терапии различных болезней (в том числе ВИЧ и онкозаболеваний). К примеру, вырастить у свиньи фрагмент человеческой печени и тестировать на нем лекарство от цирроза, которое будет подходить людям.

Фото: РИА Новости/Виталий Аньков

— Несмотря на известное высказывание Уинстона Черчилля о том, что свиньи смотрят на нас как на равных, отличия между нами, как биологическими видами, велики, — отметил Павел Волчков. — Нам важно избежать при пересадке сверхбыстрой реакции отторжения. В дальнейшем можно будет вырастить орган, состоящий из человеческих тканей, внутри тела животного. Такая технология называется бластоцистной комплиментацией (бластоциста — это следующий этап формирования зародыша после зиготы. — «Известия»). Причем, применять ее можно персонализировано: с использованием клеток конкретного пациента, что сделает риск отторжения минимальным.

Помимо редактирования эмбрионов свиней, ученые также инициировали проект с нечеловекообразными приматами, предположительно, яванскими макаками.

Перспективные технологии

Как поясняют ученые, вопрос выращивания органов для трансплантации решится не так скоро, это технологии медицины будущего. Однако некоторые отдельные ткани и паренхиматозные органы человеческого организма (печень, селезенка, эндокринные железы) можно будет получить в ближайшие 5–10 лет. Например, исследователи смогут помочь больным с сахарным диабетом, если вырастят фрагменты поджелудочной железы. По словам ученых, таким же способом можно решить проблему трансплантации костного мозга, в которой нуждается огромное количество людей на Земле, а донорского материала катастрофически не хватает. Для этого нужно будет пересадить животным гемопоэтические стволовые клетки человека (клетки костного мозга, из которых получаются эритроциты, тромбоциты и различные виды лейкоцитов. — «Известия»). Их можно будет полностью или частично формировать из клеток, взятых у конкретного пациента.

В лаборатории биомедицинских клеточных технологий

Фото: РИА Новости/Виталий Аньков

Ведущий научный сотрудник Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, профессор Гёттингенского университета (Германия) Константин Крутовский уверен, что геномное редактирование — это большой шаг вперед, но, как и всякая новая технология, оно связано с определенными рисками.

— Подходить к этому надо с большой осторожностью, используя нестареющий принцип медицины — «не навреди». Не все побочные эффекты геномного редактирования изучены, — подчеркнул ученый. — Поэтому необходимы дополнительные исследования, прежде чем использовать этот метод в практической медицине. Кроме того, научному сообществу совместно с социологами, экономистами и законодателями следует разработать этические принципы и законы, регулирующие применение данного метода, и строго следить за их соблюдением.

Заведующая лабораторией постгеномных исследований Института молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, руководитель ЦКП «Геном» Анна Кудрявцева считает, что выращивание человеческих органов внутри животных в будущем перспективно для медицины. Однако сомнения вызывают партнеры МФТИ.

— Я довольно настороженно отношусь к сотрудничеству с китайцами. У них много прорывных исследований, но половина из них в итоге оказываются фейковыми, — пояснила эксперт. — Поэтому нужно подходить к такому сотрудничеству с высокой степенью ответственности.

Проект по созданию трансгенных животных для выращивания органов, в котором также участвует институт Китайской академии наук, поддержан правительством города Чунцин и местными институтами инновационного развития. С российской стороны может быть привлечен Фонд перспективных исследований, который финансирует лаборатории МФТИ, работающие в области регенеративной медицины. Китайская сторона уже объявила об инвестициях в объеме $7 млн, а бизнес-инкубаторы готовы вкладывать еще десятки миллионов в случае, если исследования будут успешными.

Кирилюк И. Л.

В В Е Д Е Н И Е

Выращивание органов и его альтернативы

Многие болезни, в том числе, угрожающие жизни человека, связаны с нарушениями в деятельности конкретного органа (например, почечная недостаточность, сердечная недостаточность, сахарный диабет и др.). Далеко не во всех случаях эти нарушения можно исправить с помощью традиционных фармакологических или хирургических воздействий.

Существует ряд альтернативных способов того, как восстановить функции органов пациентам в случае серьёзного поражения:

1) Стимуляция процессов регенерации в организме. Кроме фармакологических воздействий в практике применяется процедура введения в организм стволовых клеток, которые имеют способность к превращению в полноценные функциональные клетки организма. Уже получены положительные результаты при лечении с помощью стволовых клеток самых разных заболеваний, в том числе, наиболее распространенных в обществе заболеваний, таких, как инфаркты, инсульты, нейродегенеративные заболевания, диабет и другие. Однако ясно, что такой способ лечения применим лишь для устранения относительно небольших повреждений органов.

2) Восполнение функций органов с помощью аппаратов не биологического происхождения. Это могут быть крупных размеров аппараты, к которым больные подключаются на определенное время (например, аппараты для гемодиализа при почечной недостаточности). Также имеются модели носимых устройств, или устройств, имплантируемых внутрь организма (существуют варианты сделать это, оставив собственный орган пациента, однако, иногда его удаляют, и аппарат полностью берёт на себя его функции, как в случае использования искусственного сердца AbioCor). Подобные приспособления в ряде случаев используют на время ожидания появления необходимого донорского органа. Пока не биологические аналоги значительно уступают по совершенству естественным органам.

