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.
Прежде, чем приступить к обсуждению темы статьи, хочу сделать небольшой экскурс, что представляет собой организм человека. Это поможет понять, как важна работа любого звена в сложной системе человеческого организма, что может произойти при сбое, и как современная медицина пытается решить проблемы, если какой-либо орган выходит из строя.
Организм человека как биологическая система
Человеческий организм – это сложная биологическая система, имеющая особую структуру и наделенная специфическими функциями. Внутри этой системы различают несколько уровней организации. Высшая интеграция – это организменный уровень. Далее по нисходящей идут системный, органный, тканевой, клеточный и молекулярный уровни организации. От согласованной работы всех уровней системы зависит слаженная работа всего организма человека.
Если какой-то орган или система органов работает неправильно, то нарушения касаются и более низших уровней организации, таких как ткани и клетки.
Молекулярный уровень – это первый кирпичик. Как следует из названия, весь организм человека, как и всего живого, состоит из бесчисленного множества молекул.
Клеточный уровень можно себе представить как разнообразный компонентный состав молекул, образующих разные клетки.
Клетки, объединенные в разные по морфологии и функционированию ткани, образуют тканевой уровень.
В состав органов человека входят разнообразные ткани. Они обеспечивают нормальное функционирование какого-либо органа. Это – органный уровень организации.
Следующий уровень организации – системный. Определенные анатомически объединенные органы выполняют более сложную функцию. Например, пищеварительная система, состоящая из различных органов, обеспечивает переваривание поступающей в организм пищи, всасывание продуктов пищеварения и выведение неиспользованных остатков.
И высший уровень организации – организменный уровень. Все системы и подсистемы организма работают, как хорошо настроенный музыкальный инструмент. Согласованная работа всех уровней достигается благодаря механизму саморегуляции, т.е. поддержки на определенном уровне различных биологических показателей. При малейшем дисбалансе в работе какого-либо уровня организм человека начинает работать с перебоями.
Что такое стволовые клетки?
Термин «стволовые клетки» был введен в науку русским гистологом А. Максимовым в 1908 году. Стволовые клетки (СК) – это неспециализированные клетки. Их еще рассматривают как незрелые клетки. Они имеются практически у всех многоклеточных, включая человека. Путем деления клетки себя воспроизводят. Они способны превращаться в специализированные клетки, т.е. из них могут образовываться различные ткани и органы.
Самое большое количество СК у младенцев и детей, в юности количество стволовых клеток в организме уменьшается в 10 раз, а зрелому возрасту – в 50 раз! Значительное уменьшение числа СК в ходе старения, а также тяжелых заболеваний уменьшает возможности организма к самовосстановлению. Отсюда следует неприятный вывод: жизнедеятельность многих важных систем органов снижается.
Стволовые клетки и будущее медицины
Ученые- медики давно обратили внимание на пластичность СК и теоретическую возможность выращивать из них различные ткани и органы человеческого организма. Работы по изучению свойств СК начались во второй половине прошлого века. Как всегда, первые исследования проводились на лабораторных животных. К началу нашего века начались попытки, использовать СК для выращивания тканей и органов человека. Хочу рассказать о наиболее интересных результатах в этом направлении.
Японским ученым в 2004 г. удалось вырастить в лабораторных условиях капиллярные кровеносные сосуды из СК.
В следующем году американским исследователям из университета штата Флорида удалось вырастить из СК клетки головного мозга. Ученые заявили, что такие клетки способны вживляться в головной мозг, и их можно использовать при лечении таких заболеваний, как болезни Паркинсона и Альцгеймера.
В 2006 швейцарские ученые из университета Цюриха вырастили в своей лаборатории клапаны сердца человека. Для этого эксперимента использовались СК из околоплодной жидкости. Доктор С. Хёрстрап полагает, что эта методика может быть использована для выращивания сердечных клапанов для еще не родившегося ребенка, у которого обнаружены дефекты сердца. После рождения младенцу можно пересадить новые клапаны, выращенные из стволовых клеток околоплодной жидкости.
В том же году американские медики вырастили в лабораторных условиях целый орган – мочевой пузырь. СК были взяты у человека, для которого выращивался этот орган. Доктор Э. Атала, директор института регенеративной медицины, рассказал, что клетки и специальные вещества помещаются в особую форму, которая остается в инкубаторе в течение нескольких недель. После этого готовый орган пересаживается пациенту. Такие операции делаются сейчас в обычном режиме.
