Выращивания органов. Искусственные органы: человек умеет все

Ученые впервые создали химеру человека и свиньи – статья, рассказывающая об этом эксперименте, была опубликована 26 января в научном журнале Cell. Международная команда ученых под руководством Хуана Карлоса Исписуа Бельмонте, профессора Института биологических исследований Солка (США), на протяжении 28 дней выращивала в организме свиньи эмбрионы, содержащие стволовые клетки человека. Из двух тысяч гибридных зародышей 186 развились в организмы, в которых человеческая часть составляла одну на десять тысяч клеток.

Химеры – организмы, прозванные в честь монстра из греческих мифов, соединяющего в себе козу, льва и змею, – получаются в результате соединения генетического материала двух животных, но без рекомбинации ДНК (то есть обмена генетической информацией, который происходит при зачатии ребенка). В результате у химер два набора генетически разнородных клеток, но функционируют они как целый организм. В ходе эксперимента, о котором пишет Cell, ученые вынули из беременной свиноматки эмбрионы и подсадили в них индуцированные человеческие стволовые клетки, после чего эмбрионы отправили обратно развиваться в теле свиньи. Появиться на свет химерам не позволили – от них избавились еще на ранней стадии беременности самки.

Зачем ученым нужны гибридные организмы?

Ниша для органов

Одна из ⁠главных ⁠целей эксперимента – выращивание человеческих органов ⁠в организме животных. Часть пациентов ⁠годами ждет очереди на трансплантацию, и создание биологического материала ⁠таким путем могло бы спасти тысячи жизней. «Мы еще далеки от этого, но первый и важный шаг сделан», – говорит Исписуа Бельмонте. Человеческий орган, выращенный в химере из собственных клеток больного, решил бы проблему отторжения трансплантата организмом больного, так как был бы выращен из его собственных клеток.
Развить человеческие органы в теле животного ученые собираются с помощью генного редактирования (а именно инновационным способом CRISPR-Cas9). Первоначально ДНК эмбриона животного будут изменять так, чтобы в нем не развился необходимый орган, например сердце или печень. Такую «нишу» будут заполнять человеческие стволовые клетки.

Эксперименты показывают, что в химере можно создать практически любой орган – даже тот, который у подопытного животного не предусмотрен. Другой эксперимент этой же группы ученых показал, что подсадка в организм мыши стволовых крысиных клеток позволяет вырастить желчный пузырь, хотя у мышей этого органа эволюционно нет.

Еще в 2010 году японские ученые таким же образом создали для крысы поджелудочную железу. Команда Исписуа Бельмонте смогла вырастить в организме мыши также крысиное сердце и глаза. Двадцать пятого января один из его коллег сообщил в статье в журнале Nature, что его группе удалось провести обратный эксперимент – вырастить в крысе поджелудочную железу для мыши и успешно ее пересадить. Орган исправно функционировал больше года.

Важное условие для успеха экспериментов с химерами – правильное соотношение размеров соединяемых организмов. Например, ранее ученые пытались создать химеры свиней и крыс, но эксперимент оказался безуспешным. Гораздо более совместимыми являются люди, коровы и свиньи. Команда Исписуа Бельмонте предпочла использовать для создания химеры с человеком свинью просто потому, что использовать последних дешевле, чем коров.

Гибриды среди нас

История знала случаи пересадки людям некоторых частей тела от животных, в том числе и свиней, и раньше. Еще в XIX веке американский доктор Ричард Киссам успешно пересадил юноше роговицу глаза, которую взял у шестимесячного поросенка. Но полноценное создание химер началось в 1960-е годы, когда американская ученая Беатрис Минц получила лабораторным путем первый гибридный организм, соединив клетки двух разных видов мышей – белой и черной. Чуть позже другая ученая – француженка Николь ле Дуарен соединила зародышевые слои куриного и перепелиного эмбриона и в 1973 году выпустила работу о развитии гибридного организма. В 1988 году Ирвинг Вейсман из Стэнфордского университета создал мышь с человеческой иммунной системой (для исследований СПИДа), а впоследствии вживлял человеческие стволовые клетки в мышиный мозг для исследований по нейробиологии. В 2012 году на свет появились первые химеры-приматы: в Национальном центре исследования приматов в Орегоне ученые создалимакак, содержащих шесть различных ДНК.

