Постиндустриальные темпы развития человечества, а именно науки и техники, велики настолько, что их невозможно было представить еще 100 лет назад. То, о чем раньше можно было прочитать только в научно-популярной фантастике, теперь появилось и в реальном мире.
Уровень развития медицины 21-го века выше, чем когда-либо. Заболевания, считавшиеся смертельно опасными раньше, в наши дни успешно лечатся. Однако еще не решены проблемы онкологии, СПИДа и множества других заболеваний. К счастью, в ближайшем будущем для этих проблем найдется решение, одним из которых послужит выращивание органов человека.
Основы биоинженерии
Наука, использующая информационный базис биологии и пользующаяся аналитическим и синтетическим методами для решения своих задач, зародилась не так давно. В отличие от обычной инженерии, которая для своей деятельности применяет технические науки, по большей части математику и физику, биоинженерия идет дальше и пускает в ход инновационные методы в виде молекулярной биологии.
Одной из главных задач новоиспеченной научно-технической сферы является выращивание искусственных органов в лабораторных условиях с целью их дальнейшей пересадки в тело пациента, у которого отказал из-за повреждения или в силу изношенности тот или иной орган. Опираясь на трехмерные клеточные структуры, ученые смогли продвинуться в изучении влияния различных болезней и вирусов на деятельность человеческих органов.
К сожалению, пока это не полноценные органы, а лишь органоиды - зачатки, незаконченная совокупность клеток и тканей, которые можно использовать только в качестве экспериментальных образцов. Их работоспособность и уживчивость проверяются на подопытных животных, в основном, на разных грызунах.
Историческая справка. Трансплантология
Росту биоинженерии как науки предшествовал долгий период развития биологии и других наук, целью которых было изучение человеческого тела. Еще в начале 20-го века толчок своему развитию получила трансплантология, задачей которой было изучение возможности пересадки органа донора другому человеку. Создание методик, способных консервировать на некоторое время донорские органы, а также наличие опыта и детальных планов по трансплантации позволили хирургам со всего мира в конце 60-х годов успешно пересадить такие органы, как сердце, легкие, почки.
На данный момент принцип трансплантации является наиболее действенным в случае, если пациенту угрожает смертельная опасность. Основная проблема заключается в остром дефиците донорских органов. Больные могут годами ждать своей очереди, так ее и не дождавшись. Кроме того, существует высокий риск того, что пересаженный донорский орган может не прижиться в теле реципиента, так как иммунной системой пациента он будет рассматриваться в качестве инородного предмета. В противоборство данному явлению были изобретены иммунодепрессанты, которые, однако, скорее калечат, чем лечат - иммунитет человека катастрофически ослабевает.
Преимущества искусственного создания над трансплантацией
Одно из главных конкурентных отличий метода выращивания органов от их пересадки от донора заключается в том, что в лабораторных условиях органы могут производиться на основе тканей и клеток будущего реципиента. В основном, используются стволовые клетки, обладающие способностью дифференцироваться в клетки определенных тканей. Данный процесс ученый способен контролировать извне, что существенно снижает риск будущего отторжения органа иммунной системой человека.
Более того, с помощью метода искусственного выращивания органов можно производить их неограниченное количество, тем самым удовлетворяя жизненно важные потребности миллионов людей. Принцип массового производства значительно снизит цены на органы, спасая миллионы жизней и значительно увеличивая выживаемость человека и отодвигая дату его биологической смерти.
Достижения биоинженерии
На сегодняшний день ученые в состоянии выращивать зачатки будущих органов - органоиды, на которых испытывают различные болезни, вирусы и инфекции с целью проследить процесс заражения и разработать тактику противодействия. Успешность функционирования органоидов проверяют посредством их трансплантации в тела животных: кроликов, мышей.
Стоит также отметить, что биоинженерия достигла определенных успехов в создании полноценных тканей и даже в выращивании органов из стволовых клеток, которые, к сожалению, пока невозможно пересадить человеку в силу их неработоспособности. Однако на данный момент ученые научились создавать искусственным путем хрящи, сосуды и другие соединительные элементы.
Кожа да кости
Не так давно у ученых Колумбийского университета получилось создать фрагмент кости, по структуре схожий с суставом нижней челюсти, соединяющим ее с основанием черепа. Фрагмент был получен посредством использования стволовых клеток, как и при выращивании органов. Чуть позже израильской компании Bonus BioGroup удалось изобрести новый метод воссоздания человеческой кости, который был с успехом испробован на грызуне - искусственно выращенная кость была пересажена в одну из его лап. В данном случае опять же были использованы стволовые клетки, только получены они были из жировой ткани пациента и в последующем помещены на гелеобразный каркас кости.