В 2007 на международном медицинском симпозиуме в Иокагаме были представлен доклад японских специалистов из университета Токио об удивительном научном эксперименте. Из единственной стволовой клетки, взятой из роговицы и помещенной в питательную среду, удалось вырастить новую роговицу. Ученые намеревались приступить к клиническим исследованиям и в дальнейшем применять эту технологию при лечении глаз.
Японцам принадлежит пальма первенства в выращивании зуба из единственной клетки. СК пересадили на коллагеновый каркас и начали эксперимент. После выращивания зуб выглядел как естественный и имел все составляющие, включая дентин, сосуды, эмаль и т.д. Зуб был трансплантирован лабораторной мыши, прижился и функционировал нормально. Японские ученые видят большие перспективы применения этого метода в выращивании зуба из одной СК с последующей пересадкой его хозяину клетки.
Японским медикам из университета Киото удалось получить из СК ткани почек, надпочечников и фрагмент почечного канальца.
Ежегодно во всем мире миллионы людей умирают от заболеваний сердца, головного мозга, почек, печени, мышечной дистрофии и т.д. В их лечении могут помочь стволовые клетки. Однако, существует один момент, который может затормозить применение стволовых клеток в медицинской практике – это отсутствие международной законодательной базы: откуда можно брать материал, сколько его можно хранить, как должны взаимодействовать пациент и его доктор при использовании СК.
Вероятно, проведение медицинских экспериментов и разработка такого закона должны идти параллельно.
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 гиаматрикс 1 , или биокол 2 , разработанный коллективом под руководством Б.К. Гаврилюка. Для выращивания кожи на месте ожога также используются специальные гидрогели 3 .
Также развиваются методы распечатки фрагментов ткани кожи с помощью специальных принтеров. Созданием таких технологий занимаются, например, разработчики из американских центров регенерационной медицины AFIRM 4 и WFIRM 5 .
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 Biogroup 8 (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.
1Биоинженерная модель биопластического материала «гиаматрикс» Рахматуллин Р.Р., Барышева Е.С., Рахматуллина Л.Р. // Успехи современного естествознания. 2010. № 9. С. 245-246.
2Система «биокол» для регенерации ран. Гаврилюк Б.К., Гаврилюк В.Б.// Технологии живых систем. 2011. № 8. С. 79-82.
3 Sun, G., Zhang, X., Shen, Y., Sebastian, R., Dickinson, L. E., Fox-Talbot, K., et al. Dextran hydrogel scaffolds enhance angiogenic responses and promote complete skin regeneration during burn wound healing. // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108(52), 20976-20981.
7Grayson WL, Frohlich M, Yeager K, Bhumiratana S, Chan ME, Cannizzaro C, Wan LQ, Liu XS, Guo XE, Vunjak-Novakovic G: Engineering anatomically shaped human bone grafts. // Proc Natl Acad Sci U S A 2010, 107:3299-3304.
9Ferro F, etal. Adipose tissue-derived stem cell in vitro differentiation in a three-dimensional dental bud structure.Am J Pathol. 2011 May;178(5):2299-310.
10Oshima M, Mizuno M, Imamura A, Ogawa M, Yasukawa M, et al. (2011) Functional Tooth Regeneration Using a Bioengineered Tooth Unit as a Mature Organ Replacement Regenerative Therapy. // PLoS ONE 6(7): e21531.
11Chang H Lee, James L Cook, Avital Mendelson, Eduardo K Moioli, Hai Yao, Jeremy J Mao Regeneration of the articular surface of the rabbit synovial joint by cell homing: a proof of concept study // The Lancet, Volume 376, Issue 9739, Pages 440 - 448, 7 August 2010
16Saik, Jennifer E. and Gould, Daniel J. and Watkins, Emily M. and Dickinson, Mary E. and West, Jennifer L., Covalently immobilized platelet-derived growth factor-BB promotes antiogenesis in biomirnetic poly(ethylene glycol) hydrogels, ACTA BIOMATERIALIA, vol 7 no. 1 (2011), pp. 133--143
17Michael Olausson, Pradeep B Patil, Vijay Kumar Kuna, Priti Chougule, Nidia Hernandez, Ketaki Methe, Carola Kullberg-Lindh, Helena Borg, Hasse Ejnell, Prof Suchitra Sumitran-Holgersson. Transplantation of an allogeneic vein bioengineered with autologous stem cells: a proof-of-concept study. // The Lancet, Volume 380, Issue 9838, Pages 230 - 237, 21 July 2012
18Megan K. Proulx, Shawn P. Carey, Lisa M. DiTroia, Craig M. Jones, Michael Fakharzadeh, Jacques P. Guyette, Amanda L. Clement, Robert G. Orr, Marsha W. Rolle, George D. Pins, Glenn R. Gaudette. Fibrin microthreads support mesenchymal stem cell growth while maintaining differentiation potential. // Journal of Biomedical Materials Research Part A Volume 96A, Issue 2, pages 301–312, February 2011
19KofflerJ, etal. Improved vascular organization enhances functional integration of engineered skeletal muscle grafts.Proc Natl Acad Sci U S A.2011 Sep 6;108(36):14789-94. Epub 2011 Aug 30.