Более того, история уже знает и случаи людей-химер, хотя общество их таковыми не называет, да и сами они могут об этом не догадываться. В 2002 году жительница Бостона Карен Киган прошла генетический тест, чтобы определить, можно ли ей пересаживать почку одного из ее родственников. Анализы показали невозможное: ДНК пациентки не соответствовала ДНК ее биологических сыновей. Оказалось, что у Киган был врожденный химеризм, который развивается у эмбриона в результате сбоя в процессе оплодотворения: ее организм содержал два генетических набора, один у клеток крови, другой – у клеток в тканях ее тела.

Формально химерой можно назвать и человека, которому пересадили чужой костный мозг, – например, при лечении лейкемии. В некоторых случаях в крови такого пациента можно найти клетки и с его исходной ДНК, и с ДНК донора. Еще один пример – так называемый микрохимеризм. В теле беременной женщины может наблюдаться перемещение стволовых клеток плода, несущих его геном, в органы будущей матери – почки, печень, легкие, сердце и даже мозг. Ученые предполагают, что это может случаться чуть ли не при каждой беременности, а такие клетки могут оставаться на новом месте в течение всей жизни женщины.

Но во всех этих случаях химеры образуются (естественно или нет) от двух человек. Другое дело – совмещение человека с животным. Трансплантация тканей от животных человеку может сделать его уязвимым для новых болезней, к чему наша иммунная система не готова. Многих также пугает возможность наделения зверей людскими качествами, вплоть до повышения уровня сознания. Ученые пытаются заверить общество и власти в том, что подобные эксперименты будут жестко контролироваться лабораториями и использоваться лишь во благо. Национальные институты здоровья США (NIH) никогда не финансировали такие разработки, ссылаясь на их неэтичность. Но в августе 2016 года представители NIH заявили, что могут пересмотреть мораторий (решение пока не принято).

В отличие от NIH американская армия щедро финансирует подобные эксперименты. По словам кардиолога из Миннесотского университета Дэниела Гэрри, его проект по созданию химер, в рамках которого была получена свинья с сердцем от другой особи, недавно получил от военных грант $1,4 млн на эксперименты по выращиванию в свинье человеческого сердца.

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

Уже сегодня технологии выращивания новых органов широко используются в медицине и позволяют осваивать новые методы изучения иммунной системы и различных заболеваний, а также снижают потребность в трансплантатах. Пациенты, которым сделали пересадку каких-либо органов, нуждаются в большом количестве токсических препаратов для того, чтобы подавлять свою иммунную систему; иначе их организм может отвергнуть пересаженный орган. Однако, благодаря развитию тканевой инженерии, пересадка органов может остаться в прошлом. Используя клетки самих пациентов в качестве материала для выращивания в лаборатории новых видов ткани, ученые открывают все новые технологии создания человеческих органов.

Выращивание органов -- перспективная биоинженерная технология, целью которой является создание различных полноценных жизнеспособных биологических органов для человека. Пока технология не применяется на людях.

Создание органов стало возможным чуть более 10 лет назад благодаря развитию биоинженерных технологий. Для выращивания используют стволовые клетки, взятые у пациента. Разработанная недавно технология ИПК (индуцированные плюрипотентные клетки) позволяет перепрограммировать стволовые клетки взрослого человека так, чтобы из них мог получиться любой орган.

Выращивание органов или тканей человека может быть, как внутренним, так и наружным (в пробирках).

Самый известный ученый в этой области - Энтони Атала, признанный Врачом года-2011, глава лаборатории в Институте регенеративной медицины Вейк Сити (США). Именно под его руководством 12 лет назад был создан первый искусственный орган - мочевой пузырь. Вначале Атала с коллегами создали искусственную матрицу из биосовместимых материалов. Затем взяли у пациента здоровые стволовые клетки мочевого пузыря и перенесли на каркас: одни изнутри, другие снаружи. Через 6-8 недель орган был готов к пересадке.

