Тканевая инженерия доктора Энтони Атала
Три проблемы регенеративной медицины
Создание органа на принтере
Доктор Энтони Атала отвечает на вопросы
Доктор Энтони Атала
В 2006 году урологическое сообщество взорвало сообщение доктора Энтони Аталы из университета Wake Forest (Северная Каролина, США). Оказывается, Э.Атала со своей группой исследователей еще в 1999 году пересадил нескольким пациентам мочевой пузырь, выращенный с использованием стволовых клеток, но он не опубликовал тогда результаты, дабы убедиться, что операция прошла успешно в отдаленном периоде времени. С тех пор в мире проведено около 30 подобных операций.
Энтони Атала (Anthony Atala) — профессор, доктор медицины, директор Института регенеративной медицины Wake Forest (США), но помимо этого он еще:
Практикующий хирург и передовой исследователь в области регенеративной медицины. Его сфера деятельности — выращивание человеческих клеток, тканей и органов. Он является признанным специалистом и одним из пионеров регенеративной медицины.
Сотрудник десятка специализированных журналов, в том числе главный редактор изданий: «Современных исследований и терапии стволовой клетки» (Current Stem Cell Research and Therapy), «Терапевтических достижений урологии» (Therapeutic Advances in Urology) и «Стволовые клетки и трансляционная медицина» (Stem Cells-Translational Medicine).
Лауреат премии Фонда Христофора Колумба, финансируемой Конгрессом США, «за работу над открытием, которое окажет существенное влияние на общество».
Лауреат премии «Золотой цитоскоп». Журнал Scientific American назвал его «Врачом года» (Medical Treatments Leader of the Year) за достижения в регенерации клеток, тканей и органов.
В 2006 году назван журналом Fast Company одним из 50 человек, которые «изменят наш образ жизни и работы в течение следующих 10 лет».
В 2008 году журнал Esquire включил его в число 75 самых влиятельных людей XXI столетия.
В 2011 году избран членом Института медицины Национальной академии наук США (The National Academy of Sciences).
Свою научную карьеру он начал с выращивания кроличьих пенисов. Точнее, их частей — вырастить детородный орган целиком у него так и не получилось. «Это один из наиболее сложных органов среди тех, что нам довелось пока воссоздать», — говорит доктор Атала.
Успех был ошеломляющий — после пересадки у изуродованных скальпелем животных снова появлялась эрекция и они даже могли спариваться. Но у пениса, как говорит Атала, слишком сложная анатомия для выращивания в пробирке, чтобы сразу перенести технологию на людей. Поэтому он, будучи урологом по профессии, переключился на более простой орган — мочевой пузырь.
Самое сложное в создании органа — добиться его правильной формы и сочетания разных типов тканей. Американским ученым из университета Wake Forest впервые удалось слепить не просто однородные клетки, а клетки мышц и стенок пузыря. Мочевой пузырь выращивали на каркасе из коллагена в течение полутора месяцев. Начав со ста клеток из больного мочевого пузыря, ученые смогли получить полтора миллиарда.
«Мы слепили его, как двухслойный пирог, в котором сердцевина со временем растворилась, и орган приобрел все свои обычные свойства», — объясняет Энтони Атала, и утверждает, что эта технология максимально безопасна. Ведь главная сложность пересадки от донора — отторжение чужеродного органа иммунной системой. Если же использовать собственные клетки, это пациенту не грозит.
Выращенный мочевой пузырь
Сейчас доктор Атала – один из мировых лидеров нового направления в медицине, которое получило название тканевой инженерии (англ. tissue engineering). В его лабораториях ведутся работы над искусственным получением множества тканей и органов, не только урологических (несмотря на то, что Э. Атала – автор большой работы Stem Cell in Urology, опубликованной в 2008 году). Здесь выращивают хрящи, кости, сосуды, уретру и многие другие органы и ткани.
Сам профессор Атала возлагает большие надежды на технологию 3D-печати, посредством которой орган можно будет просто напечатать из соответствующих клеточных культур. Впрочем, более простые случаи клеточной недостаточности пытаются лечить, делая инъекции стволовых клеток в прямо больной орган.
О достижениях своей команды Энтони Атала с удовольствием рассказывает сам. Его доклад о том, как напечатать на 3D-принтере человеческую почку или сердце, произвел самый настоящий фурор. Побывал Атала со своей лекцией и в Москве летом 2013 г.
Суть опытов команды Энтони Атала: исследователи берут собственные клетки больного (это позволяет избежать проблему с отторжением органа), далее клетки наносятся на специальную подложку-основу, формирующую «каркас» органа.
Подложка делается из биосовместимого материала, не отторгаемого человеческим организмом. Иногда подложка делается на основе донорских органов, получаемых в результате смерти человека, из которых вымываются все родные клетки, оставляя один «скелет» (поэтому такая донорская подложка также нейтральна и не отторгается организмом).
На подложку-основу наносятся клетки пациента, и вся эта конструкция помещается в специальный инкубатор, воссоздающий условия человеческого организма. Выращенные в лаборатории мышцы (к примеру, сердечные или сосудистые) обязательно «тренируют» — чтобы орган после трансплантации правильно выполнял свою функцию. Метод уже успешно работает. Первый мочевой пузырь был пересажен около 15 лет назад, первый хрящ – 19 лет назад.
Себестоимость первого органа из пробирки просто смешная — $7000. «Это, правда, без учета расходов на медперсонал», — уточняет руководитель проекта Энтони Атала.