3) Использование донорских органов. Донорские органы, пересаживаемые от одного человека к другому, уже широко и порою успешно применяются в клинической практике. Однако это направление сталкивается с рядом проблем, таких, как серьёзный дефицит донорских органов, проблема реакции отторжения чужого органа иммунной системой и др. Уже были попытки пересаживать человеку органы животных (это называется ксенотрансплантацией), но пока успехи в применении такого способа скромные и в регулярную практику он не внедрён. Однако ведутся исследования с целью повысить эффективность ксенотрансплантации, например, посредством генетической модификации.

4) Выращивание органов. Органы могут выращиваться искусственно как в теле человека, так и вне организма. В ряде случаев имеется возможность выращивать орган из клеток того человека, которому его собираются трансплантировать. Разработан ряд методов выращивания биологических органов, например, с помощью специальных приборов, работающих по принципу 3D принтера. К рассматриваемому направлению можно отнести предложение о возможности выращивания, для замены повреждённого тела человека с сохранившимся мозгом, самостоятельно развивающегося организма, клона — «растения” (с отключенной способностью мыслить).

Среди перечисленных четырёх вариантов решения проблемы недостаточности функций органов именно их выращивание может быть наиболее естественным для организма способом восстановления при крупных повреждениях.

В настоящем тексте приводится информация о существующих достижениях в выращивании биологических органов.

Д О С Т И Ж Е Н И Я И П Е Р С П Е К Т И В Ы В В Ы Р А Щ И В А Н И И О Т Д Е Л Ь Н Ы Х О Р Г А Н О В

Д Л Я Н У Ж Д М Е Д И Ц И Н Ы

Выращивание тканей

Выращивание простых тканей – уже существующая и использующаяся в практике технология.

Кожа

Восстановление повреждённых участков кожи уже является частью клинической практики. В ряде случаев используются методы регенерации кожи самого человека, например, пострадавшего от ожога посредством специальных воздействий. Это например разработанный Р.Р. Рахматуллиным биопластический материал гиаматрикс1, или биокол2, разработанный коллективом под руководством Б.К. Гаврилюка. Для выращивания кожи на месте ожога также используются специальные гидрогели3.

Также развиваются методы распечатки фрагментов ткани кожи с помощью специальных принтеров. Созданием таких технологий занимаются, например, разработчики из американских центров регенерационной медицины AFIRM4 и WFIRM5.

Доктор Герлах (Jorg Gerlach) с коллегами из Института регенеративной медицины при Университете Питсбурга (Institute for Regenerative Medicine at the University of Pittsburg) изобрели устройство для пересадки кожи, которое поможет людям быстрее излечиться от ожогов различной степени тяжести. Skin Gun распыляет на поврежденную кожу пострадавшего раствор с его же стволовыми клетками. На данный момент новый метод лечения находится на экспериментальной стадии, но результаты уже впечатляют: тяжелые ожоги заживают буквально за пару дней.6

Кости

Группа сотрудников Колумбийского университета под руководством Горданы Вуньяк-Новакович (Gordana Vunjak-Novakovic) получила из стволовых клеток, засеянных на каркас, фрагмент кости, аналогичный части височно-нижнечелюстного сустава.7

Учёные израильской компании Bonus Biogroup8 (основатель и исполнительный директор — Шай Мерецки, Shai Meretzki) разрабатывают методы выращивания человеческой кости из жировой ткани пациента, полученной посредством липосакции. Выращенную таким образом кость уже удалось успешно пересадить в лапу крысы.

Зубы

Итальянским ученым из University of Udine удалось показать, что полученная из единственной клетки жировой ткани популяция мезенхимальных стволовых клеток invitro даже в отсутствие специфического структурного матрикса или подложки может быть дифференцирована в структуру, напоминающую зубной зачаток.9

В Токийском университете учёные вырастили из стволовых клеток мышей полноценные зубы, имеющие зубные кости и соединительные волокна, и успешно трансплантировали их в челюсти животных.10

Хрящи

Специалистам из Медицинского центра Колумбийского университета (Columbia University Medical Center) под руководством Джереми Мао (Jeremy Mao) удалось добиться восстановления суставных хрящей кроликов.

Сначала исследователи удалили животным хрящевую ткань плечевого сустава, а также находящийся под ней слой костной ткани. Затем на место удаленных тканей им были помещены коллагеновые каркасы.