«Меня учили, что нервные клетки не восстанавливаются, - вспоминал позже Атала. - Как же мы были поражены, когда наблюдали, как пересаженный нами мочевой пузырь покрывается сеткой нервных клеток! Это значило, что он будет, как и должно, общаться с мозгом и функционировать как у всех здоровых людей. Удивительно, как много истин, которые еще 20 лет назад казались незыблемыми, опровергнуто, и теперь нам открыты ворота в будущее».

Для создания матрикса применяют донорские или искусственные ткани, даже углеродные нанотрубки и нити ДНК. Например, кожа, выращенная на каркасе из углеродных нанотрубок, в десятки раз прочнее стали - неуязвима, как у супермена. Только непонятно, как с таким человеком потом работать, например, хирургу. Кожу на каркасе из паучьего шелка (тоже прочнее стали) уже вырастили. Правда, человеку пока не пересаживали.

А самая, пожалуй, передовая технология - печатание органов. Придумал ее все тот же Атала. Метод годится для сплошных органов и особенно хорош для трубчатых. Для первых экспериментов использовали обычный струйный принтер. Позже, конечно, изобрели специальный.

Принцип прост, как все гениальное. Вместо чернил разного цвета картриджи заправлены суспензиями разных типов стволовых клеток. Компьютер вычисляет структуру органа и задает режим печати. Он, конечно, сложнее обычной печати на бумаге, в нем много-много слоев. За счет них и создается объем. Потом все это должно срастись. Уже удалось «напечатать» кровеносные сосуды, в том числе сложно ветвящиеся.

Кожа и хрящи. Их вырастить проще всего: достаточно было научиться размножать кожные и хрящевые клетки вне организма. Хрящи пересаживают уже около 16 лет, это достаточно распространенная операция.

Кровеносные сосуды. Вырастить их несколько сложнее, чем кожу. Ведь это трубчатый орган, который состоит из двух типов клеток: одни выстилают внутреннюю поверхность, а другие формируют наружные стенки. Первыми вырастили сосуды японцы под руководством профессора Кадзува Накао из Медицинской школы Киотского университета еще в 2004 году. Чуть позже, в 2006 году, директор Института стволовой клетки университета Миннесоты в Миннеаполисе (США) Катрин Верфэйл продемонстрировала выращенные клетки мышц.

Сердце. Шестнадцати детям в Германии уже пересажены клапаны сердца, выращенные на каркасе от свиного сердца. Двое детей живут с такими клапанами уже 8 лет, и клапаны растут вместе с сердцем! Американо-гонконгская группа ученых обещает начать пересадку «заплаток» для сердца после инфаркта через 5 лет, а английская команда биоинженеров через 10 лет планирует пересаживать целое новенькое сердце.

Почки, печень, поджелудочная железа. Как и сердце, это так называемые сплошные органы. В них самая высокая плотность клеток, поэтому вырастить их труднее всего. Уже решен главный вопрос: как сделать так, чтобы выращенные клетки составили форму печени или почки? Для этого берут матрицу в форме органа, помещают в биореактор и заполняют клетками.

Мочевой пузырь. Самый первый «орган из пробирки». Сегодня операции по выращиванию и пересадке собственного «нового» мочевого пузыря уже сделаны нескольким десяткам американцев.

Верхняя челюсть. Специалисты из Института регенеративной медицины при университете Тампере (Финляндия) умудрились вырастить верхнюю челюсть человека… в его собственной брюшной полости. Они перенесли стволовые клетки на искусственную матрицу из фосфата кальция и зашили мужчине в живот. Через 9 месяцев челюсть извлекли и поставили на место родной, удаленной из-за опухоли.

Сетчатка глаза, нервная ткань мозга. Достигнуты серьезные успехи, но пока о весомых результатах говорить рано.

) технология не применяется на людях, однако идут активные разработки и эксперименты в этой области. По словам директора Федерального научного центра трансплантологии и искусственных органов имени Шумакова профессора Сергея Готье выращивание органов станет доступным через 10-15 лет .