Выращенный мочевой пузырь
Пациенту вырастили новый нос, используя хрящи из его
собственных ребер, а лоб — в качестве инкубатора
Три проблемы регенеративной медицины
История репродуктивных технологий берет свое начало в 1930-х годах. Проф. Энтони Атала упоминает двоих родоначальников.
Один из них – лауреат Нобелевской премии 1912 г. Алексис Каррел (Alexis Carrel), получивший награду, в частности, за первые сосудистые трансплантаты, технологии сшивания кровеносных сосудов и разработку основ некоторых матриц. Вторым был знаменитый авиатор и механик Чарльз Линдберг, который к тому моменту прославился тем, что пересек на самолете Атлантику.
Соединение медицинских и инженерных знаний привело соавторов к разработке уникальной машины – перфузионной помпы, искусственного сердца, способного снабжать кровью изолированный орган. Свои опыты соратники описали в 1938 г. в эпохальной для того времени книге «The Сulture of Оrgans».
С тех пор прошло 75 лет, но человек так и не постиг всех тайн регенерации. Почему же так медленно развивается регенеративная медицина? Энтони Атала выделил 3 основные проблемы, которые пришлось и приходится решать ученым.
Проблема 1: Возможность и невозможность растить клетки вне тела человека
За последние 20 лет наука с этим практически справилась – сегодня в лабораторных условиях размножают взятые у пациента клетки и выращивают из них целые ткани. Правда, не все. До сих пор ученые не могут вырастить нервные клетки, клетки печени и поджелудочной железы.
Проблема 2: Отторжение органа после пересадки
Как создать в лабораторных условиях органы и ткани, которые не будут отторгаться при пересадке и смогут функционировать долго и надежно? Чтобы организм не отторгал подсаженный орган, его матрица, или подложка из биоматериала, должна иметь в точности такую же структуру, как и ткань пациента. Сейчас исследования продвинулись далеко вперед, и мы можем это делать достаточно легко. Другой вопрос: как заставить новый орган функционировать вместе с организмом? И здесь еще много проблем.
Проблема 3: Новое сосудистое русло
Созданный in vitro орган (или ткань) нуждается в кровоснабжении и в иннервации, чтобы не погибнуть после пересадки. Как заставить сосуды пациента прорасти в новой ткани? Ведь еще в 1873 г. Рихард фон Фолькман установил, что максимум 3 мм ткани в объеме может существовать в среде без внутреннего питания.
У нас есть биоматериалы, которые мы применяем с 1994 г. для строительства новых тканей и органов. Из них мы можем ткать, сшивать, строить искусственную матрицу. Например, сделать трубчатую основу для уретры. Но одного биоматериала недостаточно.
С опытом мы поняли, говорит Энтони Атала, что оптимально использовать матрицу вместе с эндотелиальными клетками и фактором роста (VEGF), так как именно последние обеспечивают адаптацию и прорастание новых клеток в организме. Эндотелиальные клетки и фактор роста берут у пациента и размножают вовне. Если нет такой возможности, то подбирают донорские стволовые клетки.
Уретра – первый орган, над которым мы начали работать в 1996 г. Тогда мы использовали только матрицу из биоматериала, поэтому пересаживали максимум 1 см, чтобы обеспечить прорастание искусственного корсета собственными клетками внутри организма. Через 6 мес клетки полностью заселяли биоматериал, и орган работал полноценно.
Другой пример: обширные повреждения уретры. В таких случаях мы берем лоскуток ткани пациента и выделяем из него 2 типа клеток. Дальше их размножаем in vitro и заселяем на смоделированную матрицу нужного размера и формы. Такие имплантации мы проводим уже 8 лет. В институте накоплен успешный опыт наблюдения в течение 7 лет после сочетанной терапии и в течение 16 лет после имплантации биоматериала.
Три степени сложности
Энтони Атала выделяет 3 степени сложности регенерации органов и тканей:
1 уровень – плоские ткани, например, кожа. Растить плоские ткани проще всего. Первую операцию по пересадке искусственной кожи сделали пациенту с обширными ожогами еще в 1981 г.
2 уровень – трубчатые органы, например, уретра.
3 уровень (самый сложный) – полые и солидные органы, например: желудок, вагина. Самые сложные для воспроизведения солидные органы – печень, почки. В будущем – поджелудочная железа и нервная ткань.
Перед тем как имплантировать экспериментальный орган человеку, всю процедуру отрабатывают на кроликах. Пересадка считается успешной, если через 6 мес клетки, подсаженные на матрицу, замещают 90 % нового органа.
По сути, через полгода после операции восстановленный орган не отличить от настоящего: клетки функционируют нормально, подложка (матрица) рассасывается. Это видно и по спектральным анализам: клеточному составу ткани, эластичности, количеству нервных окончаний, прорастанию сосудами.
Данная технология впервые была отработана на мочевом пузыре. Из маленького биоптата, взятого от пациента, вырастили ткань. Параллельно из биоматериала воссоздали 3D-матрицу полого органа. Заселили ее 2 типами клеток. Воссоздали мышечную структуру органа, заставив волокна сокращаться.
Первый мочевой пузырь пересадили ребенку. Сейчас этот знаменитый пациент Атала уже студент, зовут его Люк Марселла, и после операции прошло 15 лет.
Энтони Атала показал слайды пациентки 18 лет, которой по той же технологии было пересажено отсутствующее ранее влагалище. Наблюдения в течение 6 лет подтвердили эффективность метода – сочетание биоматериала (матрицы) и подсаженных на него собственных клеток пациентки дало стабильный результат, у девушки появился полноценный орган [Laboratory-Grown Vaginas Implanted in Patients, Scientists Report].