У тех животных, у которых каркасы содержали трансформирующий фактор роста — белок, который контролирует дифференцировку и рост клеток, вновь сформировалась костная и хрящевая ткань на плечевых костях, а движения в суставе полностью восстановились.11

Группе американских ученых из The University of Texasat Austin удалось продвинуться в создании хрящевой ткани с меняющимися в разных участках механическими свойствами и составом внеклеточного матрикса.12

В 1997 году, Хирургу Джею Ваканти (Jay Vscanti) из Главной больницы Массачусетса в Бостоне удалось вырастить на спине у мыши человеческое ухо, используя клетки хряща.13

Медики Университета Джона Хопкинса удалили пораженное опухолью ухо и часть черепной кости у 42-летней женщины, страдающей раком. Используя хрящевую ткань из грудной клетки, кожу и сосуды из других частей тела пациентки, они вырастили ей искусственное ухо на руке и затем пересадили в нужное место.14

Сосуды

Исследователи из группы профессора Ин Чжэн (Ying Zheng) вырастили в лаборатории полноценные сосуды, научившись управлять их ростом и формировать из них сложные структуры. Сосуды формируют ветвления, нормальным образом реагируют на суживающие вещества, транспортируя кровь даже через острые углы.15

Ученые во главе с заведующим кафедрой в Университете Райса Дженнифер Вест (Jennifer West) и молекулярным физиологом из Медицинского колледжа Бэйлора (Baylor College of Medicine — BCM) Мэри Дикинсон (Mary Dickinson) нашли свой способ выращивать кровеносные сосуды, в том числе капилляры с использованием в качестве базового материала полиэтиленгликоля (PEG) – нетоксичного пластика. Ученые модифицировали PEG, имитируя экстрацеллюлярный матрикс организма.

Затем они соединили его с двумя видами клеток, необходимыми для образования кровеносных сосудов. Используя свет, превращающий полимерные нити PEG в трехмерный гель, они получили мягкий гидрогель, содержащий живые клетки и ростовые факторы. В результате ученые смогли наблюдать за тем, как клетки медленно образуют капилляры во всей массе геля.

Чтобы протестировать новые сети кровеносных сосудов, ученые имплантировали гидрогели в роговицу глаза мышей, где отсутствует естественное кровоснабжение. Введение красителя в кровь животных подтвердило существование нормального кровотока во вновь образовавшихся капиллярах.16

Шведские врачи из университета Готенбурга под руководством профессора Сухитры Сумитран-Хольгешон (Suchitra Sumitran-Holgersson) впервые в мире провели операцию по пересадке вены, выращенной из стволовых клеток пациента.17

Участок подвздошной вены длиной около 9 сантиметров, полученный от умершего донора, был очищен от донорских клеток. Внутрь оставшегося белкового каркаса поместили стволовые клетки девочки. Через две недели была проведена операция по пересадке вены с выросшей в ней гладкой мускулатурой и эндотелием.

Прошло больше года с момента операции, антител к трансплантату в крови пациентки обнаружено не было и самочувствие ребёнка улучшилось.

Мышцы

Сотрудники Вустерского политехнического института (США) успешно ликвидировали большую рану в мышечной ткани у мышей путём выращивания и вживления состоящих из белкового полимера фибрина микронитей, покрытых слоем человеческих мышечных клеток.18

Израильские ученые из Technion-Israel Institute of Technology исследуют необходимую степень васкуляризации и организации ткани invitro, позволяющую улучшить приживаемость и интеграцию тканеинженерного васкуляризированного мышечного импланта в организме реципиента.19

Кровь

Исследователи из Университета Пьера и Марии Кюри в Париже под руководством Люка Дуая (Luc Douay) впервые в мировой практике успешно испытали на людях-добровольцах искусственную кровь, выращенную из стволовых клеток.

Каждый из участников эксперимента получил по 10 миллиардов эритроцитов, что эквивалентно примерно двум миллилитрам крови. Уровни выживаемости полученных клеток оказались сопоставимы с аналогичными показателями обычных эритроцитов.20

Костный мозг

Искусственный костный мозг, предназначенный для производства in vitro клеток крови, впервые успешно был создан исследователями в лаборатории химической инженерии Мичиганского Университета (University of Michigan) под руководством Николая Котова (Nicholas Kotov). С его помощью уже можно получать гемопоэтические стволовые клетки и В-лимфоциты – клетки иммунной системы, продуцирующие антитела.21

Выращивание сложных органов

Мочевой пузырь.

Доктор Энтони Атала (Anthony Atala) и его коллеги из американского университета Вэйк Форест (Wake Forest University) занимаются выращиванием мочевых пузырей из собственных клеток пациентов и их трансплантацией пациентам.22 Они отобрали нескольких пациентов и взяли у них биопсию пузыря — образцы мышечных волокон и уротелиальных клеток. Эти клетки размножались семь-восемь недель в чашках Петри на имеющем форму пузыря основании. Затем выращенные таким способом органы были вшиты в организмы пациентов. Наблюдения за пациентами в течении нескольких лет показали, что органы функционировали благополучно, без негативных эффектов, характерных для более старых методов лечения. Фактически это первый случай, когда достаточно сложный орган, а не простые ткани, такие, как кожа и кости, был искусственно выращен in vitro и пересажен в человеческий организм. Так же этот коллектив разрабатывает методы выращивания других тканей и органов.

Трахея.