Ситуация

Идея о искусственном выращивании человеческих органов не покидает учёных уже больше полувека, с того момента, как людям начали пересаживать органы доноров. Даже при возможности пересаживать большинство органов пациентам, в настоящее время очень остро стоит вопрос донорства. Многие пациенты умирают, не дождавшись своего органа. Искусственное выращивание органов может спасти миллионы человеческих жизней. Некоторые достижения в этом направлении уже достигнуты с помощью методов регенеративной медицины .

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Выращивание органов" в других словарях:

Окрашенная культура клеток эпителия. На фото кератин (красный) и ДНК (зеленая) Культивирование клеток представляет собой процесс, посредством которого in vitro отдельные клетки (или единственная клет … Википедия

Содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия

Подготовка к крионированию Крионика (от греч. κρύος холод, мороз) практика сохранения тела или головы/мозга человека в состоянии глубокого … Википедия

2007 – 2008 2009 2010 – 2011 См. также: Другие события в 2009 году 2009 Международный год астрономии (ЮНЕСКО). Содержание … Википедия

Большой медицинский словарь

Выращивание с. х. культур в условиях орошения. Один из наиболее интенсивных видов земледелия, сложившийся в пустынных, полупустынных и засушливых зонах, а также в районах, недостаточно обеспеченных влагой в отдельные периоды вегетации. В… …

Выращивание растений при отсутствии микроорганизмов в среде, окружающей всё растение или (чаще) только его корни (стерильность всего растения может быть обеспечена только в замкнутом сосуде, где трудно поддерживать необходимые для… … Большая советская энциклопедия

Выращивание микроорганизмов, животных и растительных клеток, тканей или органов в искусственных условиях … Медицинская энциклопедия

Пшеница - (Wheat) Пшеница это широко распространенная зерновая культура Понятие, классификация, ценность и питательные свойства сортов пшеницы Содержание >>>>>>>>>>>>>>> … Энциклопедия инвестора

Европа - (Europe) Европа – это плотнонаселенная высокоурбанизированная часть света названная в честь мифологической богини, образующая вместе с Азией континент Евразия и имеющая площадь около 10,5 миллионов км² (примерно 2 % от общей площади Земли) и … Энциклопедия инвестора

Книги

• Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц. В 3-х томах , . Книга "Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц" представляет собой перевод десятого, дополненного и переработанного издания руководства по болезням птиц, в подготовке которого приняли…
• Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц (количество томов: 3) , Кэлнек Б.У.. Книга "Болезни домашних и сельскохозяйственных птиц" представляет собой перевод десятого, дополненного и переработанного издания руководства по болезням птиц, в подготовке которого приняли…

Пообщалась с профессором Паоло Маккиарини , который вот уже 6 лет успешно занимается трансплантацией человеческих органов, выращенных из стволовых клеток пациента в лаборатории.

Что предсказывали фантасты и пророки

Последние 5 лет исследовательские лаборатории по всему миру активно занимаются выращиванием новых человеческих органов из стволовых клеток пациентов. СМИ пестрят сообщениями о созданных в лабораторных условиях ушах, хрящах, сосудах, коже и даже половых органах. Похоже, совсем скоро производство человеческих «запчастей» приобретет промышленные масштабы, и наступит предсказанная фантастами «эра постчеловека». Эра, которая поставит каждого перед дилеммой: продлить себе жизнь или умереть и остаться бессмертным в генах потомков.

Футурологи предрекали до появления «постчеловека» создание «трансчеловека». Совсем незаметно миллионы землян уже стали «транслюдьми»: это «дети из пробирок», люди с имплантами зубов и донорскими органами. Когда всё это вошло в нашу жизнь, последней цитаделью, которую должны были однажды покорить ученые, стало, пожалуй, выращивание человеческих «запчастей» в лаборатории.

Человечество всегда грезило этим. Классик научной фантастики Артур Кларк не сомневался, что ученые овладеют регенерацией в 21 веке, а его коллега Роберт Хайнлайн писал, что «тело будет чинить само себя - не заращивать раны шрамами, а воспроизводить утерянные органы ». Болгарская провидица Ванга предсказала возможность создания любых органов в 2046, назвав это достижение лучшим методом лечения. Знаменитый француз-прорицатель Нострадамус предсказал до 2015 революционные изменения в науке, в результате которых будут проводить операции с выращенными органами.