Солидные органы
В лабораторных условиях уже воссоздана мини-печень. Восстановили сосудистое дерево, подсадили гепатоциты, и мини-печень стала вырабатывать альбумин и мочевину. Теперь в WFIRM работают над маткой и другими солидными органами.
Проф. Атала продемонстрировал УЗИ-слайды щенка в полости смоделированной матки, пересаженной собаке. И пояснил, что работать с такими органами – двойная ответственность, так как слишком много жизней поставлено на карту.
Кроме того, он коснулся проблем, возникающих при воссоздании пениса. Как отметил Атала, пенис воссоздать еще сложнее, так как в органе очень много сосудов, мышечной ткани, требуется очень хорошее кровоснабжение.
Создание органа на принтере
Прорывная технология, которую изобрели в институте Энтони Атала, – послойное создание органа на струйном принтере. С помощью модифицированного HP-принтера можно выращивать органы слой за слоем.
Профессор рассказывает: «Мы взяли обычный принтер, только вместо чернил – клетки. Печатающая головка слой за слоем наносит клетки в 3D-пространстве. Если это сердце, то через 62 ч оно уже начинает биться, сначала несинхронно. На принтере можно воссоздать и трехмерную почку. Теперь ученые работают над созданием принтера, печатающего прямо на пациенте. К примеру, есть дефект кожи. Плоский сканер считывает информацию – какие слои в каком объеме и какой структуры надо восстановить. И принтер сразу в рану наносит слой за слоем новые клетки».
Команда Энтони Атала работает над 3D-печатью
почек для трансплантации
Инъекция клеток
Еще одна стратегия для восстановления паренхиматозных органов – это инъекция клеток в область повреждения. В качестве материала в репродуктивной медицине используют как клетки самого пациента, так и донорские стволовые – эмбриональные, индуцированные или мезенхимальные.
Десять лет назад, после 2 лет глубокого изучения стволовых клеток, Энтони Атала с коллегами обнаружили в плаценте и амниотической жидкости стволовые клетки, которые близки по строению к эмбриональным и индуцированным клеткам, но не вызывают роста раковых опухолей. Такие клетки они и взяли за основу при работе с тканями легкого, почки, сердца.
Теперь в институте есть опыт пролеченного и восстановленного кишечника после некротизирующего энтероколита. Амниотические и плацентарные стволовые клетки могут использоваться как при инъекции, так и посаженными на матрицу при создании органа.
Опасности регенерации
Энтони Атала призвает к тщательной диагностике при работе со стволовыми клетками, чтобы избежать реакции отторжения или индукции роста раковой опухоли. Для этого необходимо брать биоптат у пациента и изучать строение и функционирование его собственных клеток. Речь идет о полной безопасности пациента при пересадке донорских клеток.
По мнению профессора, врач должен всегда задавать себе один и тот же вопрос: «а готов я сделать это со своим братом, сестрой, родителями или другими дорогими мне людьми?».
Доктор Энтони Атала отвечает на вопросы
Как начинались ваши работы по выращиванию органов из тканей?
Отрасль регенеративной медицины не нова, она зародилась еще в 30-е годы XX века. В течение этих лет исследователи выделили три основные проблемы. Первая: клетки человеческого тела вне самого тела растут по-другому, не так, как внутри тела. Вторая: для создания искусственных органов нужны особые биосовместимые материалы, которые приживаются в организме пациента, не вызывая отторжения, – что-то вроде хирургической нити для швов. И третья: нам нужно, чтобы имплантируемые органы и ткани интегрировались в систему человеческого тела кровеносными сосудами, так как ни один орган не работает без кровоснабжения.
Мы начали свои работы около 20 лет назад. Сначала мы научились качественно выращивать клетки вне тела пациента: если сначала мы вообще не умели выращивать клетки мочевого пузыря «в пробирке», то теперь специальные методы позволяют нам взять участок ткани площадью меньше половины почтовой марки и через 60 дней заполнить аналогичными клетками футбольное поле. Второй этап работы – подбор правильных факторов роста, обеспечивающих моделирование естественного роста. И теперь мы можем выращивать клетки самых разных типов вне человеческого организма. Для этого нужно извлечь кусочек ткани из организма, затем в соответствующих условиях размножить клетки и создать условия, в которых они сформируют полноценный орган, нарастая послойно, один слой за другим.
Первой нашей выращенной тканью была ткань хряща. Это плоская ткань — ее создали достаточно просто. Была хорошая поддержка нашей работы государством, регуляторными органами. После этого мы вырастили кожу – также плоскую ткань, состоящую из одного типа клеток. Эти медицинские технологии сейчас уже широко доступны на рынке медицинских услуг.
Нам также удалось вырастить сосуды – более сложные образования. Они отличаются тем, что являются уже трубчатыми органами и состоят из двух типов клеток: один из них находится внутри, выстилая внутреннюю поверхность сосуда, а другой снаружи – это мышечные клетки внешних стенок.
Третий тип органов – так называемые полые органы (например, мочевой пузырь и матка), они находятся в постоянном движении и состоят из более двух типов клеток. Эти органы сложнее реконструировать, так как они постоянно контактируют с мозгом и должны быть интегрированы в общую систему. Однако и в выращивании этих органов у нас большой прогресс. Мы берем фрагмент такой ткани у пациента, размножаем его вне организма, затем переносим на каркас из биосовместимого материала, чтобы вырастить полноценный орган, причем один тип клеток покрывает каркас, а другой находится внутри. Через 6–8 недель орган готов для пересадки, и мочевой пузырь мы пересаживаем так же успешно, как и хрящи, однако сама операция в этом случае гораздо сложнее. Работы по пересадке мочевого пузыря сейчас находятся в стадии клинических испытаний, всего в каждой из трех стадий по регуляторным правилам США приняли участие 10–20 человек.