20Giarratana, et al. Proof of principle for transfusion of in vitro-generated red blood cells. // Blood 2011, 118: 5071-5079;
21Joan E. Nichols, Joaquin Cortiella, Jungwoo Lee, Jean A. Niles, Meghan Cuddihy, Shaopeng Wang, Joseph Bielitzki, Andrea Cantu, Ron Mlcak, Esther Valdivia, Ryan Yancy, Matthew L. McClure, Nicholas A. Kotov. In vitro analog of human bone marrow from 3D scaffolds with biomimetic inverted colloidal crystal geometry. // Biomaterials, Volume 30, Issue 6, February 2009, Pages 1071-1079 Organ reengineering through development of a transplantable recellularized liver graft using decellularized liver matrix. // Nature Medicine 16, 814–820 (2010)
27Philosophical Transactions of the Royal Society. Bioengineering the Heart issue. Eds Magdi Yacoub and Robert Nerem. 2007 vol 362(1484): 1251-1518.
28GaebelR, etal. Patterning human stem cells and endothelial cells with laser printing for cardiac regeneration.Biomaterials. 2011 Sep 10.
29Thomas H. Petersen, Elizabeth A. Calle, Liping Zhao, Eun Jung Lee, Liqiong Gui, MichaSam B. Raredon, Kseniya Gavrilov, Tai Yi, Zhen W. Zhuang, Christopher Breuer, Erica Herzog, Laura E. Niklason. Tissue-Engineered Lungs for in Vivo Implantation. // Science 30 July 2010: Vol. 329 no. 5991 pp. 538-541
30Takatsugu Yamada, Hiromichi Kanehiro, Takeshi Ueda, Daisuke Hokuto, Fumikazu Koyama, Yoshiyuki Nakajima. Generation of Functional Gut ("iGut") From Mouse Induced Pluripotent Stem Cells. // SBE"s 2nd International Conference on Stem Cell Engineering (2-5 May 2010) in Boston (MA), USA.
31Keren Kaufman-Francis, Jacob Koffler, Noa Weinberg, Yuval Dor, Shulamit Levenberg. Engineered Vascular Beds Provide Key Signals to Pancreatic Hormone-Producing Cells. // PLoS ONE 7(7): e40741.
32Lai L, etal. Mouse embryonic stem cell-derived thymic epithelial cell progenitors enhance T-cell reconstitution after allogeneic bone marrow transplantation.Blood.2011 Jul 26.
33Renea A Taylor, Prue A Cowin, Gerald R Cunha, Martin Pera, Alan O Trounson, + et al. Formation of human prostate tissue from embryonic stem cells. // Nature Methods 3, 179-181
34Stephan P. Krotz, Jared C. Robins, Toni-Marie Ferruccio, Richard Moore, Margaret M. Steinhoff, Jeffrey R. Morgan and Sandra Carson. In vitro maturation of oocytes via the pre-fabricated self-assembled artificial human ovary. // JOURNAL OF ASSISTED REPRODUCTION AND GENETICS Volume 27, Number 12 (2010), 743-750.