Если вы не доверяете пророкам, то вот прогноз от политиков. В 2010 британская The Daily Telegraph опубликовала доклад правительства Великобритании, посвященный профессиям, которые станут самыми востребованными в ближайшее десятилетие и к которым следует готовиться будущим участникам рынка труда. Возглавили список «производители искусственно выращенных органов», а на втором месте оказались «наномедики», которые будут заниматься научными разработками в этой сфере. В той же статье британский министр науки и инноваций Пол Дрейсон заявил, что эти профессии более не относятся к области научной фантастики.

Паоло Маккиарини в лаборатории.

Что сбылось

Мы беседуем в модном нью-йоркском ресторане Lavo. Публика, окружающая нас, и не подозревает, что мой собеседник - историческая личность, чьи научные достижения разглядел в далеком 16 веке королевский астролог Мишель де Нострадамус. Его зовут Паоло Маккиарини. Он первым в мире вырастил человеческий орган из стволовых клеток пациента в лаборатории, а затем успешно имплантировал его.

Профессор Маккиарини родился в Швейцарии в 1958, образование получал в Италии, США и Франции. Владеет пятью языками. Один из пионеров регенеративной медицины в мире. Специалист в области тканевой инженерии и стволовых клеток, он одновременно является ученым-биологом и действующим хирургом-трансплантологом. Возглавляет Центр регенеративной хирургии в шведском Каролинском институте (Комитет этого института определяет лауреатов Нобелевской премии в области физиологии и медицины).

Паоло Маккиарини - обладатель почетных научных наград, автор сотни публикаций в ведущих научных журналах мира, кавалер ордена Итальянской Республики «За заслуги в области науки», новатор и пионер в области выращивания и имплантации трахеи, созданной из стволовых клеток пациента. Этот список регалий рисует портрет недоступного и важного ученого мирового масштаба. Личное общение меняет это представление. Харизматичный и невероятно обаятельный, душа компании, красивый и элегантный, открытый и добрый. Неудивительно, что большинство отчаявшихся когда-то пациентов, которых он после прооперировал, без особых усилий нашли его через Google, введя в поисковик запросы «регенеративная медицина» или «стволовые клетки». У Маккиарини нет ассистентов и помощников - он лично отвечает на письма и ведет переговоры.

В 2008 все мировые СМИ облетела сенсационная новость. Международная группа ученых во главе с профессором Маккиарини провела первую в истории операцию по пересадке пациентке трахеи, выращенной из ее клеток на каркасе в биореакторе.

Трахея - жизненно важный орган. Эта, говоря простым языком, трубка длиной 10-13 см соединяет нос и легкие, а следовательно, обеспечивает дыхание и поступление кислорода в организм. Прежде пересадка трахеи (например, донорской) была невозможна. Так, благодаря Маккиарини, впервые пациенты с травмами, опухолями и другими нарушениями трахеи получили шанс на выздоровление.

На сегодняшний день профессор сделал около 20 операций по пересадке «выращенной» трахеи.

Маккиарини в фокусе США и России

Профессор Маккиарини с каркасом трахеи.

Достижения европейского ученого не остались не замеченными в США. Летом 2014 американская телекорпорация NBC сняла о Маккиарини 2-часовой документальный фильм «A Leap of Faith» («Прыжок веры»), в котором подробно показаны все этапы «выращивания» человеческого органа, снабженные интервью и историями всех пациентов. Создателям картины удалось передать зрителям и бешеный график профессора, который спит в самолетах, накануне трансплантации ночует возле «выращенного» органа, дает мастер-классы и делает сложнейшие операции по всему миру, а также дружит с семьями пациентов, которым, увы, его операция лишь продлила жизнь, но не смогла избавить от первоначальной необратимой болезни.

В фильме объективно затронута и обратная сторона успеха профессора, который пережил волну международной критики за экспериментальные операции на людях. Неоднократно в обществе поднимались вопросы биоэтики. В интервью авторам фильма ученый признался, что такое давление не раз приводило его к мысли бросить всё, но успешные операции возвращали веру. К тому же идею от первой имплантации разделяло почти 25 лет исследований, за которые он выработал свой девиз: «Никогда не сдаваться».