Испанские хирурги провели первую в мире трансплантацию трахеи, выращенной из стволовых клеток пациентки — 30-летней Клаудии Кастильо (Claudia Castillo). Орган был выращен в университете Бристоля (University of Bristol) на основе донорского каркаса из коллагеновых волокон. Операцию провёл профессор Паоло Маккиарини (Paolo Macchiarini) из госпиталя Барселоны (Hospital Clínic de Barcelona).23

Профессор Маккиарини активно сотрудничает с Российскими исследователями, что позволило сделать первые операции по пересадке выращенной трахеи в России.24

Почки

Компания Advanced Cell Technology в 2002 г. сообщила об успешном выращивании полноценной почки из одной клетки, взятой из уха коровы с использованием технологии клонирования для получения стволовых клеток. Применяя специальное вещество, стволовые клетки превратили в почечные.

Ткань вырастили на каркасе из саморазрушающегося материала, созданного в Гарвардской медицинской школе и имеющего форму обычной почки.

Полученные в результате почки около 5 см в длину были имплантированы корове рядом с основными органами. В результате искусственная почка успешно начала вырабатывать мочу. 25

Печень

Американские специалисты из Массачусетской больницы общего профиля (Massachusetts General Hospital) под руководством Коркута Югуна (Korkut Uygun) успешно пересадили нескольким крысам печень, выращенную в лаборатории из их собственных клеток.

Исследователи удалили печени у пяти лабораторных крыс, очистили их от клеток хозяина, получив, таким образом, соединительнотканные каркасы органов. Затем в каждый из пяти полученных каркасов исследователи ввели примерно по 50 миллионов клеток печени, взятых у крыс-реципиентов. В течение двух недель на каждом из заселенных клетками каркасов сформировалась полностью функционирующая печень. После чего выращенные в лаборатории органы были успешно пересажены пяти крысам.26

Сердце

Ученые из британского госпиталя Хэафилд под руководством Мегди Якуба впервые в истории вырастили часть сердца, использовав в качестве «строительного материала» стволовые клетки. Врачи вырастили ткань, которая работала в точности как сердечные клапаны, ответственные за кровоток в организме людей.27

Ученые из University of Rostock (Германия) использовали технологию лазерного переноса-печатания клеток (Laser-Induced-Forward-Transfer (LIFT) cellprinting) для изготовления «заплатки”, предназначенной для регенерации сердца.28

Легкие

Американские ученые из Йельского университета (Yale University) под руководством Лауры Никласон (Laura Niklason) вырастили в лаборатории легкие (на донорском внеклеточном матриксе).

Матрикс был заполнен клетками эпителия легких и внутренней оболочки кровеносных сосудов, взятых у других особей. С помощью культивации в биореакторе исследователям удалось вырастить новые легкие, которые затем пересадили нескольким крысам.

Орган нормально функционировал у разных особей от 45 минут до двух часов после трансплантации. Однако после этого в сосудах легких начали образовываться тромбы. Кроме того, исследователи зафиксировали утечку небольшого количества крови в просвет органа. Тем не менее, исследователям впервые удалось продемонстрировать потенциал регенеративной медицины для трансплантации лёгких.29

Кишечник

Группе японских исследователей из Медицинского университета Нара (Nara Medical University) под руководством Есиюки Накадзимы (Yoshiyuki Nakajima) удалось создать фрагмент кишечника мыши из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.

Его функциональные особенности, структура мышц, нервных клеток соответствуют обычному кишечнику. Например, он мог сокращаться для перемещения пищи.30

Поджелудочная железа

Исследователи израильского института Technion, работающие под руководством профессора Шуламит Левенберг (Shulamit Levenberg), разработали метод выращивания ткани поджелудочной железы, содержащей секреторные клетки, окруженные трехмерной сетью кровеносных сосудов.

Трансплантация такой ткани мышам с диабетом приводила к значительному снижению уровней глюкозы в крови животных.31

Тимус

Ученые из University of Connecticut Health Center (США) разработали метод направленной дифференцировки invitro мышиных эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) в клетки-предшественники эпителия тимуса (ПЭТ), которые invivo дифференцировались в клетки тимуса, и восстанавливали его нормальное строение.32

Предстательная железа

Ученые Пру Кауин, профессор Гейл Рисбриджер и доктор Рения Тейлор из Мельбурнского института медицинских исследований Monash, , стали первыми, кому с помощью стволовых эмбриональных клеток удалось вырастить человеческую простату в теле мыши.33

Яичник

Группе специалистов под руководством Сандры Карсон (Sandra Carson) из университета Брауна удалось вырастить первые яйцеклетки в органе, созданном в лаборатории: пройден путь от стадии «молодого граафова пузырька» до полного взросления.34

Пенис, уретра

Исследователям из Института регенеративной медицины Уэйк-Фореста (Северная Каролина, США) под руководством Энтони Атала (Anthony Atala) удалось вырастить и успешно пересадить пенисы кроликам. После операции функции пенисов восстановились, кролики оплодотворили самок, у них родилось потомство.35

Ученые из Университета Уэйк-Форест в Уинстон-Сейлеме, штат Северная Каролина, вырастили мочеиспускательные каналы из собственных тканей больных. В эксперименте они помогли пятерым подросткам восстановить целостность поврежденных каналов.36