36Atlantida Raya-Rivera MD, Diego R Esquiliano MD, James J Yoo MD, Prof Esther Lopez-Bayghen PhD, Shay Soker PhD, Prof Anthony Atala MD Tissue-engineered autologous urethras for patients who need reconstruction: an observational study // The Lancet, Vol. 377 No. 9772 pp 1175-1182
38Charles Hanson, Thorir Hardarson, Catharina Ellerström, Markus Nordberg, Gunilla Caisander, Mahendra Rao, Johan Hyllner, Ulf Stenevi, Transplantation of human embryonic stem cells onto a partially wounded human cornea in vitro // Acta Ophthalmologica, Acta Ophthalmologica on 27 January 2012, DOI: 10.1111/j.1755-3768.2011.02358.x
39Gabriel Nistor, Magdalene J. Seiler, Fengrong Yan, David Ferguson, Hans S. Keirstead. Three-dimensional early retinal progenitor 3D tissue constructs derived from human embryonic stem cells. // Journal of Neuroscience Methods, Volume 190, Issue 1, 30 June 2010, Pages 63–70
40Hidetaka Suga, Taisuke Kadoshima, Maki Minaguchi, Masatoshi Ohgushi, Mika Soen, Tokushige Nakano, Nozomu Takata, Takafumi Wataya, Keiko Muguruma, Hiroyuki Miyoshi, Shigenobu Yonemura, Yutaka Oiso & Yoshiki Sasai. Self-formation of functional adenohypophysis in three-dimensional culture. // Nature 480, 57–62 (01 December 2011)
41Мухина 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.
Биопринтер -- биологическая вариация технологии reprap, устройство, способное из клеток создавать любой орган, нанося клетки слой за слоем, уже создано. В декабре 2009 года американской кампанией Organovo и австралийской кампанией Invetech было разработан биопринтер, рассчитанный на мелкосерийный промышленный выпуск. Вместо того, чтобы вырастить нужный орган в пробирке, гораздо легче его напечатать -- так считают разработчики концепции.
Разработки технологии начались ещё несколько лет назад. До сих пор над данной технологией работают исследователи сразу в нескольких институтах и университетах. Но больше преуспели на этой ниве профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs) и сотрудники его лаборатории Forgacslab в университете Миссури в рамках проекта Organ Printing, раскрывшие новые тонкости биопечати ещё в 2007 году. Для коммерциализации своих разработок профессор и сотрудники основали кампанию Organovo. Кампанией была создана технология NovoGen, которая включала в себя все необходимые детали биопечати как в биологической части, так и в части "железа".
Была разработана лазерная калибровочная система и роботизированная система позиционирования головок, точность которой составляет несколько микрометров. Это очень важно для размещения клеток в правильном положении. Первые экспериментальные принтеры для Organovo (и по её "эскизам") строила компания nScrypt (рисунок 2). Но те устройства были ещё не приспособлены для практического использования, и применялись для шлифовки технологии.
В мае 2009 года кампания Organovo выбрала в качестве промышленного партнёра медицинскую кампанию Invetech. Эта кампания обладает более чем 30-летним опытом производства лабораторного и медицинского оборудования, в том числе и компьютеризированного. В начале декабря первый экземпляр 3D-биопринтера, воплощающего в себе технологию NovoGen, был отправлен из Invetech в Organovo. Новинку отличают компактные размеры, интуитивно понятный компьютерный интерфейс, высокая степень интеграции узлов и высокая надёжность. В ближайшее время Invetech намерена поставить ещё несколько таких же аппаратов для Organovo, а она уже займётся распространением новинки в научном сообществе. Новый аппарат имеет настолько скромные габариты, что его можно будет поставить в биологический шкаф, который необходим для того, чтобы обеспечить стерильную среду в процессе печати
Надо сказать, что биопечать -- не единственный способ искусственно создавать органы. Однако, классический способ выращивания требует прежде всего изготовить каркас, задающий форму будущего органа. При этом сам каркас несёт опасность стать инициатором воспаления органа.
Преимущество биопринтера в том, что он не требует такого каркаса. Форму органа задаёт само печатающее устройство, располагая клетки в требуемом порядке. Сам биопринтер имеет две головки, наполняемые двумя типами чернил. В роли чернил в первой используются клетки различных типов, а во второй -- вспомогательные материалы (поддерживающий гидрогель, коллаген, факторы роста). «Цветов» у принтера может быть больше двух -- если требуется использовать разные клетки или вспомогательные материалы разного вида.
Особенностью технологии NovoGen является то, что печать ведётся не отдельными клетками. Принтер наносит сразу конгломерат из нескольких десятков тысяч клеток. Это есть основное отличие технологии NovoGen от других технологий биопечати.
Схема работы принтера представлена на рисунке 4.