Пристально следила за «выращиванием органов» и Россия. Чтобы не упустить ученого такого калибра, российское правительство выделило в 2011 беспрецендентный грант в размере 150 млн рублей . Осваивать эти деньги Маккиарини предложили на базе Кубанского медицинского университета в Краснодаре.

16 российских специалистов профессор направил на учебу в свой родной Каролинский институт и планирует сделать из них ученых мирового класса. Самому Маккиарини грант позволил не думать о поиске спонсоров и сосредоточиться на спасении жизни пациентов, которых он уже оперирует бесплатно в Краснодаре за счет гранта. Можно сказать, что благодаря профессору Россия создает ведущую в мире лабораторию по созданию человеческих органов.

Все тот же российский грант позволил Маккиарини применить свое ноу-хау для создания уже других органов. Так, полным ходом идут успешные эксперименты по выращиванию сердца крысы, совместно с Техасским институтом сердца планируется вырастить сердце для примата. В процессе - проект по выращиванию пищевода и диафрагмы. И это - только начало новой эры в биоинженерии. В скором будущем технологии должны достичь совершенства, пройти клинические испытания и встать на поток. Тогда больные перестанут умирать, не дождавшись донора, а тем, кому пересадят выращенный из собственных клеток орган, не нужно будет принимать всю жизнь иммуноподавляющие препараты во избежание отторжения.

Фото из архива Паоло Маккиарини

Каркас трахеи “обрастает” стволовыми клетками пациента в биореакторе.

Трахею можно вырастить за 48 часов, сердце - за 3-6 недель

F : Профессор Маккиарини, то, что вы делаете, для простого обывателя звучит фантастически. Например, как вы выращиваете орган отдельно от тела человека?

Если вы думаете, что в лаборатории вырастает целая трахея, - это глубокое заблуждение. На самом деле мы берем каркас определенного органа, изготовленного по размерам пациента из нанокомпозитного материала. Затем засеиваем каркас стволовыми клетками пациента, взятыми из его же костного мозга (клетки-монуклеары) и помещаем в биореактор. В нем клетки «приживаются» (прикрепляются) к каркасу. Полученную основу мы имплантируем на место поврежденной трахеи, и именно там, в теле пациента, в течение нескольких недель формируется необходимый орган.

F : Что такое биореактор? И сколько времени занимает выращивание органа?

Биореактор - это устройство, в котором созданы оптимальные условия для роста и размножения клеток. Он обеспечивает им питание, дыхание, отводит продукты обмена веществ. В течение 48-72 часов каркас обрастает этими клетками, и «выращенная трахея» готова для пересадки больному. А вот для выращивания сердца потребуется 3-6 недель.

F : А как клетки из костного мозга вдруг «превращаются» в клетки именно трахеи после пересадки? Это и есть загадочная «самоорганизация клеток в сложные ткани»?

Основной механизм «превращения» точно еще не изучен, но есть основания полагать, что клетки костного мозга сами изменяют свой фенотип, чтобы стать, например, клетками трахеи. Это преобразование происходит благодаря местным и системным сигналам организма.

F : Бывали ли случаи, когда орган, созданный из клеток самого пациента, все равно отторгался или плохо приживался?

Так как используются собственные клетки пациента, мы ни разу не наблюдали каких-либо отторжений органа после пересадки. Тем не менее, мы зафиксировали развитие реагирующих тканей, которые связаны больше с биомеханикой нового органа, но не клетки.

F : Какие еще органы вы собираетесь выращивать в лаборатории?

В области тканевой инженерии (tissue engineering) мы сейчас работаем над выращиванием диафрагмы, пищевода, легких и сердца для мелких животных и для нечеловекообразных приматов.

F : Какие органы вырастить сложнее всего?

Самое сложное для биоинженеров - вырастить 3D-органы: сердце, печень и почки. Вернее, вырастить их можно, но трудно заставить их выполнять свои функции, вырабатывать необходимые вещества, потому что у этих органов самые сложные функции. Но уже достигнут определенный прогресс, так что рано или поздно этот тип трансплантации, как ожидается, станет реальностью.