Глаза, роговицы, сетчатки

Биологи из Токийского университета имплантировали в глазницу лягушки, из которой было удалено глазное яблоко, эмбриональные стволовые клетки. Затем глазницу заполнили специальной питательной средой, обеспечивавшей питание клеток. Через несколько недель эмбриональные клетки переросли в новое глазное яблоко. Причем восстановился не только глаз, но и зрение. Новое глазное яблоко срослось со зрительным нервом и питающими артериями, полностью заместив прежний орган зрения.37

Учeные из Caлгрeнcкoй Aкaдeмии в Швeции (The Sahlgrenska Academy) впeрвыe уcпeшно культивирoвaли из cтвoлoвых клeтoк чeлoвeчecкую рoгoвицу. Этo в будущeм пoмoжeт избeжaть дoлгoго oжидaния дoнoрcкoй роговицы.38

Исследователи университета Калифорнии в Ирвине, работающие под руководством Ганса Кайрштеда (Hans Keirstead), вырастили из стволовых клеток в лабораторных условиях восьмислойную сетчатку, что поможет в разработке готовых к трансплантации сетчаток для лечения таких ведущих к слепоте заболеваний, как пигментный ретинит и макулярная дегенерация. Сейчас они проверяют возможность трансплантации такой сетчатки на животных моделях.39

Нервные ткани

Исследователи Центра биологии развития RIKEN, Кобе, Япония под руководством Йошики Сасаи разработали методику выращивания гипофиза из стволовых клеток, который успешно имплантировали мышам. Проблему создания двух типов тканей ученые решили воздействуя на мышиные эмбриональные стволовые клетки веществами, создающими среду, похожую на ту, в которой формируется гипофиз развивающегося эмбриона, и обеспечили обильное снабжение клеток кислородом. В результате клетки сформировали трехмерную структуру, внешне сходную с гипофизом, содержащую комплекс эндокринных клеток, секретирующих гипофизарные гормоны.40

Ученые лаборатории клеточных технологий Нижегородской государственной медицинской академии сумели вырастить нейронную сеть, фактически фрагмент мозга.41

Вырастили они нейронную сеть на специальных матрицах – многоэлектродных подложках, которые позволяют снимать электрическую активность этих нейронов на всех этапах роста.

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Приведённый обзор публикаций показывает, что уже имеются существенные достижения в использовании выращивания органов для лечения людей не только простейших тканей, таких, как кожа и кости, но и достаточно сложных органов, таких, как мочевой пузырь, или трахея. Технологии выращивания ещё более сложных органов (сердце, печень, глаз и др.) пока отрабатываются на животных. Кроме применения в трансплантологии, такие органы могут послужить, например, для экспериментов, заменяющих некоторые эксперименты на лабораторных животных, или же для нужд искусства (как это сделал вышеупомянутый Дж. Ваканти). Ежегодно в области выращивания органов появляются новые результаты. По прогнозам учёных разработка и внедрение техники выращивания сложных органов – вопрос времени и велика вероятность, что уже в ближайшие десятилетия техника будет отработана настолько, что выращивание сложных органов будет широко использоваться в медицине, вытеснив наиболее распространённый сейчас метод трансплантации от доноров.

Источники информации.

2 Система «биокол» для регенерации ран. Гаврилюк Б.К., Гаврилюк В.Б.// Технологии живых систем. 2011. № 8. С. 79-82.

4 Сайт центра http://www.afirmwakepitt.org/AFIRM/Templates/Interior.aspx?id=100

5 Сайт центра http://www.wakehealth.edu/Research/WFIRM/Bioprinting.htm

8 Сайт компании http://www.bonus-therapeutic.com/

20 Giarratana, et al. Proof of principle for transfusion of in vitro-generated red blood cells. // Blood 2011, 118: 5071-5079;

22 Anthony Atala. Tissue engineering of human bladder // British medical bulletin 2011; v. 97, N 1, p. 81-104.

24 Итоги мастер-класса профессора Паоло Маккиарини // Туберкулез и болезни легких. 2010. Т. 87. № 5. С. 74.

41 Мухина И.В., Хаспеков Л.Г. Новые технологии в экспериментальной нейробиологии: нейронные сети на мультиэлектродной матрице. Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2010. №2. С. 44-51.

Основания для оптимизма, конечно же, есть. В наши дни в науке наметилось несколько направлений, которые, возможно, позволят в близком или дальнем будущем превратить Homo sapiens в более долговечную и надежную мыслящую конструкцию. Первое — это создание электронно-механических «подпорок» для недужного тела. Речь идет о роботизированных бионических протезах конечностей, достоверно воспроизводящих человеческую локомоторику, или даже целых экзоскелетах, которые смогут подарить радость движения парализованным.

Мозг 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.

Эти хитроумные изделия дополнит нейромашинный интерфейс, который позволит считывать команды прямо с соответствующих участков головного мозга. Действующие прототипы подобных устройств уже созданы, теперь главное — их совершенствование и постепенное удешевление.

Вторым направлением можно считать исследования генетических и прочих микробиологических процессов, вызывающих старение. Познание этих процессов, возможно, в будущем даст возможность затормозить увядание организма и продлить активную жизнь за вековой предел, а возможно, и далее.