Итак, сначала выращиваются требуемые ткани. Затем выращенная ткань нарезается цилиндрами в соотношении диаметра к длине 1:1 (пункт a). Далее -- пункт b -- эти цилиндрики на время помещаются в специальную питательную среду, где они приобретают форму маленьких шаров. Диаметр такого шара -- 500 микрометров (пол миллиметра). Оранжевый цвет ткани придаётся с помощью специального красителя. Далее, шарики загружаются в картридж (пункт c) -- который содержит пипетки, наполняемые шариками в порядке один-за-другим. Сам трёхмерный биопринтер (пункт d) должен наносить эти сфероиды с микрометровой точностью (то есть ошибка должна быть меньше тысячной доли миллиметра). Принтер также оборудуется камерами, которые способны наблюдать в реальном времени процесс печати.
Созданный образец принтера работает сразу с тремя «цветами» - два вида клеток (в последних опытах Форгача это были клетки сердечной мышцы и эпителиальные клетки) -- а третий -- это смесь, включающая в себя скрепляющий гель, содержащий коллаген, фактор роста и ряд других веществ. Эта смесь позволяет органу сохранять форму, прежде чем клетки срастутся между собой (пункт d).
По словам Габора, принтер не воспроизводит структуру органа в точности. Однако, этого и не требуется. Природная программа клеток сама корректирует структуру органа.
Схема собирания органа и срастания шаров в орган показана на рисунке 5.
В ходе экспериментов биопринтер из клеток эндотелия и клеток сердечной мышцы цыпленка напечатал «сердце» (рисунок 6). Через 70 часов шарики срослись в единую систему, а через 90 часов - «сердце» начало сокращаться. Причём клетки эндотелия сформировали структуры, подобные капиллярам. Также мышечные клетки, первоначально сокращавшиеся хаотично, с течением времени самостоятельно синхронизировались и стали сокращаться одновременно. Впрочем, к практическому использованию этот прототип сердца пока что не пригодно -- даже если вместо куриных клеток использовать человеческие -- технология биопечати должна быть ещё улучшена.
Гораздо лучше принтер справляется с созданием более простых органов -- например, кусков человеческой кожи или кровеносных сосудов. При печати кровеносных сосудов коллагеновый клей наносится не только на края сосуда, но и в середину. А затем, когда клетки сростутся, клей с лёгкостью удаляется. Стенки сосуда состоят из трех слоёв клеток -- эндотелий, гладкие мышцы и фибробласты. Но исследования показали, что в печати можно воспроизводить только один слой, состоящий из смеси этих клеток -- клетки сами мигрируют и выстраиваются в три однородных слоя. Этот факт может облегчить процесс печати многих органов. Таким образом команда Форгача уже может создавать очень тонкие и ветвящиеся сосуды любой формы. Сейчас исследователи работают над наращиванием слоя мышц на сосудах, что сделает сосуды применимыми для имплантации. Особый интерес представляют сосуды толщиной менее 6 миллиметров -- так как для больших существуют подходящие синтетические материалы.
Иллюстрация с другими экспериментами биопечати -- на рисунке 7.
Пункт a -- кольцо из двух видов биочернил. Они специально окрашены разными флуоресцирующими веществами. Ниже -- это же кольцо через 60 часов. Клетки самостоятельно срастаются. Пункт b - развитие трубки, набранной из колец, показанных на картинке. Пункт c сверху - 12-слойная трубка, составленная из клеток гладких мышечных волокон пуповины; пункт c, внизу - разветвлённая трубка прообраз сосудов для трансплантации. Пункт d - построение сокращающейся сердечной ткани. Слева показана решётка (6 на 6) из сфероидов с клетками сердечной мышцы (без эндотелия), распечатанных на коллагеновой "биобумаге". Если в те же "чернила" добавляются клетки эндотелия (второй рисунок -- красный цвет, кардиомиоциты же тут показаны зелёным), они заполняют сначала пространство между сфероидами, а через 70 часов (пункт d, справа) вся ткань становится единым целым. Внизу: график сокращения клеток полученной ткани. Как видно, амплитуда (отмерена по вертикали) сокращений составляет примерно 2 микрона, а период -- около двух секунд (время отмечено по горизонтали) (фото и иллюстрации Forgacs et al).
На рисунке 8 также приведены структура распечатанных тканей сердца (фотографии Forgacs etal).
Первые образцы 3D-биопринтера от Organovo и Invetech будут доступны для исследовательских и медицинских организаций в 2011 году.