Когда впервые был создан искусственный орган мочевой системы? Когда он был впервые пересажен человеку? И какова судьба этого пациента?
Биоинженерный мочевой пузырь впервые был имплантирован пациенту в 1999 году. Мы докладывали об отдаленных результатах у семи пациентов в 2006 году (в 2006 году в журнале «Ланцет» были опубликованы результаты испытания имплантатов мочевых пузырей на добровольцах). Обследование показало, что биоинженерные органы функционируют так же, как и органы, восстановленные с помощью кишечника, но без единого побочного эффекта. Эти пациенты чувствуют себя хорошо до сих пор.
Сколько времени занимает формирование мочевого пузыря?
На создание мочевого пузыря в лаборатории уходит около 6-7 недель. Этот период времени начинается небольшой биопсией c забором клеточного материала, продолжается выращиванием клеток и завершается имплантацией нового органа в тело пациента.
Вы с тех пор выполняли подобные операции? Можете ли Вы говорить о внедрении этого опыта в массовую практику?
После нашей пионерской работы мы лицензировали технологию для компании, которая продолжает проводить клинические испытания. Наша технология пока еще не прошла процедуру одобрения FDA (Управление по пищевым продуктам и лекарствам США), поэтому она недоступна для пациентов вне рамок клинических исследований.
А что дальше? Каковы стратегические цели выращивания органов?
Существует четвертый тип органов – это твердые органы, к ним относятся, например, сердце и почки. Они принципиально сложнее: на единицу объема они содержат в разы больше клеток, чем полые, трубчатые или плоские органы.
Пока нам удается выращивать их только на основе донорских органов, получаемых в результате смерти человека. Из такого органа мы сначала вымываем все клетки, оставляя лишь «скелет», то есть получаем орган, выглядящий как печень, имеющий форму печени, но печенью не являющийся. Затем на этот «скелет» мы наращиваем наши искусственно выращенные клетки.
Другая технология – 3D-печать твердых органов. В этом случае орган создается прибором, чем-то похожим на струйный принтер, только вместо чернил в него заправлены человеческие клетки разных типов, и процесс печати гораздо сложнее.
Мы изучаем несколько способов лечения почечной недостаточности — от использования 3D-печати для создания органа до инъекции стволовых клеток в орган. Основные проблемы с тканевой инженерией – это обеспечение адекватного снабжения клеток кислородом после имплантации.
Каковы основные приоритеты в развитии технологий, связанных с использованием стволовых клеток в урологии?
Стволовые клетки из мочевого пузыря (мышечные и эпителиальные) клинически используются для создания мочевого пузыря и уретры, которые имплантируются пациенту. Проекты, которые в настоящее время проходят предварительные клинические испытания, включают в себя использование мышечных клеток предшественников для лечения недержания мочи и клеток эректильной ткани для ее замещения. Кроме того, ученые из Института регенеративной медицины Wake Forest проводят клинические исследования по применению трансплантации стволовых клеток сперматогенного эпителия в качестве потенциального лечения мужского бесплодия.
Как вам удается избежать реакции отторжения трансплантата?
У нас есть порядка 20 типов биоматериалов, из которых мы комбинируем матрицу, подложку будущего органа, предварительно изучив ткани пациента. Нужно очень хорошо знать биологию клетки, чтобы культивировать точно такую же ткань.
Думаете ли вы в будущем производить искусственные органы в масштабном количестве?
Нехватка органов для пересадки пациентам, ожидающим ее, наводит на такие мысли. Для этого мы и придумали технологию печатания органа на принтере, чтобы автоматизировать процесс. Он в точности воспроизводит структуру органа, ускоряя процесс.
Какова успешность при пересадке органов, напечатанных на принтере?
Мы 12 лет адаптируем принтер к нашим потребностям. Ведь 100 % успех – это не только точно воспроизведенный орган, но и различные системы поддержки его жизнеспособности и жизнедеятельности. Здесь и вопросы неконтагиозности и безопасности для пациента. Здесь и прохождение административных и контрольных согласований с Управлением по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами США (FDA).
Можете назвать в процентном отношении частоту случаев, когда вы используете только биоматериал, а когда клетки пациента или стволовые клетки?
В первую очередь всегда стараемся использовать подложку плюс клетки пациента. Если нет такой возможности, тогда уже берем подложку и донорские стволовые клетки. Матрицу отдельно практически не используем, так как очень маленькая зона покрытия. Комбинацию подбираем очень индивидуально. Например, если нужна поджелудочная железа, то это всегда будут стволовые клетки; если уретра, мочевой пузырь – то, как правило, клетки пациента.
Как Вы относитесь к инъекциям стволовых клеток при эректильной дисфункции?
При эректильной дисфункции используют амниотические клетки или клетки красного костного мозга. Эффективность этого метода доказана у 30 % пациентов, т.е. примерно так же часто, как в группе плацебо. Нужны дополнительные исследования, чтобы можно было рекомендовать этот метод лечения всем пациентам с данным диагнозом.
Был ли у вас опыт создания сфинктера?