Глаз Поиски ведутся в нескольких направлениях. Одно из них — бионический глаз: электронная камера плюс чип, имплантированный в сетчатку. Есть и некоторые успехи в выращивании сетчатки (пока у мышей).

И наконец, к третьему направлению относятся исследования в области создания подлинных запчастей к человеческому телу — тканей и органов, которые структурно и функционально будут мало чем отличаться от природных и позволят своевременно «отремонтировать» организм, пораженный тяжелой болезнью или возрастными изменениями. Известия о новых шагах в этой области приходят сегодня едва ли не ежедневно.

Запускаем печать

Базовая технология выращивания органов, или тканевой инженерии, заключается в использовании эмбриональных стволовых клеток для получения специализированных клеток той или иной ткани, например гепатоцитов — клеток паренхимы (внутренней среды) печени. Эти клетки затем помещаются внутрь структуры соединительной межклеточной ткани, состоящей преимущественно из белка коллагена.

Сердце Наряду с созданием электронно-механических протезов ведется поиск более естественного имплантата, объединяющего в себе выращенные ткани сердечной мускулатуры с наноэлектронной системой контроля.

Таким образом обеспечивается заполнение клетками всего объема выращиваемого органа. Матрицу из коллагена можно получить путем очистки от клеток донорской биологической ткани или, что гораздо проще и удобнее, создать ее искусственным путем из биоразрушаемых полимеров или специальной керамики, если речь идет о кости. В матрицу помимо клеток вводятся питательные вещества и факторы роста, после чего клетки формируют единый орган или некую «заплатку», призванную заместить собой пораженную часть.

Правда, выращивание искусственной печени, легкого и других жизненно важных органов для пересадки человеку сегодня пока недостижимо, в более простых случаях такая методика успешно применяется. Известен случай пересадки пациентке выращенной трахеи, осуществленной в РНЦ хирургии им. Б.В. Петровского под руководством итальянского профессора П. Маккиарини. В данном случае в качестве основы была взята донорская трахея, которую тщательно очистили от клеток. На их место были введены стволовые клетки, взятые из костного мозга самой пациентки. Туда же были помещены факторы роста и фрагменты слизистой оболочки — их также позаимствовали из поврежденной трахеи женщины, которую предстояло спасти.

Легкие Проведены успешные эксперименты по имплантации крысе легкого, выращенного на очищенной от клеток донорской матрице.

Недифференцированные клетки в таких условиях дали начало клетками дыхательного эпителия. Выращенный орган имплантировали пациентке, причем были приняты специальные меры для проращивания имплантата кровеносными сосудами и восстановления кровообращения.

Впрочем, уже существует метод выращивания тканей без применения матриц искусственного или биологического происхождения. Метод нашел воплощение в устройстве, известном как биопринтер. В наши дни биопринтеры «выходят из возраста» опытных образцов, и появляются мелкосерийные модели. Например, аппарат компании Organovo способен распечатать фрагменты тканей, содержащих 20 и более клеточных слоев (причем туда входят клетки разных типов), объединенных межклеточной тканью и сетью кровеносных капилляров.

Печень До выращивания целой искусственной печени еще далеко, однако фрагменты ткани печени человека уже получены методом выращивания на матрице из биоразлагаемых полимеров. Такие имплантаты смогут помочь в восстановлении пораженных участков.

Соединительная ткань и клетки собираются воедино по той же технологии, которую используют при трехмерной печати: движущаяся головка, позиционирующаяся с микронной точностью в трехмерной сети координат, «выплевывает» в нужную точку капельки, содержащие либо клетки, либо коллаген и другие вещества. Разные производители биопринтеров сообщили, что их устройства уже способны распечатывать фрагменты кожи подопытных животных, а также элементы почечной ткани. Причем в результате удалось достичь правильного расположения клеток разных типов друг относительно друга. Правда, эпохи, когда принтеры в клиниках будут способны создавать органы разного назначения и больших объемов, придется еще подождать.

Мозг под замену

Развитие темы запчастей для человека неизбежно приводит нас к теме самого сокровенного — того, что делает человека человеком. Замена мозга — пожалуй, самая фантастическая идея, касающаяся потенциального бессмертия. Проблема, как нетрудно догадаться, в том, что мозг — похоже, самый сложный из известных человечеству материальных объектов во Вселенной. И, возможно, один из самых непонятных. Известно, из чего он состоит, но очень мало известно о том, как он работает.

Новая кожа Новая кожа. Сотрудник лаборатории достает из ванночки полоску искусственно выращенного эпидермиса. Ткань создали в дерматологическом институте в г. Помеция, Италия, под руководством профессора Микеле де Лука.

Таким образом, если мозг удастся воссоздать как совокупность нейронов, устанавливающих друг с другом связи, надо еще придумать, как поместить в него всю необходимую человеку информацию. Иначе в лучшем случае мы получим взрослого человека с «серым веществом» младенца. Несмотря на всю сверхфантастичность конечной цели, наука активно работает над проблемой регенерации нервной ткани. В конце концов, цель может быть и скромнее — например, восстановление части мозга, разрушенной в результате травмы или тяжелого заболевания.