Следует отметить, что Organovo не является единственным игроком на данном рынке. Некоторое время назад западная биотехнологическая компания Tengion представила свою технологию воссоздания органов. Между подходами Tengion и Organovo есть некоторые различия. К примеру две технологии по-разному подходят к организации живых клеток в группы для создания тканей, кроме того принтеры компаний по-разному подходят к проблеме получения образцов и генного анализа. В обеих компания отмечают, что сталкиваются с одними и теми же трудностями - довольно сложно воспроизводить сложные ткани, оба принтера очень долго настраиваются на один тип трехмерной печати. Также разработка самого принтера -- это лишь часть задачи. Также требуется создать специальное программное обеспечение, которое поможет моделировать ткань перед печатью и быстро перенастроить принтер. Сам принтер должен справится с созданием сложнейшего органа за несколько часов. По тонким капиллярам следует как можно скорее подавать питательные вещества, иначе орган погибнет. Тем не менее, обе компании имеют одинаковую конечную цель - «печать» органов человека.
Поначалу оборудование будет использоваться в исследовательских целях. Например, напечатанные фрагменты печени можно будет использовать в токсикологических экспериментах. Позже искусственные фрагменты кожи и мышц, капилляры, кости можно будет использовать для лечения тяжёлых травм и для пластических операций. Как Organovo, так и Tengion сходятся в том, что оборудование, способное быстро и качественно печатать органы целиком появится примерно в 2025-2030 году. Внедрение биопечати позволит сильно удешевить создание новых органов. Новые органы можно будет использовать для замены устаревших частей тела человека и как результат - радикального продления жизни (иммортализма). В перспективе биопечать позволит изобретать новые биологические органы для усовершенствования человека и животных и изобретения искусственых живых существ.
Технологии биопечати.
Этот пост о биопринтерах - изобретении, которое поможет человеку выращивать новые органы взамен износившихся от старости и таким образом значительно продлить ему жизнь.
О технологии биопечати, разработанной Габором Форгачем в кампании Organovo, я уже рассказывал в одном из своих прошлых постов. Однако, это не единственная технология создания искусственного создания органов из клеток. Справедливости ради стоит рассмотреть другие. Пока что до массового применения они все далеки, но то, что такие работы ведутся, радует и вселяет надежду, что по крайней мере одна линия искусственных органов достигнет успеха.
Первое -- это разработки американских учёных Владимира Миронова (Vladimir Mironov) из медицинского университета Южной Каролины (Medical University of South Carolina) и Томаса Боланда (Thomas Boland) из университета Клемсона (Clemson University). Первым исследования начал доктор Боланд, который придумал идею и начал исследования в своей лаборатории, и увлёк ею своего коллегу.
Вместе они с помощью принтера смогли реализовать технологию нанесения клеток слой за слоем. Для опыта были взяты старые принтеры Hewlett-Packard - старые модели использовались потому что у их картриджей достаточно крупные отверстия, чтобы не повредить клетки. Картриджи были тщательно очищены от чернил, и вместо чернил в них была залита клеточная масса. Также пришлось несколько переделать конструкцию принтера, создать программное обеспечение для контроля над температурой, электрическим сопротивлением и вязкостью "живых чернил".
Наносить клетки на плоскость слой-за-слоем ранее пытались и другие учёные, но эти впервые смогли это сделать с помощью струйного принтера.
На нанесении клеток на плоскость учёные останавливаться не собираются.
Чтоб напечатать трёхмерный орган, в качестве клея для соединения клеток предполагается использовать экзотический термообратимый (или "термореверсируемый") гель, созданный недавно Анной Гатовска (Anna Gutowska) из тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory) .
Этот гель является жидким при 20 градусах по Цельсию и затвердевает при температуре выше, чем 32 градуса. И, к счастью, он не вреден для биологических тканей.
При печати на стеклянную подложку наносятся через один слои клеток и слои геля (см. рисунок 1). Если слои достаточно тонкие, то клетки потом сростаются. Гель не мешает сростанию клеток, и в то же самое время придаёт конструкции прочность до того момента, когда клетки сростутся. После чего гель может быть легко удалён с помощью воды.
Команда уже провела несколько экспериментов, используя легко доступные клеточные культуры, типа клеток яичника хомяка.
По мнению авторов, трёхмерная печать может решить проблему создания новых органов для медицины взамен повреждённых или выращивание органов для биологических опытов. Скорее всего, первой будет пущено в массовое использование технология выращивания больших участков кожи для лечения людей, поражённых ожогами. Поскольку исходные клетки для культивирования "живых чернил" будут взяты от самого пациента, так что проблемы с отторжением быть не должно.