Сейчас ведется очень интересное клиническое исследование под контролем FDA по воссозданию сфинктера прямой кишки. В Австрии работают с мышечными клетками, ведутся работы в США и Канаде. Нужна функция мышечных волокон, объем создать легче, нужны васкуляризация и иннервация.
Как вы восстанавливаете эндотелий при пересадке сосудов?
Стараемся брать эндотелиальные клетки у самого пациента и их размножать. Когда это невозможно (если есть генетический дефект, например при мышечной дистрофии), подключаем генную инженерию, комбинируем клеточную и генную терапию.
Как Вы относитесь к технологии переноса ядерного материала в стволовые клетки?
Да, существует такой метод, еще со времен овечки Долли. Но чтобы пройти весь путь от переноса ядерного материала в первую клетку, потребуется не менее 100 яйцеклеток. Иначе говоря, это очень дорогая технология. И она уже не используется в регенеративной медицине, так как появились более эффективные способы.
Пробовали ли вы воссоздать роговицу и сетчатку глаза?
Мы работаем с тканями глаза на инженерном уровне. В нашем институте создано уже 30 тканей и органов человека. 50 % из них – это лабораторный уровень, около 25 % пересажено пациентам. Мы не торопим процессы, важно предусмотреть возможные осложнения при пересадке, обезопасить пациента. Если в новом органе стволовых клеток будет более 50 %, это вызовет резкий рост злокачественной опухоли.
На Ваш взгляд, через сколько лет такие технологии станут общедоступными?
Основное преимущество в репродукции органов и тканей, которое мы имеем на сегодня, – возможность использовать клетки пациента. Когда речь заходит о донорских стволовых клетках, подключаются иммуномодуляторы и другие сильнодействующие препараты. Много рисков для пациента. Поэтому нужно время, нужны исследования, решение FDA в конце концов. Даже путь обычной фармацевтической таблетки, к примеру таблетки от гипертонии, занимает не менее 15 лет – это от лаборатории до пациента. Плюс адаптация технологии для массового потребления – еще в среднем 14 лет. В нашем же случае все намного сложнее.
Нобелевская премия по медицине в 2012 году была вручена Шинье Яманака, который получал стволовые клетки из обычных соматических. У Вас нет планов повторить Ваш опыт с мочевым пузырем, но применения соматических клеток в качестве первичного материала?
С нашей технологией тканевой инженерии идеальным будет использование собственных стволовых клеток пациента, так как не будет проблем с отторжением. Когда это невозможно, выходом является использование стволовых клеток из другого источника.
Какие глобальные достижения в этой области за последние 5 лет Вы находите наиболее важными?
Очень важными является развитие биопечати, а также, конечно, работы доктора Яманака и других ученых в области индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.
В вашем институте есть русские аспиранты или постдоки?
Конкретно сейчас нет, но раньше у меня работали несколько русских ребят. Сейчас они, правда, продолжают работать в США, в Россию они не вернулись. Это очень сильные ребята, с очень высоким уровнем образования, активные исследователи — было приятно с ними работать.
Как вы считаете, русские исследователи в России могли бы вести работы на таком же высоком уровне, как вы в США?
Конечно могли бы. Но в России им очень не хватает материальных ресурсов, финансирования, поддержки государства. Наш центр получает гигантскую поддержку: только пятилетний контракт с Пентагоном принес в институт $85 млн. Если бы ученые в России имели необходимые ресурсы, наука двигалась бы на совершенно другом уровне.
Сейчас в России набирают популярность банки стволовых клеток пуповинной крови. На ваш взгляд, есть ли смысл хранить кровь ребенка, поможет ли она ему в будущем?
Все зависит от того, что именно вам нужно. Сейчас существуют технологии лечения рака крови с помощью стволовых клеток пуповинной крови. Соответственно, если в вашей семье есть наследственная вероятность рака крови, то хранить стволовые клетки детей имеет смысл. Если нет – польза на сегодня не очевидна.
Источник статьи: http://bladderexstrophy.ru/forum/viewtopic.php?id=1123
Биоинжиниринг. Обзор научных достижений за последние пять лет.
Искусственное создание живых тканей, органов и даже целых организмов на протяжении всей истории человечества было предметом мифов, легенд и фантастических историй, и не давало покоя человеческому воображению.
Оглавление статьи:
- Кожа и внутренний каркас скелета
- Внутренние органы и системы организма
- Сердечно-сосудистая и кровеносная система
- Железы внутренней секреции
- Органы сенсорного восприятия
- Мозг и сложные элементы нервной системы
- Заключительная часть исследования
В настоящее время в мире активно ведутся работы по выращиванию практически любых тканей и органов человеческого тела. Некоторые из них уже находятся в клиническом использовании, другие — еще на испытаниях и в разработке.
Но даже текущие технологические достижения и возможности ученых поражают воображение!
В предыдущей статье на эту тему мы коротко рассказал вам про основные технологии Биоинжиниринга. Теперь давайте перейдем от теории к практике и вместе посмотрим на то, чего удалось достичь биоинженерам за последние пять лет.
Кожа, мышцы и внутренний каркас скелета
Сегодня ученые сосредоточилась на клеточном и генном уровнях, открывающих поразительные для современного состояния медицины перспективы. Существуют убедительные опыты, доказавшие возможность выращивания на базе стволовых клеток тканей костного мозга, печени, поджелудочной железы хрящевых образований.
В 2015 году группа биотехнологов из Массачусетской общей больницы в Бостоне , которые создали первую в мире искусственную бионическую конечность крысы, вырастив ее мускулы, суставы и сосуды из стволовых клеток.