Проблема искусственной регенерации мозговой ткани усугубляется тем, что мозг обладает высокой гетерогенностью: в нем присутствует множество типов нервных клеток, в частности тормозные и возбуждающие нейроны и нейроглия (буквально — «нервный клей») — совокупность вспомогательных клеток нервной системы. Кроме того, разные типы клеток определенным образом расположены в трехмерном пространстве, и это расположение необходимо воспроизвести.

Трахея Это тот самый случай, когда технологии выращивания тканей уже работают в медицине и спасают жизни людей. Известны случаи успешной имплантации трахеи, выращенной на донорской матрице из клеток спинного мозга пациента.

Нервный чип

В одной из лабораторий знаменитого Массачусетского технологического института, известного своими разработками в сфере информационных технологий, подошли к созданию искусственной нервной ткани «по-компьютерному», применив элементы технологии изготовления микрочипов.

Исследователи из Бостона взяли смесь нервных клеток, полученных из первичной коры мозга крысы, и нанесли их на тончайшие пластины гидрогеля. Пластины образовали своего рода сэндвич, и теперь задача состояла в том, чтобы вычленить из него отдельные блоки с заданной пространственной структурой. Получив такие прозрачные блоки, ученые намеревались изучать процессы возникновения нервных связей внутри каждого из них.

Мочевой пузырь Технология пересадки человеку мочевого пузыря, выращенного на коллагеновой матрицы из мочевого пузыря или тонкой кишки животного происхождения, уже создана и имеет положительную практику применения.

Задача была решена с помощью фотолитографии. На пласты гидрогеля накладывались пластиковые маски, которые позволяли свету воздействовать лишь на определенные участки, «сваривая» их воедино. Так удалось получить разнообразные по размерам и толщине композиции клеточного материала. Изучение этих «кирпичиков» со временем может привести к созданию значимых фрагментов нервной ткани для использования в имплантах.

Если инженеры MIT подходят к изучению и воссозданию нервной ткани в инженерном стиле, то есть механически формируя нужные структуры, то в Центре биологии развития RIKEN в японском городе Кобе ученые под руководством профессора Йошики Сасаи нащупывают другой путь — evo-devo, путь эволюции развития. Если плюрипотентные стволовые клетки эмбриона могут при делении создавать самоорганизующиеся структуры специализированных клеток (то есть разнообразные органы и ткани), то нельзя ли, постигнув законы такого развития, направлять работу стволовых клеток для создания имплантатов уже с природными формами?

Позвоночник В деле выращивания костей и хрящей на матрицах достигнут большой прогресс, однако восстановление нервной ткани спинного мозга — дело будущего.

И вот главный вопрос, на который намеревались найти ответ японские биологи: насколько зависит развитие конкретных клеток от внешних факторов (например, от контакта с соседними тканями), а в какой степени программа «зашита» внутри самих стволовых клеток. Исследования показали, что есть возможность вырастить из изолированной группы стволовых клеток заданный специализированный элемент организма, хотя внешние факторы играют определенную роль — например, необходимы определенные химические индуцирующие сигналы, заставляющие стволовые клетки развиваться, скажем, именно как нервная ткань. И для этого не понадобится никаких поддерживающих структур, которые придется наполнять клетками — формы возникнут сами в процессе развития, в ходе деления клеток.

В новом теле

Вопрос о пересадке мозга, коль скоро мозг является вместилищем интеллекта и самого человеческого «я», по сути, не имеет смысла, так как если мозг уничтожен, то воссоздать личность невозможно (если только со временем не научатся делать «резервные копии» сознания). Единственное, что могло бы иметь резон — это пересадка головы, а точнее — пересадка тела голове, у которой с телом проблемы. Однако при невозможности на современном уровне медицины восстановления спинного мозга, тело с новой головой останется парализованным. Правда, по мере развития тканевой инженерии, возможно, нервную ткань спинного мозга можно будет восстанавливать с помощью стволовых клеток. На время операции мозг придется резко охлаждать для предотвращения смерти нейронов.

По запатентованной Сасаи методике японцам удалось вырастить трехмерные структуры нервной ткани, первой из которых стала полученная из эмбриональных стволовых клеток мышей сетчатка глаза (так называемый зрительный бокал), которая состояла из функционально различных типов клеток. Они были расположены так, как предписывает природа. Следующим достижением стал аденогипофиз, не просто повторяющий структуру природного, но и выделяющий при пересадке мыши необходимые гормоны.

Разумеется, до полнофункциональных имплантов нервной ткани, а тем более участков человеческого мозга еще очень и очень далеко. Однако успехи искусственной регенерации тканей с применением технологий эволюции развития указывают путь, по которому пойдет вся регенеративная медицина: от «умных» протезов — к композитным имплантатам, в которых готовые пространственные структуры «проращиваются» клеточным материалом, и далее — к выращиванию запасных частей для человека по тем же законам, по которым они развиваются в естественных условиях.

Статья «Запчасти для бессмертия» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2013).