Заметим также, что традиционное выращивание органов может занять несколько недель -- так что пациент может не дождаться нужного органа. При пересадке органа от другого человека обычно только каждому десятому удаётся дождаться своей очереди на орган, остальные погибают. Но технология биопечати при наличии достаточно количества клеток может потребовать всего несколько часов для построения органа.
Во время печати потребуется решать такие проблемы, как питание искусственного органа. Очевидно, принтер должен печатать орган со всеми сосудами и капиллярами, через которые уже в процессе печати следует подавать питательные вещества (впрочем, как показали опыты Габора Форгача, по крайней мере некоторые органы способны формировать капилляры самостоятельно). Также орган должен быть напечатан не более чем за несколько часов -- поэтому для повышения прочности креплений клеток предполагается добавлять в скрепляющий раствор белок коллаген.
По прогнозу учёных, уже через несколько лет биопринтеры появятся в клиниках. Перспективы, которые при этом открываются, огромны.
Для печати по этой технологии сложного органа, состоящего из большого количества клеток, требуются картриджи с большим разнообразием чернил. Однако, доктор Фил Кэмпбелл (Phil Campbell) и его коллеги из американского университета Карнеги-Меллона (Carnegie Mellon University), в частности, профессор роботехники Ли Вейсс (Lee Weiss) -- которые тоже проводят эксперименты с биопечатью -- придумали способ, как уменьшить количество видов чернил без вреда для результирующего органа.
Для этого в качестве одного из биоцветов он предложил использовать раствор, содержащий фактор роста BMP-2. В качестве другого биоцвета стволовые использовались клетки, полученные из мышц ног мышей.
Далее, принтером были нанесены на стекло четыре квадрата со сторонами по 750 микрометров -- в каждом из них концентрация гормона роста была различна. Стволовые клетки, оказавшиеся на участках с фактором роста, начали превращаться в клетки костной ткани. И чем большей была концентрация BMP-2, тем выше "урожай" дифференцированных клеток. Стволовые же клетки, которые оказались на чистых участках, превратились в мышечные клетки, так как этот путь развития стволовая клетка выбирает по умолчанию.
Ранее клетки различных видов выращивались отдельно. Но, по словам учёного, совместное выращивание клеток делает эту технику более близкой к природной. "Вы можете создать такую структуру подложки, в которой один конец будет развивать кость, ещё один край -- сухожилие, а третий -- мускулы. Это обеспечивает вам больший контроль над регенерацией ткани", -- говорит автор работы. И при этом будет использоваться только два вида чернил -- что упрощает конструкцию биопринтера.
Проблемой управляемого изменения клеточных структур заинтересовались и учёные из России. «На сегодняшний день ведется очень много разработок, связанных с выращиванием тканей из стволовых клеток, -- комментирует учёный Николай Адреанов. -- Наилучших результатов ученые достигли при выращивании эпителиальной ткани, так как ее клетки очень быстро делятся. А теперь исследователи пытаются с помощью стволовых клеток создать нервные волокна, клетки которых в естественных условиях очень медленно восстанавливаются».
Также по словам Ли Вейсса, занимавшегося разработкой принтера, их технология ещё далека от промышленного внедрения. Кроме того, не помешало бы расширение знания о биологии. "Я могу напечатать довольно сложные вещи. Но, вероятно, один из самых серьёзных ограничивающих факторов (для данной технологии) - это понимание биологии. Нужно точно знать, что именно печатать". На другую проблему указывает кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биологии развития РАН Александр Ревищин. «В принципе печать тканей “клеточными чернилами” возможна, однако технология пока еще несовершенна, -- отметил он -- Например, если пересадить стволовые клетки в непривычные условия, эти клетки потеряют нить естественного развития и связь с окружающими клетками, что может привести к их перерождению в опухоль». стволовой клеточный биопринтер орган
Но, будем надеется, что в ближайшие годы технология будет отработана.
Искусственные человеческие органы скоро станут выращивать в строящейся при Военно-медицинской академии имени Кирова клинике в Санкт-Петербурге. Решение о строительстве клиники принял министр обороны. Многопрофильный центр планируют оснастить самым современным оборудованием, которое позволит самым подробным образом изучать стволовые клетки. Научно-технический отдел, который займётся клеточными технологиями, уже сформирован.