Создана так называемая «мускульная» ткань, реагирующая на сигналы поступающие от нерва. Это стало возможным благодаря нервно-мышечному соединению, выращенному из клеток мышечной ткани и нейрональных клеток.
Эта ткань потенциально может быть использована для фармакокинетических анализов, для создания привода мышц биороботов и биопротезов.
Выращенная биоинженерная мышца оказалась способна к развитию, регенерации и смогла прижиться после трансплантации её животному.
Разработана технология получения мышц из ИПСК, которые можно неограниченно размножать культивацией, что позволит выращивать мышечную ткань в больших количествах.
В 2016 году ученые из медицинского центра Рочестерского университета (США) обнаружили стволовые клетки, которые могут реконструировать кости лицевого отдела черепа и черепную коробку мышей. Исследование опубликовано в «Nature Communications».
Это открытие может стать первым шагом к созданию методик реконструкции костей головы в будущем.
В 2016 году команда австралийских инженеров и хирургов разработала устройство для тонкой трехмерной биопечати, которое позволяет создавать персонифицированные хрящевые импланты из стволовых клеток непосредственно во время операции. Результаты работы опубликованы в журнале «Biofabrication».
В 2016 году международная группа ученых под руководством Рамиллы Шах предложила новейшую разработку – технологию гиперэластичных костей. Гиперэластичные кости состоят из такого минерала как гидроксиапатит.
В данном случае речь идет о гиперэластичных биочернилах. Из них печатаются костные импланты любой формы и размера.
В 2016 году биологи из института RIKEN (Япония) вырастили из стволовых клеток полноценную кожную ткань, которую успешно имплантировали в тело мыши.
В 2016 году в журнале » Biofabrication» учёные из Испании рассказали о новом 3D-принтере, печатающем кожу, полностью идентичную человеческой за короткие сроки. Данное изобретение незаменимо в трансплантологии, при обширных ожогах, в косметологии.
Изготавливаемая 3D-принтером кожа обладает всеми присущими настоящей коже человека свойствами.
Метод печати кожи, разработанный специалистами из Испании уникален и тем, что за столь короткое время с его помощью можно напечатать необходимый для пересадки фрагмент кожи для конкретного человека.
В 2017 году ученые провели эксперимент по выращивания клеток в виде сфероидов в висячей капле. Она была использована для культивации клеток, которые способны заново индуцировать образование волосяных фолликулов в коже человека.
В 2017 году в Китае детям с врожденным дефектом уха пересадили 3D-печатные уши.
В 2018 году ученые из Института регенеративной медицины в Уэйк Форесте создали Систему печати интегрированных тканей и органов.
По сути, это инновационный 3D-биопринтер, способный производить новые органические ткани для трансплантации, которые ничем не будут отличаться от реальных.
Для доказательства работоспособности своего изобретения ученые напечатали часть челюстной кости, мышцу, а также различные хрящевые структуры, в том числе и удивительно пропорциональное человеческое ухо.
В 2019 году ученые из Сеченовского университета совместно с коллегами из Института фотонных технологий ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» создали инновационный биопринтер BioDrop , который произведет переворот в регенеративной медицине.
В частности, он даёт возможность в разы повысить качество таких сверхчувствительных биоматериалов, как барабанная перепонка.
Внутренние органы и системы организма
Важный шаг на пути к выращиванию в лаборатории органов в 2015 году сделали исследователи из Японии.
Имитируя условия эмбрионального развития зачатка, им удалось создать простую, но вполне функциональную печень человека.
При трансплантации этих зачатков печени мышам было обнаружено, что они примерно за 48 часов образуют связи с близлежащими кровеносными сосудами и способны выполнять характерные для печени функции.
Энтони Атала — директор Института регенеративной медицины Уэйк Форрест научился получать из собственных клеток пациентов искусственный мочевой пузырь, уретру и влагалище.
Сейчас знаменитый биоинженер работает над созданием искусственного пениса, который подошел бы жертвам несчастных случаев и мужчинам с врожденными патологиями репродуктивной системы.
В 2016 году ученым удалось вырастить иннервированные ткани кишечника. Впервые учёные вырастили в лабораторных условиях ткань кишечника и успешно пересадили её в организм мышей. Исследование опубликовано в «Nature Medicine».
В конце 2017 года Швейцарии группе ученых Базельского университета удалось создать искусственный аналог костного мозга, способный производить стволовые клетки так же, как и настоящий.
Исследователи использовали так называемые мезенхимальные клетки, которые соединяли с пористо-керамическим каркасом в специальном биореакторе.
Когда биологическая основа «срослась» с искусственным каркасом, получившаяся ткань работала точно так же, и костный мозг на протяжении почти трех недель, производя стволовые клетки, участвующие в образовании клеток крови.
В 2018 году две независимые исследовательские команды из университета в Цинциннати (США) сделали очередной шаг вперед в выращивании человеческих органов из стволовых клеток.
Они создали мини-желудок, похожий по структуре на настоящий, и функциональный кишечник, который способен переваривать пищу.
Создана подложка и специальный инкубатор для выращивания человеческого пищевода из клеток пациента.
По данным на начало 2019 года , на чипах удалось воспроизвести работу почки, печени, а также кишечника с микробиомом и перистальтикой.
Сердечно-сосудистая и кровеносная система
В 2015 году китайская биотехнологическая компания «Sichuan Revotek» объявила о создании первого в мире 3D-биопринтера, печатающего кровеносные сосуды для создания персонализированных человеческих органов.
В 2016 году российскому биоинженеру Шкуматову удалось получить кардиоваскулярные органоиды (прототип сердца), способные к сокращению.