Печатное/электронное издание книги Библиографическое описание книги Автор, составитель, редактор: Готье С. В.
Тематика: медицина
Тип издания: печатное издание
Первый год издания: 2018
Формат: 84х108/16 (в пер.)
Страниц: 320
ISBN: 978-5-00101-107-1
УДК: 617(075.8)
ББК: 52.5
Вид издания: учебное издание

Учебник подготовлен коллективом авторов, большинство из которых являются сотрудниками кафедры трансплантологии и искусственных органов лечебного факультета Первого МГМУ им. И. М. Сеченова. Данное издание составлено с учетом требований Федерального государственного образовательного стандарта и учебного плана, базируется на восьмилетнем опыте преподавания этой дисциплины в ведущем медицинском вузе России — Первом МГМУ им. И. М. Сеченова, а также клиническом и научном опыте ведущего трансплантологического центра нашей страны ФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В. И. Шумакова» Минздрава России. Настоящий учебник будет полезен не только студентам, но также может оказать помощь в обучении молодых специалистов, врачей, ученых, аспирантов, так как содержит «под одной обложкой» базовую информацию по основным разделам трансплантологии, искусственным органам, а также регенеративной медицине и созданию биоискусственных органов.

Фрагмент1

1 — Навигация в электронном издании работает частично в зависимости от размера фрагмента.

Назад в раздел

Используемый сейчас метод производства тканей из стволовых клеток имеет крайне ограниченную пропускную способность. Ученые из МФТИ и Гарварда при помощи полуавтоматической обработки тканей ускорили протокол производства клеток почти в четыре раза без потери качества.

Новый алгоритм помогает также в изучении факторов, влияющих на специализацию клеток. Результаты опубликованы в журнале Translational Vision Science and Technology.

Сетчатка глаза – это набор организованных слоев нейронов, связанных вместе и образующих нейронную цепь. Она воспринимает свет и обрабатывает поступающую визуальную информацию перед отправкой ее в мозг. Из-за ограниченной регенеративной способности потеря нейронов сетчатки приводит к необратимой слепоте. В 2015 году более 2,5 миллионов человек в России страдали различными заболеваниями сетчатки. С каждым годом заболеваемость растет – в основном за счет старения населения. Разрабатываются различные подходы к лечению заболеваний сетчатки: нейропротекция, генная терапия, замещение клеток и другие. Различаясь по механизму действия, целевому заболеванию и методологии, все они требуют огромного количества клеток сетчатки для исследований.

С помощью стволовых клеток можно воспроизвести развитие сетчатки в пробирке. Сначала кластеры стволовых клеток помещаются в специальную среду, где индуцируется спонтанное образование неразвитых нейронов. За этим следует формирование и созревание сетчатки. Этот подход приводит к получению настоящих нейронов сетчатки, организованных в сложную ткань, без внешней стимуляции путей развития в процессе специализации. Однако метод имеет свои ограничения: случайный характер начальной стимуляции роста нейронов. Также время, необходимое для правильного развития искусственной сетчатки, составляет 30 дней для сетчатки мыши и до года для органоидов человека. Авторы статьи попытались решить эти проблемы, увеличивая количество производимых клеток и улучшая их качество.

Для сравнения качества выращивания тканей роботом и человеком ученые вырастили несколько тысяч образцов ткани сетчатки для дальнейшей автоматической обработки и столько же образцов для ручного выведения. Авторы просканировали лунки с тканью из первой группы, а полученные изображения проанализировали с использованием специально разработанного скрипта на языке Python. Программа вычисляет области фотографии, в которых наиболее интенсивно светится флуоресцентный белок. Так как этот белок вырабатывается только в развивающихся клетках сетчатки, высокая интенсивность показывает участки образца с нужной тканью. Таким образом программа способна определять количество развивающейся сетчатки в каждом органоиде.

Оказалось, что применение автоматических алгоритмов не снижает качество выращиваемых тканей и помогает оптимизировать протокол наработки клеток благодаря большому количеству одновременно испытываемых систем. Применение полуавтоматического алгоритма работы позволило снизить затрачиваемое учеными время на обработку клеток с 2 часов до 34 минут.

«Мы реализовали роботизированную смену жидкости по ходу дифференцировки сетчатки и показали, что это не оказывает отрицательного влияния на результат специализации клеток. Кроме того, мы разработали инструмент для автоматического определения сетчатки и классификации органов и продемонстрировали его применение для оптимизации условий специализации и контроля качества. Одна из задач, которую мы стремились решить в нашей работе, – это возможность масштабировать дифференциацию для производства большого количества ткани для испытаний лекарств и экспериментов по трансплантации клеток. Автоматическая обработка образцов позволяет снизить необходимые усилия со стороны персонала и повысить в разы количество вырабатываемых клеток. После небольших модификаций этот алгоритм можно будет применять для выращивания других органов, не только сетчатки», – комментирует Евгений Кегелес, сотрудник лаборатории геномной инженерии МФТИ.

«Это как раз тот случай, когда количество имеет значение: благодаря автоматизации мы можем получить триллионы нейронов сетчатки для трансплантации», – добавляет Петр Баранов, руководитель лаборатории в The Schepens Eye Research Institute of Mass Eye and Ear.