Начиная с 2000-х годов, для лечения ожогов доктора применяют специализированные гидрогели и методы естественной регенерации поврежденных участков кожи. Современные же экспериментальные методики позволяют вылечивать сильнейшие ожоги за несколько дней. Так называемый Skin Gun распыляет особую смесь со стволовыми клетками пациента на поврежденную поверхность. Также наблюдаются крупные успехи в создании стабильно функционирующей кожи с кровеносными и лимфатическими сосудами.
Недавно ученым из Мичигана удалось вырастить в лабораторных условиях часть мышечной ткани, которая, правда, вдвое слабее оригинальной. Точно так же ученые в Огайо создали трехмерные ткани желудка, которые были в состоянии производить все необходимые для пищеварения ферменты.
Японские же ученые совершили почти невозможное - вырастили полностью функционирующий человеческий глаз. Проблема трансплантации заключается в том, что присоединить зрительный нерв глаза к головному мозгу пока не представляется возможным. В Техасе искусственным путем в биореакторе удалось также вырастить легкие, но без кровеносных сосудов, что ставит под сомнение их работоспособность.
Перспективы развития
Совсем недолго осталось до того момента в истории, когда человеку можно будет пересадить большинство органов и тканей, созданных в искусственных условиях. Уже сейчас ученые со всего мира располагают разработками проектов, экспериментальными образцами, некоторые из которых не уступают оригиналам. Кожу, зубы, кости, все внутренние органы по прошествии некоторого времени можно будет создавать в лабораториях и продавать нуждающимся людям.
Новые технологии также ускоряют развитие биоинженерии. 3D-печать, получившая распространение во многих сферах человеческой жизни, будет полезной и в рамках выращивания новых органов. 3D-биопринтеры уже экспериментально используются с 2006 года, а в будущем они смогут создавать трехмерные работоспособные модели биологических органов, перенося культуры клеток на биосовместимую основу.
Общий вывод
Биоинженерия как наука, целью которой является выращивание тканей и органов для их дальнейшей трансплантации, зародилась не так давно. Семимильный темп, в котором она шагает по пути прогресса, характеризуется существенными достижениями, которые в будущем спасут миллионы жизней.
Выращенные из стволовых клеток кости и внутренние органы сведут на нет нужду в донорских органах, количество которых и так находится в состоянии дефицита. Уже сейчас ученые располагают множеством разработок, результаты которых пока не слишком продуктивны, но имеют огромный потенциал.
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.
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.
В настоящем статье приводится информация о существующих достижениях в выращивании биологических органов.
Существует ряд альтернативных способов того, как восстановить функции органов пациентам в случае серьёзного поражения:
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.
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 берет 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.
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 внедрен. Однако ведутся исследования с целью повысить эффективность ксенотрансплантации, например, посредством генетической модификации.
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 поврежденного тела человека с сохранившимся мозгом, самостоятельно развивающегося организма, клона - “растения” (с отключенной способностью мыслить).
Среди перечисленных четырех вариантов решения проблемы недостаточности функций органов именно их выращивание может быть наиболее естественным для организма способом восстановления при крупных повреждениях.
Достижения и перспективы в выращивании отдельных органов для нужд медицины
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, или биокол, разработанный коллективом под руководством Б.К. Гаврилюка. Для выращивания кожи на месте ожога также используются специальные гидрогели.
Также развиваются методы распечатки фрагментов ткани кожи с помощью специальных принтеров. Созданием таких технологий занимаются, например, разработчики из американских центров регенерационной медицины AFIRM и WFIRM.
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.
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.
Учёные израильской компании Bonus Biogroup (основатель и исполнительный директор - Пай 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.
В Токийском университете учёные вырастили из стволовых клеток мышей полноценные зубы, имеющие зубные кости и соединительные волокна, и успешно трансплантировали их в челюсти животных.
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.
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.
В 1997 году, Хирургу Джею Ваканти (Jay Vscanti) из Главной больницы Массачусетса в Бостоне удалось на спине у мыши человеческое ухо, используя клетки хряща.
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.
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.
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 экстра целлюлярный 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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).
Профессор Маккиарини активно сотрудничает с Российскими исследователями, что позволило сделать первые операции по пересадке выращенной трахеи в России.
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 само разрушающегося 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Учение из Caлгрeнcкoй Aкaдeмии в Швеции (The Sahlgrenska Academy) впервые успешно культивировали из стволовых клеток человеческую роговицу. Это в будущем поможет избежать долгого ожидания донорской роговицы.
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.
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.
Ученые лаборатории клеточных технологий Нижегородской государственной медицинской академии сумели вырастить нейронную сеть, фактически фрагмент мозга.
Вырастили они нейронную сеть на специальных матрицах - много электродных подложках, которые позволяют снимать электрическую активность этих нейронов на всех этапах роста.
Заключение
Приведенный 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