Выращивания органов. Что такое стволовая клетка - получение, применение в лечении и трансплантация
Улучшение состояние здоровья человека, спасение жизни, увеличение ее продолжительности — эти вопросы были, есть и будут самыми актуальными для человечества. Именно поэтому тема выращивания искусственных органов в России в 2018 году занимает умы российских ученых, стоит на повестке дня Министерства здравоохранения и широко обсуждается в СМИ.
Дает большие надежды, что отрасль научной медицины — биоинженерные технологии, будет, наконец, иметь полноценную законодательную основу. Это позволит заниматься разработками, проводить доклинические и клинические исследования, практически использовать клеточные продукты, руководствуясь и опираясь на нормативно-правовую базу.
Закон о биомедицинских клеточных продуктах
Главная для ученых и медиков — в России с января 2017 года вступил в силу закон «О биомедицинских клеточных продуктах».
Он разработан в рамках реализации стратегии развития науки в Российской Федерации до 2025 года и направлен на регулирование отношений в связи с разработкой, исследованиями, регистрацией, производством и контролем качества, применением в лечебной практике биологических медицинских клеточных продуктов (БМКП).
Также это закон обеспечит законодательный базис для создания в сфере здравоохранения новой индустрии, которая производством и использованием клеточного продукта решит проблемы восстановления функций и структур тканей тела человека поврежденных заболеваниями, травмами, нарушениями при внутриутробном развитии.
Основной целью федерального закона является закрепление обособленного урегулирования деятельности по обращению БМКП, которая до недавнего времени была разрозненной, неполной и в основном незаконной.
Теперь организации и предприятия, которые занимались биопродуктами нелегально, парализованы. Именно поэтому принятию закона было оказано сопротивление и создавалось множество препятствий. Негативные последствия от принятия закона ощутят только те, кто осуществлял деятельность в области применения клеточного материала нелегально, то есть, нарушали закон.
Для отрасли в целом, закон обеспечивает цивилизованные пути развития, расширение возможностей, а для пациентов гарантирует получение качественного, безопасного продукта.
Новая эпоха в медицине
Вместе с поиском и разработкой эффективных методов лечения и восстановления организма человека, российская медицина ведет активную работу над созданием искусственных органов. Этой темой стали заниматься более пятидесяти лет назад, с того времени, когда методика пересадки донорских органов из теории перешла в практику.
Донорство спасло много жизней, но этот метод имеет значительный ряд проблем — нехватка донорских органов, несовместимость, отторжение иммунной системой. Поэтому идея выращивания искусственных органов с энтузиазмом была подхвачена учеными медиками всего мира.
Методика замещения поврежденных тканей искусственным клеточным продуктом, введенным извне, или путем активизирования собственных клеток основывается на жизнеспособности БМКТ и способности постоянно находиться в организме пациента. Это дает большие возможности для результативного лечения болезней и спасения многих жизней.
На сегодняшний день применение биоинженерных технологий в медицине достигло значительных результатов. Уже апробированы методики выращивания некоторых органов непосредственно в организме человека, так и вне тела. Есть возможность вырастить орган из клеток того человека, которому он впоследствии будет вживлен.
Применение искусственно созданных простых тканей уже имеют место в клинической практике. По словам Юрия Суханова, исполнительного директора Объединения экспертов по биомедицинским клеточным технологиям и регенеративной медицине, российскими учеными подготовлены к испытаниям ряд важных и необходимых продуктов.
«Это противораковые вакцины на основе живых клеток человека, препараты для лечения диабета с помощью инсулинпродуцирующих клеток, которые будут имплантироваться пациенту. Разумеется кожа – ожоги, раны, диабетическая стопа. Выращивание из клеток хряща, кожи, роговицы, уретры. И, конечно, клеточные вакцины – самое интересное и эффективное, что сейчас есть» — отметил Юрий Суханов.
Российские ученые создали искусственную печень и провели доклинические испытания продукта на животных, которые показали очень хорошие результаты. Элемент выращенного органа был имплантирован в поврежденные ткани печени животных.
В результате клетки искусственной печени способствовали регенерации тканей, и через время поврежденный орган полностью восстановился. При этом не произошло отрицательного влияния на продолжительность жизни подопытного животного.
Регенеративная медицина — это наше будущее, которое закладывается уже сегодня. Возможности у нее колоссальные. Тем более что традиционная медицина достигла определенного уровня, и сейчас не может предложить результативных методов лечения многих опасных болезней, уносящих миллионы жизней.
Медицинской науке необходима революция, мощный прорыв, которым станет приход клеточных технологий. Победить неизлечимые заболевания, снизить продолжительность и стоимость лечения, сделать доступным замену утраченного или нежизнеспособного органа и таким образом спасти и продлить жизнь — все это нам дает новая перспективная отрасль медицинской науки — тканевая инженерия.