«Основным направлением работы отдела станет создание биологического банка и создание возможностей для выращивания искусственных органов, - говорит начальник отдела организации научной работы и подготовки научно-педагогических кадров академии Евгений Ивченко. - Российские учёные давно работают над искусственными органами».
Два года назад завотделом Федерального научного центра трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова Мурат Шагидулин сообщил о создании искусственного аналога печени, пригодного для пересадки. Учёные смогли получить искусственную печень и протестировать её в доклинических условиях. Орган вырастили на основе бесклеточного каркаса печени, из которой заранее по специальной технологии удалили все ткани. Остались только белковые структуры кровеносных сосудов и других компонентов органа. Каркас засеяли аутологичными клетками костного мозга и печени. Эксперименты на животных показали: если выращенный элемент имплантировали в печень или брызжейку тонкой кишки, он способствовал регенерации тканей и давал полное восстановление функции повреждённого органа. Животные представляли собой модели острой и хронической печёночной недостаточности. И выращенный элемент позволял увеличить выживаемость в два раза. Спустя год после имплантации все животные были ещё живы. Между тем в контрольной группе умерло около 50% особей. Через семь дней после имплантации в основной группе биохимические показатели функции печени уже были на уровне нормы. По прошествии 90 дней после пересадки в брызжейку тонкой кишки учёные нашли там жизнеспособные гепатоциты и новые сосуды, которые проросли через каркас элемента.
«Исследования в области создания таких сложных биоинженерных органов, как печень, почки, лёгкие и сердце, в последние годы ведутся в ведущих научных лабораториях США и Японии, но дальше стадии изучения на животной модели они пока не продвинулись, - комментирует заведующий отделом экспериментальной трансплантологии и искусственных органов Центра Мурат Шагидулин. - Наши опыты на животных прошли хорошо. Спустя три месяца после трансплантации в телах животных обнаружили здоровые клетки печени и новые кровеносные сосуды. Это говорило о протекавшем процессе регенерации пересаженной печени и том, что она прижилась».
Японские учёные из Университета Йокогамы сумели вырастить печень размером в несколько миллиметров. Они смогли сделать это благодаря индуцированным плюрипотентным стволовым клеткам (iPSCs). Выращенная печень работает как полноценный орган. По словам руководителя исследовательской группы профессора Хидэки Танигути, минипечень справляется с переработкой вредных веществ столь же эффективно, что и реальный человеческий орган. Учёные надеются начать клинические испытания искусственной печени в 2019 г. Новые, созданные в лаборатории органы, будут пересаживать пациентам с тяжёлыми заболеваниями печени для поддержания её нормальных функций.
Несколько ранее японские учёные лабораторным путём почти приблизились к новейшему открытию - созданию полностью функционирующих почек, способных заменить настоящие. До этого прототипы искусственной почки создавались. Но им не удавалось нормально выводить мочу (раздувались от давления). Однако японцы исправили ситуацию. Специалисты уже вполне успешно пересаживают искусственные почки свиньям и крысам.
Доктор Такаси Йооко и его коллеги из Медицинской школы Университета Дзинкей использовали стволовые клетки, но не просто вырастили ткани почки, а вырастили и дренажную трубку, и мочевой пузырь. В свою очередь, крысы, а потом и свиньи, были инкубаторами, в которых уже развивалась и росла эмбриональная ткань. Когда новую почку соединили с существовавшим в теле животных мочевым пузырем, система заработала в целом. Моча шла из пересаженной почки в пересаженный мочевой пузырь, и лишь после этого она попадала в мочевой пузырь животного. Как показали наблюдения, система работала и через восемь недель после трансплантации.
По словам учёных, в перспективе, возможно, удастся создать и полноценные имплантаты голосовых связок для людей. Исследователи собрали фрагменты ткани четырёх людей, страдающих проблемами с голосовыми связками. Этим пациентам связки были удалены. Была также забрана ткань у одного умершего донора. Специалисты изолировали, очистили и вырастили клетки слизистой оболочки в особой трёхмерной структуре, имитирующей среду тела человека. Примерно за две недели клетки срослись и сформировали ткань, напоминающую по эластичности и клейкости реальные голосовые связки. Потом специалисты присоединили полученные голосовые связки к искусственной трахее и пропустили через них увлажнённый воздух. Когда воздух доходил до связок, ткани вибрировали и продуцировали звук, как бы это происходило при нормальных условиях в организме. В ближайшее время врачи ждут закрепления полученного результата на нуждающихся в нём людях.