Новые технологии позволили синхронизировать сокращения клеток сердечного органоида, сымитировав работу сердца.
В 2016 году американским биологам удалось вырастить первое биоинженерное сердце человека с функционирующей сердечной мышцей.
Группа ученых из Общеклинической больницы штата Массачусетс в США «превратила» клетки кожи в стволовые клетки, используя их матричную РНК.
Затем полученные плюрипотентные стволовые клетки обработали так, чтобы те развились в клетки сердечной мышцы. Работа ученых опубликована в журнале «Circulation Research».
В 2017 году ученым удалось получить органоиды лёгких человека, состоящие из эпителиальных и мезенхимальных компонентов лёгких, со структурными особенностями, характерными для легочных тканей.
В 2018 году исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Гарварда Джона А. Полсона воспользовались методом скручивания биополимеров, чтобы создать искусственный желудочек сердца.
Это первый в истории случай, когда кому-либо удалось успешно распечатать целое сердце с кровеносными сосудами, желудочками и камерами.
Они говорили о том, что для формирования полноценного четырехкамерного сердца потребуется много времени. Однако биоинженеры из Тель-Авивского университета смогли создать миниатюрную копию человеческого сердца уже сейчас.
В 2019 году исследователи из Тель-Авивского университета напечатали на 3D-принтере первое в мире искусственное сердце, используя собственные клетки пациента и его биологические материалы.
В 2019 году команда ученых из компании Humacyte Inc., Университета Дьюка и Йельского университета заявили, что они практически вплотную приблизились к первому в истории медицины клиническому использованию кровеносных сосудов, выращенных методами биоинженерии.
Железы внутренней секреции
В 2015 году российская компания «3D Bioprinting Solutions» впервые в мире сумела создать функционирующую щитовидную железу мыши с помощью 3D-биопринтинга.
Для печати щитовидной железы из клеток, взятых у мышей, использовался российский биопринтер FABION . Напечатанные органы пересаживали мышам, щитовидная железа которых была разрушена с помощью радиоактивного йода.
Результаты работы были представлены авторами на различных научных конференциях и опубликованы в рецензируемых изданиях для специалистов.
На сегодняшний день щитовидная железа — один из самых сложных органов, созданных с помощью 3D-печати. В основном этим методом сейчас получают более простые структуры — хрящи и фрагменты кожи.
Два года назад исследователи Датского центра стволовых клеток разработали метод трёхмерной (3-D) культуры в геле Matrigel со специально подобранным составом среды, который может быть использован для выращивания миниатюрных «затравок» поджелудочной железы.
В 2018 году Группа исследователей из Токийского университета наук и корпорации Organ Technologies Inc. во главе с профессором Такаси Цудзи ( Takashi Tsuji ) продемонстрировала функциональную регенерацию подчелюстных слюнных желез при помощи искусственно созданных элементов.
Органы сенсорного восприятия
В 2015 году канадский окулист Гарт Уэбб из Университета Британской Колумбии разработал бионические линзы, которые имплантируются в глаз и позволяют видеть в три раза лучше по сравнению со стандартом определения остроты зрения.
В 2016 году американские и китайские молекулярные биологи смогли превратить стволовые клетки в «заготовки» хрусталика и успешно заменили им поврежденную «линзу» в глазах 12 пациентов с катарактой.
Аналогичная технология была использована для разработки способов получения органоидов сенсорного эпителия внутреннего уха.
В 2017 году ученым впервые удалось вырастить ткани глаза из стволовых клеток. Международная команда исследователей использовала человеческие стволовые клетки для создания нескольких слоёв глазной ткани.
Эта ткань затем была имплантирована кроликам и помогла восстановить им зрение.
Учёные уверены, что данное достижение — важный шаг на пути к будущему, в котором дефекты зрения будут излечиваться благодаря лабораторно созданным компонентам глазного яблока.
В 2018 году группа южно-корейских учёных сумела с помощью 3D-принтера получить искусственную роговицу, используя биологические «чернила», состоящие из очищенной от клеток роговичной основы и стволовых клеток.
Такая роговица биологически совместима с тканью глаза и её прозрачность сходна с прозрачностью естественной роговицы.
Мозг и сложные элементы нервной системы
Первые человеческие церебральные (мозговые) органоиды были созданы пять лет назад. Их основой послужили так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, полученные путем особой стимуляции из обычных соматических клеток человека.
Такие стволовые клетки дифференцировали в клетки-предшественники нервной ткани, которые культивировали в специальной гелеобразной «матрице», помещенной во вращающийся биореактор с ростовой средой.
На выходе получались мозговые органоиды, состоящие из различного типа нервных тканей.
Самое интересное, что путем имитации эмбрионального развития можно получить даже зачатки мозга человека.
К сожалению, они не имели кровеносных сосудов, и когда через несколько недель достигали нескольких миллиметров в диаметре, то начинали испытывать недостаток в кислороде и питательных веществах.
В результате рост органоидов останавливался, а затем наступала гибель. Недолгое «время жизни» церебрального органоида не дает возможность исследовать развитие мозга на более поздних этапах эмбриогенеза.
Однако, ученым удалось найти оригинальное решение.
Они решили имплантировать органоиды «возрастом» 1–2 месяца под крышку черепа лабораторных мышей, у которых предварительно удалили небольшой участок мозга.
Благодаря генно-инженерной модификации клетки органоида приобрели способность синтезировать зеленый флуоресцентный белок , который в дальнейшем послужил маркером, позволявшим отличить их от мозговых клеток мыши.