Закон «О биомедицинских клеточных продуктах» принятый в 2017 году, начал полноценно работать. И теперь ученые имеют гораздо больше возможностей для новых исследований и открытий в области клеточных технологий и выращивания искусственных органов в России.
Прежде чем мы перейдем к непосредственному рассказу о выращивание органов, я хотел бы посвятить вас, что такое стволовые клетки.
Что такое стволовые клетки?
Стволовые клетки - прародительницы всех без исключения типов клеток в организме. Они способны к самообновлению и, что самое главное, в процессе деления образуют специализированные клетки различных тканей. Стволовые клетки обновляют и замещают клетки, утраченные в результате каких-либо повреждений во всех органах и тканях. Они призваны восстанавливать организм человека с момента его рождения.
С возрастом количество стволовых клеток в организме катастрофически снижается. У новорожденного 1 стволовая клетка встречается на 10 тысяч, к 20-25 годам – 1 на 100 тысяч, к 30 – 1 на 300 тысяч. К 50-летнему возрасту в организме уже остается всего 1 стволовая клетка на 500 тысяч. Истощение запаса стволовых клеток вследствие старения или тяжёлых заболеваний лишает организм возможностей самовосстановления. Из-за этого жизнедеятельность тех или иных органов становится менее эффективной.
Какие органы и ткани ученые смогли вырастить с помощью стволовых клеток?
Привожу только самые известные примеры научных достижений.
в 2004 году японские ученые впервые в мире вырастили структурно полноценные капиллярные кровеносные сосуды из стволовых клеток
Японские ученые первыми в мире вырастили структурно полноценные капиллярные кровеносные сосуды из стволовых клеток человеческого эмбриона. Об этом 26 марта 2004 года сообщила японская газета Yomiuri.
Как отмечает издание, группа исследователей из медицинской школы Киотского университета под руководством профессора Кадзува Накао использовала капиллярные клетки, генерированные из стволовых клеток, импортированных в 2002 году из Австралии. До сих пор исследователям удавалось регенерировать лишь нервные клетки и мышечную ткань, что недостаточно для "производства" цельного органа. Информация с сайта NewsRu.com
В 2005 году американские ученые впервые вырастили полноценные клетки головного мозга
Ученые из Флоридского университета (США) первыми в мире вырастили полностью сформированные и приживающиеся клетки головного мозга. Как сообщил руководитель проекта Бьорн Шеффлер, вырастить клетки удалось путем «копирования» процесса регенерации клеток головного мозга. Теперь ученые надеются выращивать клетки для трансплантации, что может помочь в лечении болезней Альцгеймера и Паркинсона.Шеффлер отметил, что ранее ученым удавалось выращивать нейроны из стволовых клеток, однако именно во Флоридском университете удалось получить полноценные клетки и изучить процесс их роста от начала до конца. Информация с сайта Газета.ру по материалам Independent.
В 2005 году ученым удалось воспроизвести нервную стволовую клетку
Итальянско-британская группа ученых из эдинбургского и миланского университетов на основе неспециализированных эмбриональных стволовых нервных клеток научилась создавать in vitro различные типы клеток нервной системы.
Ученые применили уже разработанные методы управления эмбриональными стволовыми клетками к полученным ими более специализированным нервным стволовым клеткам. Результаты, которые были достигнуты на клетках мышей, были воспроизведены и на человеческих стволовых клетках. В интервью, данном агентству BBC, Стивен Поллард из Эдинбургского университета пояснил, что разработка его коллег поможет воссоздать болезнь Паркинсона или болезнь Альцгеймера «в пробирке». Это позволит лучше понять механизм их возникновения и развития, а также обеспечит фармакологов мини-полигоном для поиска подходящих средств лечения. Соответствующие переговоры с фармакологическими компаниями уже ведутся.
В 2006 году швейцарсцкие ученые вырастили из стволовых клеток клапаны человеческого сердца
Осенью 2006 года доктор Саймон Хоерстрап и его коллеги из университета Цюриха впервые вырастили человеческие сердечные клапаны, воспользовавшись стволовыми клетками, взятыми из околоплодной жидкости.
Это достижение может сделать реальным выращивание клапанов сердца специально для ещё не родившегося ребёнка, если у него, ещё в утробе матери, обнаружатся дефекты сердца. А вскоре после рождения младенцу можно будет пересадить новые клапаны.
Вслед за выращиванием в лаборатории из клеток человека мочевого пузыря и кровеносных сосудов - это следующий шаг на пути создания «собственных» органов для конкретного пациента, способных устранить потребность в донорских органах или искусственных механизмах.
В 2006 году британские ученые вырастили из стволовых клеток ткани печени
Осенью 2006 года британские ученые из университета Ньюкасла объявили о том, что первыми в мире вырастили в лабораторных условиях искусственную печень из стволовых клеток, взятых из пуповинной крови. Техника, которая использовалась при создании «минипечени», размером в 2 см, будет разрабатываться дальше, чтобы создать нормально функционирующую печень стандартного размера.