F : Но в последнее время стволовые клетки ассоциируются со стимулированием развития рака...

Уже доказано, что местные стволовые клетки могут ускорить процесс развития опухоли, но, главное, они не вызывают рак. Если эта взаимосвязь подтвердится и в других типах опухолей, это поможет ученым разработать лекарства или факторы роста, которые, наоборот, будут атаковать или блокировать рост опухоли. В конечном счете, это может на самом деле открыть дверь к новым средствам лечения рака, которые пока не доступны.

F : Манипуляции со стволовыми клетками пациента в лаборатории до пересадки влияют на качество этих клеток?

В нашей клинической практике такого никогда не было.

F : Читала, что даже выращивание мозга входит в ваши планы. Разве это возможно со всеми нейронами?

Используя достижения в области тканевой инженерии, мы пытаемся разработать мозговое вещество, которое может быть использовано для нейрогенной регенерации в случае утраты мозгового вещества. Вырастить весь мозг, увы, невозможно.

F : Уверена, что многих интересует финансовый вопрос. Сколько стоит, например, вырастить и имплантировать трахею?

Как для меня, так и для моих пациентов спасение жизни и возможность выздоровления важнее всех денег на Земле. Однако мы имеем дело с экспериментальной хирургией, а это дорогостоящий метод лечения. Но наша команда всегда старается смягчить расходы по трансплантации для пациентов. Стоимость сильно варьируется в зависимости от страны. В Краснодаре, благодаря гранту, операция по пересадке трахеи составляет всего $15 тыс . В Италии подобные операции обходились в $80 тыс. , а первые операции в Стокгольме стоили около $ 400 тыс.

F : С внутренними органами все понятно. А есть ли возможность выращивать конечности? Возможна ли пересадка рук, ног?

Пока, к сожалению, нет. Но такие пациенты получили, помимо протезирования, новый метод успешной замены конечностей - с помощью 3D-биопринтера.

Эликсир молодости - внутри каждого из нас

Фото из архива Паоло Маккиарини.

Человеческое сердце и легкое в биореакторе (в процессе “выращивания”).

F : В одном из интервью вы сказали что ваша мечта - навсегда забыть о выращивании и трансплантации органов, заменив ее на инъекции стволовых клеток пациента из его костного мозга для регенерации поврежденных тканей организма. Через сколько лет такой метод станет доступным?

Да, это моя мечта, и мы ежедневно напряженно работаем, чтобы однажды она осуществилась. И, кстати, мы не так уж далеко от цели!

F : Может ли метод использования стволовых клеток помочь обездвиженным людям с травмами позвоночника?

На этот вопрос очень сложно ответить. Многое зависит от пациента, от степени повреждения, от размеров пораженного участка, от времени... Однако лично я считаю, что терапия стволовыми клетками имеет огромный потенциал в этой области.

F : Получается, панацея от всех болезней и эликсир молодости найдены: это - стволовые клетки костного мозга. Рано или поздно метод регенерации любых тканей этими клетками станет доступным и массовым. Что дальше? Люди получат возможность выращивать новые органы, омолаживать дряхлеющие ткани и неоднократно продлять жизнь? Есть ли предел у организма при таких манипуляциях или можно достичь бессмертия?

Думаю, мы не сможем кардинально изменить прекрасные творения природы. На этот вопрос сложно дать прямой ответ, так как в науке еще столько неизвестного. Плюс это будет вызов социальным и этическим вопросам. В будущем возможно всё, но в данный момент наша задача - спасать жизни пациентов, чей единственный шанс - регенеративная медицина.

F : Насколько велика сейчас международная конкуренция в области выращивания органов? Какие страны лидируют в этой сфере?

Если ответить коротко, лидерами станут те страны, которые уже сейчас инвестируют в регенеративную медицину.

F : Планируете ли вы сами лет через 20, например, воспользоваться новыми технологиями для омоложения своего организма?

Скорее всего, нет. Для тех, кто ищет эликсир молодости, предлагаю отбросить все медицинские и научные достижения в сторону. Лучший метод омоложения - это любовь. Любите и будьте любимыми!