Эксперимент прошел удачно: примерно 80% имплантатов прижилось , и через пару недель в них проросли «мышиные» кровеносные сосуды, снабжающие органоиды достаточным количеством кислорода и питательных веществ.
Приросшие сосуды смогли поддерживать жизнедеятельность имплантированного органоида мозга в течение многих месяцев (конкретный эксперимент продолжался 233 дня).
Сами же органоиды успешно развивались, так что к концу эксперимента находились на стадии, аналогичной поздней эмбриональной или ранней постнатальной стадии формирования тканей человеческого мозга.
Более того, клетки органоидов формировали даже аксоны – отростки-«провода», по которым электрические сигналы передаются от одного нейрона к другому.
Интересно, что синапсы (места контактов аксонов, где происходит передача нервного импульса) формировались не только между нервными клетками одного вида, но и между мышиными и человеческими нейронами.
Ёсики Сасаи — выдающийся японский биоинженер, пионер в области получения мини-органоидов методом воспроизведения первых этапов эмбрионального развития человека.
В 2013 году он воспроизвел начальные этапы развития коры головного мозга, а также глазного бокала и гипофиза зародыша.
В 2015 году ученые из Австрийской академии наук начали со стволовых клеток и подобрали условия, в которых нужно запустить их дифференцировку.
При правильных условиях удается получить зачатки мозга с клетками различной специализации — нейронами и глией.
На выращенных зачатках размером с горошину можно разглядеть намечающийся передний мозг и даже развивающуюся сетчатку.
В 2017 году канадские исследователи из Университета Альберты разработали метод «сварки» нейронов с помощью лазера. До этого принудительно соединить аксон одной нервной клетки с телом другой никому не удавалось.
В 2018 году исследователи из Университета Джонса Хопкинса создали миниатюрный мозг, который можно использовать для изучения действия лекарств, а также для выяснения причин развития различных нейродегенеративных заболеваний.
В 2019 году нейробиолог из Сербии Ненад Сестан со своей группой создал систему, которая восстанавливает некоторые функции мозга млекопитающих после биологической смерти.
«Ожившие» свиные головы из Йеля в апреле этого года попали в прессу как один из самых неоднозначных научных экспериментов.
Сами ученые не торопятся с преждевременными выводами и подчеркивают, что их открытие — лишь один из возможных способов искусственно поддерживать работу нейронов в течение нескольких часов.
Последнее достижение биопечати на данный момент — фрагмент нервной ткани человека с точно позиционированными нейронами.
Он был получен в начале 2019 года международной группой ученых под руководством австралийского биоинженера Гордона Уэлласа.
Заключительная часть исследования
Фактически, учёные уже научились создавать практически весь спектр искусственных органов и тканей человека.
Сейчас идёт активная работа по оптимизации отдельных технологических операций и дорабатывается законодательная база для массового использования искусственных органов в медицинской практике.
Прогнозы о сроках реального появления 3-D биопринтеров в каждой крупной больнице, которые были сделаны в разное время двумя компетентными источниками — практически совпадают:
- Согласнопрогнозутехнического директора компании «Google» повсеместное использование биопринтеров в регенеративной медицине начнётся не ранее 2032 года. ( Источник: Выступление Р. Курцвейла в 2013 году на международном конгрессе «Глобальное будущее 2045»)
- Согласно прогнозам и данным из доклада Национального совета по разведке , США (National Intelligence Council) печать трехмерных функциональных тканевых модулей снабженных сосудами, т. е. фактически печать полноценных органов начнется в 2030 г. (Источник: Science and Medicine. Vol. 9 (2) April, 2003)
Перспективы развития этой области на ближайшее будущее ( до конца 2020 года ) можно разделить на рекламные и научно обоснованные. К научно-обоснованным можно уверенно отнести:
- Начало практического использования в регенеративной медицине инновационного 3-D биопринтера , наносящий клеточные культуры на матрицу с питательным раствором и формирующий искусственные органы.
- Проведение первых медицинских операций по лечению тяжелых ожогов путем нанесения на пораженный участок стволовых клеток, которые в считанные дни образуют новую кожу.
- Генетический «ремонт» поврежденных тканей и органов. Это область исследований развивается в геометрической прогрессии, т.к. была включена в приоритетные национальные Проекты некоторых стран и стала лидером по объему привлеченных частных инвестиций в 2019 году.
- В результате реализации национального проекта запущенного в Японии в 2013 году ожидается, что примерно 80-90% населения Японии смогут рассчитывать на пересадку органов, выращенных из стволовых клеток созданного банка iPS’ клеток уже к 2023 году. (Источник: Аналитический Доклад РАНХиГС «Национальная научно-технологическая политика РФ», 2014)
Но несмотря на головокружительные успехи и достижения биоинжиниринга, тело человека все равно остается крайне хрупким и недолговечным материалом.
Поэтому учёные всего мира полным ходом ведут разработки, которые позволят не просто вернуть человеку утраченные части тела или поврежденные органы, а заменить их на более долговечные и функциональные материалы.
Одним из самых перспективных направлений в этой области является практическое использование так называемых MOFs структур — металлорганических соединений, которые открывают перед учёными фантастические возможности в области биоинжиниринга.
О невероятных технологических достижениях в этой области мы Вам расскажем в нашей следующей статье!
Источник статьи: http://zen.yandex.ru/media/id/5d91016bd7859b00b1181c48/bioinjiniring-obzor-nauchnyh-dostijenii-za-poslednie-piat-let-5e9cebcc92055a0c646ed620