В 2006 году в США впервые выращен сложный человеческий орган - мочевой пузырь
Американские ученые смогли вырастить в лабораторных условиях полноценный мочевой пузырь. В качестве материала были использованы клетки самих пациентов, нуждающихся в пересадке.
"Путем биопсии можно взять кусочек ткани, а спустя два месяца ее количество умножится в несколько раз, - объясняет директор института регенеративной медицины Энтони Атала. - Исходный материал и особые вещества мы кладем в специальную форму, оставляем в специальном лабораторном инкубаторе и через несколько недель получаем готовый орган, который уже можно пересаживать". Первую трансплантацию провели еще в конце 90-х. Операцию по пересадке мочевого пузыря сделали семи пациентам. Результаты оправдали ожидания ученых, и сейчас специалисты разрабатывают методы создания еще 20-ти органов - среди них сердце, печень, кровеносные сосуды и поджелудочная железа.
В 2007 году стволовые клетки помогли британским ученым создать часть сердца человека
Весной 2007 года группе британских ученых, состоящая из физиков, биологов, инженеров, фармакологов, цитологов и опытных клиницистов, под руководством профессора кардиохирургии Магди Якуба впервые в истории удалось воссоздать одну из разновидностей тканей человеческого сердца при помощи стволовых клеток костного мозга. Эта ткань выполняет роль сердечных клапанов. Если дальнейшие испытания пройдут успешно, разработанную методику можно будет применять для выращивания из стволовых клеток полноценного сердца для трансплантации больным.
В 2007 году японские ученые вырастили из стволовых клеток роговицу глаза
Весной 2007 года на симпозиуме по вопросам репродуктивной медицины в городе Иокогама были обнародованы результаты уникального эксперимента специалистов Токийского университета. Исследователи использовали стволовую клетку, взятую из края роговицы. Такие клетки способны развиваться в различные ткани, выполняя в организме восстановительные функции. Выделенная клетка была помещена в питательную среду. Спустя неделю она развилась в группу клеток, а на четвертой неделе преобразовалась в роговицу диаметром 2 см. Таким же образом был получен тонкий защитный слой (конъюнктива), покрывающий роговицу снаружи.
Ученые подчеркивают, что впервые полноценная ткань человеческого организма выращена из единственной клетки. Пересадка органов, полученных новым способом, исключает риск переноса инфекций. Японские ученые намерены приступить к клиническим испытаниям сразу после того, как удостоверяться в безопасности новой технологии.
В 2007 году японские ученые вырастили зуб из стволовых клеток
Японским ученым удалось вырастить зуб из одной клетки. Его вырастили в лабораторных условиях и пересадили мыши. Инъекция клеточного материала была произведена в коллагеновый каркас. После выращивания оказалось, что зуб принял зрелую форму, которая состояла из полноценных частей, таких как дентин, пульпа, сосуды, периодонтальные ткани, и эмаль. По словам исследователей, зуб был идентичен естественному. После трансплантации зуба лабораторной мыши он прижился и функционировал полностью нормально. Данный метод позволит выращивать целые органы из одной-двух клеток, говорят исследователи.
В 2008 году американские ученые смогли вырастить новое сердце на каркасе от старого
Дорис Тейлор (Doris Taylor) и её коллеги из университета Миннесоты (University of Minnesota) создали живое сердце крысы, используя необычную технику. Ученые взяли взрослое сердце крысы и поместили его в специальный раствор, который удалил из сердца все клетки мышечной сердечной ткани, оставив другие ткани нетронутыми. Этот очищенный каркас был засеян клетками сердечной мышцы, взятыми у новорождённой крысы, и помещён в среду, имитирующую условия в организме.
Всего через четыре дня клетки размножились настолько, что начались сокращения новой ткани, а через восемь дней реконструированное сердце уже могло качать кровь, хотя и всего на 2-процентном уровне мощности (считая от здорового взрослого сердца). Таким образом, учёные получили работоспособный орган из клеток второго животного. Этим путём в будущем можно было бы обрабатывать сердца, взятые для пересадки, для исключения отторжения органа. "Так вы можете сделать любой орган: почку, печень, лёгкое, поджелудочную железу", - говорит Тейлор. Донорский каркас, определяющий форму и структуру органа, будет наполняться родными для больного специализированными клетками, сделанными из стволовых.
Любопытно, что в случае с сердцем в качестве основы можно попробовать взять сердце свиньи, анатомически близкое к человеческому. Удалив только мышечную ткань, прочие ткани такого органа можно будет уже дополнить культивированными человеческими клетками сердечной мышцы, получив гибридный орган, который, по идее, должен хорошо прижиться. А новые клетки будут сразу хорошо снабжаться кислородом - благодаря старым сосудам и капиллярам, оставшимся от сердца донора.
Я привел наиболее интересные факты, если вас заинтересовала эта информация то вы можете углубиться в нее подробней, информация была взята с сайта
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.